專利名稱：激光驅動器回路控制及方法
激光驅動器回路控制及方法
背景技術：
在數(shù)據(jù)通信應用的激光驅動器電路中，通過激光器的正常運行必須的 激光，可產(chǎn)生偏置電流。根據(jù)光電二極管檢測的平均電流可產(chǎn)生偏置電流。 具體地，可使用根據(jù)來自光電二極管的反饋來調(diào)整激光器中的偏置電流的 回路控制，該光電二極管接收由激光器產(chǎn)生的光的至少一部分。由于在電 路的高速啟動和相對低的回路帶寬之間取得的平衡，實現(xiàn)用于提供回路控 制的電路的正確運行可能是困難的。


參考下列附圖可理解本發(fā)明。附圖中的組成部分不 一定依照比例繪 制。此外，在附圖中，相似的參考號表示全部幾幅視圖中相應的部件。
圖1為根據(jù)本發(fā)明的實施方案耦合至激光器的激光驅動器的結構以及
圖2為根據(jù)本發(fā)明的實施方案的圖1的激光驅動器的一部分的示意圖。
具體實施例方式
接著轉向圖1，其示出與激光器系統(tǒng)103進行數(shù)據(jù)通信的激光驅動器
系統(tǒng)103的調(diào)制電流MOD和偏置電流BIAS。由激光器系統(tǒng)103的激光 器產(chǎn)生的一部分輻射射向與激光器系統(tǒng)103相關聯(lián)的光電二極管。光電二 極管響應于此而產(chǎn)生反饋信號FB。為了激光器系統(tǒng)103中激光的最佳性 能，該反饋信號FB應用于激光驅動器電路100,并用來將偏置電流調(diào)節(jié) 或否則維持在恒定的平均電流。
接著參考圖2,其示出根據(jù)本發(fā)明的實施方案的一部分激光驅動器電 路100的一個實施例的示意圖。激光驅動器電路100包括用于產(chǎn)生通過激 光器系統(tǒng)103的激光器113的電流的反饋電路106和激光調(diào)制電路109。
具體地，反饋電路106產(chǎn)生通過激光器113的偏置電流lBias,并且激光調(diào) 制電路產(chǎn)生通過激光器113的調(diào)制電流lM。d。在產(chǎn)生調(diào)制電流lM。d時，激
光調(diào)制電路使激光器113傳輸信號，例如數(shù)據(jù)信號。在各種實施方案中， 激光器113可以用于穿過各種物理媒介例如光纖等的數(shù)據(jù)傳輸。
偏置電流lBias是恒定的平均電流，產(chǎn)生該電流以將激光器113維持在
工作條件下，以便能夠保持在工作狀態(tài)中并有效地傳輸數(shù)據(jù)。在此方面，
為了在任何給定的時間都可用，激光器113始終處于低"運^f亍"狀態(tài)。如 果應用于激光器113的電流下降到低于維持工作狀態(tài)所必須的水平，那么 電流必須應用于激光器113以將它設置或工作狀態(tài)。這在激光器113的運
行中引入不需要的延遲，因為如果激光器113由于偏置電流Ij^的損耗而
完全關閉，那么激光器113—般花費一段相當長的時間來開啟。在數(shù)據(jù)信
息以兆赫茲范圍或者更高頻率傳輸?shù)那闆r下，這樣的延遲費用非常大并且
可能導致數(shù)據(jù)的大量丟失。結果，反饋電路產(chǎn)生應用于激光器113以維持 激光器113在工作狀態(tài)的偏置電流Ij^。
為了產(chǎn)生偏置電流lBias，反饋電路106包括第一鏡像電路116，其接
收來自光電二極管119的輸入并耦合至第一運算放大器123的反向輸入。 正如可認識到的，第一鏡像電路116使用一對MOSFET晶體管。第一鏡 像電路的晶體管中的 一個通過第 一 電阻器R,耦合至電壓源Vcc,并且連接
至運算放大器123的反向輸入。電壓源Vee通過第二電阻器R2耦合至運算
放大器123的非反向輸入。在一個實施方案中，第一電阻器Ri的電阻等 于第二電阻器R2的電阻。如將要討論的，數(shù)字-模擬轉換器(DAC)125耦
合至第二電阻器R2并用于產(chǎn)生參考電流。
第一運算放大器123的輸出應用于電容器充電電路126。電容器充電 電路126包括開關元件129和133。開關元件129和133每個都可以包括 例如實現(xiàn)開關功能的晶體管或其他元件或電路，如可認識到的。開關元件 129耦合至第一運算放大器123的輸出。開關129還耦合至第二鏡像電路 136和穩(wěn)定電容器(stabilizing capacitor)Cs。電容器充電電路126還包括第 二運算放大器139。第二運算放大器139的非反向輸入耦合至第一運算放 大器123的輸出。第二運算放大器139的反向輸入耦合至與穩(wěn)定電容器 Cs和第二鏡像電路136相同的節(jié)點。
第二運算放大器139的輸出耦合至開關元件133。開關元件133還耦 合至相同的節(jié)點，與穩(wěn)定電容器G和第二鏡像電流136所示的一樣。電 容器充電電路126包括充電控制電路143。充電控制電路143耦合至第二 運算放大器139的輸入和第二運算放大器139的輸出以及開關元件133。 充電控制電路143包括耦合至開關元件129和133的控制輸出，其中應用 于開關元件129的控制輸出被反轉。正如將要討論的，充電控制電路143 通過控制輸出來控制開關元件129和133是處于閉合狀態(tài)還是打開狀態(tài)。 正如將要描述的，每當激光驅動器電路100被上電時，充電控制電路143 被重置，使得充電控制電路143可以執(zhí)行其與促進激光驅動器電路100的 快速開啟有關的任務。
當開關元件129閉合時，第一運算放大器123的輸出應用于第二鏡像 電路136。第二鏡像電路136包括耦合至激光器113的輸出節(jié)點。當?shù)诙?鏡像電路136的輸出節(jié)點耦合至激光器113時，第二鏡像電路136產(chǎn)生通 過激光器113的偏置電流lBias，正如將要描述的。
接著，根據(jù)本發(fā)明的各個實施方案描述激光驅動器電路100的運行。 首先，討論在最初的啟動之后出現(xiàn)的激光驅動器電路100的運行，以提供 對激光驅動器電路100的運行的理解，并提供對電容器充電電路126的運 行理解的背景。首先，激光調(diào)制電路和反饋電路106在激光器113中產(chǎn)生 調(diào)制電流lM。d和偏置電流lBias。在響應過程中，激光器113產(chǎn)生激光，其 一部分落入光電二極管119中。在響應過程中，光電二極管119產(chǎn)生應用 于第一鏡像電路116的反饋電流。結果，鏡像電流通過電阻器Ri來產(chǎn)生， 并且電壓V,在第一運算放大器123的反向輸入處產(chǎn)生。
DAC 125將應用于其上的數(shù)字參考值轉換為流過電阻器R2的模擬電 流。DAC 125產(chǎn)生的電流為參考電流。借助于參考電流，電壓V2在第一 運算放大器123的非反向輸入處產(chǎn)生。因此，第一運算放大器123將在其
相應的輸入上觀察到電壓V,和v2。
響應于電壓Vi和V2之間的任何差異，第一運算放大器123產(chǎn)生適當 的輸出。具體地，電壓Vi和V2之間的差異使第一運算放大器123將輸出 偏移得更高或更低，以便消除差異，使得V尸V2，如可認識到的。如果電 壓V！等于V2,則光電二極管119的電流等于由DAC 125產(chǎn)生的參考電流。
因為在正常運行期間開關元件129閉合，第一運算放大器123的輸出 應用于第二鏡像電路136的輸入。第二鏡像電路136響應于此而產(chǎn)生偏置
電流lBias。因此，偏置電流lBias基于來自光電二極管119的反饋而產(chǎn)生。
穩(wěn)定電容器Cs確定反饋回路的穩(wěn)定性。具體地，穩(wěn)定電容器減慢反
饋回路對來自光電二極管119的反饋輸入的響應。為了進一步解釋，偏置 電流基于來自光電二極管119的平均反饋電流。假如激光調(diào)制電路109產(chǎn) 生的調(diào)制電流lM。d包含高速數(shù)據(jù)信號，那么激光器113的輸出將是表示邏 輯"i"和"o"的一系列相對高頻的高電壓和低電壓，如可認識到的。作
為一般的假設，包含在數(shù)據(jù)信號中的數(shù)據(jù)按照常例應代表1和0的相對隨 機化的序列。但是，有時情況可能是，數(shù)據(jù)可以表示在一段時間內(nèi)不對稱 數(shù)量的l或0。如果反饋電路106對來自光電二極管119的平均電流的變
化快速作出反應，那么在這些時間段期間，偏置電流Iu^可能被驅動得過
高或過低，假定偏置電流基于來自光電二極管119的平均電流。
為了保證偏置電流Ij^不被驅動得過高或過低，穩(wěn)定電容器Cs減慢 反饋電路106的響應。因此，偶然時間段的不對稱的數(shù)據(jù)不會引起反饋電
路106驅使偏置電流lBias以不期望的方式改變。
在一個示例性實施方案中，反饋電路106中反饋回路的回路帶寬最大 為300千赫茲，或者如果可能為更低。因此，穩(wěn)定電容器Cs相對較大。 例如，在一個實施方案中，穩(wěn)定電容器Cs可以具有大約47nF的電容，盡 管可以使用更大或更小電容的電容器。雖然穩(wěn)定電容器Cs的相對較大的 電容受益于減慢反饋電流106的響應的觀點，相同的大電容在它達到反饋 電路106的啟動電容時帶來了一個問題，反饋電路106的啟動出現(xiàn)在例如 激光驅動器電路100的初始上電期間。具體地，當功率最初應用于激光驅 動器電路100時，大電容延長了激光驅動電路100用來啟動的時間。
為了進一步解釋，在初始的啟動時，沒有電荷存儲在穩(wěn)定電容器cs
中。因此，在這樣的時刻，第一運算放大器在其輸入上觀察到電壓Vi和
V2之間的明顯差異。在響應過程中，第一運算放大器的輸出偏移得高，
以便盡力使電壓V!和V2彼此相等。如果開關元件129保持閉合，那么第 一運算放大器123產(chǎn)生的電流會對電容器Cs充電。不幸地是，由第一運 算放大器123產(chǎn)生的增益不足以在期望的時間段內(nèi)對穩(wěn)定電容器Cs充電。 例如，在一些應用中，期望激光驅動器電路100在功率被應用于其上的1 毫秒的時間內(nèi)準備完全的運行。
因此，存在著竟爭利害關系。 一方面，期望提供穩(wěn)定電容器G的大 電容，以便產(chǎn)生低如反饋電路106的反饋回路的帶寬。另一方面，較大的 電容不良地延長了激光驅動器電路100的啟動期。
此外，與激光器系統(tǒng)103有關的激光器與光電二極管的比率K可能 帶來額外的困難。具體地，激光器與光電二極管的比率K是光電二極管 電流與通過激光器113的電流的比率。激光器與光電二極管的比率K可 能從一個應用到另一個應用變化很大。例如，在K等于0.1的情況下，則 反饋電路100的開環(huán)增益較高，這使獲得反饋電路106的期望低帶寬更難。 另一方面，在K等于0.001的情況下，開環(huán)增益低得多，因而使獲得短的 啟動期更難。
為了獲得反饋電路106的低帶寬和降低到小于期望最小值的啟動期， 電容器充電電路126被有利地使用。當反饋電路啟動時電容器充電電路 126被觸發(fā)，以在可接受的時間段內(nèi)對穩(wěn)定電容器Cs充電。當穩(wěn)定電容器 Cs上的電荷達到預定的電荷閾值時，電容器充電電路126退出工作。在一 個實施例中，預定的電荷閾值為在穩(wěn)定電容器Cs上獲得的最終電荷的 90%，雖然也可指定任何特定的閾值。借助于第二運算放大器139,電容 器充電電路126配置成增加反饋電路106的反饋回路的增益。當最初啟動 激光驅動器電^各100時，充電控制電3各143配置成^f吏開關元件129打開并 使開關元件133閉合。結果，當電容器充電電路126被觸發(fā)時，第二運算 放大器139耦合到反饋電路106的反饋回路中。在此狀態(tài)下，電容器充電 電路126的輸出應用于穩(wěn)定電容器Cs。當電容器充電電路126退出工作時，
電容器充電電路126的輸出從穩(wěn)定電容器Cs去耦。
當電容器充電電路126被觸發(fā)時，第一運算放大器123的輸出應用于 第二運算放大器139的非反向輸入。此外，穩(wěn)定電容器Cs的一個節(jié)點耦 合至第二運算放大器139的反向輸入。在此方面，當電容器充電電路126 退出工作時，第二運算放大器139的輸入彼此耦合，并且當電容器充電電 路126被觸發(fā)時，第二運算放大器139的輸入去耦。
假如啟動時穩(wěn)定電容器Cs上的電荷可能為零或接近于零(當激光驅動 器電3各100不工作時，開關可以用于對穩(wěn)定電容器C^文電)，以及在第一 運算放大器123的輸出上的電壓由于電壓Vi和V2之間的差異而偏移得 低，那么在第二運算放大器139的輸入上遭受相當大的電壓差異。在響應 過程中，第二運算放大器139的輸出改變以便補償，從而試圖消除在其輸 入上觀察到的電壓差異。在一個實施方案中，假如在第二運算放大器的輸 入處觀察到的電壓差異相當高，第二運算放大器139的輸出可以偏移至低 電壓，并且將接收恒定的電流。因為在啟動期期間開關元件133閉合，第 二運算放大器139的輸出對穩(wěn)定電容器G充電。因此，當電容器充電電 路126被觸發(fā)時，電容器充電電路126的輸出應用于穩(wěn)定電容器Cs，并且 當電容器充電電路126退出工作時，電容器充電電路126的輸出從穩(wěn)定電 容器Cs去耦。
在一個實施方案中，第二運算放大器139包括電流控制的電流源，其 在輸出處提供一直到預定最大電流。因此，它用來給穩(wěn)定電容器Cs充電 一直到預定電壓閾值的時間可能取決于第二運算放大器139的最大電流 輸出。在此方面，根據(jù)對穩(wěn)定電容器Cs充電的期望時間可選擇第二運算 放大器139,以便最大化電流輸出。
在啟動期期間，充電控制電路143比較在其兩個輸入處觀察到的電 壓。充電控制電路143配置成檢測穩(wěn)定電容器Cs的電壓何時等于預定閾 值。在一個實施方案中，閾值為在穩(wěn)定電容器Cs上觀察到的最大電荷的 90%,盡管也可以指定其他閾值。 一旦穩(wěn)定電容器Cs上的電壓達到閾值， 充電控制電路143就使開關元件129閉合并使開關元件133打開。這種狀 態(tài)被維持，直到激光驅動器電路被重置。其后，反饋電路106開始正常運
行。
借助于電容器充電電路126,反饋電路106提供了顯著的優(yōu)點。具體 地，可以規(guī)定穩(wěn)定電容器Cs具有大電容，使得反饋電路106中的反饋回 J洛的帶寬相對低。同時，它用來對穩(wěn)定電容器Cs充電的時間也相對短。
盡管對于某些實施方案顯示并描述了本發(fā)明，顯然，當閱讀和理解本 說明書時，本領域的技術人員會想到等效和修改形式。本發(fā)明包括所有這 樣的等效和修改形式，且只被權利要求的范圍限制。
權利要求
1.一種用于偏置激光器的系統(tǒng)，其包括反饋電路，其在激光器中產(chǎn)生偏置電流；穩(wěn)定電容器，其耦合至所述反饋電路，所述穩(wěn)定電容器減慢所述反饋電路對反饋輸入的響應；以及電容器充電電路，其包括在所述反饋電路中，當所述反饋電路啟動時所述電容器充電電路被觸發(fā)以對所述穩(wěn)定電容器充電，當所述穩(wěn)定電容器上的電荷達到預定電荷閾值時，所述電容器充電電路退出工作。
2. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電容器充電電路還包括 運算放大器，當所述電容器充電電路被觸發(fā)時，所述運算放大器耦合到所 述反饋電路的回路中。
3. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電容器充電電路配置成 增加所述反饋回路的增益。
4. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述預定電荷閾值包括應用 于所述穩(wěn)定電容器的最大電壓輸入的90%。
5. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，當所述電容器充電電路被觸 發(fā)時，所述電容器充電電路的輸出應用于所述穩(wěn)定電容器，以及當所述電 容器充電電路退出工作時，所述電容器充電電路的輸出從所述穩(wěn)定電容器 去耦。
6. 根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述電容充電電路還包括具 有第一輸入和第二輸入的運算放大器，其中，當所述電容器充電電路退出 工作時，所述第一和第二輸入彼此耦合，以及當所述電容器充電電路被觸 發(fā)時，所述第一和第二輸入去耦。
7. —種用于偏置激光器的方法，其包括步驟 利用反饋電路來在激光器中產(chǎn)生偏置電流；通過將穩(wěn)定電容器耦合至所述反饋電路來減慢所述反饋電路對反饋 車餘入的響應；以及利用所述反饋電路中的電容器充電電路，在所述反饋電路的啟動期間 對所述穩(wěn)定電容器充電。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其還包括步驟當利用所述電容器 充電電路在所述反饋電路的所述啟動期間對所述穩(wěn)定電容器充電時，將運 算放大器耦合到所述反饋電路的回路中。
9. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，在所述反饋電路的所述啟動 期間對所述穩(wěn)定電容器充電的所述步驟還包括步驟增加所述反饋回路的 增益。
10. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，在所述反饋電路的所述啟動 期間對所述穩(wěn)定電容器充電的所述步驟還包括步驟當所述反饋電路啟動 時，將所述穩(wěn)定電容器充電一直到預定電荷闊值。
11. 根據(jù)權利要求10所述的方法，其中，所述穩(wěn)定電容器被充電一 直到應用于所述穩(wěn)定電容器的最大電壓輸入的90%。
12. 根據(jù)權利要求7所述的方法，其還包括步驟當所述電容器充電電路被觸發(fā)時，將所述電容器充電電路的輸出應用 于所述穩(wěn)定電容器；以及當所述電容器充電電路退出工作時，將所述電容器充電電路的輸出從 所述穩(wěn)定電容器去耦。
13. 根據(jù)權利要求12所述的方法，其中，所述電容器充電電路還包 括具有第一輸入和第二輸入的比較器，所述方法還包括步驟在運行的第二狀態(tài)中將所述第 一和第二輸入彼此耦合；以及在運行的第 一狀態(tài)中將所述第 一和第二輸入去耦。
14. 一種用于偏置激光器的系統(tǒng)，其包括 反饋電路，其在激光器中產(chǎn)生偏置電流；穩(wěn)定電容器，其耦合至所述反饋電路，所述穩(wěn)定電容器減慢所述反饋 電路對反饋輸入的響應；以及當所述反饋電路啟動時用于通過給所述反饋電路增加增益 一段時間 來對所述穩(wěn)定電容器充電的裝置，其中，所述穩(wěn)定電容器由所述反饋電路 以平均的第 一速率充電而沒有所述增加增益，以及所述穩(wěn)定電容器以平均 的第二速率充電并具有所述增加增益，其中，所述平均的第二速率大于所 述平均的第一速率。
15. 根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，用于對所述穩(wěn)定電容器充 電的所述裝置還包括運算^:大器，當所述反饋電路啟動時，所述運算放大 器耦合到所述反饋電路的回路中 一段時間。
16. 根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，當所述反饋電路啟動時， 用于對所述穩(wěn)定電容器充電的所述裝置使所述穩(wěn)定電容器充電一直到預 定電荷閾值。
17. 根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，用于對所述穩(wěn)定電容器充 電的所述裝置使所述穩(wěn)定電容器充電一直到應用于所述穩(wěn)定電容器的最 大電壓llT入的90%。
18. 根據(jù)權利要求14所述的系統(tǒng)，其中，當所述電容器充電電路被 觸發(fā)時，用于對所述穩(wěn)定電容器充電的所述裝置產(chǎn)生應用于所述穩(wěn)定電容 器的輸出。
19. 根據(jù)權利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述電容器充電電路還包 括具有第一輸入和第二輸入的運算放大器，其中，當所述電容器充電電路 退出工作時，所述第一和第二輸入彼此耦合，以及當所述電容器充電電路 凈皮觸發(fā)時，所述第一和第二輸入去耦。
全文摘要
提供了各種用于偏置激光器的系統(tǒng)和方法。在一個實施例中，反饋電路在激光器中產(chǎn)生偏置電流。穩(wěn)定電容器耦合至反饋電路，穩(wěn)定電容器減慢反饋電路對反饋輸入的響應。電容器充電電路包含在反饋電路中。當反饋電路啟動時，電容器充電電路被觸發(fā)以對穩(wěn)定電容器充電。其后，當穩(wěn)定電容器上的電荷達到預定電荷閾值時，電容器充電電路退出工作。
文檔編號H01S3/00GK101366151SQ200680020737
公開日2009年2月11日 申請日期2006年6月2日 優(yōu)先權日2005年6月9日
發(fā)明者杰羅姆·蓋爾茨 申請人:邁恩斯比德技術股份有限公司