專利名稱：激光器控制方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以調(diào)節(jié)激光器的方法及其裝置，尤其涉及用以調(diào)節(jié)激光二極管的方法及其裝置。
早在60年代就首次發(fā)現(xiàn)了由GaAs半導(dǎo)體二極管激光器所作的模擬發(fā)射。在這些年中，半導(dǎo)體二極管激光器(激光二極管)以其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，一直統(tǒng)治著激光領(lǐng)域。它在新增加的大量應(yīng)用中，特別在光纖通信和光學(xué)數(shù)據(jù)存貯器中已成為一種關(guān)鍵性元件。這一成功是由于半導(dǎo)體激光器可以簡(jiǎn)單地在與其它集成電路兼容的電壓和電流值上由通過其中的電流所激發(fā)，并由于其可以在20GHz以上的頻率范圍直接調(diào)制。激光二極管之所以能方便地使用，還在于其能采用例如與電子線路一樣的光刻工藝大批量生產(chǎn)，還在于其能與那些電路單片集成。
然而，激光二極管并非沒有缺點(diǎn)。例如，當(dāng)工作溫度變化時(shí)，激光二極管典型地呈現(xiàn)明顯的非線性特性。這樣，在工作溫度變化期間，激光二極管的光輸出強(qiáng)度就很難調(diào)節(jié)。而且，眾所周知，激光二極管在工作一定時(shí)間后，即隨著激光二極管的老化，其發(fā)射的光功率呈現(xiàn)相當(dāng)大的變化。
為了減輕這些變化的程度，必須對(duì)輸出的光功率提供調(diào)節(jié)。已知的方法是在連續(xù)工作的條件下，調(diào)節(jié)激光二極管所發(fā)出的光功率，其中，將表示光功率的電信號(hào)與對(duì)應(yīng)于基準(zhǔn)功率的基準(zhǔn)電信號(hào)進(jìn)行比較。這些步驟包括如果合適時(shí)用以產(chǎn)生誤差信號(hào)的手段，以及當(dāng)這樣一種誤差信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，用以自動(dòng)修正激光二極管工作條件的手段。
典型地，現(xiàn)有技術(shù)的自動(dòng)功率控制提供一個(gè)近似設(shè)置在激光二極管閥值電流的偏置電流。采用該方式，當(dāng)脈沖電流加到偏置電流上時(shí)，激光二極管可有效地在對(duì)應(yīng)于脈沖電流波形的高、低光輸出強(qiáng)度之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。所提供的偏置電流可以受控地大致變化到激光二極管的閥值電流，尤其當(dāng)閥值電流的變化因相應(yīng)激光二極管的工作溫度變化而產(chǎn)生時(shí)更是如此。
為了清楚地和易于了解上述內(nèi)容，以下將對(duì)一種典型的數(shù)字光纖通信系統(tǒng)以及該系統(tǒng)中所用激光二極管和專用調(diào)節(jié)器所起的作用進(jìn)行討論。
典型的數(shù)字光纖通訊系統(tǒng)在一端有一個(gè)發(fā)射器，在另一端有一個(gè)接收器。在發(fā)射器和接收器之間是光纖接觸件，接頭和光纖。發(fā)射器是一種電-光接口，它包括放大器、激光二極管和幾種用以將激光二極管維持在同一工作點(diǎn)的調(diào)節(jié)器或電路。接收器是一種光-電接口，它包括光電二極管(通常采用PIN管或雪崩光電二極管(APD)類型)、放大器和時(shí)鐘恢復(fù)電路。
在數(shù)字光纖系統(tǒng)中，重要的是擁有盡可能好的功率余量。功量余量為光學(xué)功率的上限與下限之差。這些光學(xué)功率的上下限典型地由接收器設(shè)置。其中，上限取決于放大器因過載而產(chǎn)生的失真，下限通常稱為靈敏度，主要取決于前置放大器的噪聲。
其上限給出了當(dāng)光信號(hào)在接觸件、接頭和光纖中沒有衰減時(shí)，發(fā)射器的最大輸出。其下限表明來自發(fā)射器的光信號(hào)在通過大量接觸件、接頭和數(shù)公里長(zhǎng)的光纖，經(jīng)衰減后必須保留的功率。上限和下限定義了功率預(yù)算?？梢哉J(rèn)為，光信號(hào)通路中的每一個(gè)元件都能引起其衰減或損失，在光路的功率預(yù)算被耗盡前，任何光路中只可以包含限量的接觸件或接頭，或限量無度的光纖。這種功率預(yù)算也可能由發(fā)射器和接收器終端中的容限而降低。發(fā)射器端的容限取決于光輸出功率的調(diào)節(jié)量。上述各種關(guān)系和損失均按dBm計(jì)量，其中，首先接頭的損失和衰減定義為10×log(pin/pout)dBm。
如前所述，激光二極管是一種非線性元件，其性能在很大程度上取決于工作溫度和老化程度。為了合適地工作，必須工作于二極管的拐點(diǎn)以上。如果工作點(diǎn)位于拐點(diǎn)之下，二極管將延時(shí)導(dǎo)通并產(chǎn)生振鈴效應(yīng)，這種情況可以允許，但只能局限于很小的量。最大與最小光輸出功率之比、消光比應(yīng)當(dāng)盡可能高，但受到最大平均功率和最大導(dǎo)通延遲時(shí)間的限制。調(diào)節(jié)器必須盡可能好地調(diào)整工作點(diǎn)，以對(duì)溫度和老化延遲期進(jìn)行補(bǔ)償。通常認(rèn)為，理想值與實(shí)際值之間的任何失配均會(huì)減少功率預(yù)算。
調(diào)節(jié)激光器最常用方法之一是通過一種可調(diào)珀耳帖元件使激光二極管工作在恒定溫度下。這種調(diào)節(jié)器含有兩個(gè)調(diào)節(jié)環(huán)，一個(gè)用于珀耳帖元件，另一個(gè)用于平均功率調(diào)節(jié)。輸出功率調(diào)節(jié)器用監(jiān)控pin二極管感知平均光輸出功率，并調(diào)整偏置電流以補(bǔ)償因老化而增高的Ith或閥值電流。在這種情況下，在有效范圍內(nèi)變化是相當(dāng)小的。這種調(diào)節(jié)作用較好，但實(shí)施起來較為昂貴，需要較高的功耗，(2瓦功耗用于溫度調(diào)節(jié))，要求冷卻并浪費(fèi)空間。而且，這種珀耳帖元件不象激光二極管那樣可靠。
如上所述，有若干替換方法可調(diào)節(jié)激光器而不用溫度調(diào)節(jié)。這種方法之一就是僅作平均功率調(diào)節(jié)。這種方法采用恒定的調(diào)制電流和簡(jiǎn)單的偏置電流調(diào)節(jié)。這種方法需要損失5-6dBm用于PIN接收器。甚至以更高的代價(jià)用于APD接收器。
另一種方法，稍微復(fù)雜一些，就是用一種適用于調(diào)制電流的簡(jiǎn)單的正向饋電調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)平均功率調(diào)節(jié)器。通過檢測(cè)溫度和預(yù)估激光二極管的調(diào)制電流，可以補(bǔ)償斜度效率的變化。這種方法非常簡(jiǎn)單，但傳感元件與激光器性能之間要求匹配，且并不補(bǔ)償老化。這種方法以雙倍的dBm為代價(jià)。
第三種方法是如上所述調(diào)節(jié)平均功率，并通過某種低頻調(diào)制的光功率調(diào)節(jié)調(diào)制功率。光輸出功率用一種低頻信號(hào)調(diào)制，該信號(hào)的幅度為數(shù)據(jù)信號(hào)幅度的10%或更小，因此，可以將它看作為加在信號(hào)上的低頻(LF)紋波。調(diào)制可以通過偏置電流實(shí)現(xiàn)，并使最大和最小光信號(hào)值變化。如果調(diào)制完全在拐點(diǎn)以上進(jìn)行，那么對(duì)于最大和最小功率而言，這些變化將是相同的，但如果偏置電流減小，接近于拐點(diǎn)或稍微略低于拐點(diǎn)，則最小輸出功率變化將受到抑制。這種低頻信號(hào)的變化將由監(jiān)控器記錄和濾去，并用以與平均功率信號(hào)一起調(diào)節(jié)。該第三種方法大約以低頻調(diào)制所引起的一個(gè)dBm為代價(jià)。此外，這種方法的調(diào)節(jié)只能在接近拐點(diǎn)的位置工作，以作為合適的調(diào)節(jié)。某些時(shí)候，最佳工作點(diǎn)可以在該范圍之外。
本發(fā)明通過提供一種用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足。根據(jù)本發(fā)明描述的裝置，包括用以接收激光二極管一部分光輸出和傳送其幅度表示激光二極管光輸出的平均輸出強(qiáng)度的第一信號(hào)的第一裝置;用以接收激光二極管的一部分光輸出和傳送其幅度表示激光二極管光輸出的峰值輸出強(qiáng)度的第二信號(hào)的第二裝置;用以將第一信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)比較，并調(diào)節(jié)平均輸出強(qiáng)度以保持實(shí)際穩(wěn)定的第三裝置;以及用以將第二信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)比較，并調(diào)節(jié)峰值輸出強(qiáng)度以保持實(shí)際穩(wěn)定的第四裝置。
本發(fā)明的實(shí)施例還可以包括可操作完成數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)，例如D-鎖定。
第一裝置和第三裝置有效地形成一個(gè)平均功率調(diào)節(jié)環(huán)，第二和第四裝置有效地形成一個(gè)峰值功率調(diào)節(jié)環(huán)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，平均功率調(diào)節(jié)環(huán)和峰值功率調(diào)節(jié)環(huán)可以按相同的預(yù)定時(shí)間常數(shù)運(yùn)行。
在根據(jù)本發(fā)明描述的裝置中，第三裝置可以包括調(diào)制調(diào)節(jié)器和/或第四裝置可以包括偏置調(diào)節(jié)器。此外，根據(jù)本發(fā)明描述的裝置可以包括激光器和/或數(shù)據(jù)故障報(bào)警器。更進(jìn)一步，根據(jù)本發(fā)明描述的裝置可以包括一窄帶通道和一寬帶通道。
根據(jù)本發(fā)明的描述，用以控制在光通信系統(tǒng)中用以周期性發(fā)送數(shù)據(jù)的激光二極管的光輸出強(qiáng)度的方法，其中，激光二極管接收來自脈沖電流源和偏置電流源的電流，包括接收激光二極管的部分光輸出和傳送其幅度表示激光二極管光輸出的平均輸出強(qiáng)度的第一信號(hào);接收激光二極管的部分光輸出和傳送其幅度表示激光二極管光輸出的峰值輸出強(qiáng)度的第二信號(hào);將第一信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)作比較并調(diào)節(jié)平均輸出強(qiáng)度，以此保持實(shí)際穩(wěn)定;以及將第二信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)比較并調(diào)節(jié)峰值輸出強(qiáng)度，以此保持實(shí)際穩(wěn)定的步驟。
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種對(duì)所發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)的直流不平衡性并不敏感的激光器驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種在其調(diào)節(jié)環(huán)中利用相對(duì)較小時(shí)間常數(shù)的激光器驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明還有一個(gè)目的在于提供一種其中能抑制工藝、溫度和電源變化的激光器驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明的再一個(gè)目的在于提供一種可以在偏置上下方便地選擇工作點(diǎn)的激光器驅(qū)動(dòng)器。
本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新的特征將在以下結(jié)合附圖得到更為詳細(xì)的描述。


圖1描述了一種典型的GaAs/Gal-xAlxAs激光器;
圖2描述了如圖1所示的激光器中，在大的正向偏置之下的導(dǎo)帶和價(jià)帶邊沿;
圖3描述了與圖2有關(guān)的折射率分布和光場(chǎng)(基模)分布曲線;
圖4是說明以溫度變化和老化為基礎(chǔ)的典型的激光二極管的特性曲線;
圖5是說明在調(diào)制激光二極管中所包含的各種可變的曲線;
圖6是根據(jù)本發(fā)明描述的一個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)器的方塊圖。
現(xiàn)在參照附圖尤其是圖1中的激光二極管10，在以上幾張圖中，相同或類似的元件用相同的參見號(hào)標(biāo)明。以下將略為詳細(xì)地討論激光二極管10，以便于了解本發(fā)明的激光二極管控制方法和裝置。
本領(lǐng)域中的熟練人員都知道，在p-n二極管的結(jié)區(qū)附近用適中的電流密度可以達(dá)到半導(dǎo)體為獲得增益所需的高載流子濃度。最重要一類的半導(dǎo)體二極管激光器是以Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的。一個(gè)系統(tǒng)是以GaAs和Gal-xAlxAs為基礎(chǔ)的。在這種情況下，有源區(qū)是GaAs或Gal-xAlxAs。下標(biāo)X表示GaAs中被Al替代的Ga原子的部分，所形成的激光發(fā)射(取決于有源區(qū)的體積克分子分?jǐn)?shù)X及其攙雜)具有約0.075和0.88微米之間的波長(zhǎng)。這種光譜區(qū)域?qū)τ诠饫w中的短程(＜2km)光通信是很合適的。
第二種系統(tǒng)利用Gal-xInxAsl-yPy作為其有源區(qū)。激光發(fā)射在1.1至1.6微米頻率的光譜區(qū)域，取決于X和Y。位于1.55微米附近的光譜區(qū)域尤為合適，因?yàn)樵谶@一波長(zhǎng)光在光纖中的損耗僅有0.15dB/km那樣小，故非常適合于長(zhǎng)距離高速數(shù)據(jù)光通信。
現(xiàn)在重點(diǎn)參見圖1，圖中表示普通的GaAs/Gal-xAlxAs激光二極管10。該激光二極管10具有較簿的GaAs區(qū)(0.1-0.2微米)，夾在攙雜類型相反的兩個(gè)Gal-xAlxAs區(qū)域14，16之間，由此形成兩個(gè)異質(zhì)結(jié)。圖2所示圖形有助于解釋采用此種結(jié)構(gòu)的理由。如上述圖面說明中簡(jiǎn)短說明的，圖2表示在一個(gè)處于完全正偏置的典型的異質(zhì)結(jié)二極管中的導(dǎo)帶和價(jià)帶邊沿，(分別以參照號(hào)18和20表示)。在此結(jié)構(gòu)中，關(guān)鍵的要素就是高度為△Ec22的電子勢(shì)阱的形成，它在空間上與高度為△Ev24的空穴勢(shì)阱重疊在一起。禁帶寬度的不連續(xù)性是由于其Gal-xAlxAs對(duì)Al體積克分子分?jǐn)?shù)X的依賴性。在eVa-Eg的正向偏置下，阱中大密度注入電子(從n面)和空穴(從p-面)使該區(qū)域反轉(zhuǎn)條件得到滿足，由此，滿足下列等式的頻率的輻射在阱內(nèi)被放大EFC-EFV＜
ω發(fā)生受激發(fā)射的GaAs內(nèi)層被稱為有源區(qū)。為了得到最大增益，必須盡可能緊密地將光約束在有源區(qū)，因?yàn)楣庠谠搮^(qū)域外部傳播不能產(chǎn)生受激發(fā)射，這樣就不能提高增益。這一限制是因介電波導(dǎo)效應(yīng)而引起的，由于半導(dǎo)體的禁帶寬度降低引起折射率的增高這一事實(shí)，故Gal-xAlxAs/GaAs/Gal-xAlxAs夾層起到了介電波導(dǎo)的作用，其中，形式上能量集中在有源區(qū)內(nèi)。典型異質(zhì)結(jié)激光器的折射率分布和形式能量分布圖如圖3所示。依賴于X的折射率為△n，它約等于-0.7X。
現(xiàn)在參見圖4，圖4表示典型激光二極管的工作特性，這一特性已在上述有關(guān)內(nèi)容中作了描述。圖4表示隨著環(huán)境溫度增高和/或激光二極管的老化，激光二極管閾值電流的增高以及斜率(dp/dI)的減小。
如前所述，圖5表示在激光二極管調(diào)制中所包含的若干可變曲線。圖5中，Ibias表示偏置電流，Imod表示調(diào)制電流。Pmax為最大光功率或峰值功率。同樣如上述有關(guān)內(nèi)容所描述的，消光率為Pmax/Pmin。
現(xiàn)在參見圖6，圖6表示根據(jù)本發(fā)明描繪的一個(gè)激光器驅(qū)動(dòng)器40。驅(qū)動(dòng)器40包括相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)驅(qū)動(dòng)器較為簡(jiǎn)單的硬件，但進(jìn)一步允許在單塊芯片上集成較多的功能。虛線42用以標(biāo)明集成電路的邊界，根據(jù)本發(fā)明的集成電路(以下將作詳細(xì)討論)包括大電流輸出級(jí)、控制環(huán)以及維護(hù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該驅(qū)動(dòng)器還包括寬帶和窄帶特征。
關(guān)于驅(qū)動(dòng)器40的數(shù)據(jù)/HH接口，數(shù)據(jù)輸入信號(hào)D1/ND1(分別為正確/不正確)被示出，并在圖6中以參照號(hào)44和46表示。同樣，時(shí)鐘輸入信號(hào)CK/NCK(分別為正確/不正確)被示出，并在圖6中以參照號(hào)48和50表示;監(jiān)控器輸入MI/NMI(其最大輸入電流為1MA)被示出，并在圖6中以參照號(hào)52和54表示。數(shù)據(jù)/HF接口輸出包括激光二極管輸出信號(hào)LDO，激光二極管輸出反向信號(hào)NLDO以及保持環(huán)AI實(shí)際的和反向的輸出LAI和NLAI。上述輸出信號(hào)均被示出，并在圖6中分別以參照號(hào)56、58、60和62表示。
關(guān)于控制和Y一接口信號(hào)，有兩個(gè)基本橫擬輸入信號(hào)加到驅(qū)動(dòng)器40。它們是用作調(diào)制信號(hào)的光功率基準(zhǔn)OPRM以及用作偏置信號(hào)的光功率OPRB。OPRM信號(hào)提供了一個(gè)基準(zhǔn)輸入用以調(diào)節(jié)光輸出功率的調(diào)制值，即在光信號(hào)為“1”和光信號(hào)為“0”之間的差值。另一方面，OPRB信號(hào)提供了一基準(zhǔn)輸入，用以調(diào)節(jié)光輸出功率的平均值。OPRM信號(hào)和OPRB信號(hào)都已示出，再在圖6中分別以參照號(hào)64和66表示。
還有若干外部輸入加到驅(qū)動(dòng)器電路40。通常，這些輸入是用于測(cè)試目的的。通過這些輸入，可以改變內(nèi)部基準(zhǔn)值。驅(qū)動(dòng)器電路40中的各內(nèi)部基準(zhǔn)都有其缺省值;然而，如果需要，這些缺省值可以通過附加外部基準(zhǔn)電流而改變。帶外部基準(zhǔn)輸入的每個(gè)內(nèi)部基準(zhǔn)源都以同樣的方式工作。如果外部基準(zhǔn)輸入為低(例如低于-4V)，則使用缺省值。如果電流加到輸入，則將變?yōu)楦?例如-4V以上)。這將有效地切斷內(nèi)部基準(zhǔn)源并實(shí)現(xiàn)外部電流的鏡象，用作新的內(nèi)部基準(zhǔn)。
上述四個(gè)外部輸入為SRC1，SRC2，IRD和IRMB。SRC1和SRC2可以被連接到Y(jié)一接口，如果需要，并可以在TR模塊外進(jìn)行外部調(diào)節(jié)。SRC1和SRC2可有效地用于壓擺率的控制。SRC1和SRC2提供基準(zhǔn)輸入用以控制激光輸出信號(hào)的正負(fù)斜率，如果缺省值不充分，可使用于每一過程的信號(hào)最佳化。不必將SRC1和SRC2信號(hào)直接連接到Y(jié)接口，那些信號(hào)可以在TR模塊上直接調(diào)節(jié)。用于SRC1的缺省值可約為100μA。SRC2的缺省值可約為調(diào)制器電流的0.4%。
重要的是應(yīng)注意，上述同時(shí)所論及的SRC1和SRC2信號(hào)僅構(gòu)成本發(fā)明某些實(shí)施例的某些方面。本發(fā)明的其它實(shí)施例，不用SRC1和/或SRC2信號(hào)和/或如上所述那些信號(hào)也是可能的。例如，在本發(fā)明精密設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)施例中，上述信號(hào)SRC1和SRC2由標(biāo)為IRRC的一單個(gè)信號(hào)所取代，該信號(hào)能完成上述SRC1和SRC2的功能。這種變換應(yīng)被理解為屬于本發(fā)明所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。
IRD和IRMB信號(hào)只能在子模塊上作內(nèi)部調(diào)節(jié)。IRD信號(hào)提供了用于電流和檢測(cè)器電路的基準(zhǔn)輸入。用于IRD信號(hào)的缺省值可約為10μA。IRMB信號(hào)為積分器電路、調(diào)制區(qū)和偏置區(qū)中的電流提供了基準(zhǔn)輸入。用于IRMB信號(hào)的典型缺省值可約為10μA。
FC1和FC2為頻率補(bǔ)償連接頭。這些連接頭是用作低速監(jiān)控器PIN二極管的補(bǔ)償。監(jiān)控器信號(hào)的峰值將取決于數(shù)據(jù)信號(hào)中的頻譜。這樣，當(dāng)交替處于監(jiān)控器PIN二極管帶寬周圍或之上的不同頻譜時(shí)，就在光輸出電平中形成了關(guān)系曲線。這一關(guān)系曲線部分可通過在FC1和FC2之間連接一個(gè)電感器而加以補(bǔ)償。這一電感器的一實(shí)例數(shù)值可約為50nH。在制造過程中或通過簡(jiǎn)單地在兩壓腳之間跨接也可以省去這種補(bǔ)償。
本發(fā)明人已提出了一種替換方法用于這種帶寬補(bǔ)償。可以將一外部輸入即BWC(帶寬控制)加到電路上。這種輸入可以通過放大器96控制數(shù)據(jù)基準(zhǔn)信號(hào)的帶寬，這樣，來自電路96的輸出信號(hào)看上去似乎與來自監(jiān)控放大器97的輸出信號(hào)相同。這一功能可以為電路增加有用帶寬區(qū)域，形成合適的調(diào)節(jié)，甚至在監(jiān)控器二極管中存在帶寬限制也不例外。
至于數(shù)字輸入，有若干信號(hào)已作了適當(dāng)?shù)脑u(píng)述。討論中，CMOS電平為-5V，這樣，高電平(H)等于OV，低電平(L)等于-5V。閉環(huán)Al或CLA1信號(hào)72通過使環(huán)A1輸出而關(guān)閉環(huán)A1。H等于所連接的環(huán)A1。電源下降或PD信號(hào)74為電源下降指令輸入。對(duì)于該P(yáng)D信號(hào)而言，高即等于電源下降。選擇窄帶模式或SNBM信號(hào)76，可將激光器驅(qū)動(dòng)器40設(shè)置在窄帶傳輸模式。對(duì)于這種信號(hào)，高就相等于能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)激光器驅(qū)動(dòng)器工作于窄帶傳輸模式時(shí)，窄帶數(shù)據(jù)輸入或NNBDI信號(hào)78即為負(fù)的窄帶數(shù)據(jù)輸入。相反，CMOS電平適用于-5V。輸入為高無光輸出功率。對(duì)于根據(jù)本發(fā)明描述的上述驅(qū)動(dòng)器40中的PD、SNBM和NNBDI信號(hào)，可以采用以下真值表真值表PDSNBMNNBDIHLX電源下降模式HHX窄帶工作模式LXX寬帶工作模式時(shí)鐘啟動(dòng)或CKE信號(hào)80能對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)計(jì)時(shí)。對(duì)于CKE信號(hào)，“高”相當(dāng)于計(jì)時(shí)數(shù)據(jù)。如有必要，NADC信號(hào)82將外電容加到檢測(cè)器電路中的峰值檢測(cè)器?！暗汀眲t提供外電容，這可以通過跨接線連接到副載頻上。
兩個(gè)數(shù)字輸入信號(hào)是負(fù)的激光器失效報(bào)警或NLFA信號(hào)84和負(fù)的激光器數(shù)據(jù)失效報(bào)警或NLDFA信號(hào)86。如果在監(jiān)控器中未檢測(cè)到光功率，則NLFA信號(hào)84報(bào)警。對(duì)于這一信號(hào)，“低”相當(dāng)于報(bào)警。當(dāng)數(shù)據(jù)輸入端無電流數(shù)據(jù)時(shí)，NLDFA信號(hào)86報(bào)警。對(duì)于該信號(hào)，“低”意味著報(bào)警。
驅(qū)動(dòng)器40具有5個(gè)測(cè)試點(diǎn)，靠近驅(qū)動(dòng)器芯片，用以測(cè)試連接外部補(bǔ)償元件中的內(nèi)部信號(hào)。這5個(gè)測(cè)試點(diǎn)分別標(biāo)為TPM、TPB、CTS、TP1和TP2。其中，TPM測(cè)試點(diǎn)88用于測(cè)試點(diǎn)調(diào)制;TPB測(cè)試點(diǎn)90用于測(cè)試點(diǎn)偏置。TPM和TPB都用以調(diào)節(jié)電壓。這些測(cè)試點(diǎn)允許對(duì)光信號(hào)作外部調(diào)節(jié)，通過作用于這些測(cè)試點(diǎn)，有可能取代內(nèi)在調(diào)節(jié)。如果必須增加積分器中的時(shí)間常數(shù)，可以將外部電容器連接到這些測(cè)試點(diǎn)上。CTS測(cè)試點(diǎn)92與芯片溫度有關(guān)，溫度傳感元件94與該測(cè)試點(diǎn)92發(fā)生聯(lián)系。在本發(fā)明激光器驅(qū)動(dòng)器40的實(shí)施例中，可以將若干溫度傳感器設(shè)置在芯片上的不同位置。這些傳感器一次可選用一個(gè)，并連接到輸出CTS。這些傳感器可以由信號(hào)NNBDI和SNBM選擇。TP1和TP2為光測(cè)試點(diǎn)。
就功能而言，激光二極管驅(qū)動(dòng)器40由六個(gè)部分組成數(shù)據(jù)定時(shí)和信號(hào)通道;調(diào)制調(diào)節(jié)器;偏置調(diào)節(jié)器;調(diào)制器;管理部分以及用于以低位速率所進(jìn)行的傳輸即以每秒大約200千比特速率的窄帶傳輸?shù)牟糠?。一般，在本發(fā)明的實(shí)施例中，窄帶調(diào)制工作在0至幾兆位/秒的范圍內(nèi)，寬帶調(diào)制工作在兆位/秒至千兆位/秒的范圍內(nèi)。以下將分段對(duì)上述這些部分逐一加以描述。
數(shù)據(jù)定時(shí)和信號(hào)通道包括用以對(duì)輸入數(shù)據(jù)定時(shí)的D鎖存器。該通道進(jìn)一步包括用于備用輸出端即環(huán)A1輸出的驅(qū)動(dòng)器。備用輸出端可由控制信號(hào)控制。一般，該通道處理內(nèi)部數(shù)據(jù)的分配。在本發(fā)明的實(shí)施例中，D鎖存器本身也可以由控制信號(hào)旁路。
調(diào)制調(diào)節(jié)器包括調(diào)制電流調(diào)節(jié)器。在這部分中，光電平“1”由監(jiān)控二極管檢測(cè)并與“OPRM”基準(zhǔn)信號(hào)比較。這一比較在元件99中完成，它能根據(jù)激光二極管的P/I轉(zhuǎn)換特性，在光電平“1”至光電平“0”之間有效地確定光信號(hào)幅度。在本發(fā)明的實(shí)施例中，調(diào)制信號(hào)一直在調(diào)整，故光信號(hào)的振幅電平能維持恒定。通過這一部分所完成的功能，能有效地補(bǔ)償激光二極管因溫度和老化作用所造成的在外部微分效率方面的變化。
本激光器驅(qū)動(dòng)器40的偏置調(diào)節(jié)器部分包括偏置電流調(diào)節(jié)器。在這部分中，光平均電平由監(jiān)控二極管檢測(cè)并與“OPRB”基準(zhǔn)信號(hào)比較。借助于該調(diào)節(jié)器，尤其是圖6中所示的元件98和100，來自激光器驅(qū)動(dòng)器電路的偏置電流可以與調(diào)制電流一起調(diào)節(jié)，故光信號(hào)“0”輸出電平總能恒定。由這一部分完成的功能有效地補(bǔ)償了因老化和溫度變化所引起的閾值電流的變化。這一部分和調(diào)制部分102一起，使用作“0”和“1”的光輸出電平保持恒定，且與環(huán)境溫度、電壓變化、激光二極管的老化作用以及類似原因無關(guān)。
在根據(jù)本發(fā)明描述的激光驅(qū)動(dòng)器的這一部分中所完成的比較，取得了比之現(xiàn)有技術(shù)更為重大的進(jìn)步，包括了對(duì)有關(guān)領(lǐng)域熟練人員尤為感興趣的內(nèi)容。一般，一種比較是在“數(shù)據(jù)電壓基準(zhǔn)”與“監(jiān)控器電壓基準(zhǔn)”之間進(jìn)行的。尤其在峰值與平均值之間的比較，是利用該兩個(gè)電壓進(jìn)行的。
繼續(xù)上述討論可以發(fā)現(xiàn)，用以產(chǎn)生兩個(gè)電壓的方法使它們?cè)陔妼W(xué)上相等。這樣，調(diào)制器96和監(jiān)控器前端97(見圖6)提供一種對(duì)稱平衡。概括以上所述，可以說該兩個(gè)基準(zhǔn)電流控制調(diào)制器96，而后者將數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。監(jiān)控電流在監(jiān)控器前端97轉(zhuǎn)換為監(jiān)控電壓。因此，兩個(gè)基準(zhǔn)電流反映監(jiān)控電流中的平均和峰值電流，數(shù)據(jù)信號(hào)反映監(jiān)控信號(hào)中的數(shù)據(jù)模式。
調(diào)制器包括輸出激光器驅(qū)動(dòng)器級(jí)和可調(diào)節(jié)的調(diào)制控制電路。圖6中的元件102和104形成了該調(diào)制部分?？烧{(diào)節(jié)的調(diào)制控制電路控制激光二極管輸出的正、負(fù)斜率。信號(hào)的上升和下降時(shí)間可以調(diào)節(jié)，使信號(hào)最佳適合于激光二極管并最佳適合于驅(qū)動(dòng)器與激光器之間的連接。這種設(shè)置允許部分減少因激光二極管連接中的失配而產(chǎn)生的代價(jià)，這種連接在不同的方案中是不一樣的。
激光器驅(qū)動(dòng)器的監(jiān)控部分完成兩個(gè)監(jiān)控功能。一個(gè)功能是激光器失效報(bào)警。報(bào)警器106在激光器或監(jiān)控器發(fā)生故障時(shí)起作用。報(bào)警電路感知兩個(gè)調(diào)節(jié)電壓TPB和TPM，如果其中一個(gè)或兩個(gè)都被阻塞而限制了用于電路的電源通道，它將指示調(diào)節(jié)發(fā)生了故障，并又指示激光器發(fā)生了故障。在那一點(diǎn)上，輸出報(bào)警可以且應(yīng)當(dāng)被觸發(fā)。第二個(gè)功能是數(shù)據(jù)失效報(bào)警。報(bào)警器108當(dāng)數(shù)據(jù)輸入端上無電流數(shù)據(jù)傳送時(shí)即發(fā)生作用。
激光器驅(qū)動(dòng)器40的低功率/窄帶傳輸部分處理低功率比特速率所限制的傳輸。窄帶具有從O至n兆位/秒的比特速率。用于2B+D的ISDNU接口具有每秒160千位的比特速率。通過采用較低帶寬和改進(jìn)的激光器調(diào)制方式可以節(jié)約用電。一般，激光器工作在全開或全關(guān)狀態(tài)。當(dāng)光信號(hào)“1”發(fā)送時(shí)，激光器通常工作在與“OPRB”和“OPR”基準(zhǔn)所決定的相同的用電量。當(dāng)光信號(hào)“0”發(fā)送時(shí)，偏置關(guān)斷。在這種情況下，輸入的窄帶數(shù)據(jù)流直接調(diào)制激光器。由于采用雙相編碼和縮短了脈沖，還可以減少功耗。窄帶部分利用偏置電流級(jí)調(diào)制激光器而非調(diào)制器104。
從上述描述和附圖可以得出總結(jié)，本發(fā)明的激光器驅(qū)動(dòng)器取決于雙極CMOS工藝。本發(fā)明的工藝一般適用于數(shù)字電路。尤其是，激光驅(qū)動(dòng)器芯片在電氣通道與激光二極管之間起到一個(gè)接口的作用。根據(jù)本發(fā)明描述的激光器驅(qū)動(dòng)器芯片可以應(yīng)用于其他類似的用途。
以下僅作為一個(gè)例子說明用于本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的推薦的工作條件，電氣性能以及控制信號(hào)/Y接口信號(hào)。
推薦的工作條件電源最小4.5V平常5.0V最大5.3V電流最大200mA工作溫度0-70℃電氣性能數(shù)據(jù)/HF接口所有數(shù)值都適用于0和-5V電源電壓數(shù)據(jù)/時(shí)鐘輸入最小輸入電平峰-峰值100mV
共模范圍-3～-0.3V最大輸入電流(凹處)10μA容性負(fù)載(最大)2PF數(shù)據(jù)輸出(LAI)終端負(fù)載150Ω，最大容性負(fù)載5PF最小輸出電平峰-峰值200mV輸出范圍(最小-最大)-1.4～-0.9V最大上升和下降時(shí)間(10-90%)0.8nS監(jiān)控器輸入最大電流(從NMI至MI)1mAMI的電壓電平-4.2～-4.0VNMI的電壓電平0.0V激光二極管輸出，LDO最大調(diào)制電流，Im50mA最大偏置電流，Ib100mA窄帶工作的最大調(diào)制電流，Imn100mA激光二極管輸出負(fù)極，NLDO最大調(diào)制電流50mA控制信號(hào)/Y接口信號(hào)模擬輸入OPRM調(diào)制基準(zhǔn)電流輸入基準(zhǔn)電流0.1-1mA電壓電平-4.2-0V
OPRB偏置基準(zhǔn)電流輸入基準(zhǔn)電流0.1-1mA電壓電平-4.2-0VSRC1/SRC2，(用以控制至激光二極管的輸出信號(hào)中的斜率，是必不可少的)阻塞，電壓電平低于-4V現(xiàn)在，本領(lǐng)域的熟練人員將會(huì)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)本發(fā)明描述的激光器驅(qū)動(dòng)器，在來自監(jiān)控二極管的實(shí)際值與來自內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的所需值之間起比較的作用。這兩個(gè)數(shù)據(jù)通道實(shí)際上是相同的。用于監(jiān)控器的平均電流和峰值電流通過兩個(gè)外加基準(zhǔn)電流OPRB和OPRM反映。來自監(jiān)控放大器和數(shù)據(jù)放大器的數(shù)據(jù)信號(hào)看起來相同。以上所描述的內(nèi)容具有若干優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)之一是對(duì)圖形變化的抑制。根據(jù)本發(fā)明描述的電路，對(duì)所發(fā)射的數(shù)據(jù)信號(hào)的直流不穩(wěn)定性是不敏感的。而且，在兩個(gè)幾乎相同的信號(hào)之間的比較允許用以減少環(huán)路中的時(shí)間常數(shù)。再有，兩個(gè)調(diào)節(jié)器環(huán)，峰值功率與平均功率、調(diào)制器與偏置能相互配合。它們的時(shí)間常數(shù)可以相同。相對(duì)而言，其它系統(tǒng)中必須有5至10倍的差值。更進(jìn)一步說，在動(dòng)作抑制過程、溫度和電源變化方面都擁有幾乎完美的對(duì)稱性。本發(fā)明的激光器驅(qū)動(dòng)器能進(jìn)行非常精確的調(diào)節(jié)。其平均和峰值調(diào)節(jié)允許將工作點(diǎn)按需要選擇在偏置以下和偏置以上。
顯然，從以上描述內(nèi)容來看，還可以對(duì)本發(fā)明作出許多改進(jìn)和變化。例如，盡管其中所述的本發(fā)明的特定實(shí)施例是用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流的，但本發(fā)明的實(shí)施例也可以用于模擬情況，其中的數(shù)據(jù)流可以是調(diào)頻、調(diào)相或以其它方式調(diào)制的正弦信號(hào)。作為另一個(gè)例子，本發(fā)明的發(fā)明者已經(jīng)選擇平均和峰值的結(jié)合(注有三個(gè)不同的檢測(cè)器用以測(cè)量激光二極管的P/I特性曲線上的兩點(diǎn)，即谷值、平均值或峰值檢測(cè)器;并有三種可能性組合這些檢測(cè)器，即谷值和平均值、谷值和峰值或平均值和峰值)，其中，由于平均值檢測(cè)是簡(jiǎn)單和精確的，如果峰值檢測(cè)不工作，將至少工作在平均值功率調(diào)節(jié)。然而，本領(lǐng)域的熟練人員將發(fā)現(xiàn)，在激光器控制裝置中，平均值檢測(cè)器可以由最小峰值或谷值檢測(cè)器所替代。事實(shí)上，如果激光二極管的P/I特性曲線是彎曲的，且曲率半徑是與溫度有關(guān)的，(這種現(xiàn)象發(fā)生于某些激光二極管，尤其是當(dāng)存在大驅(qū)動(dòng)電流和高溫時(shí))，則這種谷值和峰值的組合將可能提供非常精確的調(diào)節(jié)。從電路的觀點(diǎn)來看，有一種非常簡(jiǎn)單的方法可以影響這些變化。即以如方塊98的第一檢測(cè)器以及如方塊99的第二檢測(cè)器來替換上述檢測(cè)器，以形成最佳組合。當(dāng)然，當(dāng)采用這些檢測(cè)器塊時(shí)，將檢測(cè)谷值而不是平均值。然而，在功能上每一動(dòng)作，包括其他電路都將保持一樣。當(dāng)然，其它的改變和變化還可能形成本發(fā)明的其他實(shí)施例。因此，在本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)，本發(fā)明還可以以除上述專門描述之外的其他方法實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，所述激光二極管在光通信系統(tǒng)中用以周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，其特征在于，所述激光二極管接收來自脈沖電源和偏置電源的電流，所述裝置包括用以接收所述激光二極管的一部分光輸出和傳送其幅度表示所述激光二極管光輸出的平均輸出強(qiáng)度的第一信號(hào)的第一裝置；用以接收所述激光二極管的一部分光輸出和傳送其幅度表示所述激光二極管光輸出的峰值輸出強(qiáng)度的第二信號(hào)的第二裝置；用以將第一信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)比較并調(diào)節(jié)平均輸出強(qiáng)度，以此保持實(shí)際上穩(wěn)定的第三裝置；以及用以將第二信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)比較并調(diào)節(jié)峰值輸出強(qiáng)度，以此保持實(shí)際上穩(wěn)定的第四裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括可操作完成數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的用以控制激光二極管輸出強(qiáng)度的裝置，其特征在于，所述第一裝置和第三裝置形成平均功率調(diào)節(jié)環(huán)部分，所述第二裝置和第四裝置形成峰值功率調(diào)節(jié)環(huán)部分，所述平均功率調(diào)節(jié)環(huán)和峰值功率調(diào)節(jié)環(huán)以相同的預(yù)定時(shí)間常數(shù)運(yùn)行。
4.如權(quán)利要求1所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，其特征在于，所述第三裝置包括調(diào)制調(diào)節(jié)器。
5.如權(quán)利要求1所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，其特征在于，所述第四裝置包括偏置調(diào)節(jié)器。
6.如權(quán)利要求1所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括激光器故障報(bào)警器。
7.如權(quán)利要求1所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，其特征在于進(jìn)一步包括數(shù)據(jù)故障報(bào)警器。
8.如權(quán)利要求1所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，其特征在于，所述裝置包括窄帶通道和寬帶通道。
9.一種用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，所述激光二極管在光通信系統(tǒng)中用以周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)，其特征在于，所述激光二極管接收來自脈沖電流源和偏置電流源的電流，所述方法包括以下步驟接收所述激光二極管的一部分光輸出和傳送其幅度表示所述激光二極管光輸出的平均輸出強(qiáng)度的第一信號(hào);接收所述激光二極管的一部分光輸出和傳送其幅度表示所述激光二極管光輸出的峰值輸出強(qiáng)度的第二信號(hào);將第一信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)比較并調(diào)節(jié)平均輸出強(qiáng)度，以此保持實(shí)際上的穩(wěn)定。將第二信號(hào)的幅度與基準(zhǔn)電流信號(hào)比較并調(diào)節(jié)峰值輸出強(qiáng)度，以此保持實(shí)際上的穩(wěn)定。
10.如權(quán)利要求9所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，其特征在于進(jìn)一步包括完成數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的步驟。
11.如權(quán)利要求9所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，其特征在于，所述第一裝置和第三裝置形成平均功率調(diào)節(jié)環(huán)部分;所述第二裝置和第四裝置形成峰值功率調(diào)節(jié)環(huán)部分;所述完成數(shù)據(jù)計(jì)時(shí)的步驟包括利用預(yù)定的時(shí)間常數(shù);所述平均功率調(diào)節(jié)環(huán)和峰值功率調(diào)節(jié)環(huán)以所述的預(yù)定時(shí)間常數(shù)運(yùn)行。
12.如權(quán)利要求9所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，其特征在于，所述第三裝置包括調(diào)制調(diào)節(jié)器。
13.如權(quán)利要求9所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，其特征在于，所述第四裝置包括偏置調(diào)節(jié)器。
14.如權(quán)利要求9所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，其特征在于進(jìn)一步包括當(dāng)所述激光二極管失效時(shí)，觸發(fā)一報(bào)警器的步驟。
15.如權(quán)利要求9所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，其特征在于進(jìn)一步包括當(dāng)所述數(shù)據(jù)失效時(shí)，觸發(fā)一報(bào)警器的步驟。
16.如權(quán)利要求9所述的用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，其特征在于，所述方法包括窄帶通道和寬帶通道。
全文摘要
一種用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的裝置，包括平均和峰值功率調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。一種用以控制激光二極管光輸出強(qiáng)度的方法，包括感知峰值和平均功率并以該感知為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)節(jié)的步驟。
文檔編號(hào)H01S5/068GK1076315SQ9310005
公開日1993年9月15日 申請(qǐng)日期1993年1月1日 優(yōu)先權(quán)日1992年2月13日
發(fā)明者馬茨·O·J·海德貝里 申請(qǐng)人:L·M·埃利克遜電話股份有限公司