激光器驱动电路的基本原理[稻谷书店]

1、激光器驱动电路的基本原理 产品简介产品简介 1讲课材料 重要声明 本章节的主要内容是根据平时工作中的一些理解总结得 到，没有特别严格的理论分析； 本章节中的内容希望对大家的工作起到指引的作用，并 希望在后面的工作中不断的完善； 目前本章节的内容仅限于DML的激光器的驱动电路 2讲课材料 重要参考资料 BroadBand Circuit for Optical Fiber communication 信号完整性分析 MAXIM application Notes: Interface Maxim laser drivers with laser diode 3讲课材料 半导体激光器的基本原理发光

2、 表示的符号上采用和二极管一样的符号 两个极分别称为： 阴极：CATHODE 阳极：ANODE 阴极 阳极 电流的方向 发光 4讲课材料 激光器的特点：P-I曲线 Ith: 阈值电流 发射光功率 通过激光管电流 阈值电流越小越好 发光后，P-I曲线越直越好 5讲课材料 激光器的特点：温度特性-P-I曲线 Ith: 阈值电流 发射光功率 通过激光管电流 -10度 30度 60度 由于激光管的特性会随着温度发生剧烈的变化，所以，激光驱动电路 需要采取一些措施来弥补温度的影响，保证在不同的温度下输出稳定 的光功率和眼图形状 电流是不能无限制的增加的； 高温时候，为了维持同样的发射 光功率，可能需要的

3、偏置电流是 常温的2倍以上； 6讲课材料 激光器的特点：老化特性-P-I曲线 Ith: 阈值电流 发射光功率 通过激光管电流 25度 0 YEAR 25度 3YEAR 7讲课材料 调制电路：差分电流驱动电路 DIFFERENT CURRENT SWITCH 所有激光驱动电路的核心 偏置电路给出适当的偏置电流 8讲课材料 调制电路：差分电流驱动电路优点 和所有的差分电路的优点类似： A: 对输入信号的共模干扰不敏感 COMMON MODE NOISE B: 在任何工作状态下，对电路的供电电流都是稳定的， 减少由于供电电流不稳定带来的问题； C: 对调制电流的控制，可以通过控制电流元的电路完 成，

4、简单可靠，注意，我们对激光管的调制，关注的要 点都是电流； 9讲课材料 调制电路：假负载的作用 假负载（DUMMY LOAD)的存在是为了保证差分电流驱动电路的两端的负 载一致，稳定工作； 假负载可以用一个二极管+电阻来模拟激光管，也可以简单的用一个电阻 来模拟激光管，甚至有时候被直接连接到VCC 这几种用法在实际的设计中，都有会看到； 10讲课材料 驱动器和激光管的连接 11讲课材料 驱动器和激光管的连接 在实际应用中，驱动器电路和 激光管需要通过PCB上的铜线 互联，信号还可能需要穿过激 光管的引脚，这些互联线，在 高速情况下，都会对信号的质 量产生影响； 12讲课材料 驱动器和激光管的连

5、接 互联线的阻抗不一致，就会导致 信号出现反射； 流体、或者波的传播中，我们都 可以看到这种反射的现象；是一 种普遍的现象； 最基本的道理总结起来： 如果传输介质是均匀的，即阻抗 一致，就不会有反射； 如果终点是开路，会产生一个同 相同幅度的反射波 如果终点是短路，会产生一个反 相同幅度的反射波 13讲课材料 驱动器和激光管的连接 14讲课材料 驱动器和激光管的连接 在远端观察到的实际信号 15讲课材料 驱动器和激光管的连接 重要结论：在互联线的两端，都必须保持阻抗的一 致性，即传输线的阻抗、负载(激光管）的阻抗、驱 动器的阻抗一样； 常见错误，我们现在设计激光管到LASER DRIVER的

6、互联线，很多都是按照差分100欧姆来设计，实际上， 这个没有什么特别的道理，只要能符合上述的规律， 实际上任何的阻抗的差分线，都应该可以工作； 16讲课材料 PASSIVE BACK TERMINATION 有BACK TERMINATION的驱动电路，缺点是这个时候，对 驱动器而言，需要驱动两个负载，需要的电流要加倍； 我们的很多设计上，都使用了BACK TERMINATION的方案； BACK TERMINATION 电阻用于吸收从激光 管远端因为匹配不良 反射回来的信号； 17讲课材料 ACTIVE BACK TERMINATION 有源的反向终结设计，避免无源方案的高功耗问题； ADI

7、的10G LASER DRIVER就是采用的这种方案的芯片 18讲课材料 ACTIVE BACK TERMINATION 19讲课材料 ACTIVE BACK TERMINATION 20讲课材料 激光管的阻抗匹配 实际的激光管的内阻大概为： VCSEL产品，PICOLIGHT的大概是45欧姆左右； FP、DFB产品，大概是5-10欧姆左右； 而一般的互联线都是按照差分50欧姆或者差分 100欧姆设计，如何保证激光管和互联线的匹配？ 21讲课材料 激光管的阻抗匹配 方法X：在激光管上串联电阻，得到预期的阻抗； 电阻 通常这个电阻集成在TO的封装内部，不过 现在的好像看到越来越多的供应商根本就不

8、 使用这个电阻，任由低阻抗的激光管直接连 接到传输线上，具体的理由还不清楚； 包括在我们的设计中，实际上都没有考虑这 个问题了； 22讲课材料 克服引线的电感 通常，在激光管的接口电路中，还增加RC匹配电路来补偿管脚和引线上的分 布电感；改善眼图的形状； 23讲课材料 自动功率控制电路：APC电路的重要性 根本的原因：激光器有明显的温度特性，并且会明显的老化； APC电路的基本原理：通过一个几乎没有温度特性、几乎不会老 化、并且和激光器耦合效率非常稳定的光电二极管来监视激光器 的发射光功率，自动调整偏置电流，保持激光器发射光功率稳定 阈值：和温度和工作时间有关系； 发光效率：和温度和工作时间有

9、关系； 24讲课材料 自动功率控制电路：连续模式SINGLE LOOP APC电路原理I RC电路充当一个低通滤波器，用来测量平均的光功率或者背光电流； 由于APC环路只关心光功率的平均值，为了减少长0和长1对光功率的影 响，需要APC环路的带宽尽量的小； PHYWORKS 107X芯片有两个可选的带宽，分别为5KHZ/15KHZ； 25讲课材料 自动功率控制电路：连续模式SINGLE LOOP APC电路原理II 在温度不变、发光效率不变的情况下，如果激光管的阈值发生变化， APC环路可以保持发射光功率不变； 26讲课材料 自动功率控制电路：SINGLE LOOP APC电路问 题 如果激光

10、管仅仅阈值电流和温度、时间有关系，发光效率保持永远一致， 单环路的APC电路会工作的非常可靠； 但是，实际上发光效率也随时间和温度发生明显的变化； 27讲课材料 自动功率控制电路：补偿发光效率的变化 解决办法一：采用调制电流的温度查找表，根据不同的温度给出不同的 调制电流值；这个方法的缺点是：没有考虑到激光器会老化的问题，在 调试的过程中，无法估计未来激光器会如何老化； 温度补偿有很多种实现办法： A: 使用一个带热敏电阻或者其他温度感应机制的电路来调整调制电流， 例子：MAX3286，现在NANOTECH的LED DRIVER都是用这种机制； B: 使用一个预先矫正的温度查找表，在高温和低温

11、都进行测试，确定 补偿值；目前我们大部分的光口模块，都是使用这个方法进行调整； 我们的模块中，有一个55项的温度查找表，以3摄氏度为间隔，支持从- 39度到+123度范围内的温度查找功能； 28讲课材料 自动功率控制电路：温度补偿元件 29讲课材料 自动功率控制电路：温度查找表 调制电流设定值 温度 -104070 红线为理想的MODSET值 蓝线为模拟的查找表值 30讲课材料 自动功率控制电路：DUAL LOOP APC 解决办法二：一种更先进的办法就是采用双环路的APC，即偏置电流还 是由平均光功率来控制，但是，另外使用一个自动控制环路，通过检测 光电二极管上的峰值和平均值的差异，来检测当前的发光效率； 这个方法的缺点是需要一个非常高速的光电二极管来跟踪发射光功率； 31讲课材料 自动功率控制电路：总结 在通常的生产中，采用SINGLE LOOP