激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计

激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计武汉电信器件有限公司模块开发部王松摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统1.引言随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD正在不断的发展，光接点离我们越来越近。在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。LED和LD的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB和VCSEL三种。WTD光模块通常所用发射光器件为FP和DFB激光器。2.半导体激光器半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。FP激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此FP激光器多用于短距离光纤通信。而DFB激光器则具有较好的信噪比，更窄的光谱线宽，更高的工作速率，出光功率大，因此DFB激光器多用在长距离、高速率光传输网络中。（2）垂直腔面发射激光器（VCSEL），是近几年才成熟起来的新型商用激光器，有很高的调制效率和很低的制造成本，特别是短波长850nm的VCSEL，在短距离多模光纤传输系统中现在已经得到非常广泛的应用。2.1光电特性半导体激光器是电流驱动发光器件，只有当激光器驱动电流在门限（阈值）电流以上时，半导体激光器二极管才能产生并持续保持连续的光功率输出，对于高速电流信号的切换操作，一般是将激光器二极管稍微偏置在门限（阈值）电流以上，以避免激光器二极管因开启和关闭所造成的响应时间延迟，从而影响激光器光输出特性。激光器光功率输出依赖于其驱动电流的幅度和将电流信号转换为光信号的效率（激光器斜效率）。激光器是一个温度敏感器件，其阈值电流Ith随温度的升高而增大，激光器的调制效率（单位调制电流下激光器的出光功率，量纲为mW/mA）随温度的升高而减小。同时激光器的阈值电流Ith还随器件的老化时间而变大，随器件的使用时间而变大。激光器二极管的阈值电流和斜效率与激光器的结构，制作工艺，制造材料以及工作温度密切相关，随着温度的增加。激光器二极管的阈值电流Ith定义为激光器发射激光的最小电流，Ith随着温度的升高呈现指数形式增大，下面的等式是Ith关于温度的函数，通过此等式可对激光器阈值电流进行估算：t其中，I0、K1和t1是激光器特定常数，例如，DFB激光器I0=1.8mA,K1=3.85mA,t1=40℃。激光器斜效率Se（Slopeefficiency）定义为激光器输出光功率与输入电流的比值，Se随着温度的升高呈现指数形式减小，下面的等式是Se关于温度的函数，通过此等式可对激光器斜效率进行估算：tt1同样，以DFB激光器为例，其典型温度ts≈40℃，其它两个激光器常数为Se0=0.485mW/mA,tsKs=0.033mW/mA。激光器的两个主要参数：阈值电流Ith和斜效率Se是温度的函数，且具有离散性。激光器工作（前向）电压VF和激光器电流IL之间的关系可用普通半导体二极管的电压-电流输入输出特性进行建摸：VF其中，IS为二极管饱和电流，VT为与温度有关的电压，η为结构常数，当驱动电流达到激光器二极管阈值电流附近或者以上时，激光器电压-电流关系近似于线性关系。Ⅰ.当IL＜Ith时，激光器正向（前向）电压VF随IL的增大急剧增大；Ⅱ.当IL＝Ith时，激光器正向（前向）电压VF达到激光器能带隙电压VBG,激光器处于临界工作状态；Ⅲ.当IL＞Ith时，激光器工作在P−I曲线线性区，其正向（前向）电压VF随IL的增大缓慢增大。Ⅳ.当IL＜Ith时，RL随IL的增大急剧快速变小；Ⅴ.当IL≥Ith时，RL随IL的增大缓慢变小（在线性工作区激光器RL一般为4～6ohms）。Ⅵ.当t1＜t2时,Ith(t1＜Ith(t2,S(t1＞S(t2。驱动电流在门限值以上时，激光器二极管输出光功率P0可表示为：2.2调制特性半导体激光器是光纤通信的理想光源，但在高速脉冲调制下，其瞬态特性仍会出现许多复杂现象，如常见的电光延迟、张弛震荡和自脉动现象。这种特性严重限制系统传输速率和通信质量，因此在进行电路设计时要给予充分的考虑。w频率fr(=r一般为0.5～2GHz。这些特性与激光器有源区的电子自发复合寿命和谐振腔2π内光子寿命以及注入电流初始偏差量有关。wrtd电光延迟和张弛震荡的后果是限制调制速率。当最高调制频率接近张弛震荡频率时，波形产生严重失真，会使光接收机在抽样判决时增加误码率，因此实际使用的最高调制频率应低于张弛震荡频率。码中，第一个脉冲到来前，有较长的连“0”码，由于电光延迟时间长和光脉冲上升时间的影响，因此第一个脉冲幅度减小，脉宽变窄。第二个脉冲到来时，由于第一个脉冲的电子复合尚未完全消失，有源区电子浓度较高，因此第二个脉冲电光延迟时间短，使其幅度增大，脉宽相对于第一个脉宽变宽。“码型效应”的特点是：在脉冲序列中较长的连“0”码后出现的“1”码，其脉冲明显变小（幅度小，宽度窄），而且当连“0”码数目越多，调制速率越高时，这种效应越明显。用适当的“过调制”补偿方法（对激光器进行预偏置从而减小电光延迟时间），可以消除码型效应，见图为了进一步了解激光器的调制特性，通过LD速率方程组的瞬态解得到的张弛振荡频率wr及其幅度衰减时间τ0和电光延迟时间td的表达式为：wτ=[1j式中，τ0是张弛振荡幅度衰减到初始值的1/e的时间，j和jth分别为注入电流密度和阈值电流密度。τsp和τph分别为电子自发复合寿命和谐振腔内光子寿命。在典型的激光器中，τsp≈10e-9s,τph≈10e-12s，即τsp>>τph。Ⅰ.张弛振荡频率wr随τsp、τph的减小而增加，随j的增加而增加。这个振荡频率决定了LD的最高调制频率。Ⅱ.张弛振荡幅度衰减时间τ0与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小。Ⅲ.电光延迟时间td与τsp为相同数量级，并随j的增加而减小(j>jth。由此可见，增加注入电流j，有利于提高张弛振荡频率wr，减小其幅度衰减时间τ0，以及减小电光延迟时间td，因此对LD施加直流偏置电流是非常必要的。所示。自脉动频率可以达到2GHz，严重影响激光器的高速调制特性。自脉动现象是激光器内部不均匀增益（主要针对电信号）或不均匀吸收（主要针对光信号）所产生的，往往和激光器的P−I曲线的非线性特性有关，自脉动发生的区域和P−I曲线扭折区域相对应。因此，通常对激光器进行P−I−V（功率-背光电流-前向电压）曲线测试时要求P−I（功率-偏置电流）曲线坑陷不超过10%，这一点在选择使用激光器时应特别注意。3．激光器驱动电路激光器是光源组件，驱动电路实际上是光源器件的调制电路，其作用是把数字电信号转换成光脉冲信号，然后再发送到光纤中去，该部分是光发射机的核心，许多重要技术指标皆由该部分决定。3.1激光器驱动电路原理化而作同步开关切换动作。根据本文2.1所述半导体激光器的阈值电流和斜效率与其结构，制作工艺，制造材料以及工作温度密切相关，并随着温度的变化呈现指数形式变化。理想情况下，激光器偏置电流应随其阈值电流的变化而作同向变化（在实际应用中，APC电路可达到此目的）；调制电流应随其斜效率的变化而作反向变化（在实际应用中，温度补偿电路可达到此目的）。关于LDD的各部分主要功能电路及其作用和控制原理将在以下相关章节进行详细介绍。4.自动功率控制（APC）由于温度变化和工作时间加长，激光器的输出光功率会发生变化，为了使光发射机输出稳定的光功率信号，必须采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光功率。4.1APC的必要性为了使激光器输出较好的光信号，首先要对其设置合适的偏置电流，即激光器最佳静态工作点，保证电信号有足够的线性调制区域，从而输出无失真光信号，所以，激光器的偏置电流Ibias应大于阈值电流Ith。不同类型的激光器其阈值电流相差很大，VCSEL的Ith一般小于5mA，而FP、DFB激光器的Ith一般在10～20mA之间。Ith随温度的变化而产生的变化也有很大的差异，DFB激光器的Ith随温度的变化其变化比较大，在85℃时的Ith可达50mA，再加上器件老化引起的阈值电流增大，Ith高达60～70mA。因此，为了适应不同类型的激光器，要求LDD的偏置电流Ibias有比较大的可调范围，一般为10～100mA。激光器阈值电流Ith一般随温度的变化发生剧烈变化，斜效率Se(t在0～70℃温度范围内-1.5dB≤Se(tSe(25℃≤1dB，所以，在室温下性能良好的激光器在温度过高时其发光性能可能急剧劣化。温度的变化可能是外部环境引起的，也可能是内部元器件和电路的直流功耗所产生的热量引起的。另外，激光器的老化还会使阈值电流变大，降低发光效率。根据光纤数据通讯设备标准要求，为了使信号得到有效，可靠及稳定的传输，作为光模块发射性能指标之一的输出光功率必须稳定在一个很窄的范围内，由于以上不利因素使得单独凭靠偏置电路的作用很难满足这种要求。因此，LDD需要一个自动功率控制（APC）环路，对偏置电流Ibias进行补偿控制，使得偏置电流相对于阈值电流的差值Ibias−Ith相对稳定，从而可以保持基本稳定的平均光功率PAVG输出。4.2APC电路原理在这个电路中，从LD后端透射出来的光通过一个光电监控二极管PD加以探测，再将探测到的光功率转换为背光电流IPIN，IPIN加在集成运放滤波放大输入端产生一个正比于LD平均光功率PAVG的平均直流电压，这个电压与参考电压VREF相比较，再经过跨导放大器（电压-电流转换电路）放大，输出用来控制LD的反馈偏置电流IBIASFB，这样就形成一个负反馈环。当LD输出光功率譬如由于温度升高而减小时，PD的输出电流IPIN就减小，导致跨导放大器输出电流IBIASFB正向流出，叠加在Ibias上，使LD的偏置电流增加，其变化过程如下：iPIN↓⇒uI↓⇒uD↑⇒iO↑⇒iBIASFB↑⇒iBIAS↑⇒iPIN↑其中，uD=uP−uN=uREF−uI，iBIASFB=iF+iO=−iPIN+iO。反之亦然，这样LD平均光功率PAVG就始终保持不变。目前大量使用的激光器都有背光光电二极管PD，用于构成APC回路，探测电流IPIN一般在0.1～1mA较宽的范围内，这也就要求APC在这么宽的IPIN范围内都具备对Ibias有足够大的调节能力，使得Ibias−Ith相对稳定，平均光功率PAVG也相对稳定。当然，APC只是使IPIN保持稳定，要使PAVG也保持稳定，则背光PD响应度ρ（单位光功率的响应电流，量纲为mA/mW）的温度稳定性非常重要。检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端。同时，输入信号参考电压和直流参考电压经A2经放大后，送到A3的同相输入端。A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。在图3.1中，当信号源在某时段“0”码比“1”码多时，激光器电流IL会变大，IL偏离Ib越远，这时APC环的作用使Ibias变小，而信号参考电压此时下降（低于直流参考电压（“0”码和“1”码在某时段各占一半时的平均电压）），使得A2输出电位升高，A3输出电压升高，V3集电极电流增加，Ib变大；反之，当“1”码比“0”码多时，APC环的作用使Ibias变大，而信号参考电压此时上升，使Ib变小，这样LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响。5.消光比温度补偿模块的发射光功率和消光比主要由激光器二极管驱动芯片提供给激光器的偏置电流和调制电流以及激光器本身的阈值电流和斜效率共同决定。光模块发射部分除了要求激光器的输出光功率尽量保持稳定外，还要求激光器发出的光信号保持尽可能稳定的消光比。5.1消光比温度补偿的必要性功率和消光比等指标的规范性，确保光网络通信系统能够正常工作。当模块工作时的环境温度发生变化时，激光器本身的阈值电流和斜效率会首先发生变化，而此时LDD的APC通过控制环作用调整改变偏置电流后能够使激光器发射光功率基本不变，但是，调制电流幅度产生相对变化，从而模块的消光比发生变化。因此，凭靠单一的APC电路无法稳定消光比。5.2消光比温度补偿的推导与误差分析模块的光功率和消光比被定义为：PAVG=P+P012EXT=10lgP1P0假设光器件的跟踪特性完全线性（P/Im=K,其中P为激光器出光功率，Im为LDP1P0=10lgImod+Ibias−Ith(tIbias−Ith(tIbias(t=P0Se(tEXTImod(t=2P*1010−1EXT*1Se(t1010+1由以上推导可知，要使模块消光比在全温度范围内保持不变，则LDD提供给激光器的根据管芯斜效率特性，忽略器件封装耦合工艺对斜效率的影响，可以将器件斜效率关−(t+273.15T0于温度的函数记为：Se(t=Se0*e，根据对32支器件进行斜效率测试的统计特征值：Se(25℃=0.0746mW/mA，Se(70℃=0.0546mW/mA，通过计算可以得出Se0和T0的值，从而得到该型号器件的斜效率函数如下：Se(t=0.592*e−t+273.15144t+273.15Imod(t=3.75*e144所示。然而上述推导的一个首要前提条件是光器件的跟踪特性完全线性，即模块在高低温环境下工作时的发射光功率始终保持恒定。LDD的APC功能是根据激光器内部的背光探测器跟踪电流来实现的，背光探测器在理想情况下其跟踪特性完全不变，即不管工作环境温度如何变化，只要激光器发射光功率相同，背光探测器跟踪电流就相同。目前的实际情况是对LD管芯而言，其背光电流在前向光功率不变时基本保持一致，变化很小，但是经过同轴封装以后，激光器在不同温度下，相同的发射光功率对应的背光电流存在一定的变化。根据现阶段的测试数据，激光器在相同的背光电流（通过在不同温度下改变提供给激光器的偏流来实现）条件下，其发射光功率在高温(70℃时较常温(25℃时下降约1.5dB。由于这种LD背光探测器跟踪特性的变化导致LDD的APC出现控制误差，结果造成模块光功率发生变化，P1与P0也随之发生变化，Imod出现相对变化（Imod绝对值未变），EXT当然发生变化。所以上述推导出现较大误差，结合实际情况，为了尽量减小误差，需要对以上推导过程和计算结果进行修正。由于目前的设计状况和工艺水平，激光器背光跟踪特性变化的规律尚无法确定，所以不能将此跟踪误差关于温度的变化关系具体地考虑进调制电流或者调制电阻的函数来进行电路设计，这是整个推倒过程的主要误差。为了尽量减小这种误差，假定激光器背光跟踪特性是关于温度线性变化的函数，即PAVGIm=a*(t+273.15+b，取一组器件的测试平均值作为此批器件性能的特征参数值，在25℃时，PAVG=1.045mW，Im=543.875uA；在70℃时，PAVG=0.765mW，Im=442.781uA。根据以上特征值可以计算出a=-0.0042，b=3.19，于是得到器件在全温范围内的功率表达式如下；t+273.15Imod(t=3Im*(3.19−0.0042*(t+273.15*e144t+273.15Imod(t=(−8.2t+4000*e144所示。5.3消光比温度补偿方法及其电路原理消光比温度补偿电路的实质是调制电流温度补偿电路,根据LDD提供的Imod与Rmodset的关系曲线可知，当调制电阻Rmodset发生变化时，LDD提供给激光器的调制电流Imod随之作相应变化，因此，改变Rmodset的大小就可以改变Imod的大小，从而实现对激光器调制电流Imod的补偿，即消光比温度补偿。需要注意的是，对调制电流的补偿一定要合理，否则，过通常所用的消光比温度补偿方法归纳如下：⎧⎧热敏电阻补偿调制电流和偏置电流开环补偿法⎨⎪⎪⎩通过MCU查表精确设置调制电流和偏置电流消光比温度补偿方法⎨芯片内部对调制电流补偿APC+⎪闭环补偿法⎧⎨⎪⎩APC+热敏电阻补偿调制电流⎩目前，用的较多的是消光比闭环温度补偿法，下面列举几种可以运用此方法进行消光比温度补偿的MAXIM芯片，应用分别如下图所示。通常所用的消光比温度补偿电路归纳如下：消光比温度补偿电路⎨在环境温度发生变化时保持稳定。Rmodset=RtRcRt+Rc+Rs，其中Rt为具有负温度系数的NTC热敏电阻，对应于LDD片外热敏电阻设置。在公司的实际生产中，一般在若干型号的热敏电阻中优先考虑现有的热敏电阻，我们通常选用B常数为3380的10K热敏电阻用于温度补偿电路；Rc为对补偿电路起主要作用的并联电阻，其变化会影响Rt//Rc=RtRcRt+Rc曲线的斜率和线性度，对应于LDD片外温度补偿电阻设置。Rc越大，Rt//Rc=RtRcRt+Rc温度曲线动态范围越大，亦越近似于Rt，反之，其动态范围越小，愈近似于Rc；Rs为串联电阻，对应于LDD片外调制电阻RMODSET，串联电阻Rs基本不影响Rt//Rc=RtRcRt+Rc与温度的曲线关系，只是将此电阻关于温度的曲线平移到合适的位置。因此，对Rt、Rc和Rs进行合理设置后可以使模块消光比EXT在环境温度发生变化时基本保持稳定。6.激光器驱动电路外部接口半导体激光器与激光器驱动电路能否进行协调一致的正常工作，关键在于接口电路的信号隔离与传输匹配性能的优劣。激光器驱动电路的输出主要是BIAS输出和调制输出，需要解决的技术问题一是对BIAS输出和调制输出进行隔离，稳定终端负载；二是对输入输出网络进行合理的电路匹配，采用正确的耦合方式，实现调制信号的有效传递。6.1激光器驱动电路直流BIAS输出隔离呈现高阻抗。6.2激光器驱动电路调制匹配激光器驱动电路调制输出是高频信号，为使此信号在激光器二极管和激光器二极管驱动器之间实现不失真的有效传递，就必须对线路（保证传输线的连续性）和终端（保证信号被完全吸收）进行有效的匹配，具体分析在本文第7章进行详细论述。典型长波长FP激光器二极管要求其前向偏置电压必须规定为1.2～1.8V，它是激光器能带隙电压与激光器等效串联电阻所产生的压降总和，这种类型的激光器其等效串联电阻的典型值为4～6Ω。激光器封装引线在高速电流切换的条件下产生引线电感（寄生电感），流过引线电感的调制电流将在此引线电感上产生一个与调制电流变化方向相同的瞬时压降，它的大小大概为VL=LΔi/Δt。如果我们假设一典型激光器其寄生电感大约为1.5nH,最大调制电流为60mA,激光器调制电流从峰峰值的20%上升到80%所需上升时间为80ps(对于2.5Gbps激光器，那么我们就可以计算出VL的近似值（需要注意的是调制信号从峰峰值的20%上升到80%期间为。运用以上假信号上升时间，也就是说Δi大约为整个调制电流的60%，即60mA×60%=36mA）定值，可以计算出VL≈（1.5nH）（36mA/80ps）=0.68V。I当A，B输入端无数据输入时，流过OUT-，OUT+引脚的电流均为MOD，流过激光器的2电流IL=IBIAS+IMOD2，此时，VOUT+=VCC−VF−VL−VMOD2；当A=0，B=1时，流过OUT-引脚的电流为0，流过OUT+引脚的电流为IMOD，流过激光器的电流IL=IBIAS+IMOD，此时，VOUT+=VCC−VF−VL−VMOD；当A=1，B=0时，流过OUT-引脚的电流为IMOD，流过OUT+引脚的电流为0，流过激光器的电流IL=IBIAS，此时，VOUT+=VCC−VF−VL。根据以上电路分析很容易知道在激光器直流耦合驱动方式下LDD调制输出引脚电压值VOUT+与IL及激光器的工作状态如下：VOUT+高电平VHOUT+=VC=VCC−VF−VL，流过激光器二极管电流IL=IBIAS，激光器发射激光功率为P0；VOUT+低电平VLOUT+=VLOW=VC−VMOD=VCC−VF−VL−VMOD，流过激光器二极管电流IL=IBIAS+IMOD，激光器发射激光功率为P1。通过上述相关电路参数值可计算出激光器在直流耦合驱动方式下LDD调制输出引脚OUT+上的最小净空电压为VLOW=VCC−1.2V−0.68V−1.6V=VCC−3.48V，这样就使得3.3V的供电电压很难使系统完全正常工作。值得一提的是上述激光器二极管驱动器直流耦合调制输出引脚OUT+上的最小净空电压是在LD最大前向电压VF=VBG+IRL=1.6V，LDD调制电流IMOD均较大，并且APC环不参与工作的情况下计算出的结果。在实际应用中，LD偏置电流IBIAS一般最大不超过Ith+40mA，前向电压VF一般不超过1.2V，LDD调制电流IMOD一般最大不超过40mA，APC环也参与工作，因此，流过激光器二极管的总电流相对减小，调制支路（包含激光器）压降也减小，从而调制输出引脚OUT+上的最小净空电压变大。激光器在LDD的APC环的作用下，VOUT+与IL及激光器的工作状态如下：11VOUT+高电平VHOUT+=VC+VMOD=VC+IMOD(RD+RL，流过激光器二极管电流22IL=IBIAS−IMOD2，激光器发射激光功率为P0；111VOUT+低电平VLOUT+=VLOW+VMOD=VC−VMOD=VC−IMOD(RD+RL，流过激光器222二极管电流IL=IBIAS+IMOD2，激光器发射激光功率为P1。上一节所论述的激光器直流耦合驱动方式存在净空电压较小的不足，此不足之处可以用激光器交流耦合驱动方式得到改进，激光器交流耦合驱动方式是通过另加一个串联电容所示。影响交流耦合驱动方式的净空电压大小的因素，其主要是以下三个部分的电压降：（1）激光器二极管的压降仅仅是其等效串联电阻的压降函数（最大电压增量ΔUL=IMODRL，对最小净空电压值的计算只有IMODRL2压降贡献），而不是关于激光器能带隙电压的函数（在直流耦合驱动方式下等于VBG+IRL）；（2）由激光器寄生电感所产生的瞬时压降与直流耦合驱动方式相同；（3）串联等效电阻RD上的压降，其值为IMODRD2（在直流耦合驱动方式下为IMODRD）。LP1，LP2，考虑到调制输出引脚OUT+串联电容CD和上拉到电源VCC=3.3V的电感LP2，则电路动态工作过程如下；当A，B输入端无数据输入时，流过LP1，LP2的电流均为IMOD2，流过激光器的电流IL=IBIAS，VOUT+=VOUT−=VCC=3.3V；当A=0，B=1时，流过LP1的电流为0，流过LP2，RD的电流均为的电流IL=IBIAS+IMOD2，流过激光器IMOD2，根据ε=Ldi(tdt，此时，LP2感应电动势的值εLP2=IMOD2(RD+RL，VOUT+=VCC-IMOD2(RD+RL；当A=1，B=0时，流过LP1的电流为IMOD，流过RD的电流为0，流过激光器的电流IL=IBIAS−VOUT+=VCC+IMOD2，同样根据ε=Ldi(tdt，此时，LP2感应电动势的值εLP2=IMOD2(RD+RL，IMOD2(RD+RL。所示。激光器在LDD的APC环的作用下，VOUT+与IL及激光器的工作状态如下：VOUT+高电平VHOUT+=VCC+激光器发射激光功率为P0；IMOD2(RD+RL，流过激光器二极管电流IL=IBIAS−IMOD2，VOUT+低电平VLOUT+=VCC-激光器发射激光功率为P1。IMOD2(RD+RL，流过激光器二极管电流IL=IBIAS+IMOD2，参考与激光器直流耦合驱动方式相同的电路参数值，根据以上电路分析可以计算出ILDD调制输出引脚OUT+上的最小净空电压为VLOW=VCC-MOD(RD+RL-0.68V=VCC-1.43V，2当VCC=3.3V时，LDD调制输出引脚OUT+上的最小净空电压为1.87V，这样就使得3.3V的供电电压完全能使系统正常工作。激光器直流耦合驱动方式与交流耦合驱动方式均能够使激光器按要求正常工作，通过比较可以知道，这两种驱动方式在具备各自优点的同时也存在固有的不足之处，将其优缺点进行对比如下：电路元件数多速率工作性能AC耦合较多（多2～4个元件）有低速率限制DC耦合较少无低速率限制匹配难易程度元件多LD引脚不能靠近驱动LD引脚直接连接LDD芯片，器芯片，不易匹配易于匹配，高速性能好较大较小驱动器功耗输出调制电流较大7.激光器驱动电路调制输出信号分析与接口电路设计激光器驱动电路调制输出接口电路是光模块核心电路之一，它主要包括激光器调制输出终端匹配和旁路RC匹配滤波以及激光器直流偏置三个部分电路，每一部分电路的设计将直接关系到模块光信号的输出质量，因此，本章将围绕其重要理论基础和调制输出信号以及电路设计方法进行详细分析和介绍。7.1传输线理论概述我们知道，信号频率的提高意味着波长的减小，该结论应用于高频电路，尤其是超高频（射频）电路，就是当信号波长可与分立电路元件的几何尺寸相比拟时，输入输出电压和电流不再保持空间不变的简单关系。因此，在高频电路中，我们必须考虑因信号波长相对于传输线尺寸较小所引起的信号反射的问题。当信号的频率很高时，则信号的波长就很短，当波长短得跟传输线长度可以比拟时，反射信号叠加在原信号上将会改变原信号的形状。如果传输线的特征阻抗跟负载阻抗不匹配（不相等）时，在负载端就会产生反射。在低频电路中，我们一般不考虑传输线的匹配问题，只考虑信号源跟负载之间的情况，因为低频信号的波长（更准确的说是1/4波长）相对于传输线来说很长，传输线可以看成是“短线”，反射可以不考虑（可以这么理解：因为线短，即使反射回来，跟原信号还是一样的）。为什么阻抗不匹配时会产生反射以及特征阻抗的求解方法，牵涉到二阶偏微分方程的求解，在这里我们不细说了，有兴趣的朋友可参阅电磁场与微波射频方面书籍中的传输线理论。传输线的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由传输线的结构以及材料决定的，而与传输线的长度，以及信号的幅度、频率等均无关。这里需要强调一点的是，特性阻抗跟我们通常理解的电阻不是一个概念，它与传输线的长度无关，也不能通过使用欧姆表来测量。为了不产生反射，负载阻抗跟传输线的特征阻抗应该相等，这就是传输线的阻抗匹配。如果阻抗不匹配会有什么不良后果呢？如果不匹配，则会形成反射，能量传递不过去，降低效率；会在传输线上形成驻波（简单的理解，就是有些地方信号强，有些地方信号弱），导致传输线的有效功率容量降低；功率发射不出去，甚至会损坏发射设备。如果是电路板上的高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡，辐射干扰等。理想的情况是当信号源内阻，传输线的特性阻抗和负载阻抗三者相等时，传输线的阻抗是连续的，不会发生任何反射，信号总能量一半消耗在信号源内阻上，另一半消耗在负载阻抗上（传输线无信号能量损耗）。当阻抗不匹配时，有哪些办法让它匹配呢？第一，可以考虑使用变压器来做阻抗转换。例如，常用的闭路电视同轴电缆特性阻抗为75Ω，而一些射频设备上则常用特征阻抗为50Ω的同轴电缆。另外还有一种常见的传输线是特性阻抗为300Ω的扁平平行线，这在农村使用的电视天线架上比较常见，用来做八木天线的馈线。因为电视机的射频输入端输入阻抗为75Ω，所以300Ω的馈线将与其不能匹配。实际中是如何解决这个问题的呢？电视机的附件中，有一个300Ω到75Ω的阻抗转换器，从外观上看，是一端有一个圆形的插头，大概有两个大拇指那么大，用塑料包装着的东西，它里面其实就是一个传输线变压器，将300Ω的阻抗，变换成75Ω的，这样就可以匹配起来了；第二，可以考虑使用串联/并联电容或电感的办法，这在调试射频电路时常使用；第三，可以考虑使用串联/并