自动功率控制和激光器斜率归一化电路制造技术

自动功率控制（ＡＰＣ）由以下部分配置：ａ）可变输出电压差分接收器／驱动器，其中接收器响应数据信号以产生一个电压，激光驱动器输出电压幅值由产生交流电流信号的集成电路上的第一电位器控制以与直流电流信号共同提供激光驱动电流信号到ｂ）具有激光二极管的激光发射器，所述的激光二极管用于在光传输介质上产生光功率，光电二极管用于响应所述光功率产生反馈信号，ＡＰＣ包括ｃ）功率稳定电路，其包括误差放大器、第二电位器和偏置电流驱动晶体管，误差放大器具有反馈信号输入和电压基准输入以产生输出控制信号，第二电位器影响所述输出控制信号，所述偏置电流驱动晶体管响应所述输出控制信号以提供偏置电流到激光二极管。根据本发明专利技术的另一方面，一个或更多个电位器、误差放大器或电压基准被包含在所述集成电路中。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电发射器，更具体地说，涉及具有自动功率控制和驱动半导体激光器的偏置电路的光电发射器。光电收发器模块提供一个位于电子系统和例如光纤的传输介质之间的接口。因此，多数光电收发器包含传输数据到电子系统和从电子系统传输数据的电子和光转换电路以及光传输介质。通常，收发器模块使用产生相干光的激光二极管以在电子系统和光传输介质之间进行高速数据传输。一般地，每一激光二极管同光功率监控电路一起封装。例如，由Honeywell Incorporated封装的HFE4081-321二极管包含一个发送数据的激光二极管和一个执行功率监控的光电极管。在二极管组件之内的功率监控光电二极管提供一个监控电流Im，该电流随由激光二极管变化所产生的光功率进行变化。通常，监控电流Im的变化与由激光二极管所产生的光功率变化成正比。然而，监控电流Im对激光二极管的光功率的比率可以从一个二极管组件到下一个而不同。因此，每一二极管组件必须单个测试以确定其监控电流Im与激光二极管光功率的具体比率。提供监控电流Im的主要目的是确保在操作期间激光二极管产生激光。必须被提供到激光二极管以产生激光的最小电流为阈值电流Ith。当提供到激光二极管的电流小于阈值电流Ith时，激光二极管在LED(发光二极管)模式下运行。在LED模式中，提供到激光二极管的电流仅够激发激光二极管空腔中的原子，这使其发出与由发光二极管(LED)产生的光类似的光。当提供到激光二极管的电流达到大于或等于阈值电流Ith的电平时，激光二极管把电流转换为光的效率大大提高，因此，该激光二极管从LED模式的操作转换为激光模式的操作。参照附图，附图说明图1说明了三个独立的半导体激光器A、B和C的输出功率对输入电流的典型曲线或P-I曲线。半导体激光器面临的一个主要问题为每一独立的激光器都具有它的独自的一组输出特性。在图1中，水平轴(I)表示输入到该半导体激光器的驱动电流，垂直轴(P)表示由激光器提供的相对应的光输出功率。可以看出，提供到各自的半导体激光器A、B和C的每一个的统一的直流输入电流IQ，产生了不同数值的光输出功率PQA、PQB和PQC，其由每一个激光器发射。此外，由于每一半导体激光器的线性工作范围具有不同的斜率，输入电流±ΔI的给定变化将引起不同半导体激光器的输出功率的不同变化±ΔP。在图1中可看到半导体激光器的斜率的这些变化。统一的直流工作电流或静态电流IQ被施加到三个激光器A、B和C的每一个，并且相同的交流电信号ISIG被叠加到其上，其中ISIG＝IQ±ΔI。ISIG引起在输入电流在静态电流IQ之上和之下的周期变化±ΔI。施加到图1中的每一半导体激光器的ΔI的幅值在三个半导体激光器A、B和C之间是相同的。然而，在输出侧，由于输入电流的变化所产生的输出功率的变化±ΔPA、±ΔPB和±ΔPC从一个激光器到另一个激光器不同。如图1中能清楚看到的，ΔPA大于ΔPB，ΔPB大于ΔPC。这些单个激光器输出特性的变化对设计大量生产的标准的、可靠的光电发射器形成了巨大的障碍。理论上，特别设计的每一光电发射器都具有类似的输出特性。发射器的光输出表示包含1和0的字符串的二进制数据。当发射器的光输出超过某一功率阈值时，二进制1被发送，当发射器的光输出功率低于某一功率阈值时，二进制0被发送。1和0之间的发送功率电平之间的差异的最大化可提高收发器的可靠性和提高数据链路相对端的接收器输入端的信噪比。因此，在包含半导体激光器作为有效的光部件的收发器的设计中应包括提供使半导体激光器的输出特性最优化的装置。此外，这些输出特性应从一个收发器到另一个收发器相同。千兆位以太网的IEEE标准是通过光纤进行数据通讯的标准的示例，该标准要求这样的一致的发射器特性。因此，最优化电路也使发射器的输出特性归一化到精确制订的标准。在产生光输出信号的过程中，发射器驱动电路从主机装置接收二进制电压信号。该驱动电路将输入电压信号转换为驱动半导体激光器的电流信号。对应于二进制1的信号电压必须被转换为提供到半导体激光器的足够大的电流以使该半导体激光器发射具有在对应于二进制1的传输的功率阈值之上的输出功率的光输出信号。同样地，对应于二进制0的信号电压必须被转换为提供到半导体激光器的电流电平，该电流电平使半导体激光器发射具有低于对应于二进制0的发射的功率阈值的输出功率电平的光输出信号。然而，由于从一个半导体激光器到另一个半导体激光器P-I特性的变化，产生理想输出功率所必需的该电流电平依赖于每一单独半导体激光器的各自特性而变化。授权给Gilliland等人的美国专利第5638390号公开了一种稳定带有激光二极管的光电收发器的设计和方法。美国专利第5638390号以参考的方式被包含于此。总而言之，单个半导体激光器P-I特性的变化通过使用调整驱动该半导体激光器的输入电流的偏置和交流驱动电路可被补偿。激光器控制电路有两部分。第一部分自动功率控制(APC)涉及建立平均直流输入电流或静态工作电流IQ。IQ确定由半导体激光器发射的平均输出功率或静态工作功率PQ。第二部分激光器斜率补偿涉及确定引起输出功率理想变化±ΔP需要的输入电流的变化±ΔI，以分别确定分别对应于数字1和0的光功率电平。图2示出了如图1示出相同的半导体激光器A、B、C的P-I曲线。然而，不是相同的输入电流被施加到每一装置，而是不同的输入电流IA、IB和IC分别被施加到每一半导体激光器A、B和C以使每一激光器近似地发射相同的输出功率PQ。如图2所示，结合P-I曲线很好地描述了APC和激光器斜率补偿。传输的光功率信号在静态输出功率PQ之上和之下交替变化。二进制1的功率被表示为PQ+ΔP，二进制0的功率被表示为PQ-ΔP。在二进制1的功率和二进制0的功率之间的功率电平比为发射器的消光比(extinction ratio)。消光比越大，意味着在传输的1和0之间的输出功率比越高，导致了在数据链路的相对端的改进的接收器的性能。因此，控制PQ和ΔP以最大化消光比RE是需要的。为了最大化RE，在半导体激光器工作范围的中间点附近最好确立静态工作功率PQ。一旦PQ被确立，则通过设置PQ+ΔP尽可能地接近半导体激光器的最大输出电平和通过设置PQ-ΔP尽可能地接近半导体激光器的激光功率阈值，消光比可被最大化。如从图2中可清晰看到的，实现相同的或基本相同的静态输出功率PQ所需要的静态输入电流IQ取决于半导体激光器A、B或C是否被使用而变化。自动功率控制确立静态输入电流IQ以使所希望的平均输出功率PQ由使用在收发器中的特定的半导体激光器发射。因此，对于图2所示的三个半导体激光器A、B和C来说，静态工作电流IQA、IQB和IQC分别从半导体激光器A、B和C中发送近似PQ的输出功率。确定特定的半导体激光器的适当的静态电流包括单独测量该半导体激光器并且改变提供到那里的输入电流直到获得所需要的输出功率。一旦该静态电流被确定，则可产生叠加在该激光器的等于IQ的平均直流输入电流上的交流驱动电流。一旦静态电流被确定，有必要补偿不同半导体激光器的P-I曲线的不同斜率。因为每个P-I曲线的斜率不同，所以引起输出功率所需要的变化ΔP的输入电流的变化值ΔI将从一个半导体激光器到另一个半导体激光器不同。再参照图2中的P-I本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光发射器电路，包括： 具有输出和控制输入的可变电压驱动器； 激光二极管； 电阻器，以串联形式连接在可变电压驱动器的输出和激光二极管之间以将可变电压驱动器的输出电压转换为到激光二极管的可变交流电流驱动信号；和 电位器，连接在可变电压驱动器的控制输入端。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：帕特里克B革利兰德，路易斯陶瑞斯，艾维古恩安古洛维，戴维斯奇，米歇尔A沃德，
申请(专利权)人：斯特拉托斯光波公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]