光通信发射机激光驱动器的光调制幅度控制方法及架构技术

本发明专利技术公开了一种光通信发射机激光驱动器的光调制幅度控制方法及架构，该控制方法是将监测光电二极管

【技术实现步骤摘要】
光通信发射机激光驱动器的光调制幅度控制方法及架构


[0001]本专利技术属于光通信
，具体地说，是涉及一种光通信发射机激光驱动器的光调制幅度控制方法及架构
。

技术介绍

[0002]光通信发射机系统的系统框图，如图1所示，它主要包含复接器
、
激光驱动器和激光二极管
LD
（
Laser Diode
）
。
在光发射机中，首先通过同步时钟信号和复接器将并行数据输入信号转换为串行数据信号，然后输出给后级的激光驱动器；激光驱动器将前级电压信号进行放大，整形后，再驱动偏置电流和调制电流流过激光二极管
LD
，将电信号转换为光信号输入到光纤
。
[0003]激光二极管
LD
作为光发射机的最后一级，是光发射机的关键元件，它的性能直接影响着光发射机的主要性能指标
。
由于激光二极管是半导体器件（多采用Ⅲ和
Ⅴ
族元素组成的化合物，常用的材料是
AlGaAs/InGaAs/InP
），因此其电光转换特性会受温度
、
寿命和生产一致性的影响，如图2所示，激光二极管的阈值电流
Ith
以及发光效率随温度
、
寿命或生产一致性变化，在相同的驱动电流情况下（相同偏置电流
IBias
和调制电流
IMod
），得到的光调制幅度
(OMA, Optical Modulation Magnitude)
不同，阈值电流
Ith1、
阈值电流
Ith2
不同，图2所示，
P1
代表高能级，
P0
代表低能级，
OMA
被定义为高能级
P1
与低能级
P0
之差；图中，
OMA1
为
P1
与
P0
之差；
OMA2
为
P1
’
与
P0
’
之差
。
[0004]为了获得更好更稳定的发射机系统性能，期望光调制幅度在工作温度范围
、
寿命内和批量生产中保持稳定，因此需要在激光驱动器电路中添加控制电路，以补偿激光二极管因老化
、
温度等因素而引起的光调制幅度
OMA
下降，保证发射光信号的质量
。
[0005]为了解决因激光二极管的温度
、
寿命和一致性等因素而引起的光调制幅度
OMA
下降，导致的光发射机性能降低的问题，目前一种典型的激光驱动器技术方案，是采用如图3所示的控制方案
。
[0006]图3中的控制方案，包括自动平均光功率控制
APC
（
Automatic Mean Power Control
）环路和自动消光比控制
ERC
（
Extinction Ration Control
）环路
。APC
环路是指从激光二极管发光
LD
‑
>
监测光电二极管
MPD
‑
>
跨阻放大器
‑
>
低通滤波器
‑
>
放大器
‑
>
偏置电流控制激光驱动器
‑
>
激光二极管
LD
的环路
。AER
环路是从从激光二极管发光
LD
‑
>
监测光电二极管
MPD
‑
>
跨阻放大器
‑
>
峰值检测器
‑
>
放大器
‑
>
调制电流控制激光驱动器
‑
>
激光二极管
LD
的环路
。
[0007]APC
环路的原理是：激光驱动器驱动激光二极管发光，
MPD
将监测到的光信号转换为电流信号，然后跨阻放大器将流过的电流信号转成电压信号，再通过低通滤波器提取电压信号中的直流分量（平均值）到放大器负输入端，然后与放大器正端设定的参考电压
VAVG
值（平均光功率成正比电压）进行比较，比较结果送入控制激光驱动器的偏置电流
。APC
环路是一个负反馈环路，当其稳定后，
MPD
光电流产生的平均电压与设定
VAVG
电压相等，也即平均光功与设定的目标值相等
。
[0008]ERC
环路的原理是：通过峰值检测电路检测电信号的峰值输入到放大器的负端，与放大器正端设定的参考电压
VPEAK
值（消光比成正比电压）进行比较，比较结果送入控制激光驱动器的调制电流
。ERC
环路也是一个负反馈环路，当其稳定后，
MPD
光电流产生的峰值电压与设定
VPEAK
电压相等，也即消光比与设定的目标值相等
。
[0009]当上述平均光功率和消光比都等于设定值后，即实现了对输出平均光功率和峰值功率的控制，也即实现了对发射光功率的
OMA
调制
。
[0010]该控制方案的优点是：可以自动的控制发射光调制幅度
OMA
，无需关心激光二极管器件电光转换的温度特性，也能解决器件的寿命问题
。
但是随着光通信的蓬勃发展，信号码率从早期的几十
Mbps
发展到了
Gbps、10Gbps
及以上速率，该方案的不足也显示出来：一是需要能够以比特率（
Bit rate
）速度工作的监测光电二极管
MPD
，但是目前主流的监测光电二极管
MPD
寄生电容都大，一般为几
pF
到几十
pF
，其与后级跨阻放大器组成的
RC
带宽很低，一般为几到几十兆，导致信号工作码率较低；二是需要跨阻放大器
TIA
和峰值检测器也必须以比特率速度工作，这在高速应用中会导致非常大的功耗和面积，并且由于
MPD
寄生电容值大，即使牺牲功耗和面积也无法达到千兆的应用速率；此外，上述模拟峰值检测器的保持时间有限，这可能导致在突发模式应用时，其监测的峰值电平不正确
。
由于上述原因，其只适用于很低速率的发射光
OMA
自动控制，无法满足现在光通信千兆，万兆赫兹及以上速率的发展需求...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种光通信发射机激光驱动器的光调制幅度控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1
，由表达式可知，光调制幅度由光发射机发射的光信号的两个独立的光功率能级
P1、P0确定；其中，
P1代表高能级，
P0代表低能级；
S2
，根据平均光功率表达式和消光比表达式，设定平均光功率和消光比
ER
，求解得到 P
0 和
P1；
S3
，根据监测光电二极管
MPD
的光电响应表达式，带入
P
0 和
P1得出参考电流
I0和参考电流
I1的值；其中，为响应度，单位为
w/A
；
P
即光功率能级；
S4
，通过参考电流产生模块得到所需的参考电流
I0和参考电流
I1‑0；
S5
，将发射机输入电信号
Data
和发射机突发使能信号
Ben
输入到激光驱动器产生电流信号；
S6
，电流信号流过激光二极管
LD
产生光信号，光信号被监测光电二极管
MPD
再转换成光感应电流信号；
S7
，将光感应电流信号与参考电流
I0和参考电流
I1‑0之和相减，并对得到的差值进行积分；
S8
，将积分后的电流信号输入比较器与设定的偏置电压进行比较，并采样比较器的输出；
S9
，比较器输出的数字信号传输到数字控制器进行处理，输出结果用来控制
BIAS DAC
偏置电流和
MOD DAC
调制电流；
S10
，
BIAS DAC
偏置电流和
MOD DAC
调制电流再输入到激光驱动器，调正激光驱动器的驱动能力，形成负反馈环路；
S11
，当最终达到稳定态时，监测光电二极管
MPD
转换成的光感应电流信号与参考电流
I0和参考电流
I1相等，实现光调制幅度的自动控制
。2.
一种用于实现如权利要求1所述的光通信发射机激光驱动器的光调制幅度控制方法的架构，包括激光驱动器，其特征在于，还包括与激光驱动器的输出端相连的光发射组件，通过两个开关与光发射组件相连的参考电流产生模块，正端与光发射组件和参考电流产生模块相连且负端接
Vref
的比较器，与比较器的输出端相连的数字控制器，以及输入端分别通过控制总线与数字控制器相连用于产生偏置电流到激光驱动器的第一数模转换器和用于产生调制电流到激光驱动器的第二数模转换器；所述参考电流产生模块和比较器均通过同一个开关控制模块输出的开关控制信号控制；所述开关控制模块由突发使能信号
Ben、
发射机输入电信号
Data、
时钟信号
Dclk
以及数字控制器产生的标志位
Flag
共同控制
。3.
根据权利要求2所述的一种用于实现光通信发射机激光驱动器的光调制幅度控制方法的架构，其特征在于，所述开关控制模块包括输入端输入突发使能信号
Ben、
输出端输出
Sw1
信号的缓冲器，两输入端输入
Sw1
信号与
Dclk
信号产生
Reset
信号的与非门，以及3个输入端分别输入标志位
Flag、Sw1
信号和发射机输入电信号
Data
并输出
Sw2
信号的与门；其中，
Sw1
...

【专利技术属性】
技术研发人员：任军，刘浩，
申请(专利权)人：成都观岩科技有限公司，
类型：发明
国别省市：