激光器驅(qū)動電路的基本原理[稻谷書店]

1、激光器驅(qū)動電路的基本原理 產(chǎn)品簡介產(chǎn)品簡介 1講課材料 重要聲明 本章節(jié)的主要內(nèi)容是根據(jù)平時工作中的一些理解總結(jié)得 到，沒有特別嚴格的理論分析； 本章節(jié)中的內(nèi)容希望對大家的工作起到指引的作用，并 希望在后面的工作中不斷的完善； 目前本章節(jié)的內(nèi)容僅限于DML的激光器的驅(qū)動電路 2講課材料 重要參考資料 BroadBand Circuit for Optical Fiber communication 信號完整性分析 MAXIM application Notes: Interface Maxim laser drivers with laser diode 3講課材料 半導體激光器的基本原理發(fā)光

2、 表示的符號上采用和二極管一樣的符號 兩個極分別稱為： 陰極：CATHODE 陽極：ANODE 陰極 陽極 電流的方向 發(fā)光 4講課材料 激光器的特點：P-I曲線 Ith: 閾值電流 發(fā)射光功率 通過激光管電流 閾值電流越小越好 發(fā)光后，P-I曲線越直越好 5講課材料 激光器的特點：溫度特性-P-I曲線 Ith: 閾值電流 發(fā)射光功率 通過激光管電流 -10度 30度 60度 由于激光管的特性會隨著溫度發(fā)生劇烈的變化，所以，激光驅(qū)動電路 需要采取一些措施來彌補溫度的影響，保證在不同的溫度下輸出穩(wěn)定 的光功率和眼圖形狀 電流是不能無限制的增加的； 高溫時候，為了維持同樣的發(fā)射 光功率，可能需要的

3、偏置電流是 常溫的2倍以上； 6講課材料 激光器的特點：老化特性-P-I曲線 Ith: 閾值電流 發(fā)射光功率 通過激光管電流 25度 0 YEAR 25度 3YEAR 7講課材料 調(diào)制電路：差分電流驅(qū)動電路 DIFFERENT CURRENT SWITCH 所有激光驅(qū)動電路的核心 偏置電路給出適當?shù)钠秒娏?8講課材料 調(diào)制電路：差分電流驅(qū)動電路優(yōu)點 和所有的差分電路的優(yōu)點類似： A: 對輸入信號的共模干擾不敏感 COMMON MODE NOISE B: 在任何工作狀態(tài)下，對電路的供電電流都是穩(wěn)定的， 減少由于供電電流不穩(wěn)定帶來的問題； C: 對調(diào)制電流的控制，可以通過控制電流元的電路完 成，

4、簡單可靠，注意，我們對激光管的調(diào)制，關(guān)注的要 點都是電流； 9講課材料 調(diào)制電路：假負載的作用 假負載（DUMMY LOAD)的存在是為了保證差分電流驅(qū)動電路的兩端的負 載一致，穩(wěn)定工作； 假負載可以用一個二極管+電阻來模擬激光管，也可以簡單的用一個電阻 來模擬激光管，甚至有時候被直接連接到VCC 這幾種用法在實際的設計中，都有會看到； 10講課材料 驅(qū)動器和激光管的連接 11講課材料 驅(qū)動器和激光管的連接 在實際應用中，驅(qū)動器電路和 激光管需要通過PCB上的銅線 互聯(lián)，信號還可能需要穿過激 光管的引腳，這些互聯(lián)線，在 高速情況下，都會對信號的質(zhì) 量產(chǎn)生影響； 12講課材料 驅(qū)動器和激光管的連

5、接 互聯(lián)線的阻抗不一致，就會導致 信號出現(xiàn)反射； 流體、或者波的傳播中，我們都 可以看到這種反射的現(xiàn)象；是一 種普遍的現(xiàn)象； 最基本的道理總結(jié)起來： 如果傳輸介質(zhì)是均勻的，即阻抗 一致，就不會有反射； 如果終點是開路，會產(chǎn)生一個同 相同幅度的反射波 如果終點是短路，會產(chǎn)生一個反 相同幅度的反射波 13講課材料 驅(qū)動器和激光管的連接 14講課材料 驅(qū)動器和激光管的連接 在遠端觀察到的實際信號 15講課材料 驅(qū)動器和激光管的連接 重要結(jié)論：在互聯(lián)線的兩端，都必須保持阻抗的一 致性，即傳輸線的阻抗、負載(激光管）的阻抗、驅(qū) 動器的阻抗一樣； 常見錯誤，我們現(xiàn)在設計激光管到LASER DRIVER的

6、互聯(lián)線，很多都是按照差分100歐姆來設計，實際上， 這個沒有什么特別的道理，只要能符合上述的規(guī)律， 實際上任何的阻抗的差分線，都應該可以工作； 16講課材料 PASSIVE BACK TERMINATION 有BACK TERMINATION的驅(qū)動電路，缺點是這個時候，對 驅(qū)動器而言，需要驅(qū)動兩個負載，需要的電流要加倍； 我們的很多設計上，都使用了BACK TERMINATION的方案； BACK TERMINATION 電阻用于吸收從激光 管遠端因為匹配不良 反射回來的信號； 17講課材料 ACTIVE BACK TERMINATION 有源的反向終結(jié)設計，避免無源方案的高功耗問題； ADI

7、的10G LASER DRIVER就是采用的這種方案的芯片 18講課材料 ACTIVE BACK TERMINATION 19講課材料 ACTIVE BACK TERMINATION 20講課材料 激光管的阻抗匹配 實際的激光管的內(nèi)阻大概為： VCSEL產(chǎn)品，PICOLIGHT的大概是45歐姆左右； FP、DFB產(chǎn)品，大概是5-10歐姆左右； 而一般的互聯(lián)線都是按照差分50歐姆或者差分 100歐姆設計，如何保證激光管和互聯(lián)線的匹配？ 21講課材料 激光管的阻抗匹配 方法X：在激光管上串聯(lián)電阻，得到預期的阻抗； 電阻 通常這個電阻集成在TO的封裝內(nèi)部，不過 現(xiàn)在的好像看到越來越多的供應商根本就不

8、 使用這個電阻，任由低阻抗的激光管直接連 接到傳輸線上，具體的理由還不清楚； 包括在我們的設計中，實際上都沒有考慮這 個問題了； 22講課材料 克服引線的電感 通常，在激光管的接口電路中，還增加RC匹配電路來補償管腳和引線上的分 布電感；改善眼圖的形狀； 23講課材料 自動功率控制電路：APC電路的重要性 根本的原因：激光器有明顯的溫度特性，并且會明顯的老化； APC電路的基本原理：通過一個幾乎沒有溫度特性、幾乎不會老 化、并且和激光器耦合效率非常穩(wěn)定的光電二極管來監(jiān)視激光器 的發(fā)射光功率，自動調(diào)整偏置電流，保持激光器發(fā)射光功率穩(wěn)定 閾值：和溫度和工作時間有關(guān)系； 發(fā)光效率：和溫度和工作時間有

9、關(guān)系； 24講課材料 自動功率控制電路：連續(xù)模式SINGLE LOOP APC電路原理I RC電路充當一個低通濾波器，用來測量平均的光功率或者背光電流； 由于APC環(huán)路只關(guān)心光功率的平均值，為了減少長0和長1對光功率的影 響，需要APC環(huán)路的帶寬盡量的小； PHYWORKS 107X芯片有兩個可選的帶寬，分別為5KHZ/15KHZ； 25講課材料 自動功率控制電路：連續(xù)模式SINGLE LOOP APC電路原理II 在溫度不變、發(fā)光效率不變的情況下，如果激光管的閾值發(fā)生變化， APC環(huán)路可以保持發(fā)射光功率不變； 26講課材料 自動功率控制電路：SINGLE LOOP APC電路問 題 如果激光

10、管僅僅閾值電流和溫度、時間有關(guān)系，發(fā)光效率保持永遠一致， 單環(huán)路的APC電路會工作的非?？煽?； 但是，實際上發(fā)光效率也隨時間和溫度發(fā)生明顯的變化； 27講課材料 自動功率控制電路：補償發(fā)光效率的變化 解決辦法一：采用調(diào)制電流的溫度查找表，根據(jù)不同的溫度給出不同的 調(diào)制電流值；這個方法的缺點是：沒有考慮到激光器會老化的問題，在 調(diào)試的過程中，無法估計未來激光器會如何老化； 溫度補償有很多種實現(xiàn)辦法： A: 使用一個帶熱敏電阻或者其他溫度感應機制的電路來調(diào)整調(diào)制電流， 例子：MAX3286，現(xiàn)在NANOTECH的LED DRIVER都是用這種機制； B: 使用一個預先矯正的溫度查找表，在高溫和低溫

11、都進行測試，確定 補償值；目前我們大部分的光口模塊，都是使用這個方法進行調(diào)整； 我們的模塊中，有一個55項的溫度查找表，以3攝氏度為間隔，支持從- 39度到+123度范圍內(nèi)的溫度查找功能； 28講課材料 自動功率控制電路：溫度補償元件 29講課材料 自動功率控制電路：溫度查找表 調(diào)制電流設定值 溫度 -104070 紅線為理想的MODSET值 藍線為模擬的查找表值 30講課材料 自動功率控制電路：DUAL LOOP APC 解決辦法二：一種更先進的辦法就是采用雙環(huán)路的APC，即偏置電流還 是由平均光功率來控制，但是，另外使用一個自動控制環(huán)路，通過檢測 光電二極管上的峰值和平均值的差異，來檢測當前的發(fā)光效率； 這個方法的缺點是需要一個非常高速的光電二極管來跟蹤發(fā)射光功率； 31講課材料 自動功率控制電路：總結(jié) 在通常的生產(chǎn)中，采用SINGLE LOOP