激光驅(qū)動電路

激光器驅(qū)動電路及其外部接口的設(shè)計摘要近幾年以來，隨著全球信息化的高速發(fā)展，干線傳輸、城域網(wǎng)、接入網(wǎng)、以太網(wǎng)、局域網(wǎng)等越來越多的采用了光纖進(jìn)行傳輸，光纖到路邊FTTC、光纖到大樓FTTB、光纖到戶FTTH、光纖到桌面FTTD正在不斷的發(fā)展，光接點(diǎn)離我們越來越近。在每個光接點(diǎn)上，都需要一個光纖收發(fā)模塊，模塊的接收端用來將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電信號，以便作進(jìn)一步的處理和識別。模塊的發(fā)射端將需要發(fā)送的高速電信號轉(zhuǎn)化為光信號，并耦合到光纖中進(jìn)行傳輸，發(fā)射端需要一個高速驅(qū)動電路和一個發(fā)射光器件，發(fā)射光器件主要有發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器（LD）。LED和LD的驅(qū)動電路有很大的區(qū)別，常用的半導(dǎo)體激光器有FP、DFB和VCSEL三種。激光器驅(qū)動電路調(diào)制輸出接口電路是光模塊核心電路之一，它主要包括激光器調(diào)制輸出終端匹配和旁路RC匹配濾波以及激光器直流偏置三個部分電路，每一部分電路的設(shè)計將直接關(guān)系到模塊光信號的輸出質(zhì)量。關(guān)鍵詞：激光器；驅(qū)動電路；光模塊；溫度控制；外部接口電路目錄第1章半導(dǎo)體激光器概述第2章激光發(fā)射模塊激光發(fā)射模塊概述信標(biāo)光發(fā)射模塊的設(shè)計2.2.1激光器驅(qū)動電路設(shè)計2.2.2溫度控制（ATC）電路設(shè)計第3章激光器驅(qū)動電路外部接口激光器驅(qū)動電路直流BLAS輸出隔離激光器驅(qū)動電路調(diào)制匹配3.2.1激光器直流耦合驅(qū)動3.2.2激光器交流耦合驅(qū)動3.2.3激光器直耦與交耦驅(qū)動方式的比較第4章激光器驅(qū)動電路調(diào)制輸出信號分析與接口電路設(shè)計4.1傳輸線理論概述激光器直流偏置4.3RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)第5章結(jié)束語參考文獻(xiàn)第一章：半導(dǎo)體激光器概述半導(dǎo)體激光器作為常用的光發(fā)射器件，其體積小、高頻響應(yīng)好、調(diào)制效率高、調(diào)諧方便，且大部分激光器無需制冷，是光纖通信系統(tǒng)理想的光源。激光器有兩種基本結(jié)構(gòu)類型（1）邊緣發(fā)射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反饋式①FB）激光器。FP激光器是應(yīng)用最廣的一種激光器，但是其噪聲大，高頻響應(yīng)較慢，出光功率小，因此FP激光器多用于短距離光纖通信。而DFB激光器則具有較好的信噪比，更窄的光譜線寬，更高的工作速率，出光功率大，因此DFB激光器多用在長距離、高速率光傳輸網(wǎng)絡(luò)中。（2）垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），是近幾年才成熟起來的新型商用激光器，有很高的調(diào)制效率和很低的制造成本，特別是短波長850nm的VCSEL，在短距離多模光纖傳輸系統(tǒng)中現(xiàn)在已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。第二章：激光發(fā)射模塊2.1：激光發(fā)射模塊概述一般無線激光通信發(fā)射機(jī)主要包括信標(biāo)激光發(fā)射模塊和通信光發(fā)射模塊兩部分，其中信標(biāo)激光器和通信激光器是發(fā)射模塊的關(guān)鍵器件。兩類發(fā)射模塊及其通信鏈路示意圖如圖1所示。電踣一光學(xué)夭如和A氣通邃圖1境射模塊的通信鏈略.-節(jié)r?放大■!電踣一光學(xué)夭如和A氣通邃圖1境射模塊的通信鏈略.-節(jié)r?放大■!通信激光發(fā)射模塊工作原理：將編碼后電信號作為調(diào)制信號，經(jīng)過半導(dǎo)體激光驅(qū)動器，改變半導(dǎo)體激光器的輸入電流，從而使半導(dǎo)體激光器輸出激光的功率隨調(diào)制信號而改變，即產(chǎn)生調(diào)制的光信號。調(diào)制光信號經(jīng)光纖準(zhǔn)直器耦合進(jìn)入光學(xué)發(fā)射天線，光學(xué)發(fā)射天線壓縮光束發(fā)散角，使其達(dá)到系統(tǒng)要求的指標(biāo)，然后將光束發(fā)射出去。2.2：信標(biāo)光發(fā)射模塊的設(shè)計信標(biāo)激光發(fā)射模塊為激光通信鏈路的建立提供用來對準(zhǔn)的信標(biāo)光，為了方便激光發(fā)射和接收部分的對準(zhǔn)，要求信標(biāo)光的光束具有較大的柬散角和較高的輸出功率。信標(biāo)光發(fā)射模塊原理為：首先，驅(qū)動部分是由基準(zhǔn)電壓源產(chǎn)生基準(zhǔn)電壓，然后將激光器(LD)輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行取樣，經(jīng)過反饋環(huán)路與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，利用反饋量來控制驅(qū)動電流大小，使供給激光器電流恒定，從而實(shí)現(xiàn)恒流控制；將檢測二極管(PD)電流大小反饋給驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)功率自動控制；其次，溫度控制部分是由內(nèi)部熱敏電阻通過電橋電路放大供給后續(xù)的TEC電路，利用TEC處理芯片實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測和控制。此外由脈沖信號源生成一定周期的時鐘頻率信號，作為發(fā)射模塊控制頻率，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)脈沖輸出。2.2.1：激光器驅(qū)動電路設(shè)計激光器驅(qū)動電路如圖2所示，電路設(shè)計中，主要采用運(yùn)算放大器和自動增益控制電路。在該圖中電路主要分成兩個部分，圖中的上半部分電路主要為脈沖驅(qū)動，下半部分電路主要為自動增益控制電壓電路。在上半部分電路中，P1為SMA接頭，采用50Q阻抗匹配將脈沖控制信號接入作為調(diào)制激光器驅(qū)動的調(diào)制信號，通過后續(xù)比較器和驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。VD7為穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定電壓,通過調(diào)整滑動變阻器來實(shí)現(xiàn)比較器負(fù)輸入端參考電壓的設(shè)定。8為MAX953集成芯片，內(nèi)部集成了比較器和放大器。在該部分設(shè)計中，通過比較器實(shí)現(xiàn)脈沖控制電壓和參考電壓的比較，將比較信號送入后續(xù)由MAX953芯片內(nèi)的放大器構(gòu)成的電壓跟隨器正向輸入端。在電壓跟隨器的正向輸入端外接參考電壓的上拉電阻相接，比較器輸出開關(guān)信號來控制電壓跟隨器正向輸入端的電壓大小實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，以便完成后續(xù)供給場效應(yīng)管VQ10的開啟和導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)脈沖開光信號的整體控制。通過反饋電壓控制電壓跟隨器的上拉電壓達(dá)到電流恒定驅(qū)動的目的。在下半部分電路中，將恒電流反饋或恒功率反饋控制信號通過運(yùn)放放大，其中運(yùn)放仍采用U10中的內(nèi)部放大器，將該運(yùn)放作為電壓跟隨器，輸出信號進(jìn)入運(yùn)放U11A的正向輸入端實(shí)現(xiàn)放大。U11B為運(yùn)放減法電路，將上級放大輸出信號與參考電壓進(jìn)行比較輸出，VD10為穩(wěn)壓二極管提供穩(wěn)定電壓，調(diào)整滑動變阻器R77和R70構(gòu)成的分壓電路來實(shí)現(xiàn)比較器負(fù)輸入端參考電壓的設(shè)定。在該部分電路設(shè)計中，自動增益控制電路中的放大器選取帶寬較窄、轉(zhuǎn)換速度不能過快的放大器為宜。由于調(diào)制頻率為kHz數(shù)量級，因此帶寬過大會有很大的噪聲干擾，為了使自動增益控制電壓維持恒定，必須使該電壓變換緩慢，所以選取轉(zhuǎn)變速度較為緩慢的運(yùn)算放大器。R61為恒電流模式中的采樣電阻，即它將LD的電流轉(zhuǎn)換為電壓信號，通過反饋回路作為恒流控制信號，將該小信號放大供給后續(xù)反饋回路。由于LD的輸出功率與驅(qū)動電流有關(guān)，所以驅(qū)動電流的穩(wěn)定性是決定LD的輸出光功率穩(wěn)定與否的一個關(guān)鍵因素。本設(shè)計采用了自動增益電路對參考電壓Refl進(jìn)行控制，即穩(wěn)定了電流又起到了限定電流作用，而且結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用。2.2.2:溫度控制（ATC）電路激光器的輸出受環(huán)境溫度和本身溫度變化的影響非常嚴(yán)重。主要是由于PN結(jié)的內(nèi)部承受著相當(dāng)大的電流密度和熱耗散功率密度，不可避免地存在各種非輻射、自由載流子吸收等損耗。相當(dāng)一部分注入電功率將轉(zhuǎn)化為熱量，引起激光器溫度升高，從而影響其激光的輸出。為了穩(wěn)定輸出功率和波長必須穩(wěn)定激光二極管的溫度，因而必須使用溫度控制電路對激光器加以溫度控制。溫度控制電路設(shè)計主要包括兩部分:由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻組成的橋式放大電路，該部分電路主要是采用OPA1177芯片和外圍電路組成;另外是以由半導(dǎo)體熱電制冷器的驅(qū)動控制組成電路，該部分電路主要采用專用熱電制冷器控制芯片構(gòu)成。溫度控制原理為:裝在激光器組件內(nèi)的熱敏電阻將激光二極管的溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號，此小信號經(jīng)過放大后送入TEC芯片電路，該電路將輸入電壓與參考電壓比較后產(chǎn)生控制信號，控制熱電致冷器的電流輸入及方向，使其制冷或加熱，從而改變激光二極管的溫度，此溫度變化就會反映到熱敏電阻上，即構(gòu)成了一個溫度負(fù)反饋系統(tǒng)，動態(tài)地控制激光二極管的溫度，從而起到穩(wěn)定溫度的作用，使溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。第三章：激光器驅(qū)動電路外部接口半導(dǎo)體激光器與激光器驅(qū)動電路能否進(jìn)行協(xié)調(diào)一致的正常工作，關(guān)鍵在于接口電路的信號隔離與傳輸匹配性能的優(yōu)劣。激光器驅(qū)動電路的輸出主要是BIAS輸出和調(diào)制輸出，需要解決的技術(shù)問題一是對BIAS輸出和調(diào)制輸出進(jìn)行隔離，穩(wěn)定終端負(fù)載；二是對輸入輸出網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的電路匹配，采用正確的耦合方式，實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號的有效傳遞。3.1:激光器驅(qū)動電路直流BLAS輸出隔離在激光器二極管陰極保持一恒定的阻抗（主要針對交流信號）是十分重要的，因?yàn)樗梢允垢咚佥敵鲭娐穼︻l率（交流）信號的負(fù)載保持穩(wěn)定，如果電路輸出端負(fù)載不穩(wěn)定，那么輸出信號將會產(chǎn)生反射、振鈴現(xiàn)象，從而導(dǎo)致激光器輸出光眼圖質(zhì)量下降。在千兆高速數(shù)據(jù)速率下，激光器二極管陰極上的任何容性負(fù)載均會降低其光輸出特性，由于BIAS輸出端是直接連接到激光器的陰極，因此在BIAS引腳上容易產(chǎn)生寄生（次生）電容，從而激光器二極管陰極在此寄生電容作用下將產(chǎn)生一個關(guān)于頻率的函數(shù)阻抗，并且激光器調(diào)制速率越高，這種現(xiàn)象越明顯。為了減小這種因激光器二極管陰極阻抗變化所造成的影響，通常在激光器二極管陰極和驅(qū)動器偏置電路電流輸出端之間串聯(lián)一個起隔離作用的電感（或者是磁珠），如圖3.1中的標(biāo)識所示，這一電感對直流偏置電流沒有影響，但是對交流調(diào)制信號呈現(xiàn)高阻抗。

IKFirreLFFEH*HHEHUTOttfllIX-FAJULTTX_DMl￡Hr_4L?i1?cu,Ij^FCZTTH.TEI1.#1MODTClMP■KiFUT】D€TfiPATH^V|>4X：|LzWE^FETFLOGfAMDFXTAB1rSTCCTCfiIKFirreLFFEH*HHEHUTOttfllIX-FAJULTTX_DMl￡Hr_4L?i1?cu,Ij^FCZTTH.TEI1.#1MODTClMP■KiFUT】D€TfiPATH^V|>4X：|LzWE^FETFLOGfAMDFXTAB1rSTCCTCfiSHinu^iuRb 1ft?C_bK4<frlH_TWFgfte_NCWM<jD￡ErnjooecuyiFapcruiFifcJCCfCDWFfikKEMT^r" 老律（EtWyF如圖3.1激光器驅(qū)動電路（MAX3738）原理圖當(dāng)然，有時也可在激光器二極管陰極和驅(qū)動器偏置電路電流輸出端之間直接串聯(lián)一個起線路阻尼作用的電阻，如圖3.2中的標(biāo)識所示，其原因是芯片本身在內(nèi)部進(jìn)行了一定的信號隔離處理，驅(qū)動器的調(diào)制速率也不是很高，如MAX3646和MAX3656等。如圖3.2激光器驅(qū)動電路（MAX3656）原理圖3.2：激光器驅(qū)動電路調(diào)制匹配激光器驅(qū)動電路調(diào)制輸出是高頻信號，為使此信號在激光器二極管和激光器二極管驅(qū)動器之間實(shí)現(xiàn)不失真的有效傳遞，就必須對線路（保證傳輸線的連續(xù)性）和終端（保證信號被完全吸收）進(jìn)行有效的匹配，具體分析在本文第7章進(jìn)行詳細(xì)論述。調(diào)制匹配網(wǎng)絡(luò)的耦合驅(qū)動方式（即激光器驅(qū)動方式）有兩種，即激光器直流耦合驅(qū)動方式（DC）和激光器交流耦合驅(qū)動方式（AC）。激光器驅(qū)動方式與激光器調(diào)制速率密切相關(guān)，目前1.25Gbps及以下速率激光器一般均采用直流耦合驅(qū)動方式，2.5Gbps激光器根據(jù)具體情況和實(shí)際要求可采用交流耦合驅(qū)動方式，這兩種驅(qū)動方式優(yōu)勢互補(bǔ)，應(yīng)用于不同速率的激光器調(diào)制輸出接口電路。3.2.1：激光器直流耦合驅(qū)動直流耦合為激光器和激光器驅(qū)動器的互連提供了一種簡單易行的接口解決方案，其接口電路如圖3.3所示，當(dāng)供電電壓下降至3.3V時，驅(qū)動器凈空電壓（凈空電壓是指供電電壓與沿著某個單獨(dú)的電路支路的電壓降總和的差值電壓）減小，并可能導(dǎo)致因沒有足夠的凈空電壓而不能實(shí)現(xiàn)對激光器進(jìn)行快速切換和高速調(diào)制，這是在使用直流耦合時需要注意的地方。對于包含激光器二極管調(diào)制電路的凈空電壓的計算必須包括激光器二極管的壓降和激光器因封裝引線電感（寄生電感）的作用而產(chǎn)生的瞬時壓降以及線路阻尼電阻R的壓降。D+3圖3.3直流耦合接口電路典型長波長FP激光器二極管要求其前向偏置電壓必須規(guī)定為1.2?1.8V,它是激光器能帶隙電壓與激光器等效串聯(lián)電阻所產(chǎn)生的壓降總和，這種類型的激光器其等效串聯(lián)電阻的典型值為4?6Q。激光器封裝引線在高速電流切換的條件下產(chǎn)生引線電感（寄生電感），流過引線電感的調(diào)制電流將在此引線電感上產(chǎn)生一個與調(diào)制電流變化方向相同的瞬時壓降，它的大小大概為V=LM/At。如果我們假設(shè)一典型激光器其寄生電感大約為1.5nH，最大調(diào)制電流為60mA,L激光器調(diào)制電流從峰峰值的20%上升到80%所需上升時間為80ps（對于2.5Gbps激光器），那么我們就可以計算出V的近似值（需要注意的是調(diào)制信號從峰峰值的20%上升到80%期間為L信號上升時間，也就是說Ai大約為整個調(diào)制電流的60%,即60mAX60%=36mA)。運(yùn)用以上假定值，可以計算出Va(1.5nH)(36mA/80ps)=0.68V。L對如圖3.4所示的直流耦合接口電路進(jìn)行輸入輸出分析，其動態(tài)工作過程如下：當(dāng)A,B輸入端無數(shù)據(jù)輸入時，流過OUT-,OUT+引腳的電流均為厶嚴(yán)，流過激光器的2IV電流I—I+MOD，此時，V=V—V—V-L BIAS 2 OUT+ CCFL 2當(dāng)A=0,B=1時，流過OUT-引腳的電流為0,流過OUT+引腳的電流為I ，流過激光MOD器的電流I—I+1，此時，V =V—V—V—V；LBIASMOD OUT+ CCFLMOD當(dāng)A=1,B=0時，流過OUT-引腳的電流為I ，流過OUT+引腳的電流為0,流過激光MOD器的電流I—I ，此時，V=V—V—V。LBIAS OUT+CCFL根據(jù)以上電路分析很容易知道在激光器直流耦合驅(qū)動方式下LDD調(diào)制輸出引腳電壓值V 與流過激光器二極管電流值I示意圖如圖3.4所示。OUT+ L與I及激光器的工作狀態(tài)如下：OUT+ L高電平V—V—V—V—V,流過激光器二極管電流I-1 ,激光器發(fā)OUT+ HOUT+CCCFL LBIAS射激光功率為P;0低電平V—V—V—V—V—V—V—V ，流過激光器二極管電流OUT+ LOUT+ LOWCMODCCFLMODI—I+1 ，激光器發(fā)射激光功率為P。LBIASMOD 1其中V—V+IR,I—I,V—V—V—V—V—I (R+R)。FBG L BIAS MODHOUT+LOUT+CLOWMODDL下面是一個計算如圖6.2.1所示的直流耦合接口電路OUT+凈空電壓的例子。首先，考慮到激光器二極管最大前向電壓為V(等于V+IR)為1.6V。然后，我們同樣假設(shè)激FBGL光器寄生電感為1.5nH，最大調(diào)制電流為60mA,信號邊沿從峰峰值的20%上升到80%所需上升時間為80ps，于是直接引用前面已經(jīng)計算出的結(jié)果V=0.68V。最后，我們還要將線路上L串聯(lián)阻尼電阻R的壓降也算進(jìn)去，假設(shè)R=200，則V=IR=1.2V。DDDMODD通過上述相關(guān)電路參數(shù)值可計算出激光器在直流耦合驅(qū)動方式下LDD調(diào)制輸出引腳OUT+上的最小凈空電壓為V =V-1.2V-0.68V-1.6V=V-3.48V，這樣就使得3.3VLOWCCCC的供電電壓很難使系統(tǒng)完全正常工作。值得一提的是上述激光器二極管驅(qū)動器直流耦合調(diào)制輸出引腳OUT+上的最小凈空電壓是在LD最大前向電壓V=V+IR=1.6V，LDD調(diào)制電流I 均較大，并且APC環(huán)不參與FBGLMOD工作的情況下計算出的結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用中，LD偏置電流I 一般最大不超過I+40mA，BIAS th前向電壓V一般不超過1.2V,LDD調(diào)制電流I 一般最大不超過40mA,APC環(huán)也參與工作，F(xiàn)MOD因此，流過激光器二極管的總電流相對減小，調(diào)制支路(包含激光器)壓降也減小，從而調(diào)制輸出引腳OUT+上的最小凈空電壓變大。激光器在LDD的APC環(huán)的作用下，V與I及激光器的工作狀態(tài)如下：OUT+L高電平V=V+1V=V+11 (R+R)，流過激光器二極管電流OUT+ HOUT+ C2MODC2MODDLI二I -4曾，激光器發(fā)射激光功率為P；LBIAS2 0低電平V =V+1V二V-1V=V-1I (R+R)，流過激光器OUT+ LOUT+LOW2MOD C2MODC2MODDL二極管電流I二I ，激光器發(fā)射激光功率為P。LBIAS2 13.2.2：激光器交流耦合驅(qū)動上一節(jié)所論述的激光器直流耦合驅(qū)動方式存在凈空電壓較小的不足，此不足之處可以用激光器交流耦合驅(qū)動方式得到改進(jìn)，激光器交流耦合驅(qū)動方式是通過另加一個串聯(lián)電容C和一個上拉電感L來實(shí)現(xiàn)的，交流耦合接口電路如圖3.5所示。DP

+3.3V-f+3.3V-f圖3.5交流耦合接口電路影響交流耦合驅(qū)動方式的凈空電壓大小的因素，其主要是以下三個部分的電壓降（：1）激光器二極管的壓降僅僅是其等效串聯(lián)電阻的壓降函數(shù)（最大電壓增量AU=IR，對LMODLIR最小凈空電壓值的計算只有巧十壓降貢獻(xiàn)），而不是關(guān)于激光器能帶隙電壓的函數(shù)（在直2流耦合驅(qū)動方式下等于V+IR）；（2）由激光器寄生電感所產(chǎn)生的瞬時壓降與直流耦合驅(qū)BGLIR動方式相同；（3）串聯(lián)等效電阻R上的壓降，其值為-MOD-D（在直流耦合驅(qū)動方式下為D2IR）。MODD假設(shè)圖3.5所示的交流耦合接口電路中T,T集電極上拉到電源V的電感分別為L,TOC\o"1-5"\h\z12CC P1L，考慮到調(diào)制輸出引腳OUT+串聯(lián)電容C和上拉到電源V=3.3V的電感L，則電路動P2 D CC P2態(tài)工作過程如下；當(dāng)A，B輸入端無數(shù)據(jù)輸入時，流過L，L的電流均為流過激光器的電流P1 P22-=-，V =V =V=3?3V；LBIAS OUT+OUT— CC當(dāng)A=0，B=1時，流過L的電流為0，流過L，R的電流均為'mod，流過激光器P1 P2D 2的電流-=- MOD，根據(jù)￡二L-，此時，L感應(yīng)電動勢的值*二MOD（R+R），LBIAS 2 dt P2 LP2 2 DLV =VMOD（R+R）；OUT+CC2 DL當(dāng)A=l，B=0時，流過L的電流為-，流過R的電流為0，流過激光器的電流P1 MOD D

I—I -IMOD,同樣根據(jù)￡=L貞紅),此時，L感應(yīng)電動勢的值￡ =-1MOD(R+R),TOC\o"1-5"\h\zLBIAS 2 dt P2 LP2 2 DLV=V+MOD(R+R)。OUT+ CC2 D L根據(jù)以上電路分析亦很容易知道在激光器交流耦合驅(qū)動方式下LDD調(diào)制輸出引腳電壓值V 與流過激光器二極管電流值I示意圖如圖3.6所示。圖3?6激光器交流耦合%+L圖3?6激光器交流耦合%+L與激光器二極管電流I激光器在LDD的APC環(huán)的作用下，V與I及激光器的工作狀態(tài)如下：OUT+ L高電平V=V+'(R+R)，流過激光器二極管電流I—I —厶OD，OUT+ HOUT+ CC2 D L LBIAS 2激光器發(fā)射激光功率為P；0低電平V—V mod(R+R)，流過激光器一極管電流I—Imod，OUT+ LOUT+ CC2 D L LBIAS 2激光器發(fā)射激光功率為P。1參考與激光器直流耦合驅(qū)動方式相同的電路參數(shù)值，根據(jù)以上電路分析可以計算出LDD調(diào)制輸出引腳OUT+上的最小凈空電壓為V=V-鼻(R+R)-0.68V=V-1.43V，LOWCC2DL CC當(dāng)V=3.3V時，LDD調(diào)制輸出引腳OUT+上的最小凈空電壓為1.87V,這樣就使得3.3V的供CC電電壓完全能使系統(tǒng)正常工作。3.2.3：激光器直耦與交耦驅(qū)動方式的比較激光器直流耦合驅(qū)動方式與交流耦合驅(qū)動方式均能夠使激光器按要求正常工作，通過比較可以知道，這兩種驅(qū)動方式在具備各自優(yōu)點(diǎn)的同時也存在固有的不足之處，將其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對比如下：ac耦合DC耦合電路兀件數(shù)較多（多2?4個元件）較少多速率工作性能有低速率限制無低速率限制匹配難易程度元件多，LD引腳不能靠近LDD元件少，LD引腳直接連接LDD芯片，不易匹配芯片，易于匹配，高速性能好驅(qū)動器功耗較大較小輸出調(diào)制電流較大（不受'Headroom'限制）較?。ㄊ?Headroom'限制）第四章：激光器驅(qū)動電路調(diào)制輸出信號分析與接口電路設(shè)計激光器驅(qū)動電路調(diào)制輸出接口電路是光模塊核心電路之一，它主要包括激光器調(diào)制輸出終端匹配和旁路rc匹配濾波以及激光器直流偏置三個部分電路，每一部分電路的設(shè)計將直接關(guān)系到模塊光信號的輸出質(zhì)量，因此，本章將圍繞其重要理論基礎(chǔ)和調(diào)制輸出信號以及電路設(shè)計方法進(jìn)行詳細(xì)分析和介紹。4.1：傳輸線理論概述我們知道，信號頻率的提高意味著波長的減小，該結(jié)論應(yīng)用于高頻電路，尤其是超高頻（射頻）電路，就是當(dāng)信號波長可與分立電路元件的幾何尺寸相比擬時，輸入輸出電壓和電流不再保持空間不變的簡單關(guān)系。因此，在高頻電路中，我們必須考慮因信號波長相對于傳輸線尺寸較小所引起的信號反射的問題。當(dāng)信號的頻率很高時，則信號的波長就很短，當(dāng)波長短得跟傳輸線長度可以比擬時，反射信號疊加在原信號上將會改變原信號的形狀。如果傳輸線的特征阻抗跟負(fù)載阻抗不匹配（不相等）時，在負(fù)載端就會產(chǎn)生反射。在低頻電路中，我們一般不考慮傳輸線的匹配問題，只考慮信號源跟負(fù)載之間的情況，因?yàn)榈皖l信號的波長（更準(zhǔn)確的說是1/4波長）相對于傳輸線來說很長，傳輸線可以看成是“短線”，反射可以不考慮（可以這么理解：因?yàn)榫€短，即使反射回來，跟原信號還是一樣的）。為什么阻抗不匹配時會產(chǎn)生反射以及特征阻抗的求解方法，牽涉到二階偏微分方程的求解，在這里我們不細(xì)說了，有興趣的朋友可參閱電磁場與微波射頻方面書籍中的傳輸線理論。傳輸線的特征阻抗（也叫做特性阻抗）是由傳輸線的結(jié)構(gòu)以及材料決定的，而與傳輸線的長度，以及信號的幅度、頻率等均無關(guān)。這里需要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)的是，特性阻抗跟我們通常理解的電阻不是一個概念，它與傳輸線的長度無關(guān)，也不能通過使用歐姆表來測量。為了不產(chǎn)生反射，負(fù)載阻抗跟傳輸線的特征阻抗應(yīng)該相等，這就是傳輸線的阻抗匹配。如果阻抗不匹配會有什么不良后果呢？如果不匹配,則會形成反射，能量傳遞不過去，降低效率；會在傳輸線上形成駐波（簡單的理解，就是有些地方信號強(qiáng)，有些地方信號弱），導(dǎo)致傳輸線的有效功率容量降低；功率發(fā)射不出去，甚至?xí)p壞發(fā)射設(shè)備。如果是電路板上的高速信號線與負(fù)載阻抗不匹配時，會產(chǎn)生震蕩，輻射干擾等。理想的情況是當(dāng)信號源內(nèi)阻，傳輸線的特性阻抗和負(fù)載阻抗三者相等時，傳輸線的阻抗是連續(xù)的，不會發(fā)生任何反射，信號總能量一半消耗在信號源內(nèi)阻上，另一半消耗在負(fù)載阻抗上（傳輸線無信號能量損耗）。當(dāng)阻抗不匹配時，有哪些辦法讓它匹配呢？第一，可以考慮使用變壓器來做阻抗轉(zhuǎn)換。例如，常用的閉路電視同軸電纜特性阻抗為75Q，而一些射頻設(shè)備上則常用特征阻抗為50Q的同軸電纜。另外還有一種常見的傳輸線是特性阻抗為300Q的扁平平行線，這在農(nóng)村使用的電視天線架上比較常見，用來做八木天線的饋線。因?yàn)殡娨暀C(jī)的射頻輸入端輸入阻抗為75Q，所以300Q的饋線將與其不能匹配。實(shí)際中是如何解決這個問題的呢？電視機(jī)的附件中，有一個300Q到75Q的阻抗轉(zhuǎn)換器，從外觀上看，是一端有一個圓形的插頭，大概有兩個大拇指那么大，用塑料包裝著的東西，它里面其實(shí)就是一個傳輸線變壓器，將300Q的阻抗，變換成75Q的，這樣就可以匹配起來了；第二，可以考慮使用串?/并聯(lián)電容或電感的辦法，這在調(diào)試射頻電路時常使用；第三，可以考慮使用串聯(lián)/并聯(lián)電阻的辦法。一些驅(qū)動器和負(fù)載的阻抗比較低，可以串聯(lián)一個合適的電阻來跟傳輸線匹配，例如高速信號線，有時會串聯(lián)一個幾十歐的電阻。而一些發(fā)射器的輸出阻抗和接收器的輸入阻抗則比較高，可以使用并聯(lián)電阻的方法，來跟傳輸線匹配。其中，第三種辦法是我們在調(diào)試激光器驅(qū)動電路輸出接口時常用基本方法之一。4.2：激光器直流偏置在千兆高速數(shù)據(jù)速率下，激光器二極管陰極上的任何容性負(fù)載均會降低其光輸出特性。因此，激光器直流偏置可分為直流限流（使激光器的直流波動遠(yuǎn)小于直流源的波動）偏置（針對百兆低數(shù)據(jù)速率）和直流限流再加交流隔離偏置（針對千兆及以上高速數(shù)據(jù)速率）。激光器直流限流偏置通常是在激光器二極管陰極和驅(qū)動器偏置電路電流輸出端之間直接串聯(lián)一個起線路阻尼作用的電阻（一般在5.1Q?20Q之間選擇），直流限流再加交流隔離偏置通常是在激光器二極管陰極和驅(qū)動器偏置電路電流輸出端之間串聯(lián)一個起線路阻尼作用的電阻和

一個起隔離作用的電感（或者是磁珠），具體磁珠型號的選擇是根據(jù)其阻抗頻率特性曲線和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)共同決定的。4.3：RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接在LD陰極的阻容網(wǎng)絡(luò)（Rfc）的作用是補(bǔ)償LD封裝內(nèi)部的引線寄生電感，以降低激光器輸出信號因寄生電感引起的過沖和振鈴。值得提出的是Rfc阻容網(wǎng)絡(luò)對LD固有的張弛振蕩無效，對于低速（l55Mb/s以下）電路不需要Rfc網(wǎng)絡(luò)。為了詳細(xì)說明Rfc阻容網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償功能，必須對圖4.3所示直流耦合調(diào)制輸出OUT+支路接口電路進(jìn)行系統(tǒng)分析和信號計算。我們將LD看作終端負(fù)載，在不考慮激光器二極管寄生電容影響的情況下（一般在百兆以上千兆以下數(shù)據(jù)速率），則該時域等效電路如圖4.3所示，其頻域等效電路如圖4.3所示，分析計算如下：圖4.3OUT+所示，其頻域等效電路如圖4.3所示，分析計算如下：圖4.3OUT+調(diào)制輸出時域交流等效電路（忽略激光器二極管寄生電容影響）圖4.3OUT+調(diào)制輸出頻域交流等效電路（忽略激光器二極管寄生電容影響）根據(jù)圖4.3，由電路理論可知4.3.1)I（jW）二I（jW）+1（jW）4.3.1)123I(jw)I(jw)2I(jw)3jwL+R4.3.2)jwCF由以上（4.3.1）、（4.3.2）式可得電路圖4.3.2系統(tǒng)函數(shù)H(jW)H(jW)二I(jw) 1+jwCR3 ― F-I(jw) 1+jwCR+(jwCR—W2LC)1 F L1+jwCR F 1—w2LC+jwCR(1+l)FRF4.3.3)由（4.3.3）式可知，當(dāng)w2LCVV1；R>>R時，H（jw）-1，即當(dāng)R、C及信F L F號頻率w滿足以上條件時，通過此系統(tǒng)的該信號不產(chǎn)生失真。在考慮激光器二極管寄生電容影響的情況下（一般在千兆及以上數(shù)據(jù)速率），則該時域等效電路如圖4.3.3所示，其頻域等效電路如圖4.3.4所示，分析計算如下：圖4.3.3OUT+圖4.3.3OUT+調(diào)制輸出時域交流等效電路（考慮激光器二極管寄生電容影響）VOUT+?RD+VOUT+?IS(Jvf)jwL■丄］■/圖4.3.4OUT+調(diào)制輸出頻域父流等效電路（考慮激光器二極管寄生電容影響）根據(jù)圖4.3.4，由電路理論可知I（jw）―I（jw）+I（jw） （4.3.4）123I(jw)I(jw)—2I(jw)3RL?…jwCjwL+ 1—R+ LjwC—L—1R+ FjwC一w2LC+jw(RC—w2LCRC)L LL 1—w2RCRC+jw(RC+RC)FLL F LL4.3.5)由以上（4.3.4）、（4.3.5）式可得I1(jw)1—w2(RCRC+LC)+jw(RC+RC+RI1(jw)1—w2(RCRC+LC)+jw(RC+RC+RC—w2LCRC)FLL L F LL L一LI1—w2RCRC+jw(RC+RC)FLL F LL3(jw)4.3.6)I(jw)二I(jw)+1(jw)3454.3.7)I(jw)jwC1― L—I(jw) R