【正文】 自動(dòng)功率控制電路激光器在使用中由于結(jié)溫的變化以及老化等原因會(huì)使激光器的閾值電流增大，量子效率下降，從而導(dǎo)致輸出光脈沖的幅度發(fā)生變化。為了保證激光器有穩(wěn)定的輸出光功率，需要有自動(dòng)功率控制電路。激光器光功率自動(dòng)控制有許多方法，一是自動(dòng)跟蹤偏置電流，使LD偏置在最佳狀態(tài)；二是峰值功率和平均功率的自動(dòng)控制；三是PI曲線(xiàn)效率控制法等。但最簡(jiǎn)單的方法是通過(guò)直接檢測(cè)光功率來(lái)控制偏置電流。該方法是利用激光器組件中的背光二極管，監(jiān)測(cè)激光器背光的大小，當(dāng)功率小于某一額定值時(shí)，通過(guò)反饋電路使驅(qū)動(dòng)電流增加，激光器輸出功率增加為額定功率值。反之，若光功率大于某一額定值，則通過(guò)反饋電路使驅(qū)動(dòng)電流減小，激光器輸出功率隨之減小，以使激光器輸出功率基本恒定不變。：VCC 激光器光功率自動(dòng)控制原理圖其工作過(guò)程為：激光器的背光被PIN管檢測(cè)到并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由放大器A進(jìn)行放大后送入比較放大器B的一個(gè)輸入端?？烧{(diào)直流參考電壓是一個(gè)可調(diào)的穩(wěn)壓電源。它可作為標(biāo)準(zhǔn)電壓送到比較放大器B的另一個(gè)輸入端。當(dāng)LD輸出功率降低時(shí)背光電流降低，放大器A的輸出電壓降低，這個(gè)電壓送到比較放大器B和直流參考電壓比較后使Q1基極電位升高，Q1射極電流增大，從而使激光器光輸出功率增加。當(dāng)LD輸出功率增加時(shí)背光電流增大，放大器A的輸出電壓增高，這個(gè)電壓送到比較放大器B和直流參考電壓比較，使得Q1基極電位降低，Q1射極電流減小，從而使激光器光輸出功率降低，使激光器輸出穩(wěn)定的光功率。由于采用分立元件構(gòu)成的自動(dòng)功率控制電路體積較大，在高速應(yīng)用中難于實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)在一般在激光驅(qū)動(dòng)器芯片中集成自動(dòng)功率控制電路，其穩(wěn)定功率的原理與分立元件構(gòu)成的自動(dòng)功率控制電路類(lèi)似，但具有體積小、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。集成電路構(gòu)成的自動(dòng)功率控制電路將在后面激光器驅(qū)動(dòng)電路部分介紹。自動(dòng)溫度控制電路溫度變化引起激光器輸出光功率的變化雖然可以通過(guò)APC電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出光功率恢復(fù)正常，但經(jīng)APC調(diào)節(jié)后會(huì)使激光器的閾值電流增大，輻射效率發(fā)生變化，輸出光功率變小，激光器的使用壽命縮短。因此，為了保證激光器長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，必須采用自動(dòng)溫度控制電路使激光器的工作溫度保持在20℃左右。激光器的溫度控制電路由微制冷器、熱敏元件及控制電路組成。微制冷器多半采用半導(dǎo)體制冷器。它是利用半導(dǎo)體材料的帕爾貼效應(yīng)制成的。所謂帕爾貼效應(yīng)，是指當(dāng)直流電流通過(guò)由兩種半導(dǎo)體材料組成的電偶時(shí)，在其一端吸熱，一端放熱的現(xiàn)象。將若干對(duì)電偶串聯(lián)或并聯(lián)，就組成微型半導(dǎo)體制冷器。半導(dǎo)體制冷器既可以制冷，又可加熱，是制冷還是加熱，以及制冷和加熱的速率，由通過(guò)它的電流方向和大小來(lái)決定。為了提高控制效率和精度，一般采用蝶型激光器，將熱敏電阻和制冷器封裝在激光器內(nèi)部，使熱敏電阻直接探測(cè)激光器結(jié)區(qū)溫度，制冷器直接和激光器的熱沉相接觸。－ VCC 自動(dòng)溫度控制的原理圖圖中RRRRt構(gòu)成了一個(gè)橋式電路，Rt是一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，當(dāng)溫度升高，Rt變小，當(dāng)溫度降低，Rt變大，可以通過(guò)調(diào)節(jié)R3值來(lái)控制溫度。當(dāng)LD工作于指定溫度時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，制冷器不工作。當(dāng)LD工作溫度升高時(shí)，Rt變小，故A輸出高電壓，TEC開(kāi)始制冷，使溫度恢復(fù)到指定溫度。當(dāng)LD工作溫度降低時(shí)，Rt變大，故A輸出低電壓，TEC開(kāi)始制熱，使溫度恢復(fù)到指定溫度，從而起到自動(dòng)溫度控制的作用。 激光器驅(qū)動(dòng)電路所有用于直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光二極管普遍需要一個(gè)直流偏置電流來(lái)設(shè)定工作點(diǎn)和信號(hào)調(diào)制電流。直流偏置和調(diào)制電流的大小取決于激光二極管的特性，不同類(lèi)型、不同批號(hào)的器件都各不相同。激光驅(qū)動(dòng)器應(yīng)當(dāng)具有足夠的偏置和調(diào)制電流范圍，以使激光二極管有足夠?qū)挼倪x擇范圍。為了補(bǔ)償激光器的時(shí)間和溫度漂移，激光驅(qū)動(dòng)器必須保持最初設(shè)定的直流工作點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償?shù)淖詈梅椒ㄊ且胱詣?dòng)功率控制(APC)。為檢測(cè)實(shí)際激光功率，一只光敏二極管將激光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為一個(gè)與之成正比的電流信號(hào)并將其反饋到激光驅(qū)動(dòng)器，和一個(gè)預(yù)定的固定值相比較。根據(jù)比較結(jié)果，相應(yīng)增加或減小直流偏置，使激光器功率保持穩(wěn)定。通常，APC還包括告警功能，當(dāng)激光二極管由于老化或其它原因無(wú)法再維持預(yù)定光功率時(shí)，發(fā)出告警信號(hào)。和工作點(diǎn)一樣，光信號(hào)強(qiáng)度同樣受激光二極管特性的時(shí)漂和溫漂的影響。為保持穩(wěn)定的光信號(hào)“幅度”，有必要對(duì)時(shí)間和溫度造成的特性變差進(jìn)行補(bǔ)償。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)增加一些外部電路，或采用集成自動(dòng)調(diào)制控制(AMC)得以解決。除此基本功能外，系統(tǒng)必須能夠在不影響數(shù)據(jù)輸入的情況下通過(guò)禁止驅(qū)動(dòng)器來(lái)中斷激光器的發(fā)送。增加一個(gè)觸發(fā)器或鎖存器，使數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)再定時(shí)后再送入激光驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)，這樣可以改善抖動(dòng)性能。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多成熟的激光器驅(qū)動(dòng)芯片方案，考慮到性?xún)r(jià)比、售后服務(wù)以及芯片方案的一致性我們選用MAXIM公司的MAX3735A激光器驅(qū)動(dòng)芯片。激光驅(qū)動(dòng)芯片MAX3735A介紹MAX3735A為+。為驅(qū)動(dòng)激光管，此芯片接收差分輸入數(shù)據(jù)并提供驅(qū)動(dòng)激光器所需的偏置電流和調(diào)制電流。與激光器直流耦合可滿(mǎn)足多速率應(yīng)用及減少外部元件數(shù)量。MAX3735A完全滿(mǎn)足SFP MSA的時(shí)序要求和SFF8472發(fā)送診斷要求。自動(dòng)功率控制(APC)反饋環(huán)路使平均光功率在整個(gè)溫度范圍及工作壽命內(nèi)保持恒定。MAX3735具有l(wèi)OmA至60mA的寬范圍調(diào)制電流(交流耦合時(shí)可達(dá)85mA)并提供1mA至lOOmA的偏置電流，所以此芯片是用于驅(qū)動(dòng)光纖模塊中FP/DFB激光二極管的理想選擇。MAX3735A提供發(fā)送禁止控制、帶鎖存的單點(diǎn)發(fā)送故障監(jiān)視輸出、光電流監(jiān)測(cè)以及用來(lái)指示APC環(huán)無(wú)法再保持平均光功率的偏置電流監(jiān)測(cè)功能。MAX3735A激光驅(qū)動(dòng)器包含三個(gè)部分：高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)器、帶有自動(dòng)功率控制(APC)的激光器偏置電路和保護(hù)電路。： MAX3735A功能框圖1)高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)器輸出級(jí)由高速差分對(duì)和可編程調(diào)制電流源組成。MAX3735A針對(duì)驅(qū)動(dòng)15Ω負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化，要求OUT+。當(dāng)激光二極管直流耦合到驅(qū)動(dòng)器時(shí)，調(diào)制電流擺幅可以達(dá)到60mA：采用交流耦合時(shí)，電流擺幅可達(dá)85mA。為了與激光二極管連接，需采用一只阻尼電阻(RD)進(jìn)行阻抗匹配。串聯(lián)阻尼電阻與激光二極管的等效串聯(lián)電阻應(yīng)等于15Ω。為減小由激光二極管寄生電感引起的光輸出偏差和占空比失真，可能需要一個(gè)RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。，任何加載在激光二極管陰極的電容都會(huì)惡化光輸出性能。由于BIAS輸出直接與激光二極管陰極連接，可利用電感將BIAS引腳的寄生效應(yīng)與激光器陰極隔離開(kāi)，使該引腳的寄生電容最小。2)激光器偏置與APC控制為保持穩(wěn)定的平均光功率，MAX3735A集成了一個(gè)APC環(huán)路，以補(bǔ)償激光器門(mén)限電流在整個(gè)溫度范圍和生命周期內(nèi)的變化。利用激光器組件內(nèi)封裝的背光二極管將光功率轉(zhuǎn)化成光電流。APC環(huán)路調(diào)節(jié)激光器偏置電流，以便使監(jiān)測(cè)器電流與設(shè)置的參考電流相匹配。APC環(huán)路的時(shí)間常數(shù)由外部電容設(shè)定。3)保護(hù)電路保護(hù)電路包括輸出禁止(TX_DISABLE)、輸出故障鎖定(TX_FAULT)和故障檢測(cè)器。這部分電路監(jiān)測(cè)激光驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)行，一旦檢測(cè)到故障狀態(tài)，就強(qiáng)行關(guān)斷驅(qū)動(dòng)器。故障可以是與VCC或GND短路。發(fā)送故障狀態(tài)會(huì)一直被鎖定，直到TX_DISABLE或Vcc引腳被觸發(fā)復(fù)位。利用可選的關(guān)斷電路，激光驅(qū)動(dòng)器提供備用的激光二極管關(guān)斷功能()。按照SFP MSA的要求。4)保護(hù)電路電流監(jiān)視器MAX3735A能夠監(jiān)視(BC_MON，PC_MON)偏置電流()和光電流()。通過(guò)映射部分電流，并在外部接地電阻產(chǎn)生電壓實(shí)現(xiàn)監(jiān)視功能。，進(jìn)入故障狀態(tài)。例如，在每個(gè)監(jiān)測(cè)器輸出端接100Ω的電阻到地，可以得到以下電壓： (23) (24)MAX3735A外圍電路設(shè)計(jì)為了便于計(jì)算相關(guān)參數(shù)。 參數(shù)定義1)設(shè)置調(diào)制電流如果已知激光器平均光功率()、斜效率(η)和消光比()，： (25)然后通過(guò)調(diào)制電流與調(diào)制電阻關(guān)系曲線(xiàn)圖查找該電流值所對(duì)應(yīng)的電阻，選擇25℃時(shí)的。2)APC環(huán)路通過(guò)調(diào)節(jié)電阻設(shè)置平均光功率。合理選擇電阻，確定在整個(gè)溫度范圍和產(chǎn)品生命周期內(nèi)希望保持的監(jiān)視電流值。然后通過(guò)監(jiān)測(cè)二極管電流與關(guān)系曲線(xiàn)圖，選擇監(jiān)視電流值所對(duì)應(yīng)的。3)MAX3735與激光二極管的接口信號(hào)在激光二極管電接口處的反射會(huì)引起光輸出偏差，為了減少偏差，可在驅(qū)動(dòng)電路輸出與激光二極管之間串聯(lián)一只阻尼電阻。此外，由于MAX3735的輸出優(yōu)化于15Ω負(fù)載。因此，與的串聯(lián)等效電阻應(yīng)為15Ω，其中是激光二極管的等效電阻。串聯(lián)阻尼電阻一般為8Ω至13Ω，其值取決于所用激光二極管的等效電阻。為改善性能，常在靠近激光二極管陽(yáng)極處接一旁路電容()。在激光器陰極與地之間接RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，使光輸出偏差最小。對(duì)普通同軸激光器，可選擇電阻和電容的初始值為：=50Ω，=8PF。在實(shí)驗(yàn)中可通過(guò)實(shí)際的光眼圖調(diào)整此電阻和電容值，直到輸出波形達(dá)到最優(yōu)化。4)模塊相關(guān)抖動(dòng)為滿(mǎn)足SFP的時(shí)序要求，并使與APC環(huán)路時(shí)間常數(shù)相關(guān)的模塊相關(guān)抖動(dòng)最小，保證環(huán)路的穩(wěn)定，在APCFILT1與APCFILT2之間接一電容。另外，在光電二極管陽(yáng)極添加電容，以濾除由光電二極管產(chǎn)生的瞬態(tài)電流。為保持穩(wěn)定，并留有適當(dāng)?shù)南辔辉Ａ?對(duì)應(yīng)于和產(chǎn)生的兩個(gè)極點(diǎn))，一般MAX3735的應(yīng)該比大20倍。由式26式確定，單位：為uF，和為mA，為us。 (26) 激光器與驅(qū)動(dòng)器的耦合方式直流耦合方式隨著高速激光驅(qū)動(dòng)器輸出結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，MAX3735A能夠在+。與交流耦合相比，直流耦合具有以下優(yōu)勢(shì)：1)多速率兼容：直流耦合輸出能夠適應(yīng)較寬的調(diào)制頻率范圍，交流耦合激光器具有很低的截止頻率由于產(chǎn)生基線(xiàn)漂移而影響工作性能．2)更少的元件數(shù)量：直流耦合輸出僅需要兩到四個(gè)外部元件連接激光器而交流耦合接口則需要連接6至12個(gè)外部元件3)易于匹配：因?yàn)樗柙?shù)量減少在匹配激光器與驅(qū)動(dòng)器時(shí)需要考慮的變量和寄生參數(shù)較少4)低功耗：直流耦合允許更低的偏流，因?yàn)檎{(diào)制電流可用作平均光功率輸出5)通用性：較低的兼容電壓為設(shè)計(jì)提供了靈活性，允許一個(gè)器件用于多個(gè)激光器或多個(gè)輸出配置(例如MAX3735A能夠交流耦合也能夠直流耦合，而普通的交流耦合激光驅(qū)動(dòng)器只能采用交流耦合)。圖27 驅(qū)動(dòng)器和激光管之間直流耦合但是采用直流耦合要注意凈空電壓的問(wèn)題。由于激光管封裝將造成寄生電感。該正向電壓等于帶隙電壓和激光二極管等效串連電阻上的壓降和()。這種類(lèi)型激光管的等效串連電阻典型值是4至6歐姆。舉個(gè)例子計(jì)算直流耦合接口的凈空問(wèn)題，考慮到一個(gè)封裝好的激光二極管的最大正向電壓為1．6V，60mA調(diào)制電流和80ps的20%～80%上升時(shí)間，=O．68V，同時(shí)我們還必須包括串連阻尼電阻上的壓降=1．2V(假設(shè)=20歐)。驅(qū)動(dòng)器輸出低電壓應(yīng)為==，采用33V工作將非常困難。交流耦合方式上述直流耦合的問(wèn)題在驅(qū)動(dòng)器和激光二極管交流耦合的情況下將大大改善。交流耦合增加串聯(lián)電容和上拉電感。交流耦合的電壓降如下：(1)激光二極管的交流壓降僅僅是其等效串聯(lián)電阻(而不是帶隙)上壓降的函數(shù)，等于調(diào)制電流與等效串聯(lián)電阻的乘積。(2)與直流耦合一樣，寄生電感引起的暫態(tài)電壓降。(3)串聯(lián)阻尼電阻上的壓降，等于調(diào)制電流與乘積的一半。上面最后一點(diǎn)(上壓降)可以通過(guò)考察交流耦合電容上的電流和激光二極管陰極處的電流來(lái)理解()。流過(guò)的電流必定有從0到最大峰峰電流擺幅之間的平均值。在激光輸出強(qiáng)的時(shí)候。1/2從激光管流入CD，在激光輸出弱的時(shí)候，1/2從CD流向激光管，因此流過(guò)激光管的電流，等于從激光二極管陰極處流出的電流和。即在激光輸出強(qiáng)時(shí)，在激光輸出弱時(shí)。高低輸出時(shí)的電流差正好等于 (2—7) 交流耦合接口電路 直流耦合和交流耦合時(shí)的輸出電壓和激光管電流交流耦合方法的不足之處在于它需要額外的分立元件，這些分立元件包括耦合電容和用于驅(qū)動(dòng)器晶體管偏置的上拉電感或電阻()。由于這些元件處于高速信號(hào)通道，可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。因此，必須采用很好的高頻印刷電路板布線(xiàn)技術(shù)。交流耦合接口中上拉電感或電阻用來(lái)正確偏置輸出驅(qū)動(dòng)三極管，使用電阻的缺點(diǎn)(相對(duì)電感)是：(1)上拉電阻分流了部分調(diào)制電流。(2)電阻上拉時(shí)，輸出電壓是，而不是電感上拉的()交流耦合電容同時(shí)會(huì)阻斷低頻輸出，會(huì)影響系統(tǒng)的位像抖動(dòng)(pattern dependent jittet)。為了減少常l或常0比特流造成的位像抖動(dòng)，交流耦合電容應(yīng)盡可能大。差分驅(qū)動(dòng)差分驅(qū)動(dòng)激光器能夠明顯改善光學(xué)性能和EMI輻射指標(biāo)，但應(yīng)該看到差分驅(qū)動(dòng)也有一些缺點(diǎn)有可能會(huì)影響系統(tǒng)的整體性能。差分驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)包括：1)提高邊沿速度：差分驅(qū)動(dòng)通過(guò)激光器提供電流接通與關(guān)閉的有源切換，標(biāo)準(zhǔn)的交流耦合接口和直流耦合接口只提供激光器的有源接通激光器的性質(zhì)和寄生電容限制了這些配置的關(guān)閉時(shí)間因?yàn)椴罘烛?qū)動(dòng)提供有源關(guān)閉激光器它能改善下降沿，(采用相同激光器) 直流耦合輸出的光信號(hào)上升和下降時(shí)間 差分輸出的光信號(hào)上升和下降時(shí)間2)改善電流環(huán)路：差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)閉合的電流環(huán)，這能改善一些激光器的整體性能并降低EMI幅射，(用相同激光器) 0C48光眼圖(直流耦合) 0C48光眼圖(差分驅(qū)動(dòng))3)增大了電感容限：調(diào)制信號(hào)通路上的交流耦合電容將激光器的正向電壓與驅(qū)動(dòng)器輸出隔離這提高了激光調(diào)制的裕量使得輸出允許在信號(hào)通路上存在更大的電感容限。與直流耦合相比，差分驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)有：1)低頻截止：差分驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)必須采用交流耦合而交流耦合引入了低頻截止這在利用長(zhǎng)模板時(shí)由于基線(xiàn)波動(dòng)將影響低數(shù)據(jù)率的性能2)需要更多的元件；差分驅(qū)動(dòng)配置比直流耦合配置需要更多的外部元件通常比直流耦合接口多2到5個(gè)元件3)功耗；差分驅(qū)動(dòng)的功耗比直流耦合輸出要大因?yàn)榻涣黢詈陷敵鲂枰龃笃秒娏髦绷黢詈蠒r(shí)調(diào)制電流會(huì)增大平均光功率故交流耦合接口大約比直流耦合輸出需要多出()的電流。