激光器驱动电路原理与光模块核心电路设计（中篇）
摘要
本文中篇重点论述激光器驱动电路工作原理、自动功率控制（APC）电路设计及消光比温度补偿技术，深入分析各核心电路的设计逻辑、实现方式及关键参数，为光模块稳定工作提供技术保障。
关键词
激光器驱动电路，APC，自动功率控制，消光比，温度补偿
1. 激光器驱动电路
激光器是光源组件，驱动电路实际上是光源器件的调制电路，其作用是把数字电信号转换成光脉冲信号，然后再发送到光纤中去，该部分是光发射机的核心，许多重要技术指标皆由该部分决定。
1.1 激光器驱动电路原理
激光器驱动电路的主要功能是为激光器二极管提供合适的偏置和调制电流，使激光器能够正常工作。
图3.1.1(a)激光器驱动电路示意图 图3.1.1(b)激光器输入输出特性示意图
图3.1.1激光器驱动电路功能示意图
其中：
•偏置电流是恒定的，它使激光器二极管始终工作在阈值电流以上的线性区域内；
•调制电流是不断变化的，并随着输入电压波形的变化而作同步开关切换动作。
根据半导体激光器的阈值电流和斜效率与其结构、制作工艺、制造材料以及工作温度密切相关，并随着温度的变化呈现指数形式变化的特性：
•理想情况下，激光器偏置电流应随其阈值电流的变化而作同向变化(在实际应用中，APC电路可达到此目的)；
•调制电流应随其斜效率的变化而作反向变化(在实际应用中，温度补偿电路可达到此目的)。
2. 自动功率控制(APC)
由于温度变化和工作时间加长，激光器的输出光功率会发生变化，为了使光发射机输出稳定的光功率信号，必须采用相应的负反馈措施来控制光源器件的发光功率。
2.1 APC的必要性
为了使激光器输出较好的光信号，首先要对其设置合适的偏置电流（即激光器最佳静态工作点），保证电信号有足够的线性调制区域，从而输出无失真光信号，所以激光器的偏置电流Ibias应大于阈值电流Ith。
不同类型的激光器其阈值电流相差很大：
•VCSEL的Ith一般小于5mA；
•FP、DFB激光器的Ith一般在10~20mA之间，且DFB激光器的Ith随温 度的变化较大，在85℃时的Ith可达50mA，再加上器件老化引起的阈值电流增大，Ith高达60~70mA。
因此，为了适应不同类型的激光器，要求LDD的偏置电流Ibias有比较大的可调范围，一般为10~100mA。
激光器阈值电流Ith一般随温度的变化发生剧烈变化，斜效率Se(t)在0~70℃温度范围内
，所以在室温下性能良好的激光器在温度过高时其发光性能可能急剧劣化。此外，激光器的老化还会使阈值电流变大，降低发光效率。
根据光纤数据通讯设备标准要求，为了使信号得到有效、可靠及稳定的传输，作为光模块发射性能指标之一的输出光功率必须稳定在一个很窄的范围内。因此，LDD需要一个自动功率控制(APC)环路，对偏置电流Ibias进行补偿控制，使得偏置电流相对于阈值电流的差值Ibias−Ith相对稳定，从而可以保持基本稳定的平均光功率PAVG输出。
2.2 APC电路原理
2.2.1 简单APC电路
一个简单的APC电路如图4.2.1所示。
图4.2.1简单的APC电路
其工作原理为：
1. 从LD后端透射出来的光通过一个光电监控二极管PD加以探测，再将探测到的光功率转换为背光电流IPIN；
2.IPIN加在集成运放滤波放大输入端产生一个正比于LD平均光功率PAVG的平均直流电压；
3. 该电压与参考电压VREF相比较，再经过跨导放大器(电压-电流转换电路)放大，输出用来控制LD的反馈偏置电流IBIASFB，形成负反馈环。
当LD输出光功率因温度升高而减小时，变化过程如下：
iPIN↓⇒uI↓⇒uD↑⇒iO↑⇒iBIASFB↑⇒iBIAS↑⇒iPIN↑
其中，uD=uP−uN=uREF−uI，iBIASFB=iF+iO=−iPIN+iO。反之亦然，从而使LD平均光功率PAVG始终保持不变。
目前大量使用的激光器都有背光光电二极管PD，用于构成APC回路，探测电流IPIN一般在0.1~1mA较宽的范围内，这就要求APC在该范围内对Ibias有足够大的调节能力，同时背光PD响应度ρ(单位光功率的响应电流，量纲为mA/mW)的温度稳定性也至关重要。
2.2.2 完善APC电路
一个完善的自动功率控制(APC)电路如图4.2.2所示
图4.2.2完善的APC电路原理
其工作流程为：
1. 从LD背向输出的光功率，经PD检测器检测、运算放大器A1放大后送到比较器A3的反相输入端；
2. 输入信号参考电压和直流参考电压经A2放大后，送到A3的同相输入端；
3. A3和V3组成直流恒流源调节LD的偏流，使输出光功率稳定。
在反馈电路中引入信号参考电压的目的，是使LD的偏置电流Ib不受码流中“0”码和“1”码比例变化的影响：
•当“0”码比“1”码多时，激光器电流IL会变大，APC环使Ibias变小，而信号参考电压下降，使得A2输出电位升高，A3输出电压升高，V3集电极电流增加，Ib变大；
•当“1”码比“0”码多时，APC环使Ibias变大，而信号参考电压上升，使Ib变小。
3. 消光比温度补偿
模块的发射光功率和消光比主要由激光器二极管驱动芯片提供给激光器的偏置电流和调制电流以及激光器本身的阈值电流和斜效率共同决定。光模块发射部分除了要求激光器的输出光功率尽量保持稳定外，还要求激光器发出的光信号保持尽可能稳定的消光比。
3.1 消光比温度补偿的必要性
激光器随工作温度变化的P−I曲线如图5.1.1所示。这些由激光器温度特性所引起的光模块性能指标参数值可能会超出系统允许范围，在数字光纤通信系统中，超标很可能会造成通信信号中断或者无法实现正常通信。
图5.1.1激光器随工作温度变化的P-I曲线
当模块工作环境温度变化时，激光器本身的阈值电流和斜效率会首先变化：
•LDD的APC通过控制环调整偏置电流后能够使激光器发射光功率基本不变；
•但调制电流幅度会产生相对变化，从而导致模块的消光比发生变化。
因此，仅凭单一的APC电路无法稳定消光比，必须进行消光比温度补偿。
3.2 消光比温度补偿的推导与误差分析
3.2.1 基本定义与公式推导
模块的光功率和消光比定义为：
假设光器件的跟踪特性完全线性(P/Im=K，其中P为激光器出光功率，Im为LD背光电流，K为常数)，结合半导体激光器光电特性和P−I曲线可得：
由(5.2.4)式可得Ibias关于温度的函数：
由(5.2.1)、(5.2.2)、(5.2.3)、(5.2.4)式可得Imod关于温度的函数：
3.2.2 理想调制电流曲线
由于器件斜效率是关于温度的指数函数关系，而常用的NTC热敏电阻的阻值也是关于温度的指数函数关系，因此可用热敏电阻进行消光比温度补偿。
忽略器件同轴封装对激光器斜效率的影响，将器件斜效率关于温度的函数记为：
。根据32支器件的斜效率测试统计特征值：
，
，计算得出该型号器件的斜效率函数：
将模块在常温下的光功率设置为1dBm(1.259mW)，消光比设置为12dB，代入(5.2.7)式并联立(5.2.8)式，得到模块消光比在全温度范围内保持不变的调制电流函数：
该函数曲线如图5.2.1所示，适用于商业级光模块工作环境温度范围(0~70℃)及实际可能的工作温度范围(0~85℃)。
图5.2.1器件跟踪特性完全线性的调制电流的函数曲线(理想曲线)
3.2.3 修正调制电流曲线
为减小误差，假定激光器背光跟踪特性是关于温度线性变化的函数：
取一组器件测试平均值作为特征参数：25℃时
70℃时
计算得出a=−0.0042，b=3.19，则器件在全温范围内的功率表达式为：
由(5.2.7)、(5.2.10)式得到考虑跟踪特性温度变化的调制电流近似表达式：
修正曲线如图5.2.2所示。
图5.2.2将跟踪特性变化考虑进调制电流的函数曲线(修正曲线)
3.3 消光比温度补偿方法及其电路原理
消光比温度补偿电路的实质是调制电流温度补偿电路。根据LDD提供的Imod与Rmodser的关系曲线，改变Rmodset的大小即可改变Imod的大小，从而实现消光比温度补偿。补偿需合理，避免过补偿或欠补偿。
3.3.1 消光比温度补偿方法
常用的消光比温度补偿方法分类如下：
目前应用较多的是消光比闭环温度补偿法，常用的MAXIM芯片包括MAX3737、MAX3863、MAX3656等。
图5.3.1APC+芯片内部对调制电流补偿(MAX3737)
图5.3.2APC+芯片内部对调制电流补偿(MAX3863)
图5.3.3APC+热敏电阻补偿调制电流(MAX3656)
3.3.2 消光比温度补偿电路原理
常用的消光比温度补偿电路分类如下：
图5.3.4消光比温度补偿电路(芯片内部补偿调制电流)
1. 芯片内部补偿电路：
2. 调制电流IMOD由MODSET和IMODTC组成，其中IMODSET不随温度变化，IMODTC随温度升高而增加；
3. VREF是基准电压（不随温度、供电电压变化），VTC是具有负温度系数的电压源；
4. VTC与VREF通过运算放大器比较，差值放大后控制电流源IMODTC；
5. IMODTC由LDD片外RMODTC设定，IMOD的温度系数由RMODTC和RMODSET共同决定，需与激光器斜效率η相适应。
图5.3.5消光比温度补偿电路(片外热敏电阻补偿调制电流)
1. 片外热敏电阻补偿电路：
2. 调制电流Imod由串并联电路电阻总和Rmodset决定：
3. Rt：具有负温度系数的NTC热敏电阻，通常选用B常数为3380的10K热敏电阻；
4. Rc：并联电阻，影响
曲线的斜率和线性度，Rc越大，曲线越近似于Rt；
5. Rs：串联电阻，对应LDD片外调制电阻RMODSET，仅平移电阻-温度曲线，不影响曲线形状。
合理设置Rt、Rc和Rs，可使模块消光比EXT在环境温度变化时基本保持稳定。
本文为《激光器驱动电路原理与光模块核心电路设计》中篇，聚焦基础理论与半导体激光器特性，为后续电路设计内容奠定基础。
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