激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计（下篇）
摘要
本文下篇重点分析激光器驱动电路外部接口设计、调制输出信号特性及阻抗匹配技术，结合传输线理论完成接口电路设计推导，最后总结光模块电路设计要点并附上参考文献。
关键词
激光器驱动电路，接口设计，阻抗匹配，传输线理论，信号分析
1. 激光器驱动电路外部接口
半导体激光器与激光器驱动电路能否协调一致工作，关键在于接口电路的信号隔离与传输匹配性能。激光器驱动电路的输出主要是BIAS输出和调制输出，需解决两个技术问题：一是对BIAS输出和调制输出进行隔离，稳定终端负载；二是对输入输出网络进行合理电路匹配，采用正确耦合方式，实现调制信号有效传递。
1.1 激光器驱动电路直流BIAS输出隔离
在激光器二极管阴极保持恒定的交流阻抗至关重要，可使高速输出电路对交流信号的负载保持稳定。若负载不稳定，输出信号会产生反射、振铃现象，导致激光器输出光眼图质量下降。
在千兆高速数据速率下，激光器二极管阴极上的任何容性负载均会降低其光输出特性。由于BIAS输出端直接连接到激光器的阴极，容易产生寄生电容，使激光器二极管阴极产生频率相关的阻抗，且调制速率越高，该现象越明显。
为减小影响，通常采用以下两种方式：
1.在激光器二极管阴极和驱动器偏置电路电流输出端之间串联一个起隔离作用的电感（或磁珠），对直流偏置电流无影响，对交流调制信号呈现高阻抗；
如图6.1.1激光器驱动电路(MAX3738)原理图
2.直接串联一个起线路阻尼作用的电阻，适用于芯片内部已进行信号隔离处理且调制速率不高的情况。
如图6.1.2激光器驱动电路(MAX3656)原理图
1.2 激光器驱动电路调制匹配
调制匹配网络的耦合驱动方式有两种：直流耦合驱动方式(DC)和交流耦合驱动方式(AC)，与激光器调制速率密切相关：
•1.25Gbps及以下速率激光器一般采用直流耦合驱动方式；
•2.5Gbps激光器可根据具体情况采用交流耦合驱动方式。
1.2.1 激光器直流耦合驱动
净空电压计算需包含：
•激光器二极管的压降（能带隙电压与等效串联电阻压降总和，典型长波长FP激光器前向偏置电压为1.2~1.8V，等效串联电阻为4~6Ω）；
•封装引线电感（寄生电感）产生的瞬时压降（VL=LΔi/Δt）；
•线路阻尼电阻RD的压降。
动态工作过程（以图6.2.1为例）：
3.无数据输入时：流过OUT-、OUT+引脚的电流均为
，流过激光器的电流
，
4.A=0，B=1时：流过OUT-引脚的电流为0，流过OUT+引脚的电流为IMOD，流过激光器的电流IL=IBIAS+IMOD，VOUT+=VCC−VF−VL−VMOD；
5.A=1，B=0时：流过OUT-引脚的电流为IMOD，流过OUT+引脚的电流为0，流过激光器的电流IL=IBIAS，VOUT+=VCC−VF−VL。
APC环作用下的工作状态：
•OUT+高电平：VHOUT+=VC+½VMOD=VC+½IMODRD+RL，IL=IBIAS−
，激光功率为P0；
•OUT+低电平：VLOUT+=VLOW+½VMOD=VC−½VMOD，IL=IBIAS+
，激光功率为P1。
1.2.2 激光器交流耦合驱动
影响净空电压的因素包括：
1. 激光器二极管的压降：仅为等效串联电阻的压降函数（最大电压增量
，对最小净空电压的贡献为
）；
2. 寄生电感产生的瞬时压降：与直流耦合驱动方式相同；
3. 串联等效电阻RD上的压降：
（直流耦合驱动方式下为
）。
动态工作过程（以图6.2.3为例）：
1. 无数据输入时：流过
的电流均为
，流过激光器的电流
2.A=0，B=1时：流过LP1的电流为0，流过LP2、RD的电流均为流过激光器的电流
感应电动势
3. A=1，B=0时：流过LP1的电流为IMOD，流过RD的电流为0，流过激光器的电流
感应电动势
APC环作用下的工作状态：
•OUT+高电平：
激光功率为P1；
•OUT+低电平：
，激光功率为p0。
净空电压计算：参考直流耦合驱动的电路参数，LDD调制输出引脚OUT+上的最小净空电压为
当VCC=3.3~V时，最小净空电压为1.87V，可满足系统正常工作需求。
6.2.3 直耦与交耦驱动方式的比较
特性 | AC耦合 | DC耦合 |
电路元件数 | 较多（多2~4个元件） | 较少 |
多速率工作性能 | 有低速率限制 | 无低速率限制 |
匹配难易程度 | 元件多，LD引脚不能靠近驱动器芯片，不易匹配 | LD引脚直接连接LDD芯片，易于匹配，高速性能好 |
驱动器功耗 | 较大 | 较小 |
输出调制电流 | 较小(受'Headroom'限制） | 较大(不受'Headroom'限制） |
7. 激光器驱动电路调制输出信号分析与接口电路设计
激光器驱动电路调制输出接口电路是光模块核心电路之一，主要包括激光器调制输出终端匹配、旁路RC匹配滤波以及激光器直流偏置三部分，每部分设计直接关系到模块光信号输出质量。
7.1 传输线理论概述
7.1.1 核心概念
•信号频率提高导致波长减小，当信号波长可与分立电路元件几何尺寸比拟时，输入输出电压和电流不再保持空间不变的简单关系，需考虑信号反射问题；
•传输线的特征阻抗（特性阻抗）由传输线结构及材料决定，与长度、信号幅度、频率等无关，不同于普通电阻，无法用欧姆表测量；
•阻抗匹配：负载阻抗与传输线特征阻抗相等，避免反射，保证信号有效传递。
7.1.2 阻抗不匹配的后果
•形成反射，能量传递效率降低；
•传输线上形成驻波，有效功率容量降低；
•功率发射不出去，可能损坏发射设备；
•电路板上高速信号线与负载阻抗不匹配时，会产生震荡、辐射干扰等。
7.1.3 阻抗匹配方法
1.变压器阻抗转换：如300Ω扁平平行线与75Ω电视机射频输入端的匹配；
2.串联/并联电容或电感：常用于射频电路调试；
3.串联/并联电阻：调试激光器驱动电路输出接口的常用方法，如高速信号线串联几十欧电阻。
7.2 激光器直流偏置
根据半导体激光器电光延迟和张弛震荡特性，对LD施加直流偏置电流十分必要。同时，在千兆高速数据速率下，激光器二极管阴极上的容性负载会降低光输出特性，因此直流偏置分为两类：
1.直流限流偏置（针对百兆低数据速率）：在激光器二极管阴极和驱动器偏置电路电流输出端之间直接串联一个起线路阻尼作用的电阻（一般在5.1Ω~20Ω之间选择）；
2.直流限流再加交流隔离偏置（针对千兆及以上高数据速率）：串联线路阻尼电阻和隔离电感（或磁珠），磁珠型号根据阻抗频率特性曲线和应用经验选择。
7.3 调制输出负载阻抗匹配
一般激光器驱动芯片调制输出(OUT+,OUT-)电流最佳驱动负载（匹配负载）为十几欧姆至几十欧姆（如CX02068为25Ω，MAX3656、MAX3737、MAX3738为15Ω）。
7.3.1 不考虑RC匹配滤波网络
以直流耦合驱动方式为例，将OUT+支路交流等效，
图7.3.10UT+调制输出交流等效电路(不考虑RC匹配滤波网络)
设计需满足：
其中，Ro为LDD调制输出最佳驱动负载，RL为激光器动态内阻（线性工作区一般为4~6ohms）。为满足(7.3.1)式，避免信号反射，OUT+与激光器二极管互连时需串联阻尼电阻：
RD+≈Ro−RL(7.3.3)
7.3.2 考虑RC匹配滤波网络
激光器在高速调制信号作用下，封装绕线自感效应产生的引线寄生电感会导致输出光眼图出现过冲和振铃现象，并联旁路RC匹配滤波网络可减轻或消除该现象。
图7.3.2.0UT+调制输出交流等效电路(考虑RC匹配滤波网络)
此时设计需满足：
相应地，串联阻尼电阻需满足：
RD具备双重作用：一是避免因阻尼反射引起输出信号失真，二是提高终端负载稳定度。在实际百兆和千兆模块电路设计中，RD−一般设置为5.1Ω~20Ω。
需注意：以上等效电路均针对某一窄带调制信号的交流等效。
7.4 RC匹配滤波网络
连接在LD阴极的阻容网络(RFC)的作用是补偿LD封装内部的引线寄生电感，降低激光器输出信号因寄生电感引起的过冲和振铃。需注意：
•RFC阻容网络对LD固有的张弛振荡无效；
•低速(155Mb/s以下)电路不需要RFC网络。
7.4.1 忽略激光器二极管寄生电容(百兆以上千兆以下数据速率）
时域等效电路如图7.4.1所示（图略），频域等效电路如图7.4.2所示（图略）。
图7.4.1OUT+调制输出时域交流等效电路(忽略激光器二极管寄生电容影响)
图7.4.20UT+调制输出频域交流等效电路(忽略激光器二极管寄生电容影响)
根据电路理论：
系统函数为：
当w2LC<<1、RF>>RL时，Hjw≈1，信号不产生失真。
7.4.2 考虑激光器二极管寄生电容（千兆及以上数据速率）
时域等效电路如图7.4.3所示，频域等效电路如图7.4.4所示。
图7.4.30UT+调制输出时域交流等效电路(考虑激光器二极管寄生电容影响)
图7.4.40UT+调制输出频域交流等效电路(忽略激光器二极管寄生电容影响)
根据电路理论推导，当w2RFCRLCL<<1、RFRLCL>>L、RF>>RL时，Hjw≈1，信号不产生失真（详细推导见原文公式7.4.4~7.4.11）。
在实际155~1250Mb/s电路设计中，RF通常为小于100Ω的电阻，C通常为小于10pF的电容。系统完整的通频带幅频相频特性曲线可借助MATLAB信号仿真工具完成。
光模块电路的设计要充分考虑各种类型激光器的光电特性和激光器二极管驱动器的应用要求。在实际电路设计中，首先根据要求选择性能良好的激光器和符合应用条件的激光器二极管驱动器（特别是激光器的一致性和温度特性要好），再根据激光器的特性对电路进行合理的参数设定，目的是让激光器工作在最佳状态，从而使光模块获得理想的光信号，并延长激光器和光模块的使用寿命。
本文为《激光器驱动电路原理与光模块核心电路设计》下篇，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。