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1.25Gbps激光驱动器的研究

发布日期:2019-11-10 09:28:32 | 编辑:互联网创业网| 阅读次数:
1.25Gbps激光驱动器的研究

厦门优迅高速芯片有限公司 吴丽萍


摘要:本文简单分析了半导体激光器的特性,以UX2210 为例着重分析了激光驱动器的主要功能模块、性能指标要求,以及在光收发模块中的典型应用电路,给出了实测光信号眼图。
关键词:激光器,驱动器,APC,消光比。


随着社会信息化的发展,人们的工作、生活、娱乐越来越离不开网络,对带宽的要求也越来越高。有线传输一定会更多地采用光纤,干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多地采用光纤进行传输。光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到家FTTH、光纤到桌面FTTD 在不断发展当中,光节点离我们越来越近。

在每个光节点上,都需要一个光纤收发模块,模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号,以便作进一步的处理和识别。模块的发射端将需要发送的高速电信号转换为光信号,并耦合到光纤中进行传输。发射端需要一个驱动电路和一个发光器件,发光器件主要有发光二极管(LED)和半导体激光器(LD,Laser Diode)。LED 和LD 所需要的驱动电路有很大的区别,常用的激光器有FP、DFB 和VCSEL 三种。本文以UX2210 为例阐述激光驱
动器的主要功能指标和应用方案。

1、 半导体激光器的特性
半导体激光器作为常用的光发射器件,其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便,且大部分激光器无需致冷,是光纤通信系统理想的光源。激光器有两种基本结构类型:(1)边缘发射激光器,有FP(Fabry-Perot)激光器和分布反馈式(DFB)激光器。FP 激光器是应用最广的一种激光器,但是其噪声大,高频响应较慢,出光功率小,因此FP 激光器多用于短距离链接。而DFB 则具有较好的信噪比,更窄的光谱线宽,更高的工作速率,出光功率大,因此DFB 激光器多用在长距离高速传输网络中。(2)垂直腔面发射激光器(VCSEL),是近几年才成熟商用的新型激光器,有很高的调制效率和较低的制造成本,特别是短波长850nm VCSEL 在短距离多模光纤传输系统中已得到非常广泛的应用。

半导体激光器是电流驱动发光器件,只有当偏置电流大于其阈值电流ITH 时,激光器才能发光。激光器是一个温度敏感器件,其阈值电流ITH 会随温度的升高而增大。同时,激光器的调制效率η(单位调制电流下激光器的出纤功率,mW/mA)会随温度的升高而减小。


图1 给出了激光器的P~I 曲线随温度变化的情况。激光器的阈值电流还随器件的老化而变大,使用时间越久其阈值越大。

常用的FP、DFB、VCSEL 三种类型激光器的阈值电流ITH、ITH 的温度系数,调制效率η、η的温度系数都有很大的不同。激光驱动器要尽量同时满足这三种激光器的应用要求,激光驱动器UX2210 可以同时满足FP、DFB、VCSEL 的应用要求。

就是同一类型的激光器,不同厂家的产品,或者同一厂家的不同批次产品,其P~I 曲线及其温度特性也有很大的不同。甚至同一批次的激光器,其产品的差异性也是比较大的。基于激光器的敏感性和差异性,为了获得一致性好、稳定性好的光信号,需要一个高性能的激光驱动器,对激光器的差异进行补偿。光模块发射端的主要性能要求综合如表1 所示。

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2、 激光驱动器的主要功能指标
激光驱动器用于光发射前端,实现对激光器的偏置和调制。将高速的电压信号转换为高速的电流信号以调制激光器,产生高速的光信号,将光信号耦合进光纤进行传输。下面以UX2210 为例说明驱动器的功能结构和主要参数指标。

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图2 是UX2210 的功能结构图[1],主要有以下几部分:(1)高速信号调制驱动;(2)偏置电流IBIAS 设置和自动功率控制APC;(3)调制电流IMOD 设置和温度补偿;(4)稳定的参考电压源和慢启动电路。

2.1 高速信号的调制驱动
高速信号的调制驱动电路包含一个输入信号缓冲电路、一个约20dB 的放大电路和一个差分电流驱动电路,这是激光驱动器的高速信号处理通道,是实现高速信号理想眼图的核心。

整个高速信号通道要有足够高的带宽,一般要求达到传输速率的1.4 倍以上,对于1.25Gbps速率的信号来说,其带宽要求大于1.75GHz。这样才能保证信号有足够快的上升、下降时间,一般要求上升、下降时间小于250ps。同时还要求信号的抖动(jitter)要小,随机抖动小于8ps。信号的脉宽失真PWD(Pulse-Width Distortion)要小于信号周期的5%, 1.25Gbps 速率的信号的PWD 一般要求小于40ps。

图3 是调制驱动电路的输入、输出的电路结构。输入缓冲级一般偏置在0.6V VCC,以保证有对称、足够宽的输入信号动态范围,要求在200mV~2000mV(差分信号)的输入信号范围内,输出信号幅度是稳定的,只由调制电流IMOD 的变化来调节。同时可通过设置输入缓冲级合适的偏置电流IOSADJ(过冲调节电流)来确定最大的调制电流。因此,输出信号的最大幅度由调制电流IMOD 和过冲调节电流IOSADJ 共同决定。

2.2 偏置电流设置和自动功率控制
为了获得好的光信号,首先要设置合适的偏置电流,保证光信号调制在激光器工作的线性区,即激光器的偏置电流应该大于阈值电流ITH。不同类型激光器的阈值电流差别很大,VCSEL 的ITH 一般小于5mA,而FP、DFB 激光器的阈值电流ITH 一般在10~20mA 之间。ITH随温度的变化也有很大的差异,DFB 的ITH 随温度变化比较大,85℃的阈值ITH 会高达50mA,再加上器件老化引起的阈值增大,其ITH 将高达60~70mA。因此,为了适应不同激光器的要求,驱动器的偏置电流IBIAS 要有比较大的可调范围。UX2210 的偏置电流在10~80mA 范围内可调,这可通过芯片外的RBIASSET 电阻来设置。

阈值电流ITH 通常随温度剧烈变化,这样在室温下性能良好的激光器在温度过高时就可能失去发光性能。温度的变化可能是外部引起的,也可能是内部元件和电路的直流功率损耗产生的热引起的。另外,激光器的老化还会使阈值电流变大,降低其发光效率。为了信号的可靠发送,光纤数据通讯的标准通常要求激光器的输出功率稳定在一个很窄的范围内。以上不利因素使得在这个范围内维持功率是比较困难的。

因此,驱动器需要一个自动功率控制(APC)的反馈控制回路,对偏置电流进行补偿,使得偏置电流相对于阈值电流的差值IBIAS-ITH 相对稳定,从而可以保持稳定的平均光功率。

偏置电路的设计构成驱动器设计的一个重要部分。APC 的典型电路如图4 所示:


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在这个电路中,从LD 后端透出来的光通过一个监控光电二极管PD 加以探测,光功率转为电流IPIN,IPIN 加在集成运算放大器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,这个电压与参考电压VREF 相比较,再经过跨导放大器放大,输出用来控制LD 的偏置电流IBIASFB,这样形成一个负反馈环。当LD 输出光功率譬如由于温度增加而减小时,PD 的输出电流IPIN 就减少,导致跨导放大器输出电流IBIASFB 正向流出,叠加在IBIAS上,即LD 的偏置电流增加,这样LD 的平均功率保持不变。

目前大量使用的激光器都有背光探测光电二极管PD,用于构成自动功率控制APC 回路。探测电流IPIN 一般在0.1~1mA 较宽的范围内,这也就要求APC 在这么宽的IPIN 范围内都具备对IBIAS 有足够大的调节能力,使得IBIAS-ITH 相对稳定,平均光功率PAVG 相对稳定。当然,APC只是使IPIN保持稳定,要PAVG稳定,背光PD响应度ρ(单位光功率的响应电流,mA/mW)的温度稳定性非常重要。

UX2210 还提供一个TTL 电平的APC 失效指示,即当激光器因温度升高或器件老化而功率变小,IPIN 已小到APC 的补偿能力之外时,驱动器输出一个失效电平FAILOUT 作为告警提示信号,此电平可用于关断发射光信号。

2.3 调制电流设置和温度补偿电路
除了对发射光功率的要求外,激光器发出的光信号都要求其消光比保持稳定。消光比ER 是发送信号“1”的光功率P1 和信号“0”时的光功率P0 的比值,ER= P1 /P0。一般要求ER 保持在10~16dB 之间,变化不超过2dB。消光比的大小由IMOD 调节,IMOD 由芯片外的RMODSET设定。UX2210 的调制电流IMOD 在10~60mA 范围内可调,可广泛满足应用要求。

激光器的发光效率随温度变化较大,当温度升高时激光器的调制效率η变小,如图1所示。这时为了保持消光比ER=P1 /P0 不变,需要更大的调制电流IMOD。典型的1310nm 的FP 激光器在+25℃时需要12mA 的调制电流,而在+85℃时需要30mA 的调制电流。因此,需要增大IMOD,以补偿激光器调制效率随温度的变化,使得激光器总的调制电流随着温度上升而线性增大,以保持ER 的稳定。温度补偿电路如图5 所示。



由此图可知,调制电流IMOD 由IMODSET 和IMODTC 组成,其中IMODSET 是不随温度变化而变化的,但是IMODTC 则是随温度的上升而增加的。VREF 是一个基准电压,不随温度、供电电压变化而变化;VTC 是具有负温度系数的电压源,即温度上升,电压随之下降。VTC 与VREF通过运算放大器作比较,其差值放大并用于控制电流源IMODTC。,使得IMODTC 随温度升高而增大。

IMODTC 的大小由芯片外的RMODTC 设定。 IMODTC 在总调制电流IMOD 中的比重,以及IMOD的温度系数由RMODTC 和RMODSET 综合决定。IMOD 的温度系数应该与激光器调制效率η相适应,以尽量保持ER 的稳定。

2.4 参考电压源和慢启动电路
为保证激光驱动器有宽的工作电压(3.0V~5.5V)、工业级-40℃~+85℃温度应用范围,以及保证产品的一致性,使用了对抗温度供电电源变化的带隙稳压电路(Bandgap Circuit),对外输出稳定的参考电压VREF,用于设定稳定的偏置电流IBIASSET 和调制电流IMODSET,还有过冲调节电流IOSADJ 和平均光功率PAVG 对应的基准电流IPINSET。

为了保护激光器在受到突发的脉冲信号时不会损坏,UX2210 还专门设计了一个可编程“慢启动”保护电路。慢启动电路内部预设50ns 延迟时间,还可以通过外接电容来进一步延长启动时间。

2.5 驱动器的主要指标
根据前面对激光驱动器UX2210 各主要功能的分析,其主要参数指标归纳如表2 所示。

3、激光驱动器的典型应用

图5 是一个典型的激光驱动器应用电路[1]。下面对此应用电路作几点简单的说明。



3.1 输入端的偏置和阻抗匹配。
输入端可以用82/130Ω 的电阻网络做50Ω 的阻抗,同时设定偏置电平0.6VCC。但这个低阻偏置网络的功耗太大。可以采用16K/24KΩ 的大电阻设定0.6VCC 偏置电平,同时在差分信号输入端INP、INN 之间并联一个100Ω 的电阻作为阻抗匹配,这样可大大减小功耗。

3.2 偏置电流IBIAS 的设置
选择合适的电阻RBIASSET 设定偏置电流IBIAS,IBIAS 要大于阈值电流ITH,一般设为激光器使用过程中的最大阈值电流和最小阈值电流的平均值。最小阈值电流ITHMIN 为激光器在-40℃时的阈值电流ITH(-40℃),最大电流ITHMAX 为激光器寿命终点,而且是85℃时的阈值电流,假设激光器寿命终点的阈值电流为2 倍的ITH ,那么ITHMAX =ITH(85℃)+ITH。RBIASSET一般采用固定阻值的电阻。

3.3 发射光功率PAVG
根据发射光信号功率PAVG 的要求选择合适的激光器,激光器的标称功率是ITH+20mA偏置电流下的发射功率。可根据该功率对应的背光IPIN来设定IPINSET。选择合适的电阻RPINSET来设定IPINSET,RPINSET 最好是可调电位器,可在适当的范围内调节激光器的发射功率。为了防止可调电位器短路,采用一个固定电阻和可调电位器串接,这样也可提高调节精度。

3.4 偏置电流IMOD 的设置
偏置电流IMOD 要保证发射光信号有合适的消光比,同时根据激光器调制效率的温度系数,选择合适的RMODSET 和RMODTC,使得IMOD 有与激光器相适应的温度系数,以保持光信号消光比的相对稳定。实际应用中,RMODTC 为固定阻值的电阻,而RMODSET 采用可调电位器,以方便调节消光比。可调电位器可同样采用一个固定电阻和可调电位器串接,以防止短路和提高调节精度。

3.5 激光器的连接
1.25Gbps 以下速率的激光器可以采用单端直流耦合的接法,如图5 所示。直流耦合接法简单,元件数量更少,易于匹配,功耗低,但容易受干扰,眼图质量较差。为了提高光信号的眼图质量,建议采用图6 所示的交流耦合接法。关于驱动器和激光器连接的更多问题,请参考文献[2]。



3.6 发射光眼图
图7 是以上应用电路实测的1.25Gbps 光信号眼图。该眼图消光比12.6dB,眼图张得很开,相对于OC-24 模板的富余量超过40%;眼图清晰,线条很细,随机抖动5.5ps;上升、下降时间不到210ps;信号的脉宽失真1.4%。各项指标非常理想,完全满足1.25Gbps 传输系统的应用要求。

4、结束语
激光驱动器的设计要充分考虑各种类型激光器的特性和应用环境要求。实际应用中,首先根据应用要求选择性能良好的激光器,特别是激光器的一致性与温度特性要好。再根据激光器的特性设定合理的参数,使激光器工作在最佳状态,以获得理想的光信号,并延长激光器的使用寿命。
参考文献:
[1] UX2210 Datasheet,厦门优迅高速芯片有限公司。
[2] Application Note: “Interfacing Maxim Laser Drivers with Laser Diodes.” – HFAN 02.0,
Maxim Integrated Products, May 2000.

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