激光驅(qū)動器電性能的研究與測試

王 佳，邊 強(qiáng)，王 韓，宋小敬，張志偉，3，4

(1.中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，山西 太原 030051;2.北京微電子技術(shù)研究所，北京 100076;3.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030051;4.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點(diǎn)實驗室，山西 太原 030051)

隨著信息化的快速發(fā)展，人們的工作、生活、娛樂離不開網(wǎng)絡(luò)。從現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)傳輸來看，有無線傳輸和有線傳輸，無線網(wǎng)絡(luò)盛行的同時，人們對有線網(wǎng)絡(luò)的速度要求也越來越高，有線網(wǎng)絡(luò)的受眾面依然很廣，現(xiàn)在的有線傳輸基本都采用光纖傳輸。光模塊分為光發(fā)射和光接收兩部分，本文重點(diǎn)探討光模塊的發(fā)射部分，以MAX3656 為例闡述激光驅(qū)動器的主要功能。

1 激光驅(qū)動器的介紹

在光纖通信中，光模塊的作用很重要，激光驅(qū)動器用于光發(fā)射前端，實現(xiàn)對激光器的偏置和調(diào)制。將高速的電壓信號轉(zhuǎn)換為高速的電流信號以調(diào)制激光器，產(chǎn)生高速的光信號，將光信號耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸。

激光驅(qū)動器其實就是一個高速開關(guān)電流，它的功能主要有以下幾部分:(1)高速調(diào)制電路——向LD 輸出調(diào)制電流;(2)高速偏置電流驅(qū)動電路——向LD 提供直流偏置電流;(3)自動功率控制(APC)電路——在不同溫度和LD 老化的情況下，改變IBIAS，保持PAVG不變。

1.1 高速信號的調(diào)制驅(qū)動

高速信號調(diào)制驅(qū)動電路主要是高速信號處理通道，是實現(xiàn)高速信號理想眼圖的核心。當(dāng)攜帶要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通過激光驅(qū)動器時，調(diào)制驅(qū)動就開始它作用，對信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)。整個高速信號通道要有足夠高的帶寬，MAX3656 激光驅(qū)動器的速率達(dá)到2.5 Gbps，在其工作時，要保證對稱，足夠?qū)挼男盘柗秶?/p>

一般在使用激光驅(qū)動器工作時，我們要求輸入的信號電壓滿足在一定范圍內(nèi)，要求共模電壓在VCC－1.49～VCCVIN/4 之間，差分電壓200 mV～1.6 V 之間［1］，這樣才能保證信號的穩(wěn)定。當(dāng)信號進(jìn)入驅(qū)動器，驅(qū)動器里的調(diào)制電路就開始工作，對高速信號進(jìn)行處理，為LD 提供調(diào)制電流，調(diào)制電流在10～85 mA 范圍內(nèi)可調(diào)，可通過激光驅(qū)動器引腳MODSET 來實現(xiàn)。

1.2 高速偏置電流驅(qū)動電路

為了獲得好的光信號，要選擇合適的偏置電流，保證光信號調(diào)制在激光器工作的線性區(qū)，因此激光器的偏置電流設(shè)置應(yīng)大于閾值電流ITH。當(dāng)溫度改變時，ITH會隨著溫度的變化也會改變，除了溫度的變化，再加上器件老化也會引起閾值電流增大，很有可能ITH會高達(dá)60～70 mA。因此，不同的激光器所需的偏置電流也不相同，所以，為了使激光驅(qū)動器能正常工作，它的偏置電流IBIAS要設(shè)置的比激光器的閾值電流要大。MAX3656 的偏置電流在1～70 mA 范圍內(nèi)可調(diào)，可通過激光驅(qū)動器引腳BIASMAX 來實現(xiàn)。

1.3 自動功率控制(APC)電路

為了信號的可靠發(fā)送，光纖數(shù)據(jù)通訊要求激光器的輸出功率穩(wěn)定在一個很窄的范圍內(nèi)。MAX3656 集成了一個數(shù)字自動功率的控制(APC)環(huán)路來補(bǔ)償由于激光器的閾值電流隨溫度和壽命的變化。LD 的封裝后面安裝一個監(jiān)控光電二極管MD，從LD 后端透出的光通過MD，把光流轉(zhuǎn)換成光電流，構(gòu)成自動功率控制APC 回路，APC 環(huán)路調(diào)整激光器偏置電流，使監(jiān)控電流與RAPCSET設(shè)置的參考電流相匹配。APC環(huán)路來保持激光器的平均光功率，激光器的平均光功率跟調(diào)制電流和偏置電流有關(guān)系，當(dāng)LD 輸出光功率發(fā)生變化時，MD 的輸出電流IMD 就減少，APC 環(huán)路工作，作用在激光器上的偏置電流IBIAS產(chǎn)生變化，使LD 的發(fā)射光功率保持不變［1］。

2 激光驅(qū)動器的電測試

LDD 為激光器提供驅(qū)動電流，完成電光轉(zhuǎn)換，它本身是有電性能和光性能兩個方面。LDD 本身產(chǎn)生合適的偏置電流和調(diào)制電流，控制激光二極管發(fā)光，電流滿足大于激光二極管的閾值電流。因此，激光二極管的調(diào)制電流和偏置電流的控制很重要。如圖為激光驅(qū)動器的電測試。

圖1 電測試示意圖

2.1 調(diào)制電流的測試

在電測試的過程中，我們將放大器代替激光器與驅(qū)動器耦合形成閉合回路，返回MD 腳。流入MD 引腳的探測電流很小，在0.05～1.5 mA 之間，放大器使探測電流IMD滿足此關(guān)系:IMD/IBIAS=1/11［2］，得出IMD大小符合規(guī)定范圍。因為驅(qū)動器調(diào)制輸出(OUT +，OUT－)電的最佳驅(qū)動負(fù)載為15 Ω［1，2］，因此，要滿足RD++RL=RO，在電測試中，沒有激光器工作時，RL=0，

當(dāng)突發(fā)模式時，BIAS 輸出電流快速的開關(guān)，因此，BIAS+腳與LD 陰極之間連接的電阻等同于上文提到的RD［3］。

調(diào)制電流測試時，要求輸入的高速信號電壓滿足一定范圍內(nèi)，在此實驗中，選取差分電壓1.2 V，共模電壓2 V 的差分高速信號。差分突發(fā)使能輸入(BEN +和BEN－)可以快速打開和關(guān)閉調(diào)制電流［1］，突發(fā)使能輸入端電平的高低轉(zhuǎn)換可以使LDD 工作在連續(xù)模式或突發(fā)模式下。如圖2 所示。

圖2 調(diào)制電流輸出波形

當(dāng)BEN+高BEN－低時，快速打開調(diào)制電流，如圖3 所示;BEN－高BEN+低時，關(guān)閉調(diào)制電流，電壓保持在一定電平值。當(dāng)BEN+，BEN－高低轉(zhuǎn)換時，LDD 工作在突發(fā)模式下，如圖2 所示。驅(qū)動器調(diào)制輸出給LDD 提供調(diào)制電流，大小由外部電阻RMODSET確定。根據(jù)實測，它的電壓范圍在0.215 V～1.48 V 之間，IMOD=實測電壓/15 Ω(最佳驅(qū)動負(fù)載)。根據(jù)LD 的特性，選擇合適的調(diào)制電流，一般激光器需要的調(diào)制電流大約在40 mA 左右。

圖3 開啟調(diào)制電流

2.2 偏置電流的測試

偏置電流測試時，輸入信號滿足要求，當(dāng)BEN+高BEN－低時，快速打開偏置電流，電壓為高電平，如圖3 所示;BEN－高BEN+為低時，關(guān)閉偏置電流，電壓保持在低電平。當(dāng)BEN+，BEN－高低轉(zhuǎn)換時，LDD 工作在突發(fā)模式下，如圖4 示。驅(qū)動器偏置輸出給LDD 提供偏置電流，大小由外部電阻RBIASMAX確定。根據(jù)實測，在閉環(huán)的情況下，BIAS+的電壓范圍在315 mV～3.0 V 之間，IBIAS=(3.3－VBIAS+)/30 Ω［2］。根據(jù)LD 的特性，選擇合適的偏置電流，一般激光器的偏置電流大小滿足IBIAS=Ith+40 mA。

圖4 偏置電流輸出

2.3 APC 環(huán)路

在激光驅(qū)動器工作時，當(dāng)偏置電流不能維持激光器的平均光功率時，APC 開始工作。實驗中，APC 環(huán)路主要和RAPCSET和RBIASMAX有關(guān)，調(diào)節(jié)這兩個電阻，使APC 環(huán)路開始工作，D1 燈亮;當(dāng)APC 回路無法保持恒定的平均光功率時，F(xiàn)AIL 為低，D1 滅。為了使燈D1 亮，可調(diào)節(jié)RBIASMAX的大小，再改變RAPCSET的大小，重新使APC 環(huán)路開始工作。因此設(shè)計一個激光發(fā)射器時，根據(jù)激光二極管的特性，設(shè)置所需的調(diào)制電流、偏置電流以及平均光功率所對應(yīng)的RMODSET、RBIASMAX和RAPCSET的大?。?］。

3 結(jié)束語

通過本次實驗，了解激光驅(qū)動器的特性，調(diào)制電流和偏置電流滿足激光驅(qū)動器的設(shè)計要求，APC 環(huán)路能正常工作。激光驅(qū)動器能使激光二極管工作在合適的工作范圍內(nèi)，在實際應(yīng)用中，選擇性能良好的激光二極管，再根據(jù)激光二極管的特性設(shè)定合理的參數(shù)，使激光器工作在最佳狀態(tài)，獲得理想的光信號。

［1］MAX3656 Datesheet［DB］.Maxim Integrated Products，2010.

［2］MAX3656 Evaluation Kit［DB］.Maxim Integrated Products，2010.

［3］Application Note：“Interfacing Maxim Laser Drivers with Laser Diodes.”– HFAN－2.0 ［DB］.MAXIM Integrated Products，May 2000.