光模块驱动电路原理与核心电路设计

摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。

关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统 1. 引言

随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD正在不断的发展，光接点离我们越来越近。在每个光接点上，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化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。LED和LD的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL三种。WTD光模块通常所用发射光器件为FP和DFB激光器。

2. 半导体激光器

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制冷，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光纤通信。而DFB 激光器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、高速率光传输网络中。（2）垂直腔面发射激光器（VCSEL），是近几年才成熟起来的新型商用激光器，有很高的调制效率和很低的制造成本，特别是短波长850nm 的VCSEL，在短距离多模光纤传输系统中现在已经得到非常广泛的应用。

2.1 光电特性

半导体激光器是电流驱动发光器件，只有当激光器驱动电流在门限（阈值）电流以上时，半导体激光器二极管才能产生并持续保持连续的光功率输出，对于高速电流信号的切换操作，一般是将激光器二极管稍微偏置在门限（阈值）电流以上，以避免激光器二极管因开启和关闭所造成的响应时间延迟，从而影响激光器光输出特性。激光器光功率输出依赖于其驱动电流的幅度和将电流信号转换为光信号的效率（激光器斜效率）。激光器是一个温度敏感器件，其阈值电流th I 随温度的升高而增大，激光器的调制效率（单位调制电流下激光器的出光功率，量纲为mW/mA）随温度的升高而减小。同时激光器的阈值电流th I 还随器件的老化时间而变大，随器件的使用时间而变大。

激光器二极管的阈值电流和斜效率与激光器的结构，制作工艺，制造材料以及工作温度密切相关，随着温度的增加。

激光器二极管的阈值电流th I 定义为激光器发射激光的最小电流，th I 随着温度的升高呈现指数形式增大，下面的等式是th I 关于温度的函数，通过此等式可对激光器阈值电流进行估算： 1

01()*t

t th I t I K e =+ （2.1.1）

其中，0I 、1K 和1t 是激光器特定常数，例如，DFB 激光器0I =1.8mA, 1K =3.85mA, 1t =40℃。

激光器斜效率Se （Slope efficiency）定义为激光器输出光功率与输入电流的比值， Se 随着温度的升高呈现指数形式减小，下面的等式是Se 关于温度的函数，通过此等式可对激光器斜效率进行估算： 0()*s t t Se t Se Ks e =− （2.1.2）

同样，以DFB 激光器为例，其典型温度s t ≈40℃，其它两个激光器常数为0Se =0.485mW/mA, Ks =0.033mW/mA。

激光器的两个主要参数：阈值电流th I 和斜效率Se 是温度的函数，且具有离散性。 激光器工作（前向）电压F V 和激光器电流L I 之间的关系可用普通半导体二极管的电压-电流输入输出特性进行建摸：

*F

T

V V L S I I e η≈ （2.1.3） 其中，S I 为二极管饱和电流，T V 为与温度有关的电压，η为结构常数，当驱动电流达到激光器二极管阈值电流附近或者以上时，激光器电压-电流关系近似于线性关系。

激光器电流，前向电压和光功率输出关系如图2.1.1所示。

图2.1.1 激光器电流，前向电压和光功率输出关系示意图

由图2.1.1不难看出：

Ⅰ.当L I ＜th I 时，激光器正向（前向）电压F V 随L I 的增大急剧增大；

Ⅱ.当L I ＝th I 时，激光器正向（前向）电压F V 达到激光器能带隙电压BG V ,激光器处于临界工作状态；

Ⅲ.当L I ＞th I 时，激光器工作在P I −曲线线性区，其正向（前向）电压F V 随L I 的增大缓慢增大。

Ⅳ.当L I ＜th I 时，L R 随L I 的增大急剧快速变小；

Ⅴ.当L I ≥th I 时，L R 随L I 的增大缓慢变小（在线性工作区激光器L R 一般为4～6ohms）。

Ⅵ.当1t ＜2t 时, 1()th I t ＜2()th I t ,1()S t ＞2()S t 。

激光器二极管的简单模型如图2.1.2所示，在模型图中，直流偏置电压BG V 是与激光器二极管能带隙电压相关联的电压，L R 代表二极管动态电阻，I 代表流过激光器二极管的总电流（注意：流过激光器二极管的总电流与流过激光器的总电流是两个不同的电流），当