激光器及其驱动器电路原理光模块核心电路设计.pdf

激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计 武汉电信器件有限公司 模块开发部 王松 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。 1/32 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I th 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I th 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I th 定义为激光器发射激光的最小电流，I th 随着温度的升高 呈现指数形式增大，下面的等式是I th 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： t t 1