CN1199943A - 模拟光链路的电流控制 - Google Patents

Abstract

一种注入式激光器的控制电路提供一种预偏置电流,用以消除激光器输出中由削波引起的误差。一个模拟调制信号被直接输入给激光器,该激光器接收反馈电路(Ifb)和电流源(Io)的和来作为预偏置电流(Ipb)。监控二极管检测激光器的光输出,并提供一个电流(Idet)。反馈电路运行在一个有限的动态范围内,例如I1+/－40mA,或者不能输出负电流(Ifb>0)。该反馈电路对Idet的变化作出响应,并调节激光器预偏置电流,用以保持Idet等于预定值,从而有效地保持激光器的平均输出功率为恒定值。

Description

模拟光链路的电流控制

本发明涉及控制电路。本发明尤其涉及采用半导体激光器的光链路的控制电路。

当在模拟链路中采用直接调制半导体激光器时，通常设置预偏置电流使得激光器的平均输出功率保持恒定。这用一个简单的反馈电路就可以实现。在没有这种电路的情况下，需要将激光器的预偏置电流设置得足够高，以确保在激光器的使用期限之内，并且在其工作温度范围之上，激光器的平均输出功率够高。这种高的预偏置电流会导致激光器在新使用时，或者当激光器温度很低时，输出非常高的功率：过量的光功率会使接收机饱和或者引起光纤非线性，由此降低系统的性能。在高电流状态下运行激光器还会加速激光器的老化。因此，采用恒定的偏置电流会降低系统的性能。

当在无制冷激光器(激光器模块缺少温度控制)中采用这种简单的现有技术反馈电路时，在较低的温度下预偏置电流会降低，并且当预偏置电流降低时，该链路对于由削波引起的误差变得更为敏感。当激光器电流(预偏置电流与调制信号的和)降低至激光阈值以下时，会发生这种误差。

有关控制激光器预偏置电流的现有技术如下：

1977年2月22日公布的USP 4,009,385公开了一种用于注入式激光器的控制电路，其中包括一个驱动电路，该驱动电路根据电调制信号将驱动电流加到激光器上。预偏置电路根据从电调制信号中得到的信号与从激光器光输出中得到的信号之间的差值，将预偏置电流加到激光器上。

1981年9月29日公布的USP 4,292,606公开了一种检测时间间隔的电路，在此时间间隔内加到激光二极管上的全部电流超过了光电特性曲线上的第二个断点值，并且该电路产生一个误差信号，该信号可被反馈用以调节电流调制器。

1984年11月20日公布的USP 4,484,331公开了一种电流调节电路，该电路采用电反馈来稳定半导体激光二极管的偏置电流。利用负温度系数电阻检测激光二极管电流来形成电压，将该电压与零温度系数电压相比，从而产生误差信号，该信号根据温度的改变来调节激光二极管的发射。

1990年2月20日公布的USP 4,903,273公开了一种控制电路，其中激光二极管的工作点位于特性曲线的某一部分中，在该部分中的特性曲线斜率与在特性曲线的线性部分中的特性曲线斜率的比值等于一个预定值。通过测量偏置电流的改变量可获得该比值，该改变量补偿由于调制电流的改变而引起的功率变化。

1990年9月25日公布的USP 4,958,926公开了一种激光器的闭环控制系统，其中激光器的输出光和发自该激光初始时与之相耦合的光纤的光为激光器设置偏置与脉冲电流振幅，并调节作为该控制系统一部分的接收机的增益。根据发自光纤的光，该控制系统持续地控制脉冲电流振幅和接收机增益，从而使该振幅和代表该光的电信号保持在接收机电子部件的工作范围内。

1991年12月17日公布的USP 5,073,983公开了一种已经改进了线性并降低了失真的振幅调制光信号系统，其方式为，检测来自光发射机的光输出的一部分来获得电反馈，将反馈信号的第一部分进行倒相，并将其与信号的电输入简并(degenerative)地结合起来获得一个混合信号，用以交流地调制光发射机。反馈信号的第二部分被按希望地进行时间平均，并被用于控制光发射机的直流驱动，从而使平均光输出大体上恒定。在光信号系统中由在高功率电平驱动的光发射机关联的非线性以其他方式所引入的失真被降低。

1993年11月9日公布的USP 5,260,955公开了自动设置激光二极管阈值电流的方法，该激光二极管具有一个线性激光器工作区和一个较低非线性工作区。在下述时期内控制该激光二极管：(1)在升温时期内，在此期间内在该激光二极管上不加工作电流，从而允许电子部件和激光二极管得以稳定；(2)在初始化时期内，在此期问内使该激光二极管的电流达到所述非线性工作区之上的阈值工作点，并且在此期间内不向该激光二极管输入图像数据；(3)在工作时期内，在此期间内向激光二极管输入数字图像数据，用以使其工作在线性激光器工作区内。

这些现有技术都没有公开下述激光器的控制电路，该激光器(1)达到最小的平均激光器输出功率并且(2)当预偏置电流以其他方式降至最小值之下时，通过迫使平均激光器输出功率超过最小值，避免了在激光器输出中由削波引起的误差。

本发明解决向激光器提供恒定最小电流的问题，从而在低温下激光器预偏置不会低于一个最小的可接受值，但是在高温下要控制激光器预偏置从而使平均光输出保持恒定。这样做，可以避免在低温下发生由削波引起的误差，并确保在高温下发射足够强的光。

光链路中注入式激光器的偏置控制电路包括一个监控二极管，一个反馈电路和一个电流源。根据调制信号，激光器发射调制光，该调制光被输入进光链路。监控二极管产生一个与平均激光器输出功率成正比的电流(Idet)。将Idet输入给反馈电路，然后该反馈电路调节其输出电流，从而使Idet接近一个代表恒定激光器平均输出功率的预定值。该反馈电路具有有限的范围，不能提供负反馈电流。当Idet相对于预定值而改变时，反馈电流(Ifb)也改变。Ifb与一个来自电流源的电流(Io)相结合，构成激光器的预偏置电流(Ipb)，在其上叠加调制信号。当温度降低时，为保持恒定平均输出功率所需的预偏置电流降低。预偏置电流将降低，直至达到一个最小值，低于该值时它将不在降低，从而避免激光器输出信号中由削波引起的误差。

从下述结合附图的最佳实施例的描述中可进一步理解本发明，其中：

图1为激光器测试操作的对数图，纵轴从误码率(BER)方面显示了一个注入式激光器的削波误差，而横轴以dB值为单位显示了其RF驱动，该激光器工作在：(a)19℃，预偏置电流(Ipb)为35mA或(b)48℃，预偏置电流(Ipb)为46mA，在下述两个数据信道上测量BER，一个以980MHz传输2Mbps四相相移键控信号，另一个以947MHz传输20Mbps闭启键控信号。

图2A为采用本发明时，显示激光器平均输出功率<L>与工作温度(T)的关系的图表。

图2B为采用本发明时，显示激光器预偏置电流(Ipb)与激光器工作温度的关系的图表。

图3激光器的预偏置控制电路，用以根据本发明的原则消除或降低削波误差。

在图1中，采用预偏置电流来操作注入式激光器，从而使激光器的平均输出功率保持恒定，同时根据模拟输入信号的功率来测量激光器输出信号的误差。在19℃的低工作温度下，激光器预偏置和斜率效率都大于48℃较高工作温度下的情况，并且正如较高预偏置RF驱动电平下的黑点和矩形所示，在两个数据信道上都观察到削波误差。在较高工作温度下，保持预偏置电平，并且观察不到削波误差，直至模拟输入信号的功率较19℃下观察到削波引起的误差的情况大7dB为止。这意味着，在较低温度下，光链路不能正常运行在较高驱动电平下。本发明通过下述方式可解决这一问题，即，使激光器的预偏置始终高于某一最小值Imin，而并非简单地设定预偏置以使激光器平均输出功率恒定。较不采用反馈，且设定预偏置为一个恒定值(该值足够大以确保激光器的平均输出功率始终足够高)的情况相比，这一最小预偏置电流低于该情况所需的电平。

图2A和2B所示为当采用本发明时，激光器的平均输出功率和预偏置电流如何随激光器工作温度而改变。

下式所示为激光器预偏置电流(Ipb)：从而<L(Ia)>＝Lo  当Ia＞Imin时

其中：

Ia＝预偏置电路指定的电流(参看图2I(pb)+Io)。

L(Ia)＝作为Ia函数的激光器输出。

Lo＝预定平均激光器输出功率。

当调制激光器时：

I＝Ipb+调制信号＝Ipb+Iac(t)。

其中：

Iac是作为时间函数的输入信号。因此，为避免削波，应按如下选择Imin：

在任何时刻都有Ipb+Iac(t)＞Ith。

在实际系统中，Iac(t)的瞬间振幅可以覆盖很大范围，但是最大值可能极少发生。有限量的削波是可以接受的。系统的设计应该使得低于Ith的偏差在可接受的范围内，并且很少发生。可接受范围以及可以接受的信号削波的发生频率将依赖于所采用的调制形式，是否采用纠错编码，以及所提供的业务。

Ith将随温度而改变，并且当温度降低时趋于减少。为选择一个可在整个工作温度范围内确保足够性能的Imin值，应该选择Imin使得绝不能在低于阈值下驱动激光器。用n代表激光器的斜率(slope)效率(每毫安电流输入的毫瓦光输出)，并且是一种温度函数(当温度降低时n趋于增加)。如果激光器的预偏置使得<L>＝Lo，则L(t)＝Lo+(Iac(t)×n)。

为确保不在阈值以下驱动激光器，必须使L(t)＝(Ipb+Iac-Ith)×n保持为正数。记得n为激光器温度T的函数。我们用Iac，m来表示(-1×Iac)的最大值。令T’为满足(Iac，m×n(T’)＝Lo的温度。则应设定Imin使得Imin＝Ith(T＝T’)+Iac，m。这将确保当Ith＜Ith(T’)且n＞(Lo/Iac.m)时，Ipb将被设定为Imin，且L(t)＞0。

[为获得L(t)＞0，使得：

L(t)≌{[(Imin-Ith(T))]+Iac(t)}×n

＝{(Ith(T＝T’)+Iac，m)-Ith(T)+Iac(t)}×n

＝{(Ith(T’)-Ith)+(Iac，m+Iac(t)}×n＞0由于n＞0，{Ith(T’)＞Ith}且(Iac，m＞-1×Iac(t))]

当Ith＞Ith(T’)，且n＜(Lo/Iac，m)时，设定Ipb使得<L>＝Lo，该值将大于Imin。

则L(t)≌Lo+Iac(t)×n

显而易见，当设计系统时，Imin和Iac都在系统设计者的控制之下，并且在设定其取值时会有所权衡。如果可以接受有限数量的削波，则可以将Imin设定为一个较低值，(例如，如果可以接受每分钟一个削波事件，并且每分钟只有一次-1×Iac(t)超过Iac，z，则在上式中可以用Iac，z取代Iac，m。

激光器的斜率效率随时间趋于减少，且其阈值电流趋于增加，以致于当激光器全新时应正确选择Imin，从而在激光器的使用期限内使激光器输出信号中的削波误差消除或降低到一个可接受的电平。这样，设定Imin＝Ith(T＝T’)+Iac，max将使采用注入式激光器的光链路中的削波误差消除或降低到一个可接受的电平。

即使在一个采用温度控制激光器的光链路中，本发明也可以应用于以突发数据串的形式来发送模拟信号的系统中。

当激光器的响应为线性时，激光器的平均输出将是平均电流输入的函数。<L(I)>＝L(<I>)。如果激光器的响应不是线性的，则该式不再成立。在持续发送模拟信号的系统中，由于传统的反馈电路将设定<L>＝Lo，这一影响不会导致任何问题。然而，当激光器以突发数据串的形式来发送数据分组时，如果激光器的响应是非线性的，当发送分组时<L>将改变。由于传统的反馈电路一定具有长的时间常数(否则它将使发送的信号恶化)，因此很难设计一个控制环路能够在分组时间量程内纠正<L>的改变。如果正在发送的数据分组很少，则反馈电路可以将Ipb设定为较发送许多数据分组的情况相比更低的值。本发明避免了反馈电路将预偏置电流设定得过低。由此本发明还可应用于阈值电流和斜率效率不随温度改变的系统中。

返回至图3，激光器的预偏置控制电路包括一个提供Ifb的反馈电路和一个提供Io的电流源。当控制电路最小输出电流(Imin＝Io+Ifb，min)被设定为Imin＝Ith(T＝T’)+Iac，max时，将消除不可接受的削波误差，而与激光器工作温度无关。

在图3中，激光二极管10与光链路12耦合，并向监控二极管14提供光输出。二极管14产生电流Idet，该电流与激光二极管10的输出成正比。将Idet输入进反馈电路16，该电路提供输出电流Ifb。输出电流Ifb具有有限的动态范围(例如Ifb在I1＝/-40mA之间，或者Ifb＞0)。这种类型的反馈电路在商业上是可以实现的。电流源18提供输出电流Io，该电流与Ifb相结合构成激光器10的预偏置电流Ipb。调制信号源20提供信号Iac，将该信号叠加在Ipb上，作为激光二极管10的输入。反馈电路通过调节Ifb来试图保持<Idet>等于一个预定的恒定值(Ipb＝Ifb+Io)。反馈电路的有限动态范围将避免激光器的DC电流降低到一个最小值以下。这样，当激光器10的工作温度降低时，反馈电流将使激光器10的平均输出功率保持恒定，直至Ipb＝Imin＝Io+Ifb，min。(Ifb，min可以为零)。然后激光器输出将增加，但是激光器电流不会降低到最小预定值以下。

在现有技术中，当二极管工作温度下降时，激光器斜率效率将增加，而其阈值电流将降低。在传统的控制电路中，激光器预偏置电流将低于使Idet等于预定值的点。这一条件会导致调制电流Iac在阈值电流以下驱动激光器，从而引起失真和误差。本反馈电路不能在预定值(例如，Ipb＞Io+Ifb，min)下驱动激光器，并且削波引起的误差会被消除或者保持在一个可接受的范围内。

虽然就最佳实施例而言，已经显示并描述了本发明，但是正如所附权利要求书中所定义的，在实施例中可以实现各种改变，而毫不背离本发明的精神或范围。

Claims (14)

1.一种操作光传输系统的方法，其中包括下述步骤：

a)设置激光器预偏置电流(Ipb)大于或等于一个预定值(Imin)；且

b)保持Ipb在预定值之上，从而使激光器平均输出功率至少等于一个预定光输出值(Lo)。

2.在激光器的控制电路中，该控制电路包括一个与该激光器相耦合并与一个和电流源相连的反馈电路相耦合的监控二极管，该控制电路为激光器提供预偏置电流，控制该激光器输出功率的方法，包括下述步骤：

a)在反馈电路中产生反馈电流(Ifb)；

b)从电流源处产生电流值Io；

c)将反馈电流和电流源电流相结合作为激光器的预偏置电流(Ipb)；

d)将输入信号叠加在预偏置电流上，来向激光器提供输入信号；

e)在监控二极管中产生电流Id，该电流Id与激光器输出光成正比；

f)将Id输入给反馈电路；以及

g)改变从反馈电路直至激光器的电流，从而使预偏置电流大于一个最小值(Imin)，并且当Id相对于一个预定值而改变时，调节预偏置电流使得激光器的平均光输出保持在一个最小值(Lo)之上。

3.在激光器的控制电路中，该控制电路包括一个与该激光器相耦合并与一个为激光器提供预偏置电流的反馈电路相耦合的监控二极管，控制该激光器输出功率的方法，包括下述步骤：

a)在该反馈电路中产生一个预偏置电流Ipb；

b)将输入信号叠加在该预偏置电流上，来向激光器提供输入信号；

c)在监控二极管中产生一个电流Id，该电流Id与激光器输出光成正比；

d)向反馈电路提供Id；以及

e)改变从反馈电路到激光器的电流，从而使预偏置电流大于一个最小值(Imin)，并且当Id相对于一个预定值而改变时，调节预偏置电流使得激光器的平均光输出保持在一个最小值(Lo)之上。

4.权利要求1的方法，其中设定激光器的最小预偏置电流为Imin＝Ith(T＝T’)+Iac，m，其中Ith＝(T)为工作温度T’时的激光器阈值电流；Iac，m是[-1×Iac(t)]的最大值，(Iac(t)是激光器的AC信号输入)；而T’是满足(Iac，m)×(激光器的斜率效率)＝Lo时的温度。

5.权利要求1的方法，进一步包括下述步骤：

a)控制预偏置电流，从而当激光器工作在低温下时，获得最小的平均光输出。

6.权利要求1的方法，进一步包括下述步骤：

a)控制预偏置电流，从而当激光器工作在高温下时，获得恒定的光输出。

7.权利要求2的方法，进一步包括下述步骤：

a)运行反馈电路使得Ifb始终为正数。

8.权利要求2的方法，进一步包括下述步骤：

a)在有限的动态范围内运行反馈电路。

9.权利要求1的方法中，输入信号可以是一个连续的模拟信号或者是一个分组突发数据串。

10.激光器的控制电路，用以提供最小的光输出，其中包括：

a)激光二极管；

b)激光器的输入数据信号；

c)与激光器的光输出相耦合的监控二极管，并产生一个与激光器光输出成正比的电流Id；

d)反馈电路，用以接收电流Id并提供输出电流Ifb；

e)提供电流Io的电流源；

f)用以将电流Ifb和Io相结合作为激光器预偏置电流的装置；

g)用以运行反馈电路的装置，从而当激光器工作温度在一个低的工作温度和一个高的工作温度之间变化时，获得激光器的最小预偏置电流和激光器的光输出，并且其中预偏置电流不会低于一个最小电流值。

11.权利要求10的控制电路，其中反馈电路不提供负的输出电平。

12.权利要求10的控制电路，其中将预偏置电流设定为一个由Imin＝Ith(T＝T’)+Iac，max定义的最小值，其中：Ith＝工作在温度T’下的激光器阈值电流；Iac，m是{-1×Iac(t)}的最大值，(Iac(t)是激光器的AC信号输入)；而T’是满足(Iac，min)×(激光器的斜率效率)＝Lo时的温度。

13.权利要求10的控制电路，其中输入信号可以是一个连续的模拟信号或者是一个分组突发数据串。

14.权利要求10的控制电路，其中输入信号被直接输入给激光器输入端。

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