利用可变电阻实现激光二极管和VCSEL电流的调节

随着人们对网络带宽的要求越来越高,光纤的应用也越来越普及。光纤收发器是光纤通信的关键部件,如何提高光收发器的稳定性并延长使用寿命呢？本文将介绍采用可变电阻实现激光器件的电流调节以降低发光管功率、使收发器工作稳定并延长寿命的方法。

Patrick Fedele

数字电位计产品部经理

Dallas半导体公司

光收发器模块的基本工作过程是:收发器模块将输入光波转变成电信号,在输出时再将电信号转变成光信号。收发器模块安装在一块印刷电路板上,输出光的光谱在近红外光波段,激光器的输出可调制在几十GHz/s的带宽上。

光接收模块的信号传输过程是:接收端和输入光纤相连,光电探测二极管将光转变成电信号,然后放大,以便恢复时钟信号和数据信号,解复用,并通过电接口输出。光检测器要有自动功率控制的偏置电路提供恒定的工作电压(见图1)。同时在模块的发送侧,时钟信号和数据位信号通过合成输入激光器驱动电路。最后,激光器驱动电路将载有信号的电流加到激光二极管,从而实现从电能到光能的转变。在使用激光二极管的设计中,某些采用光检测器监测激光二极管的输出功率,用反馈环将光变成电信号加在测量激光器输出功率的电路上,反馈信号使激光输出功率稳定。这种设计的缺陷就是光反馈比较复杂。最新的激光技术,垂直腔体表面发射激光器(VCSEL)由于极低的电流而不需要光检测器。激光驱动电路必须起到两种作用:一是控制激光器的偏置电流使激光器总是偏置在最佳的工作状态；二是保证调制电流携带信号。

激光二极管和垂直腔体表面发射激光器

法布里-佩罗(Fabry-Perot)型激光二极管从晶圆的狭窄侧面发射激光。发射镜嵌在芯片边缘或置于芯片外部。对将来的通信业而言,更具前景的激光光源将是VCSEL。顾名思义,VCSEL从芯片顶部(将来也可能是底部)的一块直径为5-25微米的圆形腔体垂直发射激光。在垂直腔体的两端配备由镜片形成的镜片阵列,构成熟悉的分布式布拉格反射镜。将来,采用多元VCSEL阵列的并行式光互联可实现兆兆比特的信息传输量。

研究机构正在极力寻求VCSEL更广阔的应用。与侧面发光管相比,VCSEL要求的工作电流和阈值电流(1-2mA,而侧面发光管为30mA)更低。在这个工作电流下,VCSEL只需简单的电流控制而无需额外的光检测器监测输出功率。VCSEL的发光孔径大到可以测量,这意味着输出光束的发散角相当小。另外它还有制造和工艺方面的优势,裸片非常小,在一片晶圆上装上多个VCSEL,在同一晶圆上的所有VCSEL可一次完成测试。VCSEL比激光二极管工作性能稳定,寿命更长,有更低的故障率。不论是激光二极管还是VCSEL,在任何光接收机中的激光发光器件都是半导体,其光电效应依赖于电流、电压和电阻的共同作用。

下面一些因素影响安全性和工作性能:1. 激光输出对温度特别敏感；2. 激光输出功率随着激光器使用时间变化,并且随着温度的增加会加剧老化。由于VCSEL工作在相当低的功率和温度下,其故障率也相应地低；3. 必须保护激光器免受随机功率瞬态过程和上电、断电瞬态过程的影响。

尽管激光器的近红外光线是不可见的,但是如果一旦进入眼睛并聚焦在视网膜仍然会造成永久性伤害。由于对人的潜在危险及出于对激光器性能的考虑,规定要求激光器的输出功率应限制在几百毫瓦以内。

控制VCSEL和激光二极管的输出功率,不仅是出于安全方面的考虑,同时也是出于性能上的考虑。与半导体特性一样,VCSEL的最大输出功率随温度的降低线性增加,相反,输出波长随温度增加而增加。简言之,控制温度对电流的影响对稳定激光器性能相当重要。

从长远观点看,我们认为:1. 对带宽需求的急剧增长将促进光网络的发展；2. 光网络采用光收发器模块实现光电转换；3. 光接收模块的制造商要力求减小尺寸,并将信号处理能力增加到若干Gbps；4. 光接收模块用光电二极管接收光信号,激光二极管或VCSEL发送光信号；5.随着数据传输速率的增加,模块的光有源组件要求更精确可靠的功率控制以防激光器发生故障,延长寿命,并工作在更合适的输出参数。

最后,让我们看一下采用可变电阻器实现发光管的功率调节方法。

控制激光二极管和VCSEL的电流从而控制输出功率实际上就是控制电阻阻值。在过去,有技术人员专职调节电位计来得到好的眼图。而现在采用电子编程器件,可以自动根据温度变化而调整,无需人为的干预。

Dallas半导体公司结合其数字控制可变电阻和电位计、EEPROM、温度传感器、超低功耗CMOS等技术,推出了适应千兆位光通信技术的系列新产品。

采用带EEPROM的DS1845双电位计,是Dallas设计的半导体工艺史上第一个带集成存储器的电位计,专门用于可插拔千兆位收发器模块。DS1845将两个有线性分布特性的电位计相结合,两个电位计都采用了MSA(多源协议)规定的EEPROM。256级可调的高分辨率电位计可用于控制调制电流,100位可调的电位计可用于控制偏置电流。用户配置输出,并将电位计游标设置和所需的串行ID数据存储在非易失性EEPROM中,作为工作时的参考。

由存储器和两个分别配置的电位计结合成更紧密集成的组件,代替多个部件以节省空间,旨在使模块缩小到SFP(小型可拔插式封装)。此外,DS1845的双线接口也满足接收机制造商对电路现场可编程性的要求,并和现有的双线EEPROM兼容。

为了满足专门的需要,该公司开发了DS1846,它将三个线性分布特性的电位计同非易失性存储器及CPU管理程序集成在小型化的TSSOP包装中。如此小的集成芯片节省了空间,降低价格,减少时间延迟,加速了产品开发进程。

在DS1845中,非易失性存储器用来配置、存储特定应用校准数据。为控制每个电位计游标设置,还有内存空间用于特定用户数据存储。DS1846的片上微监测器监控工作电压,当监测到电压超差,微监测器就初始化并系统复位直到恢复正常的工作电压。微监测器对不同电压是可编程的,也可以手动设置。

第三个电位计可用来监测另一个变量或为另一个电阻提供粗调。为了适应苛刻的激光器应用要求,DS1847和1847DS在一定温度范围对激光器热效应进行补偿(见图2)。DS1848有一个128字节的通用EEPROM。芯片将电阻与温度的关系特性储存在板上查找表(LUT)中。在激光器运行期间集成温度传感器不断测量、记录激光器的工作温度。将读数值与储存在查找表的值进行比较,并根据设计者设定的电阻特性调节电阻阻值。由温度传感器测定的值也存储在EEPROM中(每10ms更新一次),用户可通过总线访问。DS1847和DS1848是自动运行的,当监测到温度变化,控制电路自动调节电阻补偿电流值,而无需用户干预。

所有电路都采用有助于降低功率的低功耗CMOS技术。电路工作在整个工业温度范围,电源电压为3V和5V。

在巨大、复杂又极具发展潜力的光通信网络市场中,各厂商之间的竞争相当激烈,都努力推出新产品和新技术。而采用电阻实现发光管的功率调节是光收发器性能突破的重大成功,该技术的应用将更大地推进光网络的普及。