利用可變電阻實現(xiàn)激光二極管和VCSEL電流的調(diào)節(jié)
光收發(fā)器模塊的基本工作過程是：收發(fā)器模塊將輸入光波轉(zhuǎn)變成電信號，在輸出時再將電信號轉(zhuǎn)變成光信號。收發(fā)器模塊安裝在一塊印刷電路板上，輸出光的光譜在近紅外光波段，激光器的輸出可調(diào)制在幾十GHz/s的帶寬上。 光接收模塊的信號傳輸過程是：接收端和輸入光纖相連，光電探測二極管將光轉(zhuǎn)變成電信號，然后放大，以便恢復(fù)時鐘信號和數(shù)據(jù)信號，解復(fù)用，并通過電接口輸出。光檢測器要有自動功率控制的偏置電路提供恒定的工作電壓(見圖1)。同時在模塊的發(fā)送側(cè)，時鐘信號和數(shù)據(jù)位信號通過合成輸入激光器驅(qū)動電路。最后，激光器驅(qū)動電路將載有信號的電流加到激光二極管，從而實現(xiàn)從電能到光能的轉(zhuǎn)變。在使用激光二極管的設(shè)計中，某些采用光檢測器監(jiān)測激光二極管的輸出功率，用反饋環(huán)將光變成電信號加在測量激光器輸出功率的電路上，反饋信號使激光輸出功率穩(wěn)定。這種設(shè)計的缺陷就是光反饋比較復(fù)雜。最新的激光技術(shù)，垂直腔體表面發(fā)射激光器(VCSEL)由于極低的電流而不需要光檢測器。激光驅(qū)動電路必須起到兩種作用：一是控制激光器的偏置電流使激光器總是偏置在******的工作狀態(tài)；二是保證調(diào)制電流攜帶信號。 激光二極管和垂直腔體表面發(fā)射激光器 法布里－佩羅(Fabry-Perot)型激光二極管從晶圓的狹窄側(cè)面發(fā)射激光。發(fā)射鏡嵌在芯片邊緣或置于芯片外部。對將來的通信業(yè)而言，更具前景的激光光源將是VCSEL。顧名思義，VCSEL從芯片頂部(將來也可能是底部)的一塊直徑為5-25微米的圓形腔體垂直發(fā)射激光。在垂直腔體的兩端配備由鏡片形成的鏡片陣列，構(gòu)成熟悉的分布式布拉格反射鏡。將來，采用多元VCSEL陣列的并行式光互聯(lián)可實現(xiàn)兆兆比特的信息傳輸量。 研究機(jī)構(gòu)正在極力尋求VCSEL更廣闊的應(yīng)用。與側(cè)面發(fā)光管相比，VCSEL要求的工作電流和閾值電流(1－2mA，而側(cè)面發(fā)光管為30mA)更低。在這個工作電流下，VCSEL只需簡單的電流控制而無需額外的光檢測器監(jiān)測輸出功率。VCSEL的發(fā)光孔徑大到可以測量，這意味著輸出光束的發(fā)散角相當(dāng)小。另外它還有制造和工藝方面的優(yōu)勢，裸片非常小，在一片晶圓上裝上多個VCSEL，在同一晶圓上的所有VCSEL可一次完成測試。VCSEL比激光二極管工作性能穩(wěn)定，壽命更長，有更低的故障率。不論是激光二極管還是VCSEL，在任何光接收機(jī)中的激光發(fā)光器件都是半導(dǎo)體，其光電效應(yīng)依賴于電流、電壓和電阻的共同作用。 下面一些因素影響安全性和工作性能：1. 激光輸出對溫度特別敏感；2. 激光輸出功率隨著激光器使用時間變化，并且隨著溫度的增加會加劇老化。由于VCSEL工作在相當(dāng)?shù)偷墓β屎蜏囟认?，其故障率也相?yīng)地低；3. 必須保護(hù)激光器免受隨機(jī)功率瞬態(tài)過程和上電、斷電瞬態(tài)過程的影響。 盡管激光器的近紅外光線是不可見的，但是如果一旦進(jìn)入眼睛并聚焦在視網(wǎng)膜仍然會造成永久性傷害。由于對人的潛在危險及出于對激光器性能的考慮，規(guī)定要求激光器的輸出功率應(yīng)限制在幾百毫瓦以內(nèi)。 控制VCSEL和激光二極管的輸出功率，不僅是出于安全方面的考慮，同時也是出于性能上的考慮。與半導(dǎo)體特性一樣，VCSEL的******輸出功率隨溫度的降低線性增加，相反，輸出波長隨溫度增加而增加。簡言之，控制溫度對電流的影響對穩(wěn)定激光器性能相當(dāng)重要。 從長遠(yuǎn)觀點看，我們認(rèn)為：1. 對帶寬需求的急劇增長將促進(jìn)光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展；2. 光網(wǎng)絡(luò)采用光收發(fā)器模塊實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換；3. 光接收模塊的制造商要力求減小尺寸，并將信號處理能力增加到若干Gbps；4. 光接收模塊用光電二極管接收光信號，激光二極管或VCSEL發(fā)送光信號；5.隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的增加，模塊的光有源組件要求更精確可靠的功率控制以防激光器發(fā)生故障，延長壽命，并工作在更合適的輸出參數(shù)。 最后，讓我們看一下采用可變電阻器實現(xiàn)發(fā)光管的功率調(diào)節(jié)方法。 控制激光二極管和VCSEL的電流從而控制輸出功率實際上就是控制電阻阻值。在過去，有技術(shù)人員專職調(diào)節(jié)電位計來得到好的眼圖。而現(xiàn)在采用電子編程器件，可以自動根據(jù)溫度變化而調(diào)整，無需人為的干預(yù)。 Dallas半導(dǎo)體公司結(jié)合其數(shù)字控制可變電阻和電位計、EEPROM、溫度傳感器、超低功耗CMOS等技術(shù)，推出了適應(yīng)千兆位光通信技術(shù)的系列新產(chǎn)品。 采用帶EEPROM的DS1845雙電位計，是Dallas設(shè)計的半導(dǎo)體工藝史上第一個帶集成存儲器的電位計，專門用于可插拔千兆位收發(fā)器模塊。DS1845將兩個有線性分布特性的電位計相結(jié)合，兩個電位計都采用了MSA(多源協(xié)議)規(guī)定的EEPROM。256級可調(diào)的高分辨率電位計可用于控制調(diào)制電流，100位可調(diào)的電位計可用于控制偏置電流。用戶配置輸出，并將電位計游標(biāo)設(shè)置和所需的串行ID數(shù)據(jù)存儲在非易失性EEPROM中，作為工作時的參考。 由存儲器和兩個分別配置的電位計結(jié)合成更緊密集成的組件，代替多個部件以節(jié)省空間，旨在使模塊縮小到SFP(小型可拔插式封裝)。此外，DS1845的雙線接口也滿足接收機(jī)制造商對電路現(xiàn)場可編程性的要求，并和現(xiàn)有的雙線EEPROM兼容。 為了滿足專門的需要，該公司開發(fā)了DS1846，它將三個線性分布特性的電位計同非易失性存儲器及CPU管理程序集成在小型化的TSSOP包裝中。如此小的集成芯片節(jié)省了空間，降低價格，減少時間延遲，加速了產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)程。 在DS1845中，非易失性存儲器用來配置、存儲特定應(yīng)用校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。為控制每個電位計游標(biāo)設(shè)置，還有內(nèi)存空間用于特定用戶數(shù)據(jù)存儲。DS1846的片上微監(jiān)測器監(jiān)控工作電壓，當(dāng)監(jiān)測到電壓超差，微監(jiān)測器就初始化并系統(tǒng)復(fù)位直到恢復(fù)正常的工作電壓。微監(jiān)測器對不同電壓是可編程的，也可以手動設(shè)置。 第三個電位計可用來監(jiān)測另一個變量或為另一個電阻提供粗調(diào)。為了適應(yīng)苛刻的激光器應(yīng)用要求，DS1847和1847DS在一定溫度范圍對激光器熱效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償(見圖2)。DS1848有一個128字節(jié)的通用EEPROM。芯片將電阻與溫度的關(guān)系特性儲存在板上查找表(LUT)中。在激光器運(yùn)行期間集成溫度傳感器不斷測量、記錄激光器的工作溫度。將讀數(shù)值與儲存在查找表的值進(jìn)行比較，并根據(jù)設(shè)計者設(shè)定的電阻特性調(diào)節(jié)電阻阻值。由溫度傳感器測定的值也存儲在EEPROM中(每10ms更新一次)，用戶可通過總線訪問。DS1847和DS1848是自動運(yùn)行的，當(dāng)監(jiān)測到溫度變化，控制電路自動調(diào)節(jié)電阻補(bǔ)償電流值，而無需用戶干預(yù)。 所有電路都采用有助于降低功率的低功耗CMOS技術(shù)。電路工作在整個工業(yè)溫度范圍，電源電壓為3V和5V。 在巨大、復(fù)雜又極具發(fā)展?jié)摿Φ墓馔ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)市場中，各廠商之間的競爭相當(dāng)激烈，都努力推出新產(chǎn)品和新技術(shù)。而采用電阻實現(xiàn)發(fā)光管的功率調(diào)節(jié)是光收發(fā)器性能突破的重大成功，該技術(shù)的應(yīng)用將更大地推進(jìn)光網(wǎng)絡(luò)的普及。 |
