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偏压与调变的雷射控制设定
 

【作者: Aiman Alhoussami】2006年12月03日 星期日

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光纤通讯中的数位传输需要将平均与调变光功率以能符合接收器灵敏度期望值的方式来加以控制,精确度的测量则透过以下将要讨论的消光比(Extinction Ratio)规格来加以评量,这篇文章将讨论相关控制、电气介面以及有关范围和解析度的问题。


采用雷射方式的传送控制

(图一)为典型雷射传送装置的控制方块图。平均功率控制(Average Power Control;APC)与调变控制设定透过以两线式串列资料介面通讯的一颗晶片来产生,这些数位设定值可以依雷射驱动器的需求转换成类比电流、电压或电阻,在图一中则采用电流来设定APC与调变。


另一颗晶片,也就是雷射驱动器包含驱动偏压增益与调变增益,并使用通常与雷射整合的后端监测二极体(Back Monitor Diode;BMD)回授来进行APC的控制调节,这将可以维持稳定的平均光功率输出。雷射驱动电路会输出两个电流,分别为直流成份以及透过资料载波信号进行闸控的脉冲成份,这两个成份加总后送入雷射,在交流耦合式驱动电路中,脉冲式成份会在加入雷射前透过外部电容与电感由直流成份分离,在直流耦合模式下,脉冲式成份则直接连接。


电路中的第三个部分是内含BMD监测二极体的雷射,雷射拥有在低于它时不会有持续光功率输出的临界电流值,在电流高于这个临界点后,雷射会产生正比于电流变化的光输出,而监测二极体则会将光转换成电流,构成闭回路控制,此外,电路并提供滤波功能以便将高频电流杂讯由控制器路径中移除,这部分在图中并未标示。



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发送器的控制效能

消光比定义为ER (dB) = 10 * log (P1 / P0) or as –10 * log (P0/P1),其中P1为光学脉波的最大值,P0则是基准值,平均与调变光功率决定了消光比,为了讨论方便,假设使用50%的平均有效周期率或有效密度,因此可以将ER表示为ER (dB) = 10 * log [ ( 1+ 2*Pavg/Pmod) / (- 1 + 2*Pavg/Pmod)]。


消光比是固定平均光功率输出位准下P0位准可以接近雷射关闭临界值的程度,P0可以到达多低是资料载波频率下交流效能考量(回波、上升时间、抖动等等)的系统问题,因此低消光率,也就是高P0可能会对接收器造成影响,但高消光比则会带来不乐见的交流效能问题,因此需要一个能够在工作温度范围下进行平均与调变功率的可靠控制方法。(图一)显示了闭回路平均功率控制以及开回路调变控制,但即使是闭回路控制都还是无法免于温度的影响,因为回授元件,也就是后端监测二极体的增益事实上还是会随着温度而变化,雷射产品制造商将这种现象定义为追踪误差(tracking error),随着温度大约会有10%,甚至可能高达20%的变化。


为了解决受到温度影响的问题,通常会使用查表法来加以处理,在生产时将解析度细达2℃温度间隔的相对数位值预先载入EEPROM记忆体中,当设备实际运作时,APC与调变会随着预先规划的数值变化,以确保平均或调变功率的效能表现不会改变,因此提供了两个图形来描述这项技术,(图二)显示出进入雷射的峰对峰调变电流如何随着温度变化来维持稳定的调变功率,参考图一,这代表了调变设定由内部对照表控制并随之改变,而(图三)则显示了虽然后端监测二极体增益会有所变化,但闭回路平均功率控制还是维持在固定,同样地参考图一,这代表了APC设定透过内部对照表控制并随之调整。


《图二 固定光调变条件下雷射调变电流变化与温度的相对关系》
《图二 固定光调变条件下雷射调变电流变化与温度的相对关系》

雷射驱动电路通常透过电流或电压控制,电阻式控制是电流控制的一种形式,变阻器控制则是电压控制的一种形式,(图四)透过提供简单的开回路雷射偏压控制来描述介面间的不同。


图中上方的两个图显示了电流式控制,左边图中采用两端电压大约固定在1.2V的电阻值变化,这个电压由内部产生提供给雷射驱动电路,所得到的电流值则经过放大来推动雷射,右边的图则是一个以电流吸入方式实现的真正电流控制方式,同时也在取得雷射电流前进行电流放大的动作。


下方的两个图则为使用变阻器的电压控制雷射驱动电路,由于受到V1上I1非线性特性的影响,因此有时会应用在闭回路控制上,这类电压控制输入的优点是只要如图中所示在输入端采用FET,那么对控制器的电流要求就较低,变阻器拥有相当低的温度系数,称为比例温度系数,因此如果耗用的电流较小,就可以带来大幅的优势,通常电压控制都由驱动器控管,例如电吸收调变器(ElectroAbsorption Modulator)。


《图三 固定平均光功率条件下INGAAS内建光二极管电流变化与温度的相对关系》
《图三 固定平均光功率条件下INGAAS内建光二极管电流变化与温度的相对关系》

控制范围和解析度

在选用零件时必须特别注意​​范围与解析度的问题,雷射与光二极体在不同元件间通常规格差异相当大,同时温度造成的变化也是重要的考量。


在图一这类的控制电路中,APC控制可能需要在开始时室温的设定能够弹性到涵盖10℃的范围,主要原因是监测二极体的增益也会有同样范围的变化,而温度造成的变化则低上许多,如前面提到大约在10到20%,采用数位方式控制的可变电阻或变阻器,特别是内建对照表的方式可以满足这些需求。


在图一中由于采用开回路控制,因此调变控制范围受到雷射驱动器调变增益以及雷射斜率效率的影响,因此在初始室温设定上必须将这些变化纳入考量,由于雷射的效率会随着温度的升高而大幅下滑,因此在评估范围时最好也将它纳入考量,同样地,采用数位方式控制的可变电阻或变阻器,特别是内建对照表的方式可以解决这些问题。


最后讨论解析度,产品的绝对解析度定义了在控制变数上最小步阶变化造成的光功率输出改变,更重要的是百分比解析度会随着所在的范围而有所不同,例如如果在最大APC设定为1mA,步阶变化为.01mA的APC控制上,设定值为1mA,那么百分比解析度则为1%,不过当设定值为0.1mA时,百分比就变成10%,这一点相当重要,因为产品是以百分比变化或dB来加以评量。


将可变电阻控制与真正电流控制加以比较时,绝对解析度会受到所在范围的影响,可变电阻会带来1.2/R的电流,这时绝对解析度以及百分比解析度在较大R值或中低光功率输出时为最佳状态,在真正电流控制下绝对解析度维持稳定,但百分比解析度在大电流I或中高光功率输出下最佳,这些差异虽然并不明显,但却能够帮助使用者选择适当的范围,不管是采用电阻式控制或真正的电流控制时。



《图四 透过提供简单的开回路雷射偏压控制来描述接口间的不同》
《图四 透过提供简单的开回路雷射偏压控制来描述接口间的不同》

最新趋势

除了雷射控制外,诊断式监测最近也相当受到注目,对如温度、电源电压、传送与接收功率以及雷射电流等参数加入监测,并可以在超过正常限制范围时设定旗标,多货源协议,例如SFF-8472这样的元件甚至要求可以透过数位方式连接的更多诊断功能,如果对尺寸要求较为注重,那么在单颗晶片中结合控制与诊断解决方案的产品就相当重要,目前市场上也已经有这类解决方案上市。


(作者任职于Maxim/Dallas半导体)


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