可調ld的驅動電路的製作方法

2023-05-19 05:52:26

專利名稱：可調ld的驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體雷射二極體(下文中表示為LD)的驅動電路，具體地，本發明的驅動電路用于波長可調LD。
背景技術：
可調LD包括半導體光放大器(下文中表示為S0A)區、增益區和波長控制區，如圖 7所示。這些區是通過調整供給其的電壓和/或電流來操作和控制的。供給各區的電流彼此不同。例如，增益區必須提供有約150mA的電流，SOA區須提供有另一約200mA的電流， 而波長控制區則必須提供有約IOOmA的電流。因此，為各區提供單獨且不同的電流源。此外，波長控制區有時需要多個電流源。增益區的電流通常被固定為指定值，而SOA區和波長控制區的電流則依賴於輸出光的波長。圖5圖示出了傳統的可調LD的驅動電路100。驅動電路100驅動可調LD 101，可調LD 101提供增益區101a、波長控制區IOlb和SOA區101c。驅動電路100包括三個電流源102至104 ；即，連接到SOA區IOlc的第一電流源102、連接到增益區IOla的第二電流源 103、和連接到波長控制區IOlb的第三電流源104。由圖5中通常用於二極體的符號簡單示出的SOA區IOlc和增益區IOla形成在共同的半導體基底上。此外，可以由電壓源代替的電流源102至104中的任意一個都連接到電源Vcc，並且都由電壓控制器105控制其輸出電流。但是，如圖5所示的那些傳統的可調LD的驅動電路100的各電流源102至104具有共同的電源Vcc，而該共同的電源Vcc必須被設置為具有滿足所有期望條件(包括光輸出功率、LD的老化、操作溫度、輸出波長的突然改變等)的最大電壓。因此，驅動電路的功耗必然變大。近來的光收發器都將以小尺寸封裝的可調LD(諸如在XFP標準中定義的那些) 實現。因此，必須進一步降低功耗。公布為USP 7，778，294的美國專利公開了一種設備，其安裝有用於驅動LD的雷射器驅動器來在光碟上寫信息。圖6是該專利中所公開的雷射器驅動器的方框圖。所述光碟設備包括LD 201、驅動LD 201的雷射器驅動器202。該設備還提供有用來檢測施加到LD 201的偏置電壓的檢測器204、用來改變提供給驅動器202的功率的DC/DC轉換器203、和用來控制DC/DC轉換器203的CPU。但是，將圖6中所示的LD驅動器應用到圖5中所示的可調LD，則各區(即，波長控制區IOlb和SOA區101c)必須實現有圖6中所示的單獨的電源電路，這必然會使驅動電路變大。本發明針對上述主題提供了一種解決方案。

發明內容
一種可調LD的驅動電路，可調LD包括用於產生光的提供有第一電流的增益區 (SG-DFB區)、提供有第二電流的波長選擇區(CSG-DBR區)、和提供有第三電流的放大區 (S0A區)，該驅動電路具有如下特徵其包括DC/DC轉換器和電壓控制器，DC/DC轉換器的輸出被共同提供給用於向各區提供所述第一至第三電流的電流源中的至少兩個電流源，電壓控制器用來控制DC/DC轉換器的輸出，以通過分別監測SG-DFB區、CSG-DBR區和SOA區的偏置電流來使得DC/DC轉換器的輸出與這樣的值相等，該值比當前施加到各區的偏置電壓中的最高偏置電壓大電流源正常操作所必須的預設餘量。本發明的驅動電路可以提供一個DC/DC轉換器，DC/DC轉換器的輸出被共同提供給至少兩個電流源，這兩個電流源中的每個電流源都向SG-DGB區、CSG-DBR區和SOA區中的兩個提供電流；並且DC/DC轉換器的輸出可以被調整為操作特定電流源所必需的最小電壓，該最小電壓是比當前提供給各區的最大值大預設餘量的值，其中該預設餘量對正常操作電流源是必須的。


從以下參考附圖對本發明優選實施例的詳細描述，可以更好地理解上述及其他目的、方面和優點，其中圖1是根據本發明的第一實施例的波長可調LD的驅動電路的方框圖；圖2A是實現有本發明的驅動電路的電流源的電路圖；以及圖2B是本發明的電流源的另一電路圖；圖3是波長可調LD的驅動電路的方框圖，其是根據本發明的第二實施例的電路；圖4是波長可調LD的驅動電路的方框圖，其是根據本發明的第三實施例的電路；圖5是傳統的可調LD的驅動電路的方框圖；圖6是現有技術中所公開的驅動電路和一些外圍電路的方框圖；以及圖7圖示出了由本發明的驅動電路驅動的可調LD的沿縱向的截面示意圖。
具體實施例方式接下來，參考附圖來描述根據本發明的一些優選實施例。在附圖的描述中，在不重疊說明的情況下，相同或相似的數字或符號表示相同或相似的元件。(第一實施例)圖1是可調LD 10的驅動電路的方框圖，而圖7圖示出了可調LD 10的截面圖。 參考圖7，可調LD 10包括CSG-DBR(線性調頻脈衝取樣光柵分布布格拉反射器)區12、 SG-DFB (取樣光柵分布反饋)區11、和SOA(半導體光放大器)區13，其中這三個區串聯耦接並且可以集成在共同的半導體基底上。作為光增益區的SG-DFB區11將下覆層10b、有源層11a、上覆層10e、接觸層lib和電極lie堆疊起來。作為波長選擇區的CSG-DBR區12包括共同基底IOa上的下覆層10b、 波導層12a、上覆層10e、絕緣膜12b、和多個加熱器12hl至12h3。加熱器12hl至12h3中的每一個都提供電極12el至12e3和接地12G。SOA區12延接SG-DFB區11，並且包括也在共同基底IOa上的下覆層10b、放大層13a、上覆層10e、接觸層1 和電極13e。圖7中所示的本實施例在DG-DFB區11中的電極lie與SOA區13的電極13e之間提供絕緣膜。可調 LD 10在SC-DFB區11、CSG_DBR區12和SOA區13中共同提供半導體基底10a、下覆層IOb 和上覆層IOe ；並且提供具有共同的底部水平面的有源層11a、波導層1 和放大層13a，即這三層IlaUh和13a被形成在具有基本平坦的上部水平面的下覆層IOb上。
SOA區13中的刻面(facet)在基底10a、下覆層10b、放大層13a和構成發光表面的上覆層IOe的刻面(即，可調LD 10的前刻面)上提供減反射(AR)膜IOd ；而CSG-DBR 區12的另一刻面在基底10a、下覆層10b、波導層1 和構成反光表面的上覆層IOe的刻面 (即，可調LD 10的後刻面)上提供反射膜10c。加熱器12hl至12h3的接地12G在可調LD 10的外部連接到基底IOa的背面。在SG-DFB區11和CSG-DBR區12的下覆層IOb中形成多個光柵10G。光柵IOG由折射率不同於下覆層IOb的折射率的材料製成。每個光柵IOG與沒有任何光柵IOG的鄰近空間耦接來構成一個區段。CSG-DBR區提供至少兩類區段，各類區段彼此之間具有不同的光程長。CSG-DBR區12的峰值反射率(g卩，反射率本身)和顯示峰值反射率的波長極大地依賴於各區段的光程長。而SG-DFB區12中的分段的每一個彼此之間具有基本相等的光程長。SG-DFB區11的有源層Ila可以由在目標波長顯示出光增益的材料製成；而 CSG-DBR區12的波導層1 可以由帯隙波長短於可調LD的振蕩波長的材料製成，即， CSG-DBR區12的波導層12a對於在SG-DFB區11中產生的光來說基本透明。SG-DFB區11 提供電極lie來向其中的有源層Ila注入載流子。SG-DFB區11的電極lie對應於以下描述中的第一電極。通過從電極lie注入載流子，有源層Ila可以產生光。CSG-DBR區12的電極12el至12e3中的一個可以為第二電極。SG-DFB區12可以通過提供從加熱器電極12el至12e3到接地12G的電流來調節LD 10的波長。因此，本實施例的可調LD 10可以通過注入其的電流根據SG-DFB區11與CSG-DBR區12之間的所謂的遊標機制來調節從其發出的光的波長。SOA區13可以通過從電極1 注入電流來在放大層13a中顯示出增益。該電極1 可以是第三電極。本實施例的驅動器IA還可以提供DC/DC轉換器20、電壓控制器30、電流源41至 43、監控光電二極體(下文中表示為mPD)50、APC(自動功率控制)電路60、和電流控制器 70。DC/DC 轉換器 20 向 SG-DFB 區 11、CSG-DBR 區 12 和 SOA 區 13 提供功率。SP，DC/ DC轉換器20可以通過電流源或電壓源來與上述三個區11至13中的至少兩個區耦接。圖 1中所示的驅動器通過電流源41至43將DC/DC轉換器20與可調LD 10的所有三個區11 至13耦接。DC/DC轉換器20的輸出Vout可以通過其從電壓控制器30提供的輸入Sv來控制。電流源41可以根據從電流控制器70提供的控制信號Scl來調整提供到SG-DFB區 11的電流。電流源42可以根據從電流控制器70提供的控制信號&2來調整提供到CSG-DBR 區12的電流。第三電流源43可以根據來自APC電路60的信號Sapc來提供供給SOA區13 的電流。圖2A和2B示出了電流源41至43的結構。圖2A中示出的電流源電路包括兩個 pnp電晶體4 和44b以及一個npn電晶體44c。兩個pnp電晶體4 和44b構成一個電流鏡電路，其中作為控制電極的各基極和作為電流電極之一的各發射極分別連接在一起；而電晶體44a的基極與集電極短路。因此，第一電晶體4 作為源電晶體，而第二電晶體44b 作為鏡像電晶體。電流鏡電路的共發射極接收DC/DC轉換器20的輸出Vout。電流鏡電路的一個路徑(即，短路的集電極和基極)與第三電晶體Mc的集電極連接。第三電晶體Mc的發射極通過電阻45接地。電流鏡電路的另一路徑(即，第二電晶體 44b的集電極)通向可調LD 10的電極IleUk或13e。第三電晶體Mc的基極輸入Sapc、 Scl或Sc2可以確定提供到可調LD的電極的電流大小。圖2B中示出了電流源41至43的另一結構。圖2B中的該電路用FET 46a至46c代替圖2A中的雙極電晶體4 至44c。第三FET 46c的柵極輸入(其為與圖2A中所示相同的信號Sapc、Scl或Sc2)可以確定提供給可調LD 10的電極的電流大小。電流源41至43的輸出電壓根據第三電晶體43c或46c 的柵極輸入而改變。再次參考圖1，電壓控制器30可以控制DC/DC轉換器20的輸出Vout。具體地，電壓控制器30可以通過監測各輸出電平將DC/DC轉換器的輸出Vout調整為超出電流源41 至43的輸出中的最大電壓電平的預定餘量。更具體地，電極lle、12el至1加3、和13e中的一個以最大電壓電平偏置，該最大電壓電平由系統根據諸如來自可調LD 10的光輸出水平、所選波長、SG-DFB區的長期退化等各種因素確定。電壓控制器30將DC/DC轉換器20的輸出Vout設置為超出當前所監測的該最大電壓電平預定餘量。所述預定餘量對應於正常操作電流源41至43所必需的電壓。具體地，在圖2A中所示的電流源中，餘量變為第二電晶體44b的發射極與集電極之間電壓Vce = 0. 9V，而在圖2B所示的電路中，餘量變為第二 FET 46b的源極與漏極之間的電壓Vds = 0. 5V。mPD 50依靠可調LD 10的光輸出來產生光電流。來自mPD 50的光電流通向APC 電路60，並且APC電路60調整控制信號Sapc以使得該光電流等於目標幅值。與SOA區13 耦接的電流源43可以調整注入SOA區13的電流，該電流控制可調LD 10的光輸出並且還改變施加到SOA區13的偏置電平。這樣配置的驅動電路IA可以通過共同的DC/DC轉換器20來對SG-DFB區11、 CSG-DBR區12和SOA區13進行偏置，這與其中每個電流源提供一個單獨的DC/DC轉換器相比，可以使得驅動電路IA緊湊。此外，驅動電路IA監控電流源的各輸出電壓電平，並且可以將共同的DC/DC轉換器20的輸出Vout調整為比電流源41至43的輸出之一(其當前針對可調LD 10的各電極輸出最大偏置電平)超出正常操作電流源41至43所必需的預定餘量，這可以使DC/DC轉換器20的輸出Vout以及驅動電路IA的功耗最小化。假設以下這種情況其中可調LD 10的各電極lleU2el至12e3和13e最大必須被偏置1.8V，而所述電極中的一個當前被偏置為1.5V，其在所有電極中是最大的；並且流入區11至13的電流分別為200、100和150mA ；當電流源102至104的布置與圖2B中所示布置相同時，圖5中所示的傳統驅動電路中的電源Vcc必須輸出2. 3V(1. 8[V]+0. 5[V])，且其功耗變成2. 3 [V] X 0. 45 [A] = 1. 035 [W]。而當前的驅動電路IA可能僅將DC/DC轉換器 20 的輸出 Vout 設置為等於 2.0[V] (1. 5[V]+0.5[V])，且其功耗變成 2.0[V] X0.45[A]= 0.90 [W]，其比傳統的驅動器少0. 135 [W]。因此，驅動電路IA的功耗可以減少13%。(第二實施例)圖3示出了根據本發明的第二實施例的驅動電路IB的方框圖。驅動電路IB包括兩個DC/DC轉換器21和22、電壓控制器31、三個電流源41至43、mPD 50、APC電路60、以及電流控制器70。可調LD 10的布置與圖1中所示的相同。第一 DC/DC轉換器21向可調LD 10的至少兩個區提供功率。具體地，第一 DC/DC 轉換器21向可調LD 10的SG-DFB區11和CSG-DBR區12提供功率。第二 DC/DC轉換器22
7向SOA區13提供功率。兩個DC/DC轉換器21和22提供輸入端，從電壓控制器31向該輸入端發送控制信號Svl和Sv2以調整兩個DC/DC轉換器21和22的輸出Voutl和Vout2。如上所述，電壓控制器31提供控制各DC/DC轉換器21和22的輸出電壓Voutl和 Vout2的兩個控制信號。電壓控制器31可以監測施加到SG-DFB區11和CSG-DBR區12的偏壓，並且將DC/DC轉換器21的輸出Vout被控制為比當前所施加的最大偏壓超出使電流源41和42正常操作的預定餘量。同時，電壓控制器31單獨監測施加到SOA區13的偏壓， 並且將提供給最後的電流源43的輸出Vout2控制為比當前所施加的偏置超出使電流源43 常操作的預定餘量。以下將描述驅動電路IB的操作。首先，驅動電路IB設置在可調LD 10輸出預定波長光的各初始情況下提供給SG-DFB區11和CSG-DBR區12的電流。同時，驅動電路IB還設置提供給SOA區13的電流，以使得可調LD 10輸出其波長被設置為上述預定波長的預設幅度的光。在這些過程中，DC/DC轉換器的輸出Voutl和Vout2被設置為幾乎等於電源Vcc， 即，電流源41至43被提供有幾乎等於電源Vcc的足夠的電壓。然後，電壓控制器31單獨地監測設置在SG-DFB區11和CSG-DBR區12中的偏壓，並且減小第一 DC/DC轉換器21的輸出Voutl以使得輸出Voutl比電流源41和42的各輸出中的較高的輸出超出預定餘量， 從而正常地操作所述電流源，同時還將第DC/DC轉換器22的輸出Vout2減小為比當前施加到SOA區13的偏壓超出預定餘量。在該圖3所示的驅動電路IB中，兩個電流源41和42共同提供有來自第一 DC/DC 轉換器21的輸出Voutl，這可以減少DC/DC轉換器的數量。特別地，儘管圖1和圖3僅示出針對CSG-DBR區12的一個電流源42，但是，為了精確地確定從可調LD 10輸出的光的波長，對於CSG-DBR區12，需要與在CSG-DBR區12中所實現的加熱器的數量成比例的多個電流源。在這種情況下，根據本實施例的驅動電路IA或IB的布置可以有效地簡化其結構並減小其功耗。在其中SOA區13被從獨立於另一 DC/DC轉換器21的特定DC/DC轉換器22提供偏置電流的圖3所示的驅動電路IB的布置中，由於SOA區13的偏置條件依賴於APC迴路而經常與其他區大不相同，因此可以進一步減小驅動電路IB的功耗。例如，SOA區13的偏置條件有時在較低電壓情況下被設置為較大電流。在這種情況下，僅針對SOA區13的獨立的DC/DC轉換器22可以將其輸出Vout2設置為相對較低的電壓，這可以有效地減少電流源43的不必要功耗。(第三實施例)圖4是根據本發明的第三實施例的可調LD的驅動電路的方框圖。不同於上述圖 1和圖3中所示的實施例，驅動電路IC具有可調LD 10與電流源51至53之間的連接。S卩，本實施例的第一電流源51被設置在SG-DFB區11與接地81之間，並且可以通過從電流控制器70提供的控制信號Scl來調整其中流動的電流。設置在CSG-DBR區12與接地81之間的第二電流源52可以通過同樣從電流控制器70提供的控制信號Sc2來調整其中流動的電流。設置在SOA區13與接地71之間的第三電流源53可以通過從APC電路 60提供的信號Sapc來調整電流。本實施例的電壓控制器30可以監測出現在電流源51至53中的偏壓，並且可以調整DC/DC轉換器20的輸出Vout，以使得施加在電流源51至53的偏壓中的最小偏壓變為超出正常操作電流源51至53所必需的預設餘量的值。即使在類似圖4中所示本實施例的其中電流源被設置在可調LD 10與接地之間的驅動電路IC中，電壓控制器30也可以將DC/DC 轉換器20的輸出Vout調整為正常操作電流源所必需的最小電壓，這可以減少驅動電路IC 的功耗。 儘管參考附圖並結合其優選實施例來充分描述了本發明，但是應該理解的是，對於本領域技術人員來說各種改變和變型都是顯而易見的。只要不脫離本發明的範圍，這些改變和變型都被理解為包括在所附權利要求所限定的本發明的範圍內。
權利要求
1.一種波長可調雷射二極體的驅動電路，所述波長可調雷射二極體包括光增益區， 用於產生光，且通過第一電極提供有來自第一源的第一電流；波長選擇區，用於設置所述光的波長，且通過第二電極提供有來自第二源的第二電流；以及光放大區，用於放大所述光， 且通過第三電極提供有來自第三源的第三電流，所述驅動電路包括DC/DC轉換器，被配置為與所述第一至第三源中的至少兩個源耦接；以及電壓控制器，用於控制向所述第一至第三源中的所述至少兩個源提供的所述DC/DC轉換器的輸出，其中，所述電壓控制器通過單獨監測所述第一至第三源中的所述至少兩個源的所述輸出，將所述DC/DC轉換器的所述輸出設置為等於比所述輸出中的最大輸出大使各所述源正常操作的預定餘量的電壓。
2.根據權利要求1所述的驅動電路，其中，所述第一源和所述第二源共同提供有所述DC/DC轉換器的所述輸出，以及所述第三源提供有另一 DC/DC轉換器的輸出。
3.根據權利要求1所述的驅動電路，其中，所述第三源是由自動功率控制電路所控制的電流源，所述自動功率控制電路包括光電二極體，用於監測所述波長可調雷射二極體的光輸出。
4.根據權利要求3所述的驅動電路，其中，所述電流源包括電流鏡電路，所述電流鏡電路提供源電晶體和鏡像電晶體，所述鏡像電晶體的控制電極連接到所述源電晶體的控制電極，以及其中，所述預設餘量是所述鏡像電晶體的電流電極之間的電壓差。
5.根據權利要求1所述的驅動電路，其中，所述第一源和所述第二源都是由電流控制器控制以設置所述波長可調雷射二極體的所述波長的電流源。
6.根據權利要求5所述的驅動電路，其中，所述電流源中的每一個均包括電流鏡電路，所述電流鏡電路提供源電晶體和鏡像電晶體，所述鏡像電晶體的控制電極連接到所述源電晶體的控制電極，以及其中所述預設餘量是所述鏡像電晶體的電流電極之間的電壓差。
7.—種驅動波長可調雷射二極體的驅動電路，所述波長可調雷射二極體包括=SG-DFB 區，用於產生光；CSG-DBR區，用於確定所述光的波長；以及SOA區，用於對在所述SG-DFB區中產生的所述光及其由所述CSG-DFB區確定的所述波長進行放大，所述驅動電路包括第一電流源，被配置為使所述SG-DFB區偏置來產生所述光；第二電流源，被配置為使所述CSG-DBR區偏置來向所述CSG-DBR區內實現的加熱器提供電流；第三電流源，被配置為使所述SOA區偏置；DC/DC轉換器，用於向所述第一至第三電流源提供輸出；以及電壓控制器，用於通過監測所述第一電流源對所述SG-DFB區的偏置電平、所述第二電流源對所述CSG-DBR區的偏置電平、以及所述第三電流源對所述SOA區的偏置電平來控制所述DC/DC轉換器的所述輸出，其中，所述DC/DC轉換器的所述輸出被設置為等於比所述偏置電平中的最大偏置電平大使所述第一至第三電流源正常操作的預設餘量的值。
8.—種驅動波長可調LD的驅動電路，所述波長可調LD包括=SG-DFB區，用於產生光； CSG-DBR區，用於確定所述光的波長；以及SOA區，用於對在所述SG-DFB區中產生的所述光及其由所述CSG-DBR區確定的所述波長進行放大，所述驅動電路包括第一電流源，被配置為使所述SG-DFB區偏置來提供第一電流； 第二電流源，被配置為使所述CSG-DBR區偏置來提供第二電流； 第三電流源，被配置為使所述SOA區偏置來提供第三電流； 第一 DC/DC轉換器，向所述第一電流源和所述第二電流源提供第一輸出； 第二 DC/DC轉換器，向所述第三電流源提供第二輸出；以及電壓控制器，被配置為單獨監測所述第一電流源對所述SG-DFB區的第一偏置電平、所述第二電流源對所述CSG-DBR區的第二偏置電平、以及所述第三電流源對所述SOA區的第三偏置電平，其中，所述電壓控制器將所述第一 DC/DC轉換器的所述第一輸出設置為等於比所述第一偏置電平和所述第二偏置電平中的最大偏置電平大正常操作所述第一和第二電流源所必需的預設餘量的值，以及其中，所述電壓控制器將所述第二 DC/DC轉換器的所述輸出設置為等於比所述第三偏置電平大所述預設餘量的值。
9.一種控制波長可調LD的方法，所述波長可調LD包括=SG-DFB區，用於通過提供有來自第一電流源的第一電流來產生光；CSG-DBR區，用於通過提供有來自第二電流源的第二電流來確定所述光的波長；以及SOA區，用於通過提供有來自第三電流源的第三電流來放大所述光，所述方法包括以下步驟將共同連接到所述第一至第三電流源的DC/DC轉換器的輸出設置為足以比正常操作所述電流源所必需的值高的一個值；通過調整提供到所述SG-DFB區的所述第一電流和提供到所述CSG-DBR區的所述第二電流來選擇所述波長；通過調整提供到所述SOA區的所述第三電流來設置所述光的幅度； 通過監測偏置電壓來確定分別提供給所述SG-DFB區、所述CSG-DBR區和所述SOA區的偏置電壓中的最大偏置電壓；以及將所述DC/DC轉換器的所述輸出減小為比所述最大電壓大正常操作所述電流源所必需的預設餘量的另一電壓。
全文摘要
本發明公開了一種可調LD的驅動電路。在LD驅動器中，在不擴大電路尺寸的情況下減小了功耗。所述LD驅動器驅動包括SG-DFB區、CSG-DBR區和SOA區的可調LD，該LD驅動器包括DC/DC轉換器，其連接到電流源或電壓源，每個電流源或電壓源與SG-DFB區、CSG-DBR區和SOA區中的至少兩個區耦接；以及電壓控制器，控制共同提供給電流源或電壓源的DC/DC轉換器的輸出。電壓控制器單獨監測上述至少兩個區的偏置情況，並且將DC/DC轉換器的輸出設置為比當前提供給各區的電壓中的最大電壓超出使所述電流源或電壓源正常操作的預設餘量。
文檔編號H01S5/042GK102255239SQ20111007592
公開日2011年11月23日 申請日期2011年3月23日 優先權日2010年3月23日
發明者五十川知子 申請人:住友電氣工業株式會社