一种可调激光器的驱动电路及可调激光器

本发明属于光电通信的，具体涉及一种可调激光器的驱动电路及可调激光器。

背景技术：

1、数据中心的需求正经历巨大的变革，云计算、大数据和人工智能等新兴技术的崛起导致了全球数据量的急剧增加。传统电信号交换网络在面对这一挑战时显得有些力不从心，因为它们需要应对带宽和能耗的双重问题。在这个背景下，全光交换技术崭露头角。这种技术无需在交换节点进行光电信号转换，具备高带宽、低功耗和低延迟等诸多优势，因此被视为未来数据中心的主流交换架构。

2、在全光交换技术中，可调谐激光器是至关重要的元件。它们的波长精度和切换速度对整个系统性能至关重要，基于多波长串并联dfb半导体激光器阵列的可调谐激光器芯片，通过多路驱动电流源对可调谐激光器芯片不同通道进行轮流点亮/关断以实现波长快度调谐。对于全光交换系统来说，任意波长之间的路由是完全随机的、由用户决定的，也即意味着可调激光器的每个波长通道的激光器开启和关断时间是随机的，必须满足任意通道之间任意工作时间地切换，且波长重构时间期望达到ns量级，另外，虽然可调激光器芯片中的激光器阵列不会在同一时间内同时点亮，但阵列中每个通道的激光器开启时所需的工作电流会有所差异，并且非点亮状态时，仍需提供一定的偏置电流(位于激光器阈值以下)，以在其它与之串联的通道工作时，使工作通道的波长能顺利出射，同时减小弛豫振荡影响，提升调谐速度，因此，这种可调激光芯片的驱动电路需给每个通道提供一路驱动电流源，每路电流源开启和关断状态的电流大小可调，且状态间切换时间在纳秒量级，切换后，在开、关两种状态下，驱动电路均须保持稳定的输出电流值，以保证激光器的工作性能。

3、然而，目前商用激光器驱动芯片主要面向数据调制应用，电流驱动能力和调谐灵活性有限，电流保持稳定时间范围小，难以满足高速可调激光器波长随机切换、通道工作时间任意可调等需求，使用高速dac、射频放大器和晶体管等器件可以实现相关功能，但高速控制接口数量要求高，实现成本高、功耗大。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种可调激光器的驱动电路及可调激光器，能够对多波长阵列激光器提供可控制且稳定的工作电流，同时实现快速稳定的切换。

2、本发明提供了如下的技术方案：

3、第一方面，提供了一种可调激光器的驱动电路，包括信号控制模块、电压跟随模块、开关信号转换模块、信号叠加模块和压控电流源模块；

4、所述信号控制模块分别与电压跟随模块和开关信号转换模块的输入端相连；所述信号叠加模分别与电压跟随模块和开关信号转换模块的输出端相连；所述信号叠加模块的输出端与压控电流源模块的输入端相连；

5、所述信号控制模块用于提供偏置电流控制信号、幅值控制信号和高速开关控制信号；所述偏置电流控制信号通过第一低速数模转换器产生，所述幅值控制信号通过第二低速数模转换器产生的幅值控制信号，所述高速开关控制信号通过fpga单元产生；

6、所述电压跟随模块用于对所述偏置电流控制信号进行缓冲，生成缓冲偏置电流控制信号；

7、所述开关信号转换模块用于将所述高速开关控制信号和所述幅值控制信号转换为幅度可控的输出开关控制信号；

8、所述信号叠加模块用于将所述输出开关控制信号和所述缓冲偏置电流控制信号进行加法处理，并输出叠加电压信号；

9、所述压控电流源模块用于将所述叠加电压信号转换为电流信号，以便为多波长阵列激光器模块提供工作电流。

10、优选地，所述第一低速数模转换器和第二低速数模转换器均使用所述信号控制模块中的fpga单元进行控制；所述开关信号转换模块使用的参考电压通过所述信号控制模块输出。

11、优选地，所述电压跟随模块包括第一运算放大器、电阻r5和r6、以及电容c1和c2，所述第一运算放大器的同相输入端通过电阻r5与第一低速数模转换器相连，且通过电容c1接地；所述第一运算放大器的反向输入端通过电阻r6与输出端相连，以及通过电容c2并联在电阻r6的两端，所述第一运算放大器的输出端与信号叠加模块相连。

12、优选地，所述开关信号转换模块包括双栅极n沟道mos管、vcc直流电压源和电阻r1、r2、r3和r4，所述双栅极n沟道mos管的第一栅极通过电阻r4与第二低速数模转换器相连，第二栅极通过电阻r3与fpga单元的输出端相连，通过电阻r2和参考电压输出端相连，双栅极n沟道mos管的漏极第一路与信号叠加模块相连，且漏极第二路通过电阻r1与vcc直流电压源相连，所述双栅极n沟道mos管的源极与信号地相连。

13、优选地，当fpga单元产生的高速开关控制信号为低电平时，所述开关信号转换模块的输出电压为v幅值开关：

14、v幅值开关＝vcc

15、其中，vcc为双栅极n沟道mos管漏极所接的vcc直流电压源的电压；

16、当fpga单元产生的高速开关控制信号为高电平时，所述开关信号转换模块的输出电压为v幅值开关：

17、v幅值开关＝vcc-k·(v幅值-vth)·r1

18、其中，vcc为双栅极n沟道mos管漏极所接的vcc直流电压源的电压；k为修正系数，v幅值为第二低速数模转换器输出的幅值控制信号，vth为双栅极n沟道双栅极n沟道mos管的阈值开启电压，r1为电阻r1的阻值。

19、优选地，所述信号叠加模块包括第二运算放大器、电阻r7、r8和r9以及电容c3，所述第二运算放大器的同相输入端通过r7与电压跟随模块相连，输出端与压控电流源模块相连，反向输入端通过电阻r8与第二运算放大器的输出端相连，通过电阻r9与开关信号转换模块相连，电容c3并接在电阻r8的两端。

20、优选地，所述电阻r8和电阻r9的阻值相等，所述第二运算放大器的输出电压v差分输出为：

21、v差分输出＝2·v跟随输出-v幅值开关

22、其中，v幅值开关为开关信号转换模块的输出电压，v跟随输出为电压跟随模块的输出电压。

23、优选地，所述压控电流源模块包括第三运算放大器、第四运算放大器、npn型三极管、电阻r10、r11、r12、r13、r14、r15、r16、r17、r18和r19，以及电容c4；

24、所述第三运算放大器的同相输入端通过电阻r10与信号叠加模块的输出端相连，所述第三运算放大器的输出端通过电阻r11与npn型三极管的基极相连；所述第三运算放大器反向输入端的第一路通过电容c4与第三运算放大器的输出端相连，反向输入端第二路与电阻r19相连；

25、所述npn型三极管的集电极通过电阻r12与直流电压源相连；所述npn型三极管的发射极通过电阻r13和电阻r14与多波长激光器阵列模块相连；

26、所述电阻r14的一端通过r16与第四运算放大器的同相输入端相连，第四运算放大器的同相输入端通过电阻r17接地，所述第三放大器的输出端与电阻r19相连，且通过电阻r18和电阻r15连接在电阻r14的另一端，所述第四运算放大器的反向输入端与电阻r15相连。

27、优选地，所述电阻r15、电阻r16、电阻r17和电阻r18的阻值相等，所述多波长激光器阵列模块的工作电流为i工作电流：

28、

29、其中，v差分输出为第二运算放大器的输出电压，r14为电阻r14的阻值。

30、第二方面，提供一种可调激光器，应用第一方面中任一项所述可调激光器的驱动电路。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、1.本发明使用fpga单元产生的高速开关控制信号和第二低速数模转换器dac2发出的幅值控制信号共同改变双栅极n沟道mos管漏极电流，进而改变电阻r1两端电压，从而控制开关信号转换模块输出的带有幅值和开关的信号v幅值开关，带有幅值和开关的信号v幅值开关和经过电压跟随模块缓冲的偏置电流控制信号通过信号叠加模块和压控电流源模块转为可调激光器的工作电流i工作电流，以实现对多波长阵列激光器提供可控制且稳定的工作电流，以及实现可调激光器波长的快速稳定的切换。

33、2.本发明使用第一低速数模转换器dac1发出的偏置电流控制信号，偏置电流控制信号经过电压跟随模块、信号叠加模块和压控电流源模块为多波长激光器阵列模块提供精准可调控的工作电流；在激光器处于关闭状态时压控电流源模块输出的工作电流为激光器的偏置电流，为激光器模块提供偏置电流的目的是为了确保了激光器处于激发态，且准备好发射激光的光束，从而有效减少激光器输出功率达到稳定状态的所需时间；工作电流的调整可以帮助实现快速切换激光器的波长或频率，减少通道切换的时间。