具有温度补偿的激光驱动电路和激光驱动方法

摘要

一种具有温度补偿的激光驱动电路和激光驱动方法。该具有温度补偿的激光驱动电路，用以驱动一激光元件，包括：一温度补偿电路，根据一第一电流以及一温度非相关的电流产生一第二电流；以及一调制电流产生电路，根据该第二电流产生一调制电流，并根据该调制电流调整该激光元件的光输出功率；其中，该第一电流正比于绝对温度；其中，该第二电流相对于绝对温度的变化率大于该第一电流相对于绝对温度的变化率。

说明书

技术领域

本发明涉及激光驱动电路和方法，特别是涉及具有温度补偿的激光驱动电路和方法。

背景技术

随着光传输技术的发展，光纤传输在传输速率、传输距离和抗干扰能力上具有相当优势，因此光传输装置(optical transmission device)得到了越来越广泛的应用。在光传输装置中，通常会利用激光(Light Amplification bySimulated Emi)元件将电子讯号转换为光讯号以通过光纤等传输媒介传送光讯号。其中，垂直腔表面发光激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)元件常用来当作光传输装置中的激光光源。VCSEL元件的可靠性高，其可高速驱动、可大规模阵列化并且因为可大量生产而能降低生产成本。除此之外，VCSEL元件还具有很低的激光临界电流、单纵模及低分散的激光光束。因此，VCSEL元件已成为各种光纤通讯与光储存系统中非常重要的激光光源，特别是高速长距离的光纤通讯系统。

VCSEL元件的光输出功率大小与其驱动电流大小正相关，但同时也会随着其操作温度变化而不同。一般而言，当操作温度较高时，则VCSEL元件的驱动电流必须增大才能达到与操作温度较低时相同的光输出功率。因此，需要一种温度补偿机制以随着操作温度改变而对应调整驱动电流。传统温度补偿机制可能藉由检测操作温度进而对应调整驱动电流，然而此种作法使得驱动电流无法即时且连续性地随着操作温度不同而有所调整。除此之外，在传统温度补偿机制中，电流对温度的变化量可能不足够大，而使得补偿效果和效率有限。

发明内容

有鉴于此，本发明利用一正比于绝对温度的电流以及一温度非相关的电流产生用以驱动激光元件的调制电流，以即时且连续性地随着操作温度不同而调整激光元件的驱动电流，藉此达到温度补偿，并藉由同步偏移正比于绝对温度的电流以及温度非相关的电流的大小调整激光元件的电流对温度的变化斜率。

本发明一实施例提供一种具有温度补偿的激光驱动电路，用以驱动一激光元件，包括：一温度补偿电路，根据一第一电流以及一温度非相关的电流产生一第二电流；以及一调制电流产生电路，根据该第二电流产生一调制电流，并根据该调制电流调整该激光元件的光输出功率；其中，该第一电流正比于绝对温度；其中，该第二电流相对于绝对温度的变化率大于该第一电流相对于绝对温度的变化率。

本发明另一实施例提供一种具有温度补偿的激光驱动方法，用以驱动一激光元件，包括：根据一第一电流以及一温度非相关的电流产生一第二电流，其中，该第一电流正比于绝对温度；根据该第二电流产生一调制电流，并根据该调制电流调整该激光元件的光输出功率；其中，该第二电流相对于绝对温度的变化率大于该第一电流相对于绝对温度的变化率。

附图说明

图1所示为根据本发明一实施例的激光装置的电路图；

图2所示为在不同条件下电流源的供应电流与操作温度的关系示意图；

图3所示为根据本发明另一实施例的电流产生电路的电路图；

图4所示为根据本发明另一实施例的包括激光元件以及具有温度补偿的激光驱动电路的激光装置的电路图。

附图符号说明

10、40～激光装置；

100～激光元件；

110、410～激光驱动电路；

1110、3110～温度补偿电路；

1120～调制电流产生电路；

1130～偏压电流产生电路；

11200、41200～电流镜电路；

FF1、FF2、FF3～快速制程边界；

INA、INB～控制讯号；

I₁、I₂、I₃、I₄、I_indep、I_C～电流；

I_mod、I_mod’～调制电流；

I_th～偏压电流；

M1、M2～晶体管；

M3、M4～切换晶体管；

S₁、S₂、S₃、S₄、S_indep、S_C～电流源；

S_th～偏压电流源；

SS1、SS2、SS3～慢速制程边界；

TT1、TT2、TT3～典型制程边界。

具体实施方式

以下说明为本发明的实施例。其目的是要举例说明本发明一般性的原则，不应视为本发明的限制，本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。

值得注意的是，以下所揭示的内容可提供多个用以实践本发明的不同特点的实施例或范例。以下所述的特殊的元件范例与安排仅用以简单扼要地阐述本发明的精神，并非用以限定本发明的范围。此外，以下说明书可能在多个范例中重复使用相同或类似的元件符号或文字。然而，重复使用的目的仅为了提供简化并清楚的说明，并非用以限定多个以下所讨论的实施例以和/或配置之间的关系。此外，以下说明书所述的一个特征连接至、耦接至以和/或形成于另一特征之上等的描述，实际可包含多个不同的实施例，包括这些特征直接接触，或者包含其它额外的特征形成于这些特征之间等等，使得这些特征并非直接接触。

在垂直腔表面发光激光(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)元件激发激光的操作过程中，由于随着操作温度不同，VCSEL元件的临界电流(threshold current)也跟着不同，因此若每次导通VCSEL元件皆重新启动VCSEL元件，则每次启动VCSEL元件的启动电流也会不同。为避免此种状况，通常一偏压电流(bias current)会流经VCSEL元件，使VCSEL元件处于激发区的边缘或功率对电流线性变化区的边缘但发出非常微弱的光，相当于逻辑「0」。偏压电流的电流根据VCSEL元件的特性设定，其大小可等于或稍大于VCSEL元件的临界电流。当驱动VCSEL元件时，除偏压电流外还加上一调制电流(modulation current)一起流经VCSEL元件时，使VCSEL元件发出比只有偏压电流时具有更显著亮度的光，相当于逻辑「1」，而调制电流的大小即改变VCSEL元件的光输出功率，调制电流越大则光输出功率越大。

图1所示为根据本发明一实施例的激光装置10的电路图。此激光装置10包括激光元件100以及具有温度补偿的激光驱动电路110。激光驱动电路110包括温度补偿电路1110、调制电流产生电路1120以及偏压电流产生电路1130。温度补偿电路1110可根据一第一电流I1以及一温度非相关的电流I_indep产生一第二电流I₂。调制电流产生电路1120则可根据第二电流I₂产生一调制电流I_mod，并根据调制电流I_mod调整激光元件100的光输出功率。上述的第一电流I₁的电流值正比于绝对温度，且第二电流I₂相对于绝对温度的变化率大于第一电流I₁相对于绝对温度的变化率。偏压电流产生电路1130则可由一偏压电流源S_th产生一偏压电流I_th流经激光元件100，以提供处于逻辑「0」的状态时导通激光元件100。在此实施例中，激光元件100为用于主动型光纤缆线(Active Optical Cable，AOC)的一垂直腔表面发光激光(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，VCSEL)元件。

温度补偿电路1110包括电流源S₁、S₂以及S_indep。电流源S_indep为一温度非相关(temperature independent)的电流源，可根据能隙电压(bandgap voltage)以及内部电阻(internal resistance)产生一温度非相关的电流I_indep。一般来说，能隙电压理论上不随温度不同而改变，虽然内部电阻的电阻大小可能会受温度影响，但由于正比于绝对温度的电流源的电路也会受到内部电阻系数的影响，可视为互相抵销影响，因此在适当的操作温度范围下，温度非相关的电流I_indep被视为不随温度变化而影响电流大小。电流源S₁为一正比于绝对温度(Proportional To Absolute Temperature，PTAT)的电流源，可产生一正比于绝对温度的电流，也就是说，随着绝对温度的上升，第一电流I₁的电流值也随之变大。如图1所示，温度非相关的电流源S_indep以及第二电流源S₂通过第一电流源S₁耦接一接地端。由电流源S₁、S₂以及S_indep的配置方式可得知，电流源S₂的第二电流I₂等于电流源S₁的第一电流I₁减去电流源S_indep的电流I_indep，也就是I₂=I₁-I_indep。

调制电流产生电路1120包括电流镜电路11200以及切换晶体管M3和M4。切换晶体管M3和M4可分别由互为反相的控制讯号INB和INA控制。当切换晶体管M3为导通而切换晶体管M4为截止时，调制电流I_mod不流经激光元件100，只有偏压电流I_th流经激光元件100，相当于激光元件100处于逻辑「0」的状态。当切换晶体管M3为截止而切换晶体管M4为导通时，调制电流I_mod加上偏压电流I_th流经激光元件100，相当于激光元件100处于逻辑「1」的状态，激发激光元件100发光。此时，调制电流产生电路1120可根据调制电流I_mod的电流大小调整激光元件100光输出功率。

电流镜电路11200包括第三电流源S₃、一第一晶体管M1以及至少一第二晶体管M2。第三电流源S₃可镜射(mirror)或复制(copy)第二电流I₂而产生第三电流I₃。第一晶体管M1以及第二晶体管M2可根据一电流增益产生调制电流I_mod，进而调整激光元件100的光输出功率。

在一实施例中，上述第一晶体管M1以及第二晶体管M2为N型金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)，且第一晶体管M1与第二晶体管M2的通道宽长比相同(channel width length(W/L)ratio)。第一晶体管M1的漏极耦接第一晶体管M1的栅极(即二极体连接方式diode connect)，用以导通第三电流I₃至接地端。第一晶体管M1的栅极耦接至第二晶体管M2的栅极，用以将第三电流I₃耦合至各第二晶体管M2。值得注意的是，上述的电流增益与第二晶体管M2的数量有关。举例而言，当仅有单一个第二晶体管M2时，调制电流I_mod等于第三电流I₃。当有n个第二晶体管M2时，调制电流I_mod等于n倍第三电流I₃。也就是说第二晶体管M2数量可用以控制调制电流I_mod与第三电流I₃之间的关系。因此用多个开关(图中未示)来选择性的导通多个第二晶体管M2以设定上述的电流增益。

电流镜电路11200的电流增益是根据激光元件100的特性以及制程边界(process corner)预先设定，例如典型(Typical-Typical，TT)制程边界、快速(Fast-Fast，FF)制程边界以及慢速(Slow-Slow，SS)制程边界。电流镜电路的电流增益与温度无关，并可在将电流增益设定至理想状态后不再改变。

调制电流产生电路1120可将第二电流I₂镜射(mirror)或复制(copy)至电流源S₃的电流I₃。由于I₂=I₁-I_indep，其中温度非相关的电流I_indep不受温度影响而电流I₁随着温度上升而变大，因此，第二电流I₂为正温度系数电流。同样地，第三电流I₃和调制电流I_mod也是正温度系数电流，使得激光元件100随着操作温度不同而可藉由根据正比于绝对温度的第一电流I₁和温度非相关的电流I_indep所产生的调制电流I_mod得到补偿。由于第一电流I₁是即时且连续性地随着操作温度不同而变化，因此调制电流I_mod也是即时且连续性地随着操作温度不同而变化，也就是说，激光元件100的温度补偿是即时且连续的。此外，第二电流I₂相对于绝对温度的变化率大于第一电流I₁相对于绝对温度的变化率。以下将详述第一电流I₁与第二电流I₂相对于绝对温度的变化率。

图2所示为在不同条件下电流源的供应电流与操作温度的关系示意图，其根据下列表1、表2和表3绘制。下列表1、表2和表3分别为不同条件下，第二电流I₂相对于温度的电流值。对应于表1的设定条件为﹕(1)温度非相关的电流I_indep设定为0μA﹔以及(2)在典型制程边界TT下，操作温度为70℃时将对应于典型制程边界TT的第一电流I₁设定为100微安培(μA)。接着以不同的操作温度分别在典型制程边界TT、慢速制程边界SS和快速制程边界FF的状况下，得到的第二电流I₂的电流值大小。由于温度非相关的电流I_indep为0μA，且温度非相关的电流I_indep不随操作温度变化而改变，所以在各操作温度下温度非相关的电流I_indep皆为0μA，相当于直接以第一电流源S₁当作第二电流源S₂。也就是说，虽然表1对应的是第二电流I₂，但典型制程边界TT下的I_indep皆为0μA，，因此典型制程边界TT下的第二电流I₂＝第一电流I₁＝100μA。而当操作温度降至20℃时，典型制程边界TT下的第二电流I₂＝第一电流I₁＝84.1μA。也就是说，从70℃至20℃，第二电流I₂的电流值大小仅减少了约15.9％。相对的，第一电流I₁的电流值从70℃至20℃也下降比例也是15.9％。

TTSSFF-10℃74.766.984.40℃77.869.687.910℃8172.491.520℃84.175.39530℃87.378.198.640℃90.580.910250℃93.683.810660℃96.886.610970℃10089.411380℃10392.3116

表1

对应下列表2的设定条件为﹕(1)温度非相关的电流I_indep设定为150μA﹔以及(2)在典型制程边界TT下，将对应于典型制程边界TT的第一电流I₁设定为250μA。接着以不同的操作温度分别在典型制程边界TT、慢速制程边界SS和快速制程边界FF的状况下，得到的第二电流I₂的电流值大小。当操作温度为70℃时，典型制程边界TT下的正比于绝对温度的第一电流I₁设定为250μA且温度非相关的电流I_1indep设定为150μA，因此典型制程边界TT下的第二电流I₂等于第一电流I₁减去电流I_indep大约等于100μA(表2中为99.7μA)。此外，根据表1可以得知，操作温度从70℃降至20℃后，典型制程边界TT下的第一电流I₁的电流值为在70℃时的84.1％。因此，在表2中对应于典型制程边界TT下的第一电流I₁在操作温度变为20℃时的电流大小大约为250μA×84.1％。而温度非相关的电流I_indep仍与温度无关，所以当操作温度变为20℃时其电流大小仍为150μA。由于I₂=I₁-I_indep，因此在表2中，当操作温度降至20℃时，对应于典型制程边界TT下第二电流I₂大约等于250μA×84.1％—150μA＝60.25μA(表2中为61.7μA)。也就是说，在操作温度由70℃下降至20℃时，第二电流I₂的电流大小减少39.45μA(亦即99.7-60.25)，下降了约40％。因此第二电流I₂相对于绝对温度的变化率(40％)大于第一电流I₁相对于绝对温度的变化率(15.9％)。

TTSSFF-10℃39.434.544.50℃46.84152.810℃54.247.761.220℃61.754.369.730℃69.26178.240℃76.867.886.850℃84.474.595.460℃9281.310470℃99.788.211380℃10795121

表2

对应下列表3的设定条件为﹕(1)温度非相关的电流I_indep设定为275μA﹔以及(2)在典型制程边界TT下，将对应于典型制程边界TT的第一电流I₁设定为375μA。接着以不同的操作温度分别在典型制程边界TT、慢速制程边界SS和快速制程边界FF的状况下，得到的第二电流I₂的电流值大小。当操作温度为70℃时，典型制程边界TT下的正比于绝对温度的第一电流I₁设定为375μA且温度非相关的电流I_indep设定为275μA，因此典型制程边界TT下的第二电流I₂等于第一电流I₁减去电流I_indep大约等于100μA(表3中为99.5μA)。此外，根据表1可以得知，操作温度从70℃降至20℃后，典型制程边界TT下的第一电流I₁的电流值变为在70℃时的84.1％。因此，在表3中对应于的典型制程边界TT下的第一电流I₁在操作温度变为20℃时的电流大小大约为375μA×84.1％。而温度非相关的电流I_indep仍与温度无关，所以当操作温度变为20℃时其电流大小仍为275μA。由于I₂=I₁-I_indep，因此，在表3中，当操作温度降至20℃时，对应于典型制程边界TT下第二电流I₂大约等于375μA×84.1％—275μA＝40.375μA(表2中为43μA)。也就是说，在操作温度由70℃下降至20℃时，第二电流I₂的电流值大小减少59.125μA(亦即99.5-40.375)，下降了约60％，比表1中的15.9％以及表2中的40％来得大。第二电流I₂相对于绝对温度的变化率(60％)大于第一电流I₁相对于绝对温度的变化率(15.9％)。相较于表2中的第二电流I₂相对于绝对温度的变化率，表3的第二电流I₂相对于绝对温度的变化率也较大。须注意的是，上列所举的第一电流I₁和温度非相关的电流I_indep的电流数值仅为示例性，并非用以限制本发明，本领域的技术人员可根据激光元件110的特性以及操作环境等调整第一电流I₁和温度非相关的电流I_indep的电流数值。

TTSSFF-10℃107.5311.20℃20.917.223.610℃31.9273620℃4336.948.630℃54.246.861.340℃65.456.87450℃76.766.986.860℃88.17799.770℃99.587.111380℃11197.3126

表3

在现有技术中，通常是直接以正比于绝对温度的电流(如本发明的中的第一电流I₁)对于温度的变化率作为温度补偿的参考值。但当该正比于绝对温度的电流(如本发明的中的第一电流I₁)对于温度的变化率不够大时，因此可能不足以将激光元件100的光输出功率补偿至理想状况。

如前所述，第二电流I₂的电流大小会影响第三电流I₃及调制电流I_mod的电流值大小，因此，电流I₂的电流大小对温度的变化率会影响电流I_mod的补偿幅度。相较于现有技术，本发明则可通过调整温度非相关的电流I_indep以及第一电流I₁的数值，进而调整第二电流I₂相对于绝对温度的变化率，而可进行较大范围的温度补偿。

值得注意的是，图1中的偏压电流I_th可镜射(mirror)或复制(copy)第二电流I₂，再进行特定倍数的缩小后产生。因此偏压电流I_th亦可具有温度补偿的特性。

图3所示为根据本发明另一实施例的温度补偿电路3110的电路图。温度补偿电路3110的其他细节、温度补偿电路所耦接的驱动电路(如图1中的调制电流产生电路1120以及偏压电流产生电路1130)以及驱动电路所耦接的激光元件皆与图1的实施例相同，因此不再复述。温度补偿电路3110与温度补偿电路1110的差异在于温度补偿电路1110的电流I₂为正温度系数电流，因此可进行激光元件100的正温度系数补偿。根据图3的温度补偿电路3110，第一电流源S₁以及第二电流源S₂通过温度非相关的电流源S_indep耦接一接地端。第二电流源S₂的第二电流I₂等于非温度相关的电流源S_indep的电流I_indep减去正比第一电流源S₁的第一电流I₁，也就是I₂=I_indep—I₁。因此，温度补偿电路3110的第二电流I₂为负温度系数电流，因此可进行激光元件100的负温度系数补偿。

图4为根据本发明另一实施例的包括激光元件100以及具有温度补偿的激光驱动电路410的激光装置40的电路图。在此实施例中，激光元件100为用于主动型光纤缆线的一VCSEL元件，且此主动型光纤缆线可用于沟通两个USB电子装置(例如一USB主机以及一USB装置)。

激光驱动电路410与图1的激光驱动电路110的差异在于电流源S₄和S_C，其余晶体管M1和M2、切换晶体管M3和M4和偏压电流源S_th的操作皆与图1的激光驱动电路110相同，因此不再复述。在激光驱动电路410中，第四电流源S₄为一提供一第四电流I₄且温度非相关的电流源，而电流源为S_C正比于绝对温度的电流源，其产生一温度非相关的电流I_C，电流I_C可为正温度系数电流或负温度系数电流。如图4所示，参考电流I_ref等于第四电流I₄减去电流I_C，由于电流I_C可为正温度系数电流或负温度系数电流，因此参考电流I_ref可为负温度系数电流或正温度系数电流。电流镜电路41200可根据参考电流I_ref以及一电流增益产生调制电流I_mod’，并根据该调制电流I_mod’调整激光元件100的光输出功率。电流增益是根据激光元件100的特性以及制程边界预先设定，例如典型制程边界、快速制程边界以及慢速制程边界。电流增益与温度无关，并可在将电流增益设定至理想状态后不再改变。由于参考电流I_ref可为负温度系数电流或正温度系数电流，因此调制电流I_mod’也同样可为负温度系数电流或正温度系数电流，使得激光元件100随着操作温度不同而可藉由调制电流I_mod’进行负温度系数补偿或正温度系数补偿。由于电流I_C是即时且连续性地随着操作温度不同而变化，因此调制电流I_mod’也是即时且连续性地随着操作温度不同而变化，也就是说，激光元件100的温度补偿是即时且连续的。

本发明另一实施例提供一种具有温度补偿的激光驱动方法，用以驱动一激光元件，例如图1的激光元件100。在本实施例中，激光元件为用于主动型光纤缆线的一垂直腔表面发光激光元件。在此具有温度补偿的激光驱动方法中，根据一第一电流以及一温度非相关的电流产生一第二电流根据一正比于绝对温度的一第一电流(例如图1的电流I₁或图4的I_C)以及一温度非相关的电流(例如图1的电流I_indep或图4的I₄)产生一调制电流(例如图1的电流I_mod或图4的电流I_mod’)，并根据调制电流控制激光元件的光输出功率。在此具有温度补偿的激光驱动方法中，还利用一切换电路，根据一控制讯号，决定是否将该调制电流耦接至激光元件，使该激光元件处于一导通状态或一低能耗状态。例如如图1所示，根据控制讯号INA和其反相的控制讯号INB控制切换晶体管M3和M4以使调制电流I_mod流经或不流经激光元件100。在调制电流的产生中，利用一电流镜电路根据该第二电流以及一电流增益产生该调制电流，以驱动该激光元件。上述电流镜电路的电流增益是根据激光元件的特性以及制程边界预先设定，与温度无关，并可在设定至理想状态后不再改变。

综上所述，本发明根据一正比于绝对温度的电流以及一温度非相关的电流产生激光元件的调制电流，并根据调制电流调整激光元件的光输出功率，由于正比于绝对温度的电流源即时且连续性地随着操作温度不同而改变所提供的正比于绝对温度的电流的电流大小，因此调制电流为即时且连续性地随着操作温度不同而变化，藉此可对激光元件进行即时且连续性的温度补偿。除此之外，藉由正比于绝对温度的电流源以及温度非相关的电流源的不同配置，例如图1的温度补偿电路1110中电流源S₁和S_indep的配置以及图3的温度补偿电路3110中电流源S₁和S_indep的配置，可产生正温度系数或负温度系数的调制电流，因此可进行激光元件的正温度系数补偿或负温度系数补偿。再者，如图2所示，藉由正比于绝对温度的电流以及一温度非相关的电流数值，可调整调制电流对于温度的变化率，藉此调整补偿范围，而可增进补偿效果和效率。

以上所述为实施例的概述特征。本领域的技术人员应可以轻而易举地利用本发明为基础设计或调整以实行相同的目的和/或达成此处介绍的实施例的相同优点。本领域的技术人员也应了解相同的配置不应背离本发明的精神与范围，在不背离本发明的精神与范围下可做出各种改变、取代和交替。说明性的方法仅表示示范性的步骤，但这些步骤并不一定要以所表示的顺序执行。可另外加入、取代、改变顺序和/或消除步骤以视情况而作调整，并与所揭示的实施例精神和范围一致。