採用雷射方式的傳送控制

(圖一)為典型雷射傳送裝置的控制方塊圖。平均功率控制（Average Power Control；APC）與調變控制設定透過以兩線式串列資料介面通訊的一顆晶片來產生，這些數位設定值可以依雷射驅動器的需求轉換成類比電流、電壓或電阻，在圖一中則採用電流來設定APC與調變。

另一顆晶片，也就是雷射驅動器包含驅動偏壓增益與調變增益，並使用通常與雷射整合的後端監測二極體（Back Monitor Diode；BMD）回授來進行APC的控制調節，這將可以維持穩定的平均光功率輸出。雷射驅動電路會輸出兩個電流，分別為直流成份以及透過資料載波信號進行閘控的脈衝成份，這兩個成份加總後送入雷射，在交流耦合式驅動電路中，脈衝式成份會在加入雷射前透過外部電容與電感由直流成份分離，在直流耦合模式下，脈衝式成份則直接連接。

《圖一　閉迴路平均功率控制以及開迴路調變控制》

電路中的第三個部分是內含BMD監測二極體的雷射，雷射擁有在低於它時不會有持續光功率輸出的臨界電流值，在電流高於這個臨界點後，雷射會產生正比於電流變化的光輸出，而監測二極體則會將光轉換成電流，構成閉迴路控制，此外，電路並提供濾波功能以便將高頻電流雜訊由控制器路徑中移除，這部分在圖中並未標示。

發送器的控制效能

消光比定義為ER (dB) = 10 * log (P1 / P0) or as –10 * log (P0/P1)，其中P1為光學脈波的最大值，P0則是基準值，平均與調變光功率決定了消光比，為了討論方便，假設使用50％的平均有效週期率或有效密度，因此可以將ER表示為ER (dB) = 10 * log [ ( 1+ 2*Pavg/Pmod) / (-1 + 2*Pavg/Pmod)]。

消光比是固定平均光功率輸出位準下P0位準可以接近雷射關閉臨界值的程度，P0可以到達多低是資料載波頻率下交流效能考量（回波、上升時間、抖動等等）的系統問題，因此低消光率，也就是高P0可能會對接收器造成影響，但高消光比則會帶來不樂見的交流效能問題，因此需要一個能夠在工作溫度範圍下進行平均與調變功率的可靠控制方法。(圖一)顯示了閉迴路平均功率控制以及開迴路調變控制，但即使是閉迴路控制都還是無法免於溫度的影響，因為回授元件，也就是後端監測二極體的增益事實上還是會隨著溫度而變化，雷射產品製造商將這種現象定義為追蹤誤差（tracking error），隨著溫度大約會有10％，甚至可能高達20％的變化。

《圖二　固定光調變條件下雷射調變電流變化與溫度的相對關係》

為了解決受到溫度影響的問題，通常會使用查表法來加以處理，在生產時將解析度細達2℃溫度間隔的相對數位值預先載入EEPROM記憶體中，當設備實際運作時，APC與調變會隨著預先規劃的數值變化，以確保平均或調變功率的效能表現不會改變，因此提供了兩個圖形來描述這項技術，(圖二)顯示出進入雷射的峰對峰調變電流如何隨著溫度變化來維持穩定的調變功率，參考圖一，這代表了調變設定由內部對照表控制並隨之改變，而(圖三)則顯示了雖然後端監測二極體增益會有所變化，但閉迴路平均功率控制還是維持在固定，同樣地參考圖一，這代表了APC設定透過內部對照表控制並隨之調整。

控制器與雷射驅動電路間的電氣介面

雷射驅動電路通常透過電流或電壓控制，電阻式控制是電流控制的一種形式，變阻器控制則是電壓控制的一種形式，(圖四)透過提供簡單的開迴路雷射偏壓控制來描述介面間的不同。

圖中上方的兩個圖顯示了電流式控制，左邊圖中採用兩端電壓大約固定在1.2V的電阻值變化，這個電壓由內部產生提供給雷射驅動電路，所得到的電流值則經過放大來推動雷射，右邊的圖則是一個以電流吸入方式實現的真正電流控制方式，同時也在取得雷射電流前進行電流放大的動作。

《圖三　固定平均光功率條件下INGAAS內建光二極體電流變化與溫度的相對關係》

下方的兩個圖則為使用變阻器的電壓控制雷射驅動電路，由於受到V1上I1非線性特性的影響，因此有時會應用在閉迴路控制上，這類電壓控制輸入的優點是只要如圖中所示在輸入端採用FET，那麼對控制器的電流要求就較低，變阻器擁有相當低的溫度係數，稱為比例溫度係數，因此如果耗用的電流較小，就可以帶來大幅的優勢，通常電壓控制都由驅動器控管，例如電吸收調變器（ElectroAbsorption Modulator）。

控制範圍和解析度

在選用零件時必須特別注意範圍與解析度的問題，雷射與光二極體在不同元件間通常規格差異相當大，同時溫度造成的變化也是重要的考量。

在圖一這類的控制電路中，APC控制可能需要在開始時室溫的設定能夠彈性到涵蓋10℃的範圍，主要原因是監測二極體的增益也會有同樣範圍的變化，而溫度造成的變化則低上許多，如前面提到大約在10到20％，採用數位方式控制的可變電阻或變阻器，特別是內建對照表的方式可以滿足這些需求。

在圖一中由於採用開迴路控制，因此調變控制範圍受到雷射驅動器調變增益以及雷射斜率效率的影響，因此在初始室溫設定上必須將這些變化納入考量，由於雷射的效率會隨著溫度的升高而大幅下滑，因此在評估範圍時最好也將它納入考量，同樣地，採用數位方式控制的可變電阻或變阻器，特別是內建對照表的方式可以解決這些問題。

最後討論解析度，產品的絕對解析度定義了在控制變數上最小步階變化造成的光功率輸出改變，更重要的是百分比解析度會隨著所在的範圍而有所不同，例如如果在最大APC設定為1mA，步階變化為.01mA的APC控制上，設定值為1mA，那麼百分比解析度則為1％，不過當設定值為0.1mA時，百分比就變成10％，這一點相當重要，因為產品是以百分比變化或dB來加以評量。

《圖四　透過提供簡單的開迴路雷射偏壓控制來描述介面間的不同》

將可變電阻控制與真正電流控制加以比較時，絕對解析度會受到所在範圍的影響，可變電阻會帶來1.2/R的電流，這時絕對解析度以及百分比解析度在較大R值或中低光功率輸出時為最佳狀態，在真正電流控制下絕對解析度維持穩定，但百分比解析度在大電流I或中高光功率輸出下最佳，這些差異雖然並不明顯，但卻能夠幫助使用者選擇適當的範圍，不管是採用電阻式控制或真正的電流控制時。

最新趨勢

除了雷射控制外，診斷式監測最近也相當受到注目，對如溫度、電源電壓、傳送與接收功率以及雷射電流等參數加入監測，並可以在超過正常限制範圍時設定旗標，多貨源協議，例如SFF-8472這樣的元件甚至要求可以透過數位方式連接的更多診斷功能，如果對尺寸要求較為注重，那麼在單顆晶片中結合控制與診斷解決方案的產品就相當重要，目前市場上也已經有這類解決方案上市。

（作者任職於Maxim/Dallas半導體）