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保持收发器的平均光功率和消光比
2006年5月18日 14:26  来源:光波通信  作者:Grain Lyon
  由于光模块尺寸、面积的减小,再加上整个系统中模块间距更加接近,模块工作时的周边温度也升高了。例如:小尺寸可插拔(SFF/SFP)光模块的采用,使得线路卡上的模块密度更高。  
模块高密度安装所带来的温度升高,对光模块的性能影响很大,因为激光器的特性随温度变化而变化,在设计这些低成本的SFF/SFP光模块时,必须仔细考虑激光器参数与温度之间的关系。

  在设计SFF/SFP光模块时,有两个十分重要的光学参数要考虑:平均光功率和消光比(re)。这些光学参数来自激光二极管的光功率-电流曲线的斜率和阈值电流。激光器的性能表现出来的特点就是参数随温度而变化。必须了解它们,而且要控制和保持系统的正常指针。即:SFF/SFP模块在电路板的整个工作温度范围内,平均光功率和消光比re保持稳定。
  
  保持平均光功率

  当激光二极管内?-珀(Fabry-Perot)腔中的光学增益超过腔体端反射面的损耗时,激光器就会激射出相干的光信号,临界时激光器中的电流称为阈值电流(Ith)。随?温度升高激光器腔体中的光学增益会降低,由于腔体内光学增益降低,激光器就需要更大的注入电流来获得相干光输出(图1),结果激光器的阈值电流就升高了。
  

(图1)

(图1)

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  目前,常用的有两种激光器,一种是边缘发光(Edge-Emitting  Laser)激光器,另一种是面发光激光器(VCSEL)。通常,边缘发光激光器的阈值随?温度的升高而升高。但是,随?温度的升高,垂直腔面发光激光器的阈值却可能升高也可能降低。

  FP边缘发光激光器的典型阈值电流见(表1),当温度由-40°C升高到+85°C时,激光器的阈值电流升高了20多毫安。由于阈值电流的升高,为了保持同样的平均光功率输出,激光器的电流就需要增大;反之,如果对激光器的阈值升高不进行补偿的话,就会导致平均光功率的很大变化。
    

(表1)

(表1)

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  为了补偿激光器阈值的变化,需要采用“自动功率控制(APC)”电路,见图2。APC电路监测激光器背向光检测光电二极管的电流,通过调节激光器的偏置电流来保持该光电管中的光生电流稳定。假定该光电管电流与平均光功率之间的比例关系是理想线性的,那么就可以通过保持背向光电二极管获得的光电流的稳定,使得激光器的平均光功率保持恒定。
 

(图2)

(图2)

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  众多的激光器驱动器中都有APC电路,只要激光器和背光检测二极管之间的光电转换比率保持不变,闭路的APC电路就能很好地工作,克服温度变化或者激光器老化所引起的阈值变化,使得激光器的平均光功率能够保持不便。另外还有一些补偿方法,如:“热敏电阻法”或“数字查表法”,他们都可以用于保持平均光功率的稳定,由于是“开环”方式(没有反馈),所以它们无法补偿激光器老化而引起的阈值电流的变化。

  (表2)中的数据是用MAX3863激光器驱动芯片和边缘发光激光器测试的。APC电路通过增大激光器偏流保持背光检测光电二极管获得的光电流稳定。在温度变化的整个范围内,背光检测二极管中的电流只变化了8微安,对应于平均激光器光功率的变化应当小于1%。但是,表2中的数据却显示光功率变化比较大,这是因为不止光电管电流这一个因素关系到实际测量出来的光功率的变化。
    

表2

表2

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  实际测量出来的平均光功率的变化偏大的原因是:背光检测二极管的响应度、激光器管芯与背光检测二极管之间的耦合效率,以及管芯激光器同引出光纤之间的耦合效率发生了变化。

  对这些因素的补偿比较困难,因为对每只激光器或系统,这些参数不是按照同一规律变化的。例如:激光器管芯同引出光纤之间的耦合效率随温度的变化就有可能升高,也可能降低。考虑到这些外部因素后,可以认为APC电路能够很好地保持激光器平均光功率。
  
  保持消光比

  当激光器的偏置电流大于阈值后,激光器光功率同电流之间的比值定义为电-光转换曲线斜率(η)。边缘发光激光器或者垂直腔发光激光器(VCSEL)的电-光转换曲线斜率(激光器电光转换效率)通常会随着温度的升高而降低(见图1)。假定平均光功率保持不变,当激光器电光转换效率降低时,需要增大调制电流来保持输出光信号的幅度和原来相同。

  这也会影响到消光比,因为消光比ye=10xlg[P1PO](dB);其中,P1、P0分别代表数字逻辑信号“1”和“0”时激光器的输出光功率;P1-P0就代表了调制之后光信号的幅度。

  假定平均光功率保持恒定,图1给出了当温度从-40°C变化到+85°C时,激光器电光转换效率曲线斜率的变化,该曲线斜率的降低导致激光器消光比下降了4dB。消光比如此之大的下降,会引起系统在温度变化时误码率(BER)的较大变化。为了避免误码率有较大变化,消光比在常温时就必须设定的足够大,这样才能满足在整个温度范围内工作时对误码率指针的要求。

  实际使用中,得到较大消光比是比较困难的,因为这时激光器驰豫振荡会加剧信号的抖动;另外,消光比的提高还受限于激光器的输出光功率。过大消光比所带来的信号抖动会导致眼图张开度的减小以及系统整体误码率的下降。

  应当采用补偿技术实现在整个温度变化范围内消光比能够维持在一个最佳工作水平。和平均光功率补偿法一样,可以采用“死循环”和“开环”电路来实现,在激光器光电转换曲线斜率变化时,能让激光器消光比的变化最小。这两种补偿方法是:“K-因子补偿法”(正在申请专利)和“数字电位器补偿法”。
  
  K-因子补偿法

  激光器的驱动器中加入“K-因子”补偿特性,它是在激光器偏置电流增大的同时,按比例增大调制电流。过程如下:为保持平均光功率稳定,偏置电流是由APC电路控制的,随?偏置电流提高,电路提取偏置电流的一部分用以调节调制电流。这样,总的调制电流(IMOD)等于原有调制电流(IMODS)加上偏置电流(IBIAS)乘以一个因子K。这个K因子可以通过驱动器芯片外接的电阻来设定:

  ye=10  x  lg[P1](dB);

  由于调制电流能随?IBIAS增大而增大,于是当激光器温度发生变化或者激光器老化时,消光比能够得到补偿。利用表1、表2所给出的IBIAS、平均光功率以及激光器电光转换曲线斜率,可以求出在不同K值下,消光比的值,见图3。通过选择适当的K值,可以推算出在温度等条件变化时,消光比的变化率小于1dB。
    

(图3)

(图3)

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  数字电位器补偿法

  也可以使用数字可调电位器(电阻器)来保持消光比  。这种方法的缺点是它为开环电路模式,没有反馈;优点是有可能将消光比的变化限制在一个很小的范围内。

  在有些数字电位器内置有受温度控制的电阻值表,电阻值作为温度的函数,存储在非易失存储器中,温度范围从-45°C~+95°C,步长为2°C。使用芯片内集成的温度传感器,这种电阻的阻值就可以随?温度的变化而自动调整。数字电位器是设置成随温度升高而减小电阻值,将其连接在激光器驱动器的“调制电流设定端”,在某一温度,当消光比达到预先设定的最小值时,从激光器驱动器的调制电流设定端看过去的电阻值的减小(由温度升高引起),将引起调制电流增大。这样,消光比的变化将会得到补偿。

  由于数字电位器电阻值的变化是离散的,消光比随调制电流的变化也是不连续的,采用数字电位器后,消光比的最小偏差值是由电位器温度分辨率和电阻精度共同决定的;在大多数应用场合下,整体精度还是很不错的。如果使用数字电位器并多校准几个点,在整个温度范围内,消光比的变化可以小于0.4dB。
  
  测试数据

  结合K-因子补偿法和数字电位器补偿法,那么消光比的变化将会大大减小。K-因子补偿法可以减小消光比的变化。数字电位器可以使控制系统在整个温度变化范围内的响应更加平坦。

  有一篇文章给出了采用这种补偿方法所设计的小尺寸可插拔(SFF)光发射模块的测试结果。其中,选择K-因子来实现一半的补偿效果,这有助于减小消光比  变化的斜率,再使用数字电位器DS1843实现另一半的补偿效果,同时通过多点校准,补偿调制电流的变化。

  芯片MAX3863的自动功率控制(APC)环路用以保持光模块的平均光功率。数字电位器也连接到了APC环路中的设定电阻上,它可用来修正激光器背光检测二极管电流随温度变化而变化所引起的光功率的漂移。

  温度每变化5°C,测量一次模块的消光比,见(图4)。可以看到,在同时使用“K-因子”和“数字电位器”补偿法后,整个温度变化的范围内,消光比的变化只有0.25dB。
     

图4

图4

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  得到偏移0.25dB这个结果固然很好,但是在实现时必须有每只激光器的详尽参数,还要多个校准点。一般情况下,器件生产商大批量生产时,只能使用一个校准点(即室温),而且数字阻值表也使用同一条变化曲线,这样可以提高生产速度,降低生产成本。可以预见,这样会带来消光比较大的变化。

  为了说明这一点,人们测量了另外不同的3只SFF光发射模块。测试时K值和数字电位器的设定值都保持不变;另外,为了消除背光检测二极管电流以及电光转换效率曲线的误差,在测量前,室温下,每个SFF模块都经过校准。每个模块在25°C的消光比都设定为9dB。

  和以前一样,温度每变化5°C,测量每只模块的消光比,见(图5)。测量出来的消光比的变化都大于以前所测的那只SFF模块。由于模块间特性彼此不一样,而且只采用单点校准的方法,而消光比的变化量却只有0.65dB,已经很不错了。采用电阻同数字电位器并联,使用不同的K因子,并且多校准几个点,补偿效果会更好。
  

图5

图5

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  光模块的温度相关特性会引起消光比和平均光功率的较大变化,这会导致在温度升高时光模块性能的劣化。

  使用前文所讲的方法可以减小这些参数的变化。K-因子补偿法是“死循环”电路,易于调试,补偿效果也好。数字电位器补偿法缺点是其为“开环”电路,但是温度补偿效果稍好一些;另外,批量生产时,使用数字电位器,整个模块校准也简单一些。

  如果同时使用K-因子补偿法和数字电位器补偿法,可以带来更好的温度补偿效果,不但校准方便,而且性能也稳定。
 
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