激光驱动器与激光二极管接口优化调试

激光驱动器与激光二极管接口优化调试

Maxim高频/光纤通信部

一、概述:

在激光驱动器与激光二极管的接口电路设计中,即使是对电路做了仔细、周密的考虑,也很难达到最优状态,系统调试过程中仍需对各部分电路加以调整、优化,图1是采用Maxim的2.5Gbps激光驱动器MAX3869构成的激光驱动器典型连接电路。本文以该电路为例,以激光二极管的输出通过光电(O/E)转换后显示在示波器上的波形为基础,列举了一些通用接口问题和可能的解决办法。

二、优化设计

以下列举了八个常见激光管接口问题,激光管的输入是伪随机比特流(PRBS)。

A. 眼图不清晰(图2):

图2中,在显示的眼图最下面有黑色水平线。当减少偏置电流时,波形会被压缩,波形上端下移,底端固定不变。导致这一问题的原因可能是偏置电流设置得太低,数字零电平低于激光管的门限。可以提高激光管的偏置电流,直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电平已高于激光管门限),当偏置电流增加时,眼图会变得清晰可辨。

B. 欠阻尼振荡(图3):

在波形图上有较大的过冲,示波器显示的眼图最下方有黑色水平线。减小偏置电流使数字1电平下移,但过冲幅度保持不变,甚至增大。偏置电流减小时波形底端(数字0电平)保持不变。

造成这一现象的可能原因是偏置电流设得太低。数字0电平低于激光管的门限。当激光管从低于门限电平向高电平切换时需要额外的时间,从而导致了上升边沿的延迟。开关延迟使电势积累增加,一旦克服了门限就冲过数字1电平(被称作欠阻尼振荡)。可通过提高激光管的偏置电流解决,提高激光管的偏置电流直到示波器上的波形开始上移(表示数字零电流已高于激光管门限)。当数字0电平高于门限值后,过冲将显著减少。

C. 过冲(图4)：

图4所示,波形的上升沿冲过了数字1电平。当偏置电流和调制电流变化时过冲的相对幅度没有变化。没有明显的振铃。可能原因有两个:(a)上升太快,(b)用于上拉的铁氧体磁珠Q 值太高。解决的方法是:(a)插入截止频率为75%数据率的低通滤波器,减慢上升和下降沿,减小过冲。(b)降低与铁氧体磁珠并联的电阻(图1中的RP)阻值,使Q值降低。(c)调整串联阻尼电阻(图1中的RD)。

D. 欠冲(图5):

当输出电路过阻尼会造成欠冲现象,示波器显示波形的上升或下降沿在单个间隔的前半部分不能到达高或低电平。这是由置于OUT+ 和OUT-间的0.5pF 电容(用来阻尼某些振铃)引起的。

解决途径有:(a)如果可能,减小OUT+和OUT-间的电容。(b) 减小OUT+的负载电容。(c)减小串联阻尼电阻(图1中的RD)的值。

E. 振铃(图6):

振铃指的是眼图的上升或下降沿相对于正确电平出现振荡、振幅逐渐衰减的现象。可能原因是: 阻抗不匹配,电路中电感过大,电路元件产生谐振。在图6显示的图像中,振铃是由拿

走铁氧体磁珠的并联电阻(图1中的RP)引起的。

解决方法是:(a)尽可能消除阻抗不匹配。(b)尽可能缩短激光二极管的引线长度,以减少寄生电感。(c)减小铁氧体磁珠的并联电阻(图11中的RP)的阻值。(d)调整RF和CF(参见图1)以补偿激光管的寄生因素。

F.反射(图7):

传输线阻抗不匹配造成的反射可能以过冲、欠冲、振铃或其它失真的方式出现。通过降低比特率,并展宽示波器的时间尺度观察稍宽的波形,就可以看出反射导致的信号叠加(如图7所示)。

解决方法是: (a)激光驱动器和激光二极管的距离要尽可能的短。(b)确保在PC板布线时采用正确的阻抗控制。(c)用时域反射计来定位阻抗不连续点,提高PC板布线质量。(d)调整补偿网络各个元件(图1中RF和CF)的值,使传输线的负载端达到最佳阻抗匹配。

G. 眼图出现双线(码型相关抖动) (图8)

图8所示:眼图的某些部分分离成明显的两条线。当输入数据码型改变时,双线效应会相应变化。产生原因是:NRZ数据流中包含的连续比特数(长1或长0)变化范围很大,而系统带宽有限,从而导致码型相关抖动(PDJ),很多情况下均会引起这种效应。图8中的失真是由调制电流增加使输出晶体管饱和而限制了其高速开关的能力引起的。

确定低频端-3dB 截止点很重要,必须保证与长连续比特流(图9)有关的低频通过,从而消除PDJ。高频带宽不够同样会出现PDJ(图10)。如果放大器响应速度不够快,在单比特图像时不能完成过渡过程。或者放大器没有充足的建立时间,就会产生高频PDJ。解决的方法是:(a)增大交流耦合电容(图1中的CD)。(b)增大串联阻尼电阻(图1中的RD)。(c)增大VCC。(d)降低调制电流。

H.不对称眼图(图11):

图11中上升时间与下降时间明显不同,眼图的交叉零点高于或低于中点(脉宽失真PWD)。造成波形不对称的原因是由于上升和下降时电流通路不同而引起的,因为不同的路径可能有不同的充放电特性。由于直流偏移,0-1转换的中点和1-0转换的中点不在相同的电平上(图12),也会产生PWD。上升下降速度不一致、直流偏移都会使眼图上出现不对称。

具体的解决方法是:(a)消除输入数据流本身的失真(可以采用时钟和锁存的方法来达到),(b)采用上升和下降时间相等的激光管。(c)调整阻尼电阻的值(图1中的RP和RD)。(d)用低通滤波器来降低较快的边沿,滤波器的截止频率设在数据率的75%。

Maxim北京办事处金国峰编译摘自《Lightwave》