温度补偿

[转贴]保持收发器的平均光功率和消光比

保持收发器的平均光功率和消光比

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作者：GrainLyon

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标。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

当激光二极管内法布里-珀罗（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）。随着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)/img/...10-11/OE-P1.jpg

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着温度的升高而升高。但是，随着温度的升高，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)/img/.../OE-Chart-1.jpg

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)/img/...10-11/OE-P2.jpg

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/img/.../OE-Chart-2.jpg

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re＝10lg[P1/P0]（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标的要求。

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“闭环”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，随着偏置电流提高，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（I MOD）等于原有调制电流（I MODS）加上偏置电流（I BIAS）乘以一个因子K。这个K因子可以通过