光模塊消光比的補償方法

王 三，徐紅春

(武漢電信器件有限公司，光纖通信技術和網(wǎng)絡國家重點實驗室，湖北武漢430074)

1 引言

隨著接入網(wǎng)、FTTH(Fiber to the Home)以及3G的高速發(fā)展，光纖收發(fā)合一模塊的應用越來越廣泛。國內(nèi)3G和FTTx的建設給光模塊企業(yè)的生產(chǎn)帶來了拐點式的增長，但產(chǎn)能的急劇提升，也對光模塊廠家的批量生產(chǎn)提出了苛刻的要求。另外，由于寬溫度范圍(-40～+85℃)的高速率光模塊(2.488、3.125、6、10 Gbps等)頗受市場青睞，于是寬溫度范圍內(nèi)模塊的平均光功率和消光比的穩(wěn)定便成為批量生產(chǎn)過程中的突出問題。一直以來生產(chǎn)廠家常用的光模塊消光比補償方法主要有驅動芯片溫度補償、K系數(shù)補償、查找表、數(shù)字電位器補償?shù)?，它們都是在激光器一致性較好的基礎上完成的。但如果激光器隨溫度變化，斜效率變化比較離散，一致性較差，傳統(tǒng)補償方式將會失效。因此，工作在寬溫度范圍(-40～+85℃)或更苛刻溫度范圍的光模塊實現(xiàn)難度較大，傳統(tǒng)補償方式作用有限，且靈活性差，通常需要焊接電阻并不斷驗證，耗時且工作量較大。因此，本文提出了一種新的補償方法，其創(chuàng)新之處在于可根據(jù)不同溫度下驅動芯片上報電流大小，結合光功率和消光比的計算公式，模擬激光器光功率隨電流及電壓的變化曲線，并根據(jù)要求調(diào)整激光器調(diào)制電流大小，從而保持消光比的穩(wěn)定。本文以2.488 Gbps的SFP(Small Form-factor Pluggables)模塊為例，探討器件一致性較差時，如何維持模塊平均光功率和消光比的穩(wěn)定，以保證眼圖的質(zhì)量和傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

2 傳統(tǒng)光功率及消光比補償

保持平均光功率和消光比的穩(wěn)定性，通常采用以下一些方法：(1)采用驅動芯片的APC功能保持器件光功率的穩(wěn)定，根據(jù)背光電流的大小，自動調(diào)節(jié)偏置電流。設置常溫下的調(diào)制電流，采取溫度補償和K系數(shù)補償相結合的方式，調(diào)節(jié)調(diào)制電流的大小，維持消光比穩(wěn)定 (2)通過查找表的方式，根據(jù)幾只光模塊隨溫度變化的校準參數(shù)，每2℃為一個步進，設置多個溫度點的偏置電流和調(diào)制電流［3］。(3)采用帶數(shù)字電位器的監(jiān)控芯片，調(diào)節(jié)隨溫度變化對應的數(shù)字電位器的值。該方法類似查找表的方式，但更為靈活［4］。

以上3種方法是目前主流的光功率及消光比溫度穩(wěn)定補償方法。3種方法的共同之處就是要求采用的光器件一致性較好，需要規(guī)定器件的斜效率范圍，且溫度一致性較好。如果器件之間的差異性較大，則同一個補償方案對于不同的模塊，消光比會呈現(xiàn)較大的離散性。而相關的光模塊標準規(guī)定，2.488 Gbps的消光比最小值為8.2 dB，光眼圖的模板 margin最小為10%。通常2.488 Gbps的實驗得到最高消光比為11dB，再大就會導致過沖或者交叉點偏低，影響傳輸。這樣2.488 Gbps工業(yè)級溫度范圍光模塊的消光比只能在8.2～11 dB，此數(shù)據(jù)比較嚴格且難以保證，特別是對于單纖維雙向的器件［5］。

圖1 激光器驅動耦合電路圖Fig.1 Diagram of laser driver coupled interface circuit

3 2.488 Gbps SFP設計方案

本方案采用驅動芯片，最大偏置電流為100 mA，最大調(diào)制電流為90 mA;集成非易失寄存器，用于芯片控制及數(shù)據(jù)通信;帶兩路IIC總線，一路與單片機通信，另外一路提供模塊與外部數(shù)據(jù)通信;自動調(diào)節(jié)A/D轉換器，實現(xiàn)數(shù)字監(jiān)控、校準及參數(shù)上報;集成驅動與接收在一塊芯片上，節(jié)約了空間。激光器驅動耦合電路圖如圖1所示。

3.1 發(fā)射部分電路簡介

驅動部分與光發(fā)射次模塊(TOSA)采用交流耦合的方式，以提高邊沿觸發(fā)時間，同時避免由于直流耦合帶來的壓降過大導致LD的壓降不夠而使眼圖變形［6］。Laser+與Laser-均通過電阻上拉，二者之間通過電容耦合，其中RC網(wǎng)絡起到一定的補償作用，可減小寄生電感、弛豫振蕩和過沖，維持穩(wěn)定的負載阻抗。由于Laser+的匹配電阻會因器件的不同而發(fā)生變化，所以只有合理選取匹配電阻，才能很好地解決眼圖雙線等問題，若過大會扼制消光比的范圍，而消光比過大會導致過沖，下降沿緩慢等問題［7］。背光電流用于穩(wěn)定光功率大小，自動控制功率(APC)反饋回路，在考慮溫度和壽命上的基礎上維持恒定平均光功率。選擇大范圍調(diào)制電流(90 mA)與偏置電流(100 mA)，可使該裝置能夠理想地驅動FP/DFB激光二極管。

3.2 芯片發(fā)射部分主要寄存器

芯片發(fā)射部分主要寄存器配置見表1。

表1 發(fā)射部分主要寄存器Tab．1 Main register of transmit part

常規(guī)光功率補償方式有兩種：一種是閉環(huán)，一種是開環(huán)［8］。閉環(huán)方式是利用PD的背光電流與寄存器66H設置的參考電流進行比較，根據(jù)背光變化的大小，芯片自動調(diào)節(jié)發(fā)射功率，從而維持光功率穩(wěn)定。開環(huán)模式是采取編程的方式改變偏置電流大小，用寄存器B1H，B2H設置需要的輸出光功率。本方案選用閉環(huán)方式來維持光功率穩(wěn)定。

3.3 單片機部分電路簡介

圖2 單片機電路Fig.2 MCU circuit

單片機電路如圖2所示，Pin4和Pin5是單片機程序下載接口。P1.0、P1.1是單片機與芯片通信的IIC接口。P0.1、P0.2則是單片機與光模塊外部通信IIC接口。上位機通過串口或者USB轉IIC的方式與光模塊測試板通信，校準光功率、消光比、溫度、偏置電流、電源電壓，同時通過IIC配置驅動芯片的寄存器、監(jiān)控上報等［9］。

4 新型消光比補償方式

4．1 LD的高低溫特性

如前文所述，常規(guī)消光比補償主要有3種，這3種補償方式都是建立在激光器件一致性較好的前提下。LD的P-I-V曲線與溫度的關系如圖3所示。對應θ1和θ2兩種溫度的P-I-V曲線圖，對應不同的偏置電流和調(diào)制電流。溫度越高，斜效率越小，需要補償?shù)碾娏骶驮蕉?。P1對應‘1’電平的功率，P0對應‘0’電平的功率。PAVG是LD的出光平均光功率［10］。

圖3 LD的P-I-V曲線Fig.3 P-I-V curves of LD

傳統(tǒng)的補償方式所采用的光器件的一致性較好，且需要規(guī)定器件斜效率范圍。如果器件之間的差異性較大，對于不同的光模塊，在高溫條件下斜效率變化非常離散，就會導致消光比高溫補償出現(xiàn)離散分布。有的光模塊可能補償不夠，消光比低于標準值8.2 dB;有的可能補償過多，大于11 dB，導致過沖，難以符合10%的margin。這兩種情況都會導致發(fā)射信號質(zhì)量較差，接收光模塊難以復原信號，使靈敏度劣化，無法滿足傳輸距離要求

4.2 新型消光比補償

提出的方法所用光模塊是2.5 Gbps 15 km單纖雙向SFP，應用于工業(yè)級溫度為-40～+85℃，發(fā)射平均光功率典型值為-2.5 dBm(-5～0 dBm)，消光比介于8.2 dB和11 dB之間?？紤]測試誤差和插拔重復性各±0.5 dBm，全溫度范圍的光功率為-4～-1 dBm，溫度變化對光功率的影響若按±1 dBm計算，則在常溫下的光功率為 -3～ -2 dBm(501.1～631 μW)，取典型值為-2.5 dBm(562.3 μW)。設定在 +25 ℃時，PAVG=-2.5 dBm，消光比EX=10 dB。

據(jù)PAVG=562.3 μW，計算出P1+P0=1 124.6 μW;EX=10 dB，計算出P1/P0=10。因此得到：P0=102.2 μW，P1=1 022.4 μW。本方法發(fā)射部分采用交流耦合的方式，當溫度為θ1時，斜效率為SE(t1)：

當溫度為θ2時，斜效率為SE(t2)：

如果要在θ1與θ2條件下消光比保持不變，則EX1=EX2。

通過化簡得到：

設定 θ1為 +25 ℃，則IBias1，IMod1可以通過驅動芯片的設置及上報讀取。再根據(jù)P1，P0，IBias1、IMod1，由下面的公式求出+25℃溫度下的斜效率SE和ITH。

同理，θ2溫度下，通過設置兩組偏置電流和調(diào)制電流，也可以得到 θ2溫度下的模擬P-I-V曲線。先求出SE(θ2)和ITH(θ2)，再根據(jù)公式計算，通過APC上報讀取IBias2，以求出保證EXT不變情況下所需的IMod2的值，再通過驅動芯片寄存器配置直接更改此時調(diào)制電流的大小。這樣無論溫度如何變化，斜效率變化如何不一致，都能夠通過軟件模擬及計算的方式，調(diào)整得到穩(wěn)定的消光比。

由于單片機不會隨著溫度的變化無休止地模擬P-I-V曲線，也不會無休止地計算需要的調(diào)制電流，因為這樣會消耗大量的資源，也會增加許多額外的功耗。因此，通過幾個不同TOSA隨著溫度的消光比變化，結合商業(yè)級溫度范圍0～+70℃，在65、75、85℃這3個溫度點進行了模擬和計算，最后通過60個不同模塊進行驗證，結果發(fā)現(xiàn)：消光比均在9～10.5 dB，眼圖質(zhì)量得到了保證。

5 結論

本文采用驅動芯片結合單片機，通過軟件模擬P-I-V曲線，確保了在寬溫度范圍內(nèi)器件LD在斜效率一致性較差的情況下，仍然能夠得到穩(wěn)定的消光比，從而保證了眼圖質(zhì)量。得到的結果可使很多用戶將原來斜效率的指標適當放寬10%，從而提高近10%的利用率，并降低成本，還能將常規(guī)補償方式不合格的器件用這種方式重新加以利用。該補償方法使用靈活，隨時可以通過修改軟件得到想要的結果。由于模擬曲線不可能與實際完全吻合，校準上報和真實值也存在一定差異，因此，適當選取幾個溫度點模擬和計算，能夠得到更加精確的結果。

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