發(fā)射組件TOSA常男用參數(shù)及測試方法

1、發(fā)射組件 TOSA 常用參數(shù)發(fā)射組件 TOSA 內(nèi)部原理圖LD- PD+常用參數(shù)1 正向電壓 VF指激光器工作在一定前向驅(qū)動電流的條件下（一般為lth+20mA ）對應(yīng)的正向電壓值包括激光器的帶隙電壓 VBG及等效串聯(lián)電阻的壓降 I*RL。下圖為。在高速應(yīng)用條件下，激光器的寄生電感一般也要考慮。WTD 的 LD 一般為 1.2 1.6VVF參數(shù)對光模塊的影響：激光器高速率低電壓直流耦合驅(qū)動產(chǎn)生的保護(hù)二極管57k 1r111111JO OO OLD+ PD-電壓凈空問題圖 1 激光器的簡化等效電路圖 2 激光器的 DC 耦合驅(qū)動電路OUT-及 OUT+回路輪流導(dǎo)通，當(dāng) OUT+灌入調(diào)制電流時：V

2、LOW=VCC-VF-VL-IMOD*RD其中 VCC為電源電壓，這里為 3.3VIMOD為調(diào)制電流，設(shè)為 60mAVL為激光器寄生電感（一般為12nH ）引起的交變電流的壓降，可近似計算為VL=H* I/At ,若在 2.5Gb/s 條件下工作，上升沿時間20%80% 為 80ps ,則得出 VL為 0.7V若 RD=20Q,IMOD*RD=1.2V顯然這時 VLOW很小，而事實上驅(qū)動器的輸出級工作在放大狀態(tài)，VLOW一般大于0.7V，所以在這種情況下發(fā)射眼圖上升沿時間變緩，眼開度降低2 閾值電流（Ith ）指激光器由自發(fā)輻射轉(zhuǎn)換到受激輻射狀態(tài)時的正向電流值，它與激光器的材料和結(jié)構(gòu) 相關(guān)。對

3、于 LD 而言，Ith 越小越好一般在 25C時VCSEL-LD , Ith=12mAFP-LD,Ith=510mADFB-LD , Ith=520mAIth 隨溫度的升高而增加，關(guān)系式為Ith=IoeT/T0Io為 25C時的閾值電流，T。為特征溫度，表示激光器對溫度敏感的程度 對于 WTD 的長波長激光器，T0為 5080KIth 參數(shù)對光模塊的影響：OLOptical output/fl/f1 hh! L.ser current1L1bias*Figurc illustrates DC-coupled biLis current.(b) Input-output charactensti

4、GS圖 3 激光器的 P-I 曲線目前模塊較多的采用DC 耦合方式，偏置電流 IBAIS 約等于 Ith，隨著溫度的升高，模塊的 APC 電路將自動增加 IBAIS，補(bǔ)償 Ith 的變化。由于模塊驅(qū)動芯片一般能夠提供60mA 的IBAIS，所以通常情況下外購或自制激光器的Ith 指標(biāo)能夠達(dá)到模塊使用要求。3 P-I 曲線(P-I)指激光器總的輸出光功率P 與注入電流 I 的關(guān)系曲線，如圖 3 所示曲線的拐點是閾值電流(1)曲線的斜率是激光器電光轉(zhuǎn)換效率 SE(mW/mA)，它是激光器的量子效率與器件耦合 效率的乘積。量子效率n=hc/入 e = hf/eh 為普朗克常數(shù)，C 為光速，f 為頻率

5、，e 為單位電子的電荷WTD 自制管芯的量子效率一般為3050%，耦合效率為 2030%SE 參數(shù)對模塊的影響：SE 直接反映激光器的功率大小激光器功率通常是指在Ith+14mA (或 Ith+20mA )直流電流的條件下測得的輸出功率模塊輸出平均光功率是指在IBAIS+1/2 IMOD驅(qū)動電流的條件下對應(yīng)的功率。由于 IBAIS- Ith，則如果 1/2WoD=14mA，則模塊功率與器件功率基本是一致的。這里有 一點需要注意的是，由于器件測試時測試光纖是自由狀態(tài)，而器件安裝在模塊外殼中時 連接器的限位導(dǎo)致光路耦合到光纖時的效率往往不一致，這樣最終結(jié)果存在差別。(2)P-I 曲線的線性度實際

6、P-I 曲線是一條曲線，而不是直線，如圖4P-I 曲線的線性度測試的簡單方法：可以通過曲線對應(yīng)的10%及額定光功率點的直線與實際曲線偏離的最大變化來表示，即功率線性度=(P2-P1)/P2X100%線性度參數(shù)對模塊的影響：只要曲線上點的斜率大于 0, 一般不會影響模塊使用但其消極影響有：a 將會對激光器的工作點的計算產(chǎn)生偏差b 將引起模塊消光比的溫度補(bǔ)償?shù)恼`差。解釋如下：因為目前模塊消光比的溫度補(bǔ)償方法大致有4 種(不考慮雙環(huán)控制)：1)在調(diào)制電流設(shè)置端加熱敏電阻2)芯片帶有溫度補(bǔ)償電路，可設(shè)置溫度補(bǔ)償?shù)钠鹗键c及變化斜率3)K 因子補(bǔ)償，在厶 IMOD=K IBIAS,因為激光器 SE 的溫度

7、特性有如下特點，在 25C到 60C,SE 變化不大，但從 60C到 85C，卻變化較大，所以單純設(shè)置一個補(bǔ)償 斜率不能夠進(jìn)行有效補(bǔ)償，而閾值的溫度變化快慢與SE 比較接近，因此 K 因子補(bǔ)償能夠較好解決補(bǔ)償斜率變化的問題4)Look-up Table 查找表方式，往往根據(jù)幾個典型溫度點精確設(shè)置IBIAS及 IMOD以上 4 種方法均是以激光器具有良好的線性度為前提的。(3)拐點指 P-I 曲線上的扭轉(zhuǎn)點，如圖 5拐點處 P=f(l)存在多值函數(shù),若驅(qū)動電流正好在拐點處，由于這時電流對應(yīng)多個光功率, 率的穩(wěn)定，導(dǎo)致模塊在每個功率范圍內(nèi)跳變。（4 ）最大飽和光功率圖 6 最大飽和光功率示意圖最大

8、飽和光功率指激光器所能輸出的最大的光功率（P-I 曲線最大跌落處對應(yīng)的光功率）參數(shù)對模塊的影響：模塊高溫下功率下降， 人為調(diào)整光功率設(shè)置，也達(dá)不到滿足要求的功率值，這就是激光器在高溫下飽和功率低于所需功率引起的（排除驅(qū)動電流飽和因素）。還有一種影響往往被忽視：若模塊能夠提供如圖所示的IBIAS+IMOD電流，則模塊能夠輸出的最大光功率就為PA,因為若以 PS為 PI，根據(jù)下面 2 個等式：PA=（ P 什 PO） 12Ext.r =10 lg P1/ PO模塊要求的消光比 Ext.r 是一個的確定值，所以模塊所能輸出的最大光功率就可以確定。通常在高溫時，需要考慮激光器的飽和光功率指標(biāo)。 可能有

9、這樣的情況，模塊在 調(diào)測時，可以調(diào)到所需的光功率， 但無任怎樣增加調(diào)制電流， 均不能調(diào)到要求的消光 比,如果能夠確定驅(qū)動電流沒有飽和，則可以確定是激光器過早飽和的緣故。4 背光電流（Im）指激光器在規(guī)定的光輸出功率時，在給定一定背光探測器反向電壓時輸出的光電流。一般 TOSA 要給出在 lth+14mA 或 lth+20mA 時背光電流測試值，通常以 卩 A 表示。參數(shù)對模塊的影響： 模塊的 APC 環(huán)路是以背光電流為采樣點的，一般具有 APC 功能的驅(qū)動芯片 MD 弓 I 腳規(guī)定了輸入電流的范圍，女口MAX3735 為 181500 卩 A，即要求激光器的背光電流也在一定范圍內(nèi)。由于過小的背

10、光電流，會導(dǎo)致APC 環(huán)路過于靈敏，增加不穩(wěn)定性，所以通常我們要求TOSA 在額定功率點的背光不小于100 卩 A。多個 TOSA 的背光電流一致性不好， 會導(dǎo)致模塊在調(diào)整光功率時，設(shè)置電阻偏差太大，增加批量生產(chǎn)的難度。5 跟蹤誤差（TE ）對 TOSA 而言，跟蹤誤差指的是在兩個不同溫度條件下的光纖輸出功率的比值，它是度APC 電路無法保證光功量器件耦合效率穩(wěn)定性的參數(shù)，單位為 dB。測試方法；恒定背光電流（如 200 卩 A ）,先測量 25C時的光纖輸出功率，再測量在兩個 極值（如-20C和+85C）時的光纖輸出功率，則TE=10 lg （P+85C/ P+25C）及 TE=10 lg

11、（P -25C/ P+25C）一般要求 |TE|W1.5dB參數(shù)對模塊的影響： 跟蹤誤差是影響模塊輸出光功率穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。模塊在高低溫輸出光功率發(fā)生變化，通常是由于跟蹤誤差引起的（若激光器在高溫下沒有過早飽和）。6 SE 溫度變化率圖 7 SE 溫度變化示意圖SE 溫度變化率=SE85C/ SE25C,這里包括量子效率及耦合效率的變化。一般要求大于 0.5。因為跟蹤誤差已經(jīng)規(guī)范了耦合效率的變化率，通常在這里只考慮量子效率的變化。參數(shù)對模塊的影響： 事實上，此參數(shù)間接規(guī)定了高溫下的SE模塊的溫度補(bǔ)償電路將在高溫時增加調(diào)制電流，以保持消光比的穩(wěn)定，但值得注意的是，模塊在高溫時的電流供給能力，一

12、般與常溫差別不大，以 MAX3735 為例，為 10 mA 60mA,再加上 RC 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的分流，芯片最大能夠提供的調(diào)制電流為60 mAX80% （視 RC參數(shù)而定），約 48 mA，模塊電流供給能力的限制將制約了高溫SE 參數(shù)。每種模塊由于采用的驅(qū)動芯片、耦合方式、輸出端串聯(lián)電阻及RC 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的不同，調(diào)制電流的實際供給能力有所不同，可以對其進(jìn)行理論預(yù)估和實際測量。7 等效串聯(lián)電阻 R指激光器工作在一定電流處時dV/dl 的值圖 9 激光器 3dB 帶寬示意圖對于應(yīng)用于數(shù)字通信的激光器而言，激光器的 3dB 帶寬必須大于線路比特速率的1.4 倍參數(shù)對模塊的影響：3dB 帶寬將直接影響模塊發(fā)

13、射眼圖的質(zhì)量，帶寬過大，常會引起激光器在調(diào)制過程中的馳豫振蕩現(xiàn)象，即眼圖的振鈴現(xiàn)象。 帶寬過小，會導(dǎo)致眼圖的上升沿及下降沿的時間變慢，眼開度下降。9相對強(qiáng)度噪聲（RIN ）由于諧振腔內(nèi)載流子和光子密度的量子起伏，導(dǎo)致輸出光波中存在固有的量子噪聲，這 種量子噪電壓 V2.0等效串聯(lián)電阻越小越好，長波長激光器等效串聯(lián)電阻一般為等效串聯(lián)電阻將影響激光器的3dB 帶寬及工作時的管壓降參數(shù)對模塊的影響：3dB帶寬將影響模塊發(fā)射眼圖的質(zhì)量；電壓驅(qū)動的難度。指激光器的幅頻特性中最大幅度下降3dB 所對應(yīng)的頻率46Q管壓降變大將增加激光器低0圖 8 激光器 V-I 曲線示意圖6串聯(lián)電阻 dV/dl(Q)42H

14、z聲用相對強(qiáng)度噪聲來度量，即在一定的頻率范圍內(nèi)，光強(qiáng)度脈動的均方根與平 均光強(qiáng)度平方之比，公式為 RIN=(3P)2/ P2,我們要求 RIN 小于-120dB/Hz 隨著工作電流的增加，RIN 將減小參數(shù)對模塊的影響：RIN 將影響模塊發(fā)射眼圖的抖動指標(biāo)。10 波長入激光器的波長有三種表示方法：峰值波長、中心波長、平均波長峰值波長：光譜中若干發(fā)射模式中最大強(qiáng)度的光譜波長中心波長：在光譜中，連接50%最大幅度值線段的中點對應(yīng)的波長入 c=工 Ei入i/ Eo入i表示第 i 個峰值的波長，Ei表示第 i 個峰值的能量，Eo為所有峰值的能量。平均波長：指所有模式的加權(quán)平均值，將幅度大于峰值2%的模

15、式均計算在內(nèi)。入 mean=X入nPn/ 工 Pn入 n 表示第 n 個峰值的波長，Pn表示第 n 個波長的功率其中中心波長用得最多，對于DFB-LD，中心波長與峰值波長值幾乎相同；對于 FP-LD ,一般用中心波長或平均波長表示激光器得工作波長。一般 WTD 的激光器中心波長隨著溫度增加將以0.5nm/C的速度變長參數(shù)對模塊的影響：因為不同波長對應(yīng)的光纖衰耗及色散系數(shù)不一樣，所以模塊不同的傳輸距離對工作波長要求就不一樣。對各種速率及傳輸距離下對波長的要求在G.957 中都做了嚴(yán)格規(guī)定。11 光譜寬度入對于 FP-LD，般用 3dB 譜寬的均方根 RMS 來表示1/2入=藝ai(入im)2/藝

16、ai入m=藝ai入i/藝ai入i為第 i 個光譜成分的波長，ai為第 i 個光譜成分的相對強(qiáng)度。圖 10 FP-LD 光譜示意圖對于 DFB-LD 激光器，以主模中心波長的最大峰值功率跌落-20 dB 的最大全寬為光譜寬度相對強(qiáng)度圖 10 DFB-LD 光譜示意圖參數(shù)對模塊的影響：因為光纖的色散是激光器光譜寬度的函數(shù)，所以模塊不同的傳輸距離對譜寬要求就不一樣。對各種速率及傳輸距離下對譜寬的要求在 G.957 中都做了嚴(yán)格 規(guī)定。12 邊模抑制比（SMSR）指激光器發(fā)射光譜中，在規(guī)定的輸出光功率時最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比此指標(biāo)僅針對 DFB 單縱模激光器，一般要求大于30dB參數(shù)對模塊

17、的影響： 對模塊的傳輸距離有一定影響13 TOSA 的存儲溫度（Tstg）及工作溫度（Top）（1） 存儲溫度（Tstg）當(dāng)器件存儲在一個非工作條件下，絕對不能超過的溫度（大氣環(huán)境）范圍一般為-40+95C（2） 工作溫度（Top）一般為器件工作的管殼溫度。指器件處于工作狀態(tài)時，絕不能超過的管殼溫度范圍通常為-20+85C參數(shù)對模塊的影響系統(tǒng) 65C模塊 75C器件 85C圖 11 TOSA 在系統(tǒng)中工作溫度示意圖這里系統(tǒng) 65C指的是系統(tǒng)（具體指機(jī)柜內(nèi)單板的環(huán)境溫度），由于熱源和散熱條件不一樣，各單板的環(huán)境溫度可能有差異。而這里提到的模塊管殼溫度75C，因為模塊本身具備一定功耗（發(fā)熱體），它的溫度往往比環(huán)境溫度要高510C,溫差取決于系統(tǒng)自身的散熱能力（一般系統(tǒng)采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱，即取決于