保持收发器的平均光功率和消光比

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1、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：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

2、：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

3、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)点击此处查看全部新闻图片　　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

4、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)点击此处查看全部新闻图片　　　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)点击此处查看全部新闻图片　

5、　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

6、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点击此处查看全部新闻图片　　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

7、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＝

8、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