保持收發(fā)器的平均光功率和消光比

1、保持收發(fā)器的平均光功率和消光比2007年10月6日 21:42光波通信作 者：GrainLyon由于光模塊尺寸、面積的減小，再加上整個系統(tǒng)中模塊間距更加接近，模塊工作時的周邊溫度也升高了。例如：小尺寸可插拔(SFF/SFP)光模塊的采用，使得線路卡上的模塊密度更高。模塊高密度安裝所帶來的溫度升高，對光模塊的性能影響很大，因為激光器的特性隨溫度變化而變化，在設計這些低成本的SFF/SFP光模塊時，必須仔細考慮激光器參數(shù)與溫度之間的關系。 在設計SFF/SFP光模塊時，有兩個十分重要的光學參數(shù)要考慮：平均光功率和消光比（re）。這些光學參數(shù)來自激光二極管的光功率-電流曲線的斜率和閾值電流。激光器的

2、性能表現(xiàn)出來的特點就是參數(shù)隨溫度而變化。必須了解它們，而且要控制和保持系統(tǒng)的正常指針。即：SFF/SFP模塊在電路板的整個工作溫度范圍內(nèi)，平均光功率和消光比re保持穩(wěn)定。 保持平均光功率 當激光二極管內(nèi)珀（Fabry-Perot）腔中的光學增益超過腔體端反射面的損耗時，激光器就會激射出相干的光信號，臨界時激光器中的電流稱為閾值電流（Ith）。隨溫度升高激光器腔體中的光學增益會降低，由于腔體內(nèi)光學增益降低，激光器就需要更大的注入電流來獲得相干光輸出（圖1），結果激光器的閾值電流就升高了。 (圖1) 目前，常用的有兩種激光器，一種是邊緣發(fā)光（Edge-EmittingLaser）激光器，另一種是面

3、發(fā)光激光器（VCSEL）。通常，邊緣發(fā)光激光器的閾值隨溫度的升高而升高。但是，隨溫度的升高，垂直腔面發(fā)光激光器的閾值卻可能升高也可能降低。 FP邊緣發(fā)光激光器的典型閾值電流見(表1)，當溫度由40C升高到+85C時，激光器的閾值電流升高了20多毫安。由于閾值電流的升高，為了保持同樣的平均光功率輸出，激光器的電流就需要增大；反之，如果對激光器的閾值升高不進行補償?shù)脑?，就會導致平均光功率的很大變化?(表1) 為了補償激光器閾值的變化，需要采用“自動功率控制（APC）”電路，見圖2。APC電路監(jiān)測激光器背向光檢測光電二極管的電流，通過調節(jié)激光器的偏置電流來保持該光電管中的光生電流穩(wěn)定。假定該光電管

4、電流與平均光功率之間的比例關系是理想線性的，那么就可以通過保持背向光電二極管獲得的光電流的穩(wěn)定，使得激光器的平均光功率保持恒定。 (圖2) 眾多的激光器驅動器中都有APC電路，只要激光器和背光檢測二極管之間的光電轉換比率保持不變，閉路的APC電路就能很好地工作，克服溫度變化或者激光器老化所引起的閾值變化，使得激光器的平均光功率能夠保持不便。另外還有一些補償方法，如：“熱敏電阻法”或“數(shù)字查表法”，他們都可以用于保持平均光功率的穩(wěn)定，由于是“開環(huán)”方式（沒有反饋），所以它們無法補償激光器老化而引起的閾值電流的變化。 (表2)中的數(shù)據(jù)是用MAX3863激光器驅動芯片和邊緣發(fā)光激光器測試的。APC電

5、路通過增大激光器偏流保持背光檢測光電二極管獲得的光電流穩(wěn)定。在溫度變化的整個范圍內(nèi)，背光檢測二極管中的電流只變化了8微安，對應于平均激光器光功率的變化應當小于1%。但是，表2中的數(shù)據(jù)卻顯示光功率變化比較大，這是因為不止光電管電流這一個因素關系到實際測量出來的光功率的變化。 高速SFF/SFP激光驅動器MAX3738的應用武警工程學院 彭月平概述MAX3738是美國MAXIM公司生產(chǎn)的帶有消光比控制的高速激光驅動器，工作速率為1Gbps2.7Gbps，可用作千兆以太光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)中的收發(fā)器。該產(chǎn)品與以往同類產(chǎn)品相比，不僅具有傳輸速率高、供電電流小、輸出平均功率恒定和安全穩(wěn)定等特點，而且在激光管的使

6、用壽命期間和溫度變化范圍內(nèi)，能始終保持消光比恒定，此外，與外接激光管可采用直流耦合方式，在減少元件數(shù)的同時，使多速率工作模式變得簡易。 內(nèi)部結構及工作原理MAX3738內(nèi)部結構如圖1所示，內(nèi)部電路主要包括高速調制驅動電路、消光比控制電路和安全邏輯控制電路。高速調制驅動電路包括輸入級和輸出級兩部分，主要由輸入緩沖、數(shù)據(jù)通道和高速差分對組成，其功能是對輸入信號進行調制，并為外部激光管提供所需的激勵信號。消光比控制電路主要包括兩部分：自動功率控制(APC)電路和自動調制控制(AMC)電路，其中AMC電路包括固定調制電流設置電路、溫度補償電路和偏置電流對調制電流補償電路，其主要作用是與監(jiān)控光二極管形成

7、反饋控制電路，通過對偏置電流和調制電流的動態(tài)控制調節(jié)，維持消光比恒定。安全邏輯控制電路主要包括傳輸控制電路、鎖存失效輸出電路和失效指示電路，主要功能是為驅動器正常工作提供安全保障，對驅動器工作狀態(tài)進行監(jiān)控，同時提供驅動器工作狀態(tài)和失效信息。 工作過程：MAX3738采用APC工作模式，當MAX3738正常工作時，數(shù)據(jù)從IN 端和IN+端輸入，經(jīng)輸入緩沖電路和數(shù)據(jù)通道處理后，控制差分對調制器輸出以實現(xiàn)調制，調制后的信號從OUT 端和OUT+端輸出，去驅動外接激光管；當輸出功率變化時，反饋信號從MD端輸入，消光比控制電路通過調節(jié)調制電流和偏置電流變化，來自動維持平均輸出功率和光幅度功率的穩(wěn)定；當溫

8、度變化超過閥值時，溫度補償電路起作用，通過調節(jié)調制電流以維持功率穩(wěn)定；當電路發(fā)生故障和其它意外情況發(fā)生時，安全電路起作用，SHUTDOWN端輸出控制信號關閉激光管輸出，同時TX_FAULT端輸出警告信號。圖1MAX3738內(nèi)部結構示意圖應用設計MAX3738集成度高，應用時要求用戶設計的外圍電路非常少，主要設計工作是選擇合適的激光管和各種相關電流的設計。激光管的選擇用戶在利用MAX3738設計光收發(fā)器時，在充分了解MAX3738的電氣特性后，首要工作是根據(jù)應用實際需求選擇合適的激光管。一般情況下，光輸出功率用平均光功率和消光比描述，用戶首先根據(jù)所需光輸出功率來確定所需激光管的輸出平均功率和消光

9、比，而且在滿足輸出功率的前提下，應盡量使消光比大一些；在輸出功率和消光比確定后，可根據(jù)表1中功率關系來確定激光管的其它參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)來選擇滿足條件的激光管。相關電流的設計MAX3738最大優(yōu)點是能維持消光比穩(wěn)定，由表1可知：消光比(re)由最大光功率(P1)和最小光功率(P0)的比值所確定，而由表1可推出：P_1=2P_AVG+P_P P；P_0=2P_AVG P_P-P ，式中各參數(shù)物理意義見表1。因此，只要保持平均光功率(PAVG)和光幅度功率(PP-P)穩(wěn)定，即可維持消光比(re)的穩(wěn)定。在MAX3738中， APC電路通過調節(jié)偏置電流變化以維持平均光功率(PAVG)的穩(wěn)定，而AMC

10、電路通過調節(jié)調制電流變化以維持光幅度功率(PP-P)的穩(wěn)定。下面具體分析與該電路有關的電流的設計。監(jiān)控光二極管反饋電流IMD的設計在APC電路中，偏置電流的調節(jié)是通過監(jiān)控光二極管反饋電流(IMD)的變化來實現(xiàn)的，APC內(nèi)部電路與外接監(jiān)控光二極管形成一閉環(huán)反饋控制回路，當輸出光平均功率變化時，通過監(jiān)控光二極管的反饋電流(IMD)也發(fā)生變化，APC內(nèi)部電路就根據(jù)這種變化相應調整偏置電流變化，以維持光平均功率的穩(wěn)定。因此，反饋電流(IMD)的大小直接決定著APC電路作用效果。當激光管選定后，轉移系數(shù) MON即可確定，如表1所示。當用戶確定平均光功率后，即可根據(jù)公式： P_AVG=fracI_MD _

11、MON來確定IMD理論值。在MAX3738中，反饋電流IMD由APCSET端外接電阻設定，因此IMD設計的實質是確定APCSET端外接電阻RAPCSET值。用戶根據(jù)下式可確定RAPCSET值：I_MD=frac12 fracV_REFR_APCSET，式中：VREF為MAX3738內(nèi)部參考電壓，典型值為1.3V。RAPCSET確定后，實際提供的反饋電流IMD就確定，APC電路會根據(jù)IMD變化自動調整偏置電流IBIAS，以維持平均光功率的穩(wěn)定。調制電流IMOD的設計光幅度功率(PP-P)變化與調制電流IMOD的有直接關系，MAX3738就是通過調節(jié)調制電流IMOD以維持光幅度功率穩(wěn)定。當激光管選

12、定后，用戶可根據(jù)表1關系式推出調制電流IMOD的計算公式，如下所示：I_MOD=2 fracP_AVG fracr_e 1r_e+1，式中各參數(shù)物理意義見表1 。調制電流由三部分組成：固定調制電流(IMODS)、偏置補償調制電流(K I_BIAS) )和溫度補償調制電流(IMODT)。(1)固定調制電流(IMODS)固定調制電流是在理想工作條件下(溫度不變和輸出功率恒定)，驅動器所需的調制電流由MAX3738內(nèi)部電路和MODSET端外接電阻所確定。通常用戶首先根據(jù)實際要求，確定所需要的固定調制電流(IMODS)，然后根據(jù)下式來確定MODSET端外接電阻(RMODSET)值。I_MODS=268

13、 fracV_REFR_MODSET ，其中，VREF為MAX3738內(nèi)部參考電壓，典型值為1.3V。(2)偏置補償調制電流 (K I_BIAS)偏置補償調制電流是偏置電流變化所引起的，其作用大小由補償因子K值確定，K值大小由MODBCOMP端外接電阻所確定。在應用中，用戶首先應根據(jù)偏置電流和調制電流變化確定合適的補償因子K，然后根據(jù)K值確定MODBCOMP端外接電阻(RMODBCOMP)值。確定補償因子K計算公式為：K=frac I_MOD I_BIAS=fracI_MOD2 I_MOD1I_BIAS2 I_BIAS1 ；確定RMODBCOMP的計算公式為： K=frac17001000+R

14、_MODBCOMPphantom1.510%。(3)溫度補償調制電流(IMODT)溫度補償調制電流是溫度超過閥值溫度所引起的，其作用是補償溫度變化對調制電流的影響，溫度補償調制電流(IMODT)的計算公式為：當TT_TH時：I_MODT=0 ；當TT_TH時： I_MODT=TC (T T_TH)；其中，TTH為溫度閥值，其值由TH_TEMP端外接電阻(RTH_TEMP)所確定；TC為溫度補償系數(shù)，其值由MODTCOMP端外接電阻(RMODTCOMP)所確定。應用時，用戶應根據(jù)實際情況確定合適的溫度閥值和溫度補償系數(shù)，然后根據(jù)下列公式確定RTH_TEMP和RMODTCOMP：APC環(huán)路濾波電容

15、的設計在APC電路中，濾波電容CAPC的作用是延遲APC電路作用時間，減少低頻信號干擾。濾波電容CAPC值由低頻截止頻率 _3DB確定，通常用戶根據(jù)要求確定低頻截止頻率 _3DB，然后根據(jù)下式確定CAPC的值：C_APC( F)frac68_3DB(KH_Z) _MON ，式中參數(shù)如表1所示。為濾除高頻噪聲，在MD端需接一下拉電容CMD接地，一般情況下，CMD近似為CAPC值的四分之一。應注意的問題在設計過程中，為使電路正常工作，各種電流有一定的條件限制。若所需調制電流不大于60mA，MAX3738和外接激光管可采用直流耦合方式；若調制電流大于60mA，則應采用交流耦合方式。不管采用哪種耦合方

16、式，在輸出端OUT+ ，各種電流應滿足如下要求：對于直流耦合：V_OUT+=V_CC V_DIODE I_MOD (R_D+R_L) I_BIAS R_L0.7V ，式中：VDIODE：激光二極管偏置端電壓，典型值為1.2V；RL：激光二極管偏置端電阻，典型值為5 ；RD：串行匹配電阻，典型值為20 。對于交流耦合：V_OUT+=V_CC fracI_MOD2 (R_d+R_l)0.75V ，式中參數(shù)同上。此外，由于MAX3738是高頻產(chǎn)品，電路布局對其影響很大。在電路設計時，應采用性能優(yōu)越的高頻布局技術，用戶應采用具有公共接地層的多層電路板，以降低電磁干擾和交調失真；電路板應采用低損耗的介質

17、材料，以減少能量損耗；數(shù)據(jù)輸入端引線和調制輸出端引線應采用阻抗可控的傳輸線，便于調整電路，減少能量損耗和降低干擾。典型應用電路MAX3738典型應用電路如圖2所示，圖中所標元器件值為典型值，未標元器件需要用戶在具體設計中確定，激光管采用直流耦合方式。 高速SFF/SFP激光驅動器MAX3738的應用在光纖通訊系統(tǒng)中，光發(fā)送電路主要由光源驅動器、光源（主要是半導體光源，包括LED、LD等）、光功率自動控制電路（APC）、檢測器、溫度自動控制（ATC）以及告警電路等部分組成。其組成結構如圖1所示。 要使半導體激光器克服供電電源波動、器件老化等因素的影響，確保激光器輸出功率穩(wěn)定，就必須設計自動功率控

18、制（APC）電路。 1 激光器的調制及背光耦合 為了方便進行自動功率控制，通常半導體激光器內(nèi)部將激光器LD與背向光檢測器PIN集成在一起，其典型工作特性如圖2所示。根據(jù)背向光檢測器PIN對LD的耦合特性（見圖3）可設計適當?shù)耐鈬娐罚酝瓿蓪D的自動光功率控制。 2 三個主要器件 由于工作需要，我們選用美國B-B公司生產(chǎn)的三種運算放大器INA114、OPA177和OPA547為光發(fā)射機設計了自動功率控制（APC）電路，該電路具有集成度高、元件少、造價適中、性能穩(wěn)定的特點，實際應用效果較果，現(xiàn)介紹如下： INA114是一種低價格、小體積的通用儀表放大器，精度較高。由于在產(chǎn)生中采用了激光工藝，從

19、而使INA114具有非常低的失調電壓（50V）和溫漂（0.25V/）以及很高的共模抑制比（G=1000時為115dB），工作電壓可以以低至2.25V，很適合于電池供電的便攜式儀器或采用+5V供電的系統(tǒng)中，靜態(tài)電流最大為3mA。采用8腳塑料或陶瓷DIP封裝或16腳貼面封裝形式，工作溫度范圍為-40+85。其8腳封裝的引腳排列如圖4所示。 OPA177是一個精密雙極性運算放大器，它個有非常低的失調電壓（10V）和溫漂（0.1V/）。由于芯片內(nèi)部采用了精密的激光修整技術，因此無須外部元件調整失調電壓、輸入偏置電流和溫漂。OPA177具有非常低的靜態(tài)電流（典型值為1.5mA）和噪聲（150mVrms，

20、1100Hz條件下），因而可極大地降低漂移和誤差，從而保證芯片的精度。OPA177采用8腳塑料、陶瓷DIP封裝或SO-8貼面封裝形式。其高性能、低價格的特點可滿足多種精密儀器儀表的使用要求。其引腳排列如圖5所示。 OPA547也是一個低價格和高電壓/大電流運算放大器，具有優(yōu)良有小信號放大性能，用其驅動多種負載非常理想，可單電源或雙電源工作，在單電源工作時，輸入的共模電壓范圍可擴展至地。而且內(nèi)部具有過溫和電流過載保護，此外，用戶還可根據(jù)需要進行精密的限制設計，用150A的控制信號即可將輸出限制電流從0調整至750mA，調整器件可能是電阻、電位器或數(shù)控的具有電流或電壓輸出的數(shù)模轉換器DAC。啟動/

21、狀態(tài)（E/S）管腳可提供兩種功能，不僅可以禁止輸出從而有效斷開負載，而且還能減少靜態(tài)電流以保存電源能量。檢測E/S管腳還可用于確定OPA547是否處于過熱保護狀態(tài)。封裝形式為工業(yè)級7腳彎形的TO-220封裝和7彎腳的DDPAK表面塑封，其工作溫度范圍為-45+85。OPA547的引腳排列如圖6所示。 3 電路組成及工作過程 APC光功率自動控制電路的工作原理如圖7所示。整個APC電路主要由三個集成塊構成，光電二極管PIN用于檢測半導體激光器背向輸出的光功率，并轉換為光電流通過電阻R1變?yōu)殡妷盒盘柤釉贗NA114的反向輸入端。電阻R2和R4構成參考電平，接于比較放大器INA114的正向輸入端。I

22、NA114對正向和反向輸入端的電壓差值進行放大，電阻RG用于調節(jié)放大倍數(shù)G，其關系可用下式表示： G=1+(50k/RG) V2=V1=G(V+-V-)+V3 用OPA177和OPA547為核心構成恒流源，以實現(xiàn)對半導體激光器的恒流驅動，Rf為限流電阻，肖特基二極管D2與LD反向相接，用于防止反向過沖沖擊LD，以對LD起保護作用。 以OPA177構成的電壓跟隨器用于將LD上的電壓送至INA114的Ref管腳，即V3=V4，這時流過LD的電流I可用下式科到： I=(V2-V4)/Rf=G(V+-V-)/Rf 正常狀態(tài)下，LD工作在設定的工作點。流過LD的驅動電流I與LD的輸出光功率保護穩(wěn)定的平衡

23、狀態(tài)。 當激光器LD因某種原因功率增大時，耦合至光電二極管PIN的光電流也同比例增大，從而使電阻R1上的電位升高，這樣，通常狀態(tài)下的平衡被打破，使得INA114上的輸出電壓V1降低，由于V2=V1=IRRf+V4，因而電阻Rf上的電流I降低。由于渡過OPA177正向輸入端折電流可以忽略不計，則流過激光器LD的電流也相應降低。從而達到降低LD功率的目的。 當LD光功率降低時，PIN的光電流相應降低，INA114放大器輸出電壓升高，進而增大LD的驅動電流，達到增大LD功率的目的。 根據(jù)選定激光器的性能特點對該電路中的其它器件的參數(shù)進行合理的選擇匹配，可以獲得非常高的控制精度。筆者采用上述電路設計的

24、APC達到的長期穩(wěn)定性為1%，并已成功地用于研制有關光纖傳輸系統(tǒng)中。 值得說明的是，圖中的OPA177可以用類似的芯片代替，比如OP-07，OP-77或AD707等。當激光器LD驅動電流大于500mA，在控制精度要求不太高的場合，可采用達林頓晶體管構成射極跟隨器代替OPA547，以降低系統(tǒng)成本。圖2MAXZ3738典主型應用電路結束語MAX3738激光驅動器具有同類產(chǎn)品無法比擬的優(yōu)點，主要在于它帶有APC電路和AMC電路，從而能保持消光比恒定，同時適合多種高速傳輸速率，因此該產(chǎn)品在光纖通信中有一定的應用前景。 表2 實際測量出來的平均光功率的變化偏大的原因是：背光檢測二極管的響應度、激光器管芯

25、與背光檢測二極管之間的耦合效率，以及管芯激光器同引出光纖之間的耦合效率發(fā)生了變化。 對這些因素的補償比較困難，因為對每只激光器或系統(tǒng)，這些參數(shù)不是按照同一規(guī)律變化的。例如：激光器管芯同引出光纖之間的耦合效率隨溫度的變化就有可能升高，也可能降低?？紤]到這些外部因素后，可以認為APC電路能夠很好地保持激光器平均光功率。 保持消光比 當激光器的偏置電流大于閾值后，激光器光功率同電流之間的比值定義為電-光轉換曲線斜率（）。邊緣發(fā)光激光器或者垂直腔發(fā)光激光器（VCSEL）的電-光轉換曲線斜率（激光器電光轉換效率）通常會隨著溫度的升高而降低（見圖1）。假定平均光功率保持不變，當激光器電光轉換效率降低時，需

26、要增大調制電流來保持輸出光信號的幅度和原來相同。 這也會影響到消光比，因為消光比ye10xlgP1PO（dB）；其中，P1、P0分別代表數(shù)字邏輯信號“1”和“0”時激光器的輸出光功率；P1P0就代表了調制之后光信號的幅度。 假定平均光功率保持恒定，圖1給出了當溫度從40C變化到+85C時，激光器電光轉換效率曲線斜率的變化，該曲線斜率的降低導致激光器消光比下降了4dB。消光比如此之大的下降，會引起系統(tǒng)在溫度變化時誤碼率（BER）的較大變化。為了避免誤碼率有較大變化，消光比在常溫時就必須設定的足夠大，這樣才能滿足在整個溫度范圍內(nèi)工作時對誤碼率指針的要求。 實際使用中，得到較大消光比是比較困難的，因

27、為這時激光器馳豫振蕩會加劇信號的抖動；另外，消光比的提高還受限于激光器的輸出光功率。過大消光比所帶來的信號抖動會導致眼圖張開度的減小以及系統(tǒng)整體誤碼率的下降。 應當采用補償技術實現(xiàn)在整個溫度變化范圍內(nèi)消光比能夠維持在一個最佳工作水平。和平均光功率補償法一樣，可以采用“死循環(huán)”和“開環(huán)”電路來實現(xiàn)，在激光器光電轉換曲線斜率變化時，能讓激光器消光比的變化最小。這兩種補償方法是：“K因子補償法”（正在申請專利）和“數(shù)字電位器補償法”。 K因子補償法 激光器的驅動器中加入“K-因子”補償特性，它是在激光器偏置電流增大的同時，按比例增大調制電流。過程如下：為保持平均光功率穩(wěn)定，偏置電流是由APC電路控制

28、的，隨偏置電流提高，電路提取偏置電流的一部分用以調節(jié)調制電流。這樣，總的調制電流（IMOD）等于原有調制電流（IMODS）加上偏置電流（IBIAS）乘以一個因子K。這個K因子可以通過驅動器芯片外接的電阻來設定： ye10xlgP1（dB）； 由于調制電流能隨IBIAS增大而增大，于是當激光器溫度發(fā)生變化或者激光器老化時，消光比能夠得到補償。利用表1、表2所給出的IBIAS、平均光功率以及激光器電光轉換曲線斜率，可以求出在不同K值下，消光比的值，見圖3。通過選擇適當?shù)腒值，可以推算出在溫度等條件變化時，消光比的變化率小于1dB。 (圖3) 數(shù)字電位器補償法 也可以使用數(shù)字可調電位器（電阻器）來保

29、持消光比。這種方法的缺點是它為開環(huán)電路模式，沒有反饋；優(yōu)點是有可能將消光比的變化限制在一個很小的范圍內(nèi)。 在有些數(shù)字電位器內(nèi)置有受溫度控制的電阻值表，電阻值作為溫度的函數(shù)，存儲在非易失存儲器中，溫度范圍從45C95C，步長為2C。使用芯片內(nèi)集成的溫度傳感器，這種電阻的阻值就可以隨溫度的變化而自動調整。數(shù)字電位器是設置成隨溫度升高而減小電阻值，將其連接在激光器驅動器的“調制電流設定端”，在某一溫度，當消光比達到預先設定的最小值時，從激光器驅動器的調制電流設定端看過去的電阻值的減?。ㄓ蓽囟壬咭穑?，將引起調制電流增大。這樣，消光比的變化將會得到補償。 由于數(shù)字電位器電阻值的變化是離散的，消光比隨調制電流的變化也是不連續(xù)的，采用數(shù)字電位器后，消光比的最小偏差值是由電位器溫度分辨率和電阻精度共同決定的；在大多數(shù)應用場合下，整體精度還是很不錯的。如果使用數(shù)字電位器并多校準幾個點，在整個溫度范圍內(nèi)，消光比的變化可以小于0.4dB。 測試數(shù)據(jù) 結合K-因子補償法和數(shù)字電位器補償法，那么消光比的變化