發(fā)射組件TOSA常用參數(shù)及測試方法

1、發(fā)射組件TOSA常用參數(shù)n 發(fā)射組件TOSA內(nèi)部原理圖常用參數(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Ith+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。圖1 激光器的簡化等效電路 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)生的電壓凈空問題圖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(shí)：VLOW=VCC-VF-VL-IMOD*RD其中VCC為電源電壓, 這里為3.3V IMOD為調(diào)制電流，

2、設(shè)為60mA VL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(jì)算為VL=H*I/t , 若在2.5Gb/s條件下工作，上升沿時(shí)間20%80%為80ps ,則得出VL為0.7V若RD=20，IMOD*RD=1.2V顯然這時(shí)VLOW 很小，而事實(shí)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(shí)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(shí)的正向電流值，它與激光器的材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)。 對于LD而言，Ith越小越好 一般在25時(shí)VCSEL-LD ，Ith=12mA FP-LD， Ith=510mADFB-LD

3、， Ith=520mA Ith隨溫度的升高而增加，關(guān)系式為 Ith=I0 eT/T0 I0為25時(shí)的閾值電流，T0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：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(diǎn)是閾值電

4、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=hc/e = hf/e h為普朗克常數(shù)，C為光速，f為頻率，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IBAISIth，則如果1/2 IMOD=14mA ，則模塊功率與器件功率基本是一致的。這里有一點(diǎn)需要注意的是，由于器件測

5、試時(shí)測試光纖是自由狀態(tài)，而器件安裝在模塊外殼中時(shí)連接器的限位導(dǎo)致光路耦合到光纖時(shí)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(shí)際P-I曲線是一條曲線，而不是直線，如圖4額定光功率P0實(shí)際光功率P1理論光功率P2IP10%P0圖4 P-I曲線的線性度 P-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(diǎn)的直線與實(shí)際曲線偏離的最大變化來表示，即 功率線性度=(P2-P1)/P2 ×100%線性度參數(shù)對模塊的影響:只要曲線上點(diǎn)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(diǎn)的計(jì)算產(chǎn)生偏差 b 將引起模塊消光比的溫度補(bǔ)償?shù)?/p>

6、誤差。解釋如下：因?yàn)槟壳澳K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(diǎn)及變化斜率3） K因子補(bǔ)償，在IMOD=KIBIAS, 因?yàn)榧す馄鱏E的溫度特性有如下特點(diǎn)，在25到60，SE變化不大，但從60到85，卻變化較大，所以單純設(shè)置一個(gè)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(gè)典型溫度點(diǎn)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(diǎn)指P-I曲線

7、上的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，如圖5拐點(diǎn)IP圖5 P-I曲線的拐點(diǎn)拐點(diǎn)處P=f(I)存在多值函數(shù)，若驅(qū)動電流正好在拐點(diǎn)處，由于這時(shí)電流對應(yīng)多個(gè)光功率， APC電路無法保證光功率的穩(wěn)定，導(dǎo)致模塊在每個(gè)功率范圍內(nèi)跳變。（4）最大飽和光功率P1IPPAP0飽和光功率PsIBIASIMOD圖6 最大飽和光功率示意圖 最大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

8、流，則模塊能夠輸出的最大光功率就為PA，因?yàn)槿粢訮S為P1，根據(jù)下面2個(gè)等式：PA =（P1+ P0）/2Ext.r =10 lg P1/ P0 模塊要求的消光比Ext.r是一個(gè)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(shí)，需要考慮激光器的飽和光功率指標(biāo)?？赡苡羞@樣的情況，模塊在調(diào)測時(shí)，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(shí)，在給定一定背光探測器反向電壓時(shí)輸出的光電流。 一般TOSA要給出在Ith+14mA或Ith+20mA時(shí)背光電

9、流測試值，通常以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(diǎn)的，一般具有APC功能的驅(qū)動芯片MD引腳規(guī)定了輸入電流的范圍，如MAX3735為181500A，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(diǎn)的背光不小于100A 。多個(gè)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(shí)，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(gè)不同溫度條件下的光纖輸出功率的比值，它是度量器件耦合效率穩(wěn)定性的參數(shù),單位為dB。 測試方法；恒定背光電流（如

10、200A），先測量25時(shí)的光纖輸出功率，再測量在兩個(gè)極值（如-20和+85）時(shí)的光纖輸出功率，則 TE=10 lg (P+85/ P+25)及 TE=10 lg (P-25/ P+25) 一般要求|TE|1.5dB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 IP2585圖7 SE溫度變化示意圖SE溫度變化率=SE85/ SE25，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?yàn)楦櫿`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

11、影響：事實(shí)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(shí)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(shí)的電流供給能力，一般與常溫差別不大，以MAX3735為例，為10 mA 60 mA, 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 mA ×80%（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(shí)際供給能力有所不同，可以對其進(jìn)行理論預(yù)估和實(shí)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(shí)dV/dI 的值電壓V00.51.0

12、1.52.02460注入電流I串聯(lián)電阻dV/dI()8圖8 激光器V-I曲線示意圖等效串聯(lián)電阻越小越好，長波長激光器等效串聯(lián)電阻一般為46等效串聯(lián)電阻將影響激光器的3dB帶寬及工作時(shí)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；管壓降變大將增加激光器低電壓驅(qū)動的難度。8 3dB帶寬（截止頻率）指激光器的幅頻特性中最大幅度下降3dB所對應(yīng)的頻率HzdB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)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)

13、象。帶寬過小，會導(dǎo)致眼圖的上升沿及下降沿的時(shí)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=（P）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 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(diǎn)對應(yīng)的波長

14、c=Eii / E0 i表示第i個(gè)峰值的波長，Ei表示第i個(gè)峰值的能量，E0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%的模式均計(jì)算在內(nèi)。 mean=n Pn / Pn n表示第n個(gè)峰值的波長, Pn表示第n個(gè)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/的速度變長參數(shù)對模塊的影響：因?yàn)椴煌ㄩL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.95

15、7中都做了嚴(yán)格規(guī)定。11 光譜寬度對于FP-LD，一般用3dB譜寬的均方根RMS來表示= ai(i m)2/ai1/2m=aii / aii為第i個(gè)光譜成分的波長，ai為第i個(gè)光譜成分的相對強(qiáng)度。-3dB波長相對強(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-20dB波長相對強(qiáng)度圖10 DFB-LD光譜示意圖參數(shù)對模塊的影響：因?yàn)楣饫w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

16、的輸出光功率時(shí)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(gè)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+95（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(shí)，絕不能超過的管殼溫度范圍通常為-20+85參數(shù)對模塊的影響系統(tǒng)65模塊75器件85 圖11 TOSA在系統(tǒng)中工作溫度示意圖這里系統(tǒng)65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75，因?yàn)槟K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510，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，即取決于風(fēng)速和