發(fā)射組件TOSA常用參數(shù)及測試方法

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+保護二極管LD+PD-常用參數(shù)1正向電壓vf保護二極管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+3.IVOUT-IOUT+BIASOUT-IOUT+BIAS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：Vlow=Vcc-Vf-V』mod*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1~2nH）引起的交變電流的壓降，可近似計算為VL=H*A|/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)。對于LD而言，Ith越小越好一般在25°C時VCSEL-LD，Ith=1~2mAFP-LD，Ith=5~10mADFB-LD，Ith=5~20mAIth隨溫度的升高而增加，關(guān)系式為Ith=I0eT/T0I0為25C時的閾值電流，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50?80KIth參數(shù)對光模塊的影響:P口-Fijgiirc：ilhistrstc：-DC'-ccmpIcd函口頃，(b)Input-outputcharactenstics圖3激光器的P-I曲線目前模塊較多的采用DC耦合方式，偏置電流舊AIS約等于Ith,隨著溫度的升高，模塊的APC電路將自動增加IBAIS，補償Ith的變化。由于模塊驅(qū)動芯片一般能夠提供60mA的舊AIS，所以通常情況下外購或自制激光器的Ith指標能夠達到模塊使用要求。3P-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，e為單位電子的電荷WTD自制管芯的量子效率一般為30?50%，耦合效率為20?30%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+1/2Imod驅(qū)動電流的條件下對應(yīng)的功率。由于IBAIS-Ith，則如果1/2IMOD=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。P-I曲線的線性度實際P-I曲線是一條曲線，而不是直線，如圖4

圖4P-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償?shù)恼`差。解釋如下：因為目前模塊消光比的溫度補償方法大致有4種(不考慮雙環(huán)控制)：在調(diào)制電流設(shè)置端加熱敏電阻芯片帶有溫度補償電路，可設(shè)置溫度補償?shù)钠鹗键c及變化斜率K因子補償，在△Imod=K△Ibias，因為激光器SE的溫度特性有如下特點，在25°C到60C，SE變化不大，但從60C到85C，卻變化較大，所以單純設(shè)置一個補償斜率不能夠進行有效補償，而閾值的溫度變化快慢與SE比較接近，因此K因子補償能夠較好解決補償斜率變化的問題Look-upTable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。拐點指P-I曲線上的扭轉(zhuǎn)點，如圖5拐點處P=f(I)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，APC電路無法保證光功率的穩(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PPA飽和光功率？、P1P0I圖PPA飽和光功率？、P1P0I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+mod電流，則模塊能夠輸出的最大光功率就為PA，因為若以PS為P1，根據(jù)下面2個等式：PA=（P1+P0）/2Ext.r=10lg/PP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?？赡苡羞@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Ith+14mA或Ith+20mA時背光電流測試值，通常以以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18~1500〃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〃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200UA）,先測量25^時的光纖輸出功率，再測量在兩個極值（如-20°C和+85°C）時的光纖輸出功率，則TE=10lg（P@+85C/P@+25C）及TE=101g（P@-25C/P@+25C）一般要求ITEIW1.5dB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。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）。6SE溫度變化率P85C圖7SE溫度變化示意圖P85CSE溫度變化率=SE@85C/SE@25C，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，一般與常溫差別不大，以MAX3735為例，為10mA~60mA,再加上RC補償網(wǎng)絡(luò)的分流，芯片最大能夠提供的調(diào)制電流為60mAX80%（視RC參數(shù)而定），約48mA，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/dI的值

串聯(lián)電阻dV/dI（Q串聯(lián)電阻dV/dI（Q）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4~6Q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；管壓降變大將增加激光器低電壓驅(qū)動的難度。83dB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)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度噪聲來度量，即在一定的頻率范圍內(nèi)，光強度脈動的均方根與平均光強度平方之比，公式為RIN=(5P)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。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Xc=SE.X./E0七表示第i個峰值的波長，E.表示第i個峰值的能量，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%的模式均計算在內(nèi)。入mean=^入nPn/SP^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中都做了嚴格規(guī)定。11光譜寬度△入對于FP-LD，一般用3dB譜寬的均方根RMS來表示△入二[Sa.(七Tm)2/￡a.]i/2入入./Sa^入.為第i個光譜成分的波長，氣為第i個光譜成分的相對強度。相對強度-3dB波長圖10FP-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咨20dB的最大全寬為光譜寬度

相對強度-20dB圖10DFB-LD相對強度-3dB波長相對強度-20dB圖10DFB-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度與次高光譜峰強度之比此指標僅針對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13TOSA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?+95°C（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)對模塊的影響這里系統(tǒng)65C指的是系統(tǒng)（具體指機柜內(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75r，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5~ior，溫差取決于系統(tǒng)自身的散熱能力（一般系統(tǒng)采用強制風(fēng)冷散熱，即取決于風(fēng)速和