光模块消光比的补偿方法

王 三，徐红春

(武汉电信器件有限公司，光纤通信技术和网络国家重点实验室，湖北武汉430074)

1 引言

随着接入网、FTTH(Fiber to the Home)以及3G的高速发展，光纤收发合一模块的应用越来越广泛。国内3G和FTTx的建设给光模块企业的生产带来了拐点式的增长，但产能的急剧提升，也对光模块厂家的批量生产提出了苛刻的要求。另外，由于宽温度范围(-40～+85℃)的高速率光模块(2.488、3.125、6、10 Gbps等)颇受市场青睐，于是宽温度范围内模块的平均光功率和消光比的稳定便成为批量生产过程中的突出问题。一直以来生产厂家常用的光模块消光比补偿方法主要有驱动芯片温度补偿、K系数补偿、查找表、数字电位器补偿等，它们都是在激光器一致性较好的基础上完成的。但如果激光器随温度变化，斜效率变化比较离散，一致性较差，传统补偿方式将会失效。因此，工作在宽温度范围(-40～+85℃)或更苛刻温度范围的光模块实现难度较大，传统补偿方式作用有限，且灵活性差，通常需要焊接电阻并不断验证，耗时且工作量较大。因此，本文提出了一种新的补偿方法，其创新之处在于可根据不同温度下驱动芯片上报电流大小，结合光功率和消光比的计算公式，模拟激光器光功率随电流及电压的变化曲线，并根据要求调整激光器调制电流大小，从而保持消光比的稳定。本文以2.488 Gbps的SFP(Small Form-factor Pluggables)模块为例，探讨器件一致性较差时，如何维持模块平均光功率和消光比的稳定，以保证眼图的质量和传输的稳定性。

2 传统光功率及消光比补偿

保持平均光功率和消光比的稳定性，通常采用以下一些方法：(1)采用驱动芯片的APC功能保持器件光功率的稳定，根据背光电流的大小，自动调节偏置电流。设置常温下的调制电流，采取温度补偿和K系数补偿相结合的方式，调节调制电流的大小，维持消光比稳定 (2)通过查找表的方式，根据几只光模块随温度变化的校准参数，每2℃为一个步进，设置多个温度点的偏置电流和调制电流［3］。(3)采用带数字电位器的监控芯片，调节随温度变化对应的数字电位器的值。该方法类似查找表的方式，但更为灵活［4］。

以上3种方法是目前主流的光功率及消光比温度稳定补偿方法。3种方法的共同之处就是要求采用的光器件一致性较好，需要规定器件的斜效率范围，且温度一致性较好。如果器件之间的差异性较大，则同一个补偿方案对于不同的模块，消光比会呈现较大的离散性。而相关的光模块标准规定，2.488 Gbps的消光比最小值为8.2 dB，光眼图的模板 margin最小为10%。通常2.488 Gbps的实验得到最高消光比为11dB，再大就会导致过冲或者交叉点偏低，影响传输。这样2.488 Gbps工业级温度范围光模块的消光比只能在8.2～11 dB，此数据比较严格且难以保证，特别是对于单纤维双向的器件［5］。

图1 激光器驱动耦合电路图Fig.1 Diagram of laser driver coupled interface circuit

3 2.488 Gbps SFP设计方案

本方案采用驱动芯片，最大偏置电流为100 mA，最大调制电流为90 mA;集成非易失寄存器，用于芯片控制及数据通信;带两路IIC总线，一路与单片机通信，另外一路提供模块与外部数据通信;自动调节A/D转换器，实现数字监控、校准及参数上报;集成驱动与接收在一块芯片上，节约了空间。激光器驱动耦合电路图如图1所示。

3.1 发射部分电路简介

驱动部分与光发射次模块(TOSA)采用交流耦合的方式，以提高边沿触发时间，同时避免由于直流耦合带来的压降过大导致LD的压降不够而使眼图变形［6］。Laser+与Laser-均通过电阻上拉，二者之间通过电容耦合，其中RC网络起到一定的补偿作用，可减小寄生电感、弛豫振荡和过冲，维持稳定的负载阻抗。由于Laser+的匹配电阻会因器件的不同而发生变化，所以只有合理选取匹配电阻，才能很好地解决眼图双线等问题，若过大会扼制消光比的范围，而消光比过大会导致过冲，下降沿缓慢等问题［7］。背光电流用于稳定光功率大小，自动控制功率(APC)反馈回路，在考虑温度和寿命上的基础上维持恒定平均光功率。选择大范围调制电流(90 mA)与偏置电流(100 mA)，可使该装置能够理想地驱动FP/DFB激光二极管。

3.2 芯片发射部分主要寄存器

芯片发射部分主要寄存器配置见表1。

表1 发射部分主要寄存器Tab．1 Main register of transmit part

常规光功率补偿方式有两种：一种是闭环，一种是开环［8］。闭环方式是利用PD的背光电流与寄存器66H设置的参考电流进行比较，根据背光变化的大小，芯片自动调节发射功率，从而维持光功率稳定。开环模式是采取编程的方式改变偏置电流大小，用寄存器B1H，B2H设置需要的输出光功率。本方案选用闭环方式来维持光功率稳定。

3.3 单片机部分电路简介

图2 单片机电路Fig.2 MCU circuit

单片机电路如图2所示，Pin4和Pin5是单片机程序下载接口。P1.0、P1.1是单片机与芯片通信的IIC接口。P0.1、P0.2则是单片机与光模块外部通信IIC接口。上位机通过串口或者USB转IIC的方式与光模块测试板通信，校准光功率、消光比、温度、偏置电流、电源电压，同时通过IIC配置驱动芯片的寄存器、监控上报等［9］。

4 新型消光比补偿方式

4．1 LD的高低温特性

如前文所述，常规消光比补偿主要有3种，这3种补偿方式都是建立在激光器件一致性较好的前提下。LD的P-I-V曲线与温度的关系如图3所示。对应θ1和θ2两种温度的P-I-V曲线图，对应不同的偏置电流和调制电流。温度越高，斜效率越小，需要补偿的电流就越多。P1对应‘1’电平的功率，P0对应‘0’电平的功率。PAVG是LD的出光平均光功率［10］。

图3 LD的P-I-V曲线Fig.3 P-I-V curves of LD

传统的补偿方式所采用的光器件的一致性较好，且需要规定器件斜效率范围。如果器件之间的差异性较大，对于不同的光模块，在高温条件下斜效率变化非常离散，就会导致消光比高温补偿出现离散分布。有的光模块可能补偿不够，消光比低于标准值8.2 dB;有的可能补偿过多，大于11 dB，导致过冲，难以符合10%的margin。这两种情况都会导致发射信号质量较差，接收光模块难以复原信号，使灵敏度劣化，无法满足传输距离要求

4.2 新型消光比补偿

提出的方法所用光模块是2.5 Gbps 15 km单纤双向SFP，应用于工业级温度为-40～+85℃，发射平均光功率典型值为-2.5 dBm(-5～0 dBm)，消光比介于8.2 dB和11 dB之间。考虑测试误差和插拔重复性各±0.5 dBm，全温度范围的光功率为-4～-1 dBm，温度变化对光功率的影响若按±1 dBm计算，则在常温下的光功率为 -3～ -2 dBm(501.1～631 μW)，取典型值为-2.5 dBm(562.3 μW)。设定在 +25 ℃时，PAVG=-2.5 dBm，消光比EX=10 dB。

据PAVG=562.3 μW，计算出P1+P0=1 124.6 μW;EX=10 dB，计算出P1/P0=10。因此得到：P0=102.2 μW，P1=1 022.4 μW。本方法发射部分采用交流耦合的方式，当温度为θ1时，斜效率为SE(t1)：

当温度为θ2时，斜效率为SE(t2)：

如果要在θ1与θ2条件下消光比保持不变，则EX1=EX2。

通过化简得到：

设定 θ1为 +25 ℃，则IBias1，IMod1可以通过驱动芯片的设置及上报读取。再根据P1，P0，IBias1、IMod1，由下面的公式求出+25℃温度下的斜效率SE和ITH。

同理，θ2温度下，通过设置两组偏置电流和调制电流，也可以得到 θ2温度下的模拟P-I-V曲线。先求出SE(θ2)和ITH(θ2)，再根据公式计算，通过APC上报读取IBias2，以求出保证EXT不变情况下所需的IMod2的值，再通过驱动芯片寄存器配置直接更改此时调制电流的大小。这样无论温度如何变化，斜效率变化如何不一致，都能够通过软件模拟及计算的方式，调整得到稳定的消光比。

由于单片机不会随着温度的变化无休止地模拟P-I-V曲线，也不会无休止地计算需要的调制电流，因为这样会消耗大量的资源，也会增加许多额外的功耗。因此，通过几个不同TOSA随着温度的消光比变化，结合商业级温度范围0～+70℃，在65、75、85℃这3个温度点进行了模拟和计算，最后通过60个不同模块进行验证，结果发现：消光比均在9～10.5 dB，眼图质量得到了保证。

5 结论

本文采用驱动芯片结合单片机，通过软件模拟P-I-V曲线，确保了在宽温度范围内器件LD在斜效率一致性较差的情况下，仍然能够得到稳定的消光比，从而保证了眼图质量。得到的结果可使很多用户将原来斜效率的指标适当放宽10%，从而提高近10%的利用率，并降低成本，还能将常规补偿方式不合格的器件用这种方式重新加以利用。该补偿方法使用灵活，随时可以通过修改软件得到想要的结果。由于模拟曲线不可能与实际完全吻合，校准上报和真实值也存在一定差异，因此，适当选取几个温度点模拟和计算，能够得到更加精确的结果。

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