发射组件TOSA常用参数及测试方法

1、发射组件TOSA常用参数 发射组件TOSA内部原理图 LD- PD+ 保护二极管 k 5 1 I 1 r i 1 1 1 1 1 I t * j O 0 O O LD+ PD- lth+20mA ）对应的正向电压值 I*Rl。下图为。 常用参数 1正向电压V 指激光器工作在一定前向驱动电流的条件下（一般为 包括激光器的带隙电压 Vbg及等效串联电阻的压降 在高速应用条件下，激光器的寄生电感一般也要考虑。 十I 图1激光器的简化等效电路 WTD 的 LD 一般为 1.2 1.6V 电压净空问题 Vf参数对光模块的影响：激光器高速率低电压直流耦合驱动产生的 I.ivifr(I irh er 图2

2、激光器的DC耦合驱动电路 OUT-及OUT+回路轮流导通，当 OUT+灌入调制电流时： Vlow =V cc-V f-V l-I mod*R d 其中Vcc为电源电压，这里为3.3V Imod为调制电流，设为 60mA Vl为激光器寄生电感（一般为12nH ）引起的交变电流的压降，可近似计算为 Vl=H* I/A t ,若在2.5Gb/s条件下工作，上升沿时间20%80% 为80ps , 则得出Vl为0.7V 若 Rd=20 Q, Imod*Rd=1.2V 显然这时Vlow很小，而事实上驱动器的输出级工作在放大状态，Vlow 般大于 0.7V，所以在这种情况下发射眼图上升沿时间变缓，眼开度降低

3、 2阈值电流（Ith ） 指激光器由自发辐射转换到受激辐射状态时的正向电流值，它与激光器的材料和结构 相关。 对于LD而言，Ith越小越好 一般在25 C时 VCSEL-LD , Ith=12mA FP-LD,Ith=510mA DFB-LD ,Ith=520mA Ith随温度的升高而增加，关系式为 Ith=I 0 eT/T0 I0为25C时的阈值电流，T。为特征温度，表示激光器对温度敏感的程度 对于 WTD的长波长激光器，T0为5080K Ith参数对光模块的影响： l i胆lmq illhi/stfaiTu当 IK 二匸miplcd bin賢 jcurcrnt- (b) Input-out

4、put characteristics 图3激光器的P-I曲线 目前模块较多的采用 DC耦合方式，偏置电流IBAIS约等于Ith，随着温度的升高，模块 的APC电路将自动增加IBAIS，补偿Ith的变化。由于模块驱动芯片一般能够提供60mA的 IBAIS，所以通常情况下外购或自制激光器的Ith指标能够达到模块使用要求。 3 P-I 曲线(P-I) 指激光器总的输出光功率P与注入电流 曲线的拐点是阈值电流 (1)曲线的斜率是激光器电光转换效率 I的关系曲线，如图 3所示 SE(mW/mA)，它是激光器的量子效率与器件耦合 效率的乘积。 量子效率 n =hc/入e = hf/e h为普朗克常数，C

5、为光速, WTD自制管芯的量子效率一般为 f为频率，e为单位电子的电荷 3050%，耦合效率为2030% 4 SE参数对模块的影响：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 )直流电流的条件下测得的输出功率 模块输出平均光功率是指在Ibais+1/2 I mod驱动电流的条件下对应的功率。 由于Ibais疋Ith，则如果1/2 lMOD=14mA，则模块功率与器件功率基本是一致的。这里有 一点需要注意的是，由于器件测试时测试光纤是自由状态，而器件安装在模块外壳中时 连接器的限位导致光路耦合到光纤时的效率往往不一致，这样最终结果存在差别。 (2)

6、P-I曲线的线性度 实际P-I曲线是一条曲线，而不是直线，如图 额定光功率Po 1O%Po Pi P2 图4 P-I曲线的线性度 P-I曲线的线性度测试的简单方法：可以通过曲线对应的10%及额定光功率点的直线 与实际曲线偏离的最大变化来表示，即 功率线性度=(P2-P1)/P2 X 100% 线性度参数对模块的影响：只要曲线上点的斜率大于0, 一般不会影响模块使用 但其消极影响有：a将会对激光器的工作点的计算产生偏差 b将引起模块消光比的温度补偿的误差。解释如下: 因为目前模块消光比的温度补偿方法大致有4种(不考虑双环控制)： 1) 在调制电流设置端加热敏电阻 2) 芯片带有温度补偿电路，可设

7、置温度补偿的起始点及变化斜率 3) K因子补偿，在厶Imod=K I bias ,因为激光器SE的温度特性有如下特点， 在25 C 到60C, SE变化不大，但从60 C到85C，却变化较大，所以单纯设置一个补偿 斜率不能够进行有效补偿，而阈值的温度变化快慢与SE比较接近，因此K因子 补偿能够较好解决补偿斜率变化的问题 4) Look-up Table查找表方式，往往根据几个典型温度点精确设置Ibias及Imod 以上4种方法均是以激光器具有良好的线性度为前提的。 (3)拐点 指P-I曲线上的扭转点，如图5 拐点 图5 P-I曲线的拐点 拐点处P=f(l)存在多值函数, APC电路无法保证光功

8、 若驱动电流正好在拐点处，由于这时电流对应多个光功率, 率的稳定，导致模块在每个功率范围内跳变。 （4 ）最大饱和光功率 图6最大饱和光功率示意图 最大饱和光功率指激光器所能输出的最大的光功率（P-I曲线最大跌落处对应的光功 率） 参数对模块的影响： 模块高温下功率下降， 人为调整光功率设置，也达不到满足要求的功率值，这就是激 光器在高温下饱和功率低于所需功率引起的（排除驱动电流饱和因素）。 还有一种影响往往被忽视： 若模块能够提供如图所示的Ibias +Imod电流，则模块能够输出的最大光功率就为Pa， 因为若以Ps为Pi,根据下面2个等式： Pa =（ Pi+ Po）12 Ext.r =1

9、0 Ig P i/ Po 模块要求的消光比 Ext.r是一个的确定值，所以模块所能输出的最大光功率就可以确 定。通常在高温时，需要考虑激光器的饱和光功率指标。 可能有这样的情况，模块在 调测时，可以调到所需的光功率， 但无任怎样增加调制电流， 均不能调到要求的消光 比,如果能够确定驱动电流没有饱和，则可以确定是激光器过早饱和的缘故。 4背光电流（Im） 指激光器在规定的光输出功率时，在给定一定背光探测器反向电压时输出的光电流。 一般TOSA要给出在lth+14mA或lth+20mA时背光电流测试值，通常以 卩A表示。 参数对模块的影响： 模块的APC环路是以背光电流为采样点的，一般具有APC功

10、能的驱 动芯片MD弓I脚规定了输入电流的范围，女口MAX3735为181500卩A，即要求激光器的 背光电流也在一定范围内。由于过小的背光电流，会导致APC环路过于灵敏，增加不稳 定性，所以通常我们要求TOSA在额定功率点的背光不小于100卩A。多个TOSA的背 光电流一致性不好， 会导致模块在调整光功率时，设置电阻偏差太大，增加批量生产的难 度。 5跟踪误差（TE ） 对TOSA而言，跟踪误差指的是在两个不同温度条件下的光纤输出功率的比值，它是度 量器件耦合效率稳定性的参数，单位为dB。 测试方法；恒定背光电流（如 200卩A ）,先测量25C时的光纤输出功率，再测量在两个 极值（如-20C

11、和+85C）时的光纤输出功率，则 TE=10 lg （P+85C / P+25C）及 TE=10 lg （P -25 C / P+25C ） 一般要求 |TE|W 1.5dB 参数对模块的影响： 跟踪误差是影响模块输出光功率稳定性的重要指标。模块在高低温输 出光功率发生变化，通常是由于跟踪误差引起的（若激光器在高温下没有过早饱和）。 6 SE温度变化率 图7 SE温度变化示意图 SE温度变化率=SE85 C / SE25 C,这里包括量子效率及耦合效率的变化。 一般要求大于0.5。 因为跟踪误差已经规范了耦合效率的变化率，通常在这里只考虑量子效率的变化。 参数对模块的影响： 事实上，此参数间接

12、规定了高温下的SE 模块的温度补偿电路将在高温时增加调制电流，以保持消光比的稳定，但值得注意的是， 模块在高温时的电流供给能力，一般与常温差别不大，以MAX3735为例，为10 mA 60 mA,再加上RC补偿网络的分流，芯片最大能够提供的调制电流为60 mA X 80% （视RC 参数而定），约48 mA，模块电流供给能力的限制将制约了高温SE参数。每种模块由 于采用的驱动芯片、耦合方式、输出端串联电阻及RC补偿网络的不同，调制电流的实 际供给能力有所不同，可以对其进行理论预估和实际测量。 7等效串联电阻R 指激光器工作在一定电流处时dV/dl的值 8 电压V 2.0 4 2 6 串联电阻d

13、V/dI( Q ) 0 图8 激光器V-I曲线示意图 等效串联电阻越小越好，长波长激光器等效串联电阻一般为 等效串联电阻将影响激光器的3dB带宽及工作时的管压降 参数对模块的影响：3dB带宽将影响模块发射眼图的质量； 电压驱动的难度。 8 3dB带宽（截止频率） 指激光器的幅频特性中最大幅度下降3dB所对应的频率 46Q 管压降变大将增加激光器低 Hz 图9激光器3dB带宽示意图 对于应用于数字通信的激光器而言，激光器的3dB带宽必须大于线路比特速率的1.4倍 参数对模块的影响：3dB带宽将直接影响模块发射眼图的质量，带宽过大，常会引起激 光器在调制过程中的驰豫振荡现象，即眼图的振铃现象。 带

14、宽过小，会导致眼图的上升 沿及下降沿的时间变慢，眼开度下降。 9相对强度噪声（RIN ） 由于谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏，导致输出光波中存在固有的量子噪声，这 种量子噪声用相对强度噪声来度量，即在一定的频率范围内，光强度脉动的均方根与平 均光强度平方之比，公式为 RIN= (S P) 2/ p2 ,我们要求 RIN小于-120dB/Hz 随着工作电流的增加，RIN将减小 参数对模块的影响：RIN将影响模块发射眼图的抖动指标。 10波长入 激光器的波长有三种表示方法：峰值波长、中心波长、平均波长 峰值波长：光谱中若干发射模式中最大强度的光谱波长 中心波长：在光谱中，连接50%最大幅度值线

15、段的中点对应的波长 入c=工Ei入i / Eo 入i表示第i个峰值的波长，Ei表示第i个峰值的能量，E0为所有峰值的能量。 平均波长：指所有模式的加权平均值，将幅度大于峰值2%的模式均计算在内。 入mean=工入n Pn /工Pn 入n表示第n个峰值的波长，Pn表示第n个波长的功率 其中中心波长用得最多，对于DFB-LD，中心波长与峰值波长值几乎相同；对于FP-LD , 一般用中心波长或平均波长表示激光器得工作波长。 一般WTD的激光器中心波长随着温度增加将以0.5nm/C的速度变长 参数对模块的影响：因为不同波长对应的光纤衰耗及色散系数不一样，所以模块不同的 传输距离对工作波长要求就不一样。

16、对各种速率及传输距离下对波长的要求在G.957中 都做了严格规定。 11光谱宽度厶入 对于FP-LD，般用3dB谱宽的均方根 RMS来表示 入=艺 ai (入 i m)2/ 艺 ai 入m=艺ai入i /艺ai 入i为第i个光谱成分的波长，ai为第i个光谱成分的相对强度。 图10 FP-LD光谱示意图 对于DFB-LD激光器，以主模中心波长的最大峰值功率跌落-20 dB的最大全宽为光谱宽度 相对强度 图10 DFB-LD光谱示意图 参数对模块的影响：因为光纤的色散是激光器光谱宽度的函数，所以模块不同的传输距 离对谱宽要求就不一样。对各种速率及传输距离下对谱宽的要求在 G.957中都做了严格 规

17、定。 12边模抑制比（SMSR） 指激光器发射光谱中，在规定的输出光功率时最高光谱峰强度与次高光谱峰强度之比 此指标仅针对DFB单纵模激光器，一般要求大于30dB 参数对模块的影响：对模块的传输距离有一定影响 13 TOSA的存储温度（Tstg）及工作温度（Top） （1）存储温度（Tstg） 当器件存储在一个非工作条件下，绝对不能超过的温度（大气环境）范围 一般为-40+95 C （2）工作温度（Top） 一般为器件工作的管壳温度。指器件处于工作状态时，绝不能超过的管壳温度范围 通常为-20+85 C 参数对模块的影响 系统65 C 模块75 C 器件85 C 图11 TOSA在系统中工作温度示意图 这里系统65 C指的是系统（具体指机柜内单板的环境温度），由于热源和散热条件不一 样，各单板的环境温度可能有差异。而这里提到的模块管壳温度75C，因为模块本身具备 一定功耗（发热体），它的温度往往比环境温度要高510 C,温差取决于系统自身的散热能 力（一般系统采用强制