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LD+PD-常用参数1 正向电压VF指激光器工作在一定前向驱动电流的条件下（一般为Ith+20mA ）对应的正向电压值包括激光器的带隙电压V BG 及等效串联电阻的压降I*R L 。下图为。在高速应用条件下，激光器的寄生电感一般也要考虑。图 1激光器的简化等效电路WTD 的 LD 一般为 1.2 1.6VV F 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电压净空 问题.图 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

2、 -I MOD *R D其中 VCC 为电源电压 , 这里为 3.3VIMOD 为调制电流，设为60mAV L 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/ 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 R D=20 ， IMOD *R D=1.2V显然这时 V LOW 很小，而事实上驱动器的输出级工作在放大状态，VLOW 一般大于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

3、料和结构相关。对于 LD 而言， Ith 越小越好一般在 25时VCSEL-LD， Ith=12mAFP-LD ，Ith=510mADFB-LD ，Ith=520mAIth 随温度的升高而增加，关系式为Ith=I 0 eT/T0I 0 为 25时的阈值电流，T0 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 5080KIth 参数对光模块的影响：.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

4、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I 的关系曲线，如图3 所示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 =hc/ e = hf/eh 为普朗克常数，C 为光速， f 为频率， e 为单位电子的电荷WTD 自制管芯的量子效率一般为 3050% ，耦合效率为 2030% 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

5、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 Ith，则如果 1/2 I MOD =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） 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4.P额定光功率P0实际光功率P1理论光功率P210%P0I图 4P-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

6、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 × 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，可设置温度补偿的起始点及变化斜率3） K 因子补偿，在I MOD =KI BIAS , 因为激光器SE 的温度特性有如下特点，在 25到 60， SE 变化不大，但从60到 85，却变化较

7、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I BIAS 及 I MOD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5P拐点I图 5P-I 曲线的拐点拐点处 P=f(I) 存在多值函数，.若驱动电流正好在拐点处，由于这时电流对应多个光功率，APC 电路无法保证光功率的稳定，导致模块在每个功率范围内跳变。（ 4）最大饱和光功率P饱和光功率 PsP1AP0PIIBIASIMOD图 6最大

8、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 +I MOD 电流，则模块能够输出的最大光功率就为PA，因为若以 PS 为 P1，根据下面2 个等式：P=（P + P ）/2A10Ext.r =10 lg P1/ P0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

9、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（ I m）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 Ith+14mA或 Ith+20mA时背光电流测试值，通常以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 功能的驱动芯片 MD 引脚规定了输入电流的范围，如MAX3735 为 181500 A ，即要求激光器的背光电流也在一定范围内。由于过小

10、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 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 A ），先测量 25时的光纤输出功率，再测量在两个极值（如 -20和 +85）时的光纤输出功率，则TE=10 lg (P +85 / P+25) 及 TE=10 lg (P -25 /

11、P+25 )一般要求 |TE| 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P2585I图 7SE 温度变化示意图SE 温度变化率 =SE85 / SE25，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

12、别不大，以 MAX3735 为例，为 10 mA 60mA,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 × 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/dI的值.电压 V2.081.56串联电阻 dV/dI( )1.040.5200注入电流 I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

13、为46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；管压降变大将增加激光器低电压驱动的难度。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dBHz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

14、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= （ 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 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%最大幅度值线段的中点对应的波长 c=Ei i / E0 i 表示第 i 个峰值的波长， Ei 表示第 i 个峰值的能量，

15、 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。 mean= n Pn / Pn 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/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。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光谱宽度对于 FP-L

16、D ，一般用3dB 谱宽的均方根RMS 来表示= ai ( i m)2/ai 1/2m=ai i / ai 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。相对强度-3dB波长图 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-20dB波长图 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 中都做了严格规定。12 边模抑制比（ SMSR ）指激光器发射光谱

17、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 （ 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 参数对模块的影响系统 65模块 75器件 85图 11TOSA 在系统中工作温度示意图这里系统 65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75，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，温差取决于系统自身的散热能力（一般系统采用强制风冷散