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内部原理图保护二极管LD- PD+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lth+20mA）对应的正向电 压值包括激光器的带隙电压 Vbg及等效串联 电阻的压降I*Rl。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 电压净空问题ST-cr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=VcgVf-Vl-Imod*Rd其中Vcc为电源电压，这里

2、为IMOD 为调制电流，设为 60mAVL 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* 1/ t ,若在s条件下工 作，上升沿时间 20%80%为 80ps ，则得出V为若 RD=20Q, Imod*Rd=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，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=12mAFP-LDlth=5

3、10mADFB-LD Ith=520mAIth随温度的升高而增加，关系式为lth=lo eT/T0 Io为25时的阈值电流，To 为特征温度，表示激光器对温度敏感的程对于WTD的长波长激光器，To为5080KIth参数对光模块的影响：(b) Input-output ch&ractensic&图3激光器的P-I曲线目前模块较多的米用 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

4、 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r=hc/ 2e = 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 lth+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+ 1/2I MOD驱动电流

5、的条件下对应的功率。由于 iBAisHth ,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）P-I曲线的线性度实际P-I曲线是一条曲线，而不是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：

6、 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，在厶Imod=KA I bias,因 为激光器SE的温度特性有如下特点， 在25r到60 C , SE变化不大，但从 60 r到85 r ,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

7、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图5 P-I曲线的拐点 拐点处P=f(l)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

8、（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 =（P1+ P0）/2 =10 lg P1/ P0 模块要求的消光比是一个的确定 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

9、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 lth+20mA时背光电流测试值，通常以 叭 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识， 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 pA。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

10、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 200pA）， 先测量25°C时的光纤输出功率，再测量 在两个极值（如-20C和+85C ）时的光 纤输出功率，则TE=10 lg （P+85C / P+25C ） 及 TE=10 lg （P-25C / P+25C ） 一般要求|TE| < 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

11、SE温度变化率I图7 SE温度变化示意图SE温度变化率=SE85C / SE25°C，这 里包括量子效率及耦合效率的变化。一般要求大于。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

12、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86420串联电阻线示意图图8激光器V-I曲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 46Q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所对应的频率图9激光器3dB带宽示意

13、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= ( 6P) 2/ p2，我们要求RIN 小于-120dB/Hz随着工作电流的增加， RIN 将减小

14、 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%最大幅度值线段的中点对应的波长?c=羽入/ Eo入表示第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。mean=2rAPn / Tn冶表示第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-

15、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。对各种速率及传输距 离下对波长的要求在中都做了严格 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 ?=闰（入-m）2/ 羽1/2屁羽i入/羽i入为第i个光谱成分的波长，ai为第i 个光谱成分的相对强度。FP-LD光谱对于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 谱宽度波图 10 DFB-LD

16、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 的要求在中都做了严格规定。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模块 器件图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 510C ,温差 取决于系统自身的散热能力（一般系统采 用强制风冷散热，即取决于风速和模块接 触体的热