發(fā)射組件TOSA常用參數(shù)及測(cè)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(hù)二極管LD+PD-常用參數(shù)1正向電壓vf保護(hù)二極管指激光器工作在一定前向驅(qū)動(dòng)電流的條件下（一般為Ith+20mA）對(duì)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(jiǎn)化等效電路WTD的LD一般為1.2?1.6VVF參數(shù)對(duì)光模塊的影響：激光器高速率低電壓直流耦合驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路OUT-及OUT+回路輪流導(dǎo)通，當(dāng)OUT+灌入調(diào)制電流時(shí)：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(jì)算為VL=H*A|/At,若在2.5Gb/s條件下工作，上升沿時(shí)間20%~80%為80ps,則得出VL為0.7V若RD=20Q，IMOD*RD=1-2V顯然這時(shí)vlow很小，而事實(shí)上驅(qū)動(dòng)器的輸出級(jí)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(shí)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(shí)的正向電流值，它與激光器的材料和結(jié)構(gòu)相關(guān)。對(duì)于LD而言，Ith越小越好一般在25°C時(shí)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(shí)的閾值電流，T0為特征溫度，表示激光器對(duì)溫度敏感的程度對(duì)于WTD的長波長激光器，T0為50?80KIth參數(shù)對(duì)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(dòng)增加IBAIS，補(bǔ)償Ith的變化。由于模塊驅(qū)動(dòng)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(biāo)能夠達(dá)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(diǎn)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(duì)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(cè)得的輸出功率模塊輸出平均光功率是指在Ibais+1/2Imod驅(qū)動(dòng)電流的條件下對(duì)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(diǎn)需要注意的是，由于器件測(cè)試時(shí)測(cè)試光纖是自由狀態(tài)，而器件安裝在模塊外殼中時(shí)連接器的限位導(dǎo)致光路耦合到光纖時(shí)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(shí)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(cè)試的簡(jiǎn)單方法：可以通過曲線對(duì)應(yīng)的10%及額定光功率點(diǎn)的直線與實(shí)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(duì)模塊的影響:只要曲線上點(diǎn)的斜率大于0，一般不會(huì)影響模塊使用但其消極影響有：a將會(huì)對(duì)激光器的工作點(diǎn)的計(jì)算產(chǎn)生偏差b將引起模塊消光比的溫度補(bǔ)償?shù)恼`差。解釋如下：因?yàn)槟壳澳K消光比的溫度補(bǔ)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(bǔ)償電路，可設(shè)置溫度補(bǔ)償?shù)钠鹗键c(diǎn)及變化斜率K因子補(bǔ)償，在△Imod=K△Ibias，因?yàn)榧す馄鱏E的溫度特性有如下特點(diǎn)，在25°C到60C，SE變化不大，但從60C到85C，卻變化較大，所以單純?cè)O(shè)置一個(gè)補(bǔ)償斜率不能夠進(jìn)行有效補(bǔ)償，而閾值的溫度變化快慢與SE比較接近，因此K因子補(bǔ)償能夠較好解決補(bǔ)償斜率變化的問題Look-upTable查找表方式，往往根據(jù)幾個(gè)典型溫度點(diǎn)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(diǎn)指P-I曲線上的扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，如圖5拐點(diǎn)處P=f(I)存在多值函數(shù)，若驅(qū)動(dòng)電流正好在拐點(diǎn)處，由于這時(shí)電流對(duì)應(yīng)多個(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)的光功率）參數(shù)對(duì)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(dá)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(dòng)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?yàn)槿粢訮S為P1，根據(jù)下面2個(gè)等式：PA=（P1+P0）/2Ext.r=10lg/PP模塊要求的消光比Ext.r是一個(gè)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(shí)，需要考慮激光器的飽和光功率指標(biāo)?？赡苡羞@樣的情況，模塊在調(diào)測(cè)時(shí)，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(dòng)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(shí)，在給定一定背光探測(cè)器反向電壓時(shí)輸出的光電流。一般TOSA要給出在Ith+14mA或Ith+20mA時(shí)背光電流測(cè)試值，通常以以A表示。參數(shù)對(duì)模塊的影響：模塊的APC環(huán)路是以背光電流為采樣點(diǎn)的，一般具有APC功能的驅(qū)動(dòng)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(huì)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(diǎn)的背光不小于100〃A。多個(gè)TOSA的背光電流一致性不好，會(huì)導(dǎo)致模塊在調(diào)整光功率時(shí)，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(duì)TOSA而言，跟蹤誤差指的是在兩個(gè)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(cè)試方法；恒定背光電流（如200UA）,先測(cè)量25^時(shí)的光纖輸出功率，再測(cè)量在兩個(gè)極值（如-20°C和+85°C）時(shí)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(duì)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(biāo)。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?yàn)楦櫿`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(duì)模塊的影響：事實(shí)上，此參數(shù)間接規(guī)定了高溫下的SE模塊的溫度補(bǔ)償電路將在高溫時(shí)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(shí)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(bǔ)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(dòng)芯片、耦合方式、輸出端串聯(lián)電阻及RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的不同，調(diào)制電流的實(shí)際供給能力有所不同，可以對(duì)其進(jìn)行理論預(yù)估和實(shí)際測(cè)量。7等效串聯(lián)電阻R指激光器工作在一定電流處時(shí)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(shí)的管壓降參數(shù)對(duì)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(dòng)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(duì)應(yīng)的頻率圖9激光器3dB帶寬示意圖對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)導(dǎo)致眼圖的上升沿及下降沿的時(shí)間變慢，眼開度下降。9相對(duì)強(qiáng)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(duì)強(qiáng)度噪聲來度量，即在一定的頻率范圍內(nèi)，光強(qiáng)度脈動(dòng)的均方根與平均光強(qiáng)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(duì)模塊的影響：RIN將影響模塊發(fā)射眼圖的抖動(dòng)指標(biāo)。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(qiáng)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(diǎn)對(duì)應(yīng)的波長Xc=SE.X./E0七表示第i個(gè)峰值的波長，E.表示第i個(gè)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(jì)算在內(nèi)。入mean=^入nPn/SP^入n表示第n個(gè)峰值的波長,Pn表示第n個(gè)波長的功率其中中心波長用得最多，對(duì)于DFB-LD，中心波長與峰值波長值幾乎相同；對(duì)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(duì)模塊的影響：因?yàn)椴煌ㄩL對(duì)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(duì)工作波長要求就不一樣。對(duì)各種速率及傳輸距離下對(duì)波長的要求在G.957中都做了嚴(yán)格規(guī)定。11光譜寬度△入對(duì)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(gè)光譜成分的波長，氣為第i個(gè)光譜成分的相對(duì)強(qiáng)度。相對(duì)強(qiáng)度-3dB波長圖10FP-LD光譜示意圖對(duì)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(duì)強(qiáng)度-20dB圖10DFB-LD相對(duì)強(qiáng)度-3dB波長相對(duì)強(qiáng)度-20dB圖10DFB-LD光譜示意圖參數(shù)對(duì)模塊的影響：因?yàn)楣饫w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(duì)譜寬要求就不一樣。對(duì)各種速率及傳輸距離下對(duì)譜寬的要求在G.957中都做了嚴(yán)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(shí)最高光譜峰強(qiáng)度與次高光譜峰強(qiáng)度之比此指標(biāo)僅針對(duì)DFB單縱模激光器，一般要求大于30dB參數(shù)對(duì)模塊的影響：對(duì)模塊的傳輸距離有一定影響13TOSA的存儲(chǔ)溫度（Tstg）及工作溫度（Top）（1）存儲(chǔ)溫度（Tstg）當(dāng)器件存儲(chǔ)在一個(gè)非工作條件下，絕對(duì)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(shí)，絕不能超過的管殼溫度范圍通常為-20?+85C參數(shù)對(duì)模塊的影響這里系統(tǒng)65C指的是系統(tǒng)（具體指機(jī)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?yàn)槟K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(qiáng)制風(fēng)冷散熱，即取決于風(fēng)速和