摘 要: 在光收發(fā)模塊設(shè)計中,為優(yōu)化發(fā)射機眼圖指標(biāo),,對激光器的寄生參數(shù)模型進(jìn)行分析,,探討激光器補償?shù)脑砗途唧w方法。
關(guān)鍵詞: 光收發(fā)模塊,;眼圖,;激光器補償
眼圖質(zhì)量是衡量光收發(fā)模塊發(fā)射機設(shè)計結(jié)果的重要指標(biāo)。在滿足相關(guān)應(yīng)用的眼圖模板要求之外, 系統(tǒng)客戶總是希望模塊的發(fā)射眼圖具有更高百分比的余量,、更低的噪聲和抖動,。為此,光收發(fā)模塊設(shè)計者不能忽略TOSA或者BOSA的寄生參數(shù)所造成的負(fù)面影響,,必須設(shè)計相應(yīng)的電路補償以提高眼圖質(zhì)量,。常見的激光器引線電感(圖1)會引起高頻振蕩以造成過沖(圖2),而在MAX3738激光驅(qū)動器的接口電路中加入RC補償電路(圖3)可以減小過沖(圖4),。
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光發(fā)射機的信號完整性要求電路具有良好的階躍響應(yīng),。這意味著快速的上升時間、最小的過沖,、幅度變化持續(xù)時間不超過一個比特周期,。發(fā)射光組件(TOSA)的封裝阻抗會影響所加信號的階躍響應(yīng)。本文簡要分析這些寄生參數(shù),,重點討論補償方法和思路,。
1 TOSA的寄生參數(shù)
TOSA的金屬打線和環(huán)氧金屬接觸導(dǎo)致寄生電感和寄生電容的產(chǎn)生。圖5就是一個考慮了寄生參數(shù)的TOSA的模型,,影響信號完整性的因素是圖中的寄生串聯(lián)電感L和寄生并聯(lián)電容C,。基于這些寄生參數(shù)以及激光器非線性行為的影響,,送入激光驅(qū)動器的階躍信號經(jīng)過激光器后會產(chǎn)生失真(圖6)。激光器以及外部元件的寄生電感和寄生電容會降低邊沿速率,,導(dǎo)致抖動增大,,寄生電感有時還會引起高頻振鈴(圖7)。
圖5所示的過沖失真和欠沖失真是同時考慮了低頻和高頻響應(yīng)的雙重效果,。高頻響應(yīng)的影響:上升時間,,過沖,振鈴,;低頻響應(yīng)的影響:衰減,,漂移,。
考慮低頻響應(yīng)時,電感可以看作短路,,電容可以看作開路,,這樣圖5所示的寄生參數(shù)就沒有了。其他如溫度變化對激光器的影響也需要考慮,,本文主要討論電信號方面的響應(yīng),。
當(dāng)從驅(qū)動器評估階躍響應(yīng)時,激光器本身的電光轉(zhuǎn)換影響要盡量最小化,。但是為了激光器能夠正常發(fā)光,,最小電流也需要在激光器的閾值之上,而且為了得到比較好的眼圖,,必須高于閾值一定幅度,,不然在驅(qū)動器和激光器交流耦合時,反向調(diào)制電流和偏置電流之和有可能會低于激光器的閾值,,從而造成眼圖打開不全的問題,。保持激光驅(qū)動器的偏置電流在高端,并且調(diào)制電流在低端,,這可以幫助最好地觀察驅(qū)動器到激光器接口的線性分量影響,。
在實際操作中看到眼圖異常時,為了進(jìn)一步分析,,觀察階躍信號響應(yīng)是最直觀的方法,。如圖7所示,(a)為眼圖,,(b)為對應(yīng)的階躍波形圖,。在階躍波形圖上,可以更加清楚地觀察和分析過沖和振鈴,,包括過沖的幅度,、振鈴的周期、頻率等,。
如果要用儀表設(shè)備觀察階躍響應(yīng),,所給信號要有足夠的周期長度,以觀察躍遷變化開始到比較穩(wěn)定幅度的過程,。幸運的是,,在激光器驅(qū)動電路中,幾乎所有的高速信號起伏變化都將會在1個比特周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定,。
2 補償網(wǎng)絡(luò)
2.1 過沖
為了解決光信號的過沖,,可以選擇圖8的補償網(wǎng)絡(luò)。圖中的負(fù)載阻抗要基于時間常數(shù)τ做調(diào)整,。如果負(fù)載阻抗ZL主要為阻性,,則下面的等式成立:
通過選擇適當(dāng)?shù)碾娮鑂1來降低整個阻抗以限制過沖到可以接受的水平,。理論上講電容C1要盡量小,這樣在最初的過沖之后R1的影響可以被忽略,。
舉一個比較典型的25 Ω負(fù)載,、50 ps、20%過沖的例子(可以理解為圖6中的過沖幅度為正常幅度的20%,,持續(xù)時間是50 ps):通過選擇電阻R1=100 Ω,,高頻的合并負(fù)載Z=R1||ZL將會降低到20Ω或者低于正常值的20%;通過選擇電容C1=0.5 pF,,時間常數(shù)τ=R1×C1=50 ps,,剛好與過沖持續(xù)時間一致,以達(dá)到最佳補償,。
這種R-C補償電路的負(fù)面影響是減緩了上升沿爬升速度,。這主要是因為信號中的高頻成份被補償電路衰減了。所以為了保持快速的上升時間,,有時需要適當(dāng)容忍一定的過沖,。
2.2 欠沖
對于欠沖的補償,需要降低階躍信號的低頻分量,。引起的不利因素是可以達(dá)到的峰值功率會被降低,。圖9的電路是針對光信號欠沖的補償。
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有些激光器驅(qū)動器具有內(nèi)置的背向匹配電阻,。如果電感L1和背向匹配電阻串聯(lián),,則可以阻止額外的功率損失。R-L補償?shù)牟僮髟砗蚏-C補償類似:
以25 Ω負(fù)載,、50 ps,、20%欠沖的光信號為例(可以理解為圖6中的欠沖幅度為正常幅度的20%,持續(xù)時間是50 ps),,取值100 Ω的電阻R1可以減小低頻阻抗Z=R1||ZL到20 Ω或者低于正常值的20%,,這可以使得高頻和低頻的幅度相等。取值5 nH的電感L1將會引入的時間常數(shù),,這和欠沖的持續(xù)時間剛好相等,。
電感補償?shù)膬?yōu)點是可以加快上升沿爬升速度,主要基于高頻階躍響應(yīng)的推挽效應(yīng),。
提高光發(fā)射機的信號完整性通??梢詮姆治鲭A躍響應(yīng)所獲得的波形信息著手,實際TOSA的準(zhǔn)確寄生參數(shù)是不需要的,。依照下面的處理思路一般都可以得到滿意的結(jié)果:
(1)設(shè)置激光器的偏置電流大于一定幅度的激光器閾值電流,。
(2)設(shè)置合適激光器的調(diào)制電流,,達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)消光比,。
(3)設(shè)置足夠的階躍長度以確??梢杂^察到任何瞬態(tài)變化,幾個比特周期應(yīng)該足夠了,。
(4)基于過沖或者欠沖,,選擇合適的補償網(wǎng)絡(luò)。
(5)基于過沖或者欠沖的幅度,,選擇補償電阻R,。
(6)基于過沖或者欠沖的持續(xù)時間,選擇合適的時間常數(shù),,從而確定C或者L,。
(7)基于實際眼圖改善效果的微調(diào)。
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