10G光模塊消光比補償方法*

王 波，于 佩，胡 亮

（江蘇奧雷光電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

隨著光纖到戶、4G業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，光通信行業(yè)對高速光模塊的需求也越來越大，這也對光模塊廠商產(chǎn)能提出了新的挑戰(zhàn)[1]。另外，市場對工業(yè)級（-40℃～85℃）光模塊的需求也越來越大，作為光模塊核心部件的激光器其閾值電流和斜效率會隨著環(huán)境溫度變化出現(xiàn)波動，從而導(dǎo)致激光器輸出光功率發(fā)生變化，最終導(dǎo)致光模塊消光比超標。在數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中消光比超標很可能會造成通信信號中斷。如何在全溫度范圍內(nèi)保證所有光模塊消光比、光功率的穩(wěn)定，已經(jīng)成為各大光模塊廠商必須要面對的問題。光模塊消光比補償主要有：K系數(shù)補償法、查表法、數(shù)字電位器補償法等，當激光器一致性較好時，這些方法都比較適用。但是當激光器閾值電流、斜效率比較離散時，在高低溫環(huán)境下這種統(tǒng)一的配置將不能滿足所有光模塊的補償需要，一部分光模塊的消光比指標在高低溫下將超出范圍，特別在高溫下更加明顯。本文提出一種新型的消光比補償方法，根據(jù)高低溫下偏置電流的變化量對激光器調(diào)制電流進行補償，經(jīng)大批量生產(chǎn)驗證，能夠滿足光模塊在全溫度范圍的性能指標[2-3]。

1 光模塊設(shè)計方案

按照圖1所示，本文10G光模塊采用集成芯片，外加MCU的方案。其中集成芯片選用SEMTECH公司生產(chǎn)的GN1411A，是一款激光器驅(qū)動、限幅放大器二合一集成芯片，自帶硬件光功率自動控制（APC）電路，可提供最高120 mA偏置電流，92 mA調(diào)制電流[4]。主控MCU選用C8051F336，其主要工作為：對GN1411A進行初始化配置，SFF8472標準協(xié)議的嵌入，ADC數(shù)據(jù)采集，flash數(shù)據(jù)的寫入與讀取以及隨環(huán)境溫度對調(diào)制電流進行調(diào)整[5-6]。

圖1 光模塊總體框圖

2 影響消光比因素

在光纖通信系統(tǒng)中，隨著環(huán)境溫度的變化，光模塊的性能指標參數(shù)可能會超出系統(tǒng)允許范圍，指標超標會導(dǎo)致系統(tǒng)通信中斷。為保證系統(tǒng)可靠通信，就必須對光模塊發(fā)射光功率、消光比等性能指標進行控制[7]。消光比Er定義為有光功率（P1）和無光功率（P0）比值取對數(shù)乘10，即：

由式（1）可知，要使消光比Er保持不變，就必須保證P1/P0比值不變。其中P0主要由偏置電流（Ibias）決定，需注意要保證激光器可靠工作，偏置電流應(yīng)大于激光器閾值電流（ITH）；P1主要由調(diào)制電流（Imod）決定。當環(huán)境溫度升高時激光器的閥值電流會增加，在集成芯片GN1411A的自動功率控制組件（APC）作用下，偏置電流會相應(yīng)的自動增加，使P0基本保持不變。但隨著溫度上升，激光器斜效率會下降，若此時調(diào)制電流保持不變，P1就會下降，消光比Er就會相應(yīng)降低，要使消光比Er保持穩(wěn)定，就必須對調(diào)制電流進行補償[8]。因此實際應(yīng)用中我們主要是通過改變調(diào)整電流來保持消光比穩(wěn)定[9-10]。

3 消光比補償方法研究

如前文所述，要使消光比在全溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，就必須隨環(huán)境溫度變化對調(diào)制電流進行調(diào)整。對于調(diào)制電流本文采用開環(huán)模式，通過C8051F336 MCU控制使激光器調(diào)制電流隨偏置電流變化量進行相應(yīng)調(diào)整，從而保證消光比在全溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

將調(diào)制電流表示成如下形式：

其中，Imod_25為環(huán)境溫度25℃的調(diào)制電流，Imod_t為實時的調(diào)制電流，Ibias_25為環(huán)境溫度25℃的Ibias電流，Ibias_t為實時的Ibias電流，A為激光器調(diào)制電流高低溫補償系數(shù)。

在常溫25℃下通過自制上位機軟件調(diào)節(jié)GN1411A加載到激光器的調(diào)制電流Imod，并通過DCA觀察發(fā)射光眼圖指標，使模塊發(fā)射光眼圖消光比 Ext＞3 dB、抖動 jitter＜3ps、輸出平均光功率Avg Power保持在-1 dBm、交叉點Crossing保持在45%～50%，調(diào)整后的25℃發(fā)射光眼圖如圖2所示，其中 Ext=4.56 Db，jitter=2.28 ps，Avg Power=-1.85 dBm，Crossing=48.1%，并將此時Imod、Ibias分別賦值給Imod_25、Ibias_25。然后通過烘箱將環(huán)境溫度調(diào)整到85℃并穩(wěn)定數(shù)分鐘，GN1411A芯片內(nèi)部APC電路使偏置電流隨環(huán)境溫度自動調(diào)整；再次通過自制上位機軟件調(diào)節(jié)GN1411A加載到激光器的調(diào)制電流Imod，使模塊發(fā)射眼圖指標與常溫25℃保持基本一致，調(diào)整后的85℃發(fā)射光眼圖如圖3所示，其中Ext=4.79 dB，jitter=3.37 ps，Avg Power=-1.71 dBm，Crossing=47.7%，將此時Imod、Ibias分別賦值給Imod_85、Ibias_85。

由式（3）可得到調(diào)制電流高低溫補償系數(shù)A。 最 后 將 Imod_25、Ibias_25、A存 入 MCU的FLASH固定位置，光模塊上電運行時會將這三個參數(shù)從FLASH固定位置調(diào)出存入MCU RAM，并從GN1411A芯片固定位置讀取實時的偏置電流Ibias_t，通過式（2）可得到實時調(diào)制電流Imod_t，作為激光器調(diào)制電流。

圖2 25℃發(fā)射光眼圖

圖3 85℃發(fā)射光眼圖

4 實驗及測試結(jié)果分析

運用該消光比補償方法，我司對一款常用10G帶寬激光器進行批量驗證，并從中隨機挑選5只激光器制成光模塊在各溫度點下進行消光比測試，圖4為測試數(shù)據(jù)。對于10G光模塊，按照標準SPEC要求，消光比ER≥3.5 dB，從測試數(shù)據(jù)可以看出，在環(huán)境溫度-40℃、-20℃、25℃、70℃、85℃下，這5只模塊消光比ER范圍是4.6～5.5 dB，變化量小于1 dB，說明消光比在全溫度范圍內(nèi)得到比較理想的補償，可以滿足光模塊性能指標要求。

圖4 測試數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

本文采用的消光比補償方法是用一次方程對激光器調(diào)制電流隨溫度變化趨勢進行擬合，使激光器調(diào)制電流隨偏置電流變化量進行線性調(diào)整。該方法可根據(jù)每只器件的變化趨勢對消光比分別進行補償，有效解決激光器一致性差的問題。由于該激光器調(diào)制電流擬合方法不可能與激光器實際變化趨勢完全相同，在使用時需根據(jù)高低溫消光比變化量對補償系數(shù)A進行適當調(diào)整，得到更加精確的結(jié)果。