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1、保持收发器的平均光功率和消光比2007 年 10 月 6 日 21:42 光波通信 作 者：GrainLyon由于光模块尺寸、面积的减小，再加上整个系统中模块间距更加接近，模块工作时的周边温度也升高了。例如：小尺寸可插拔(SFF/SFP)光模块的采用，使得线路卡上的模块密度更高。模块高密度安装所带来的温度升高，对光模块的性能影响很大，因为激光器的特性随温度变化而变化，在设计这些低成本的 SFF/SFP 光模块时，必须仔细考虑激光器参数与温度之间的关系。在设计 SFF/SFP 光模块时，有两个十分重要的光学参数要考虑：平均光功率和消光比（re）。这些光学参数来自激光二极管的光功率-电流曲线的斜率
2、和阈值电流。激光器的性能表现出来的特点就是参数随温度而变化。必须了解它们，而且要控制和保持系统的正常指针。即：SFF/SFP 模块在电路板的整个工作温度范围内，平均光功率和消光比 re 保持稳定。保持平均光功率当激光二极管内 珀（Fabry-Perot）腔中的光学增益超过腔体端反射面的损耗时，激光器就会激射出相干的光信号，临界时激光器中的电流称为阈值电流（Ith）。随 温度升高激光器腔体中的光学增益会降低，由于腔体内光学增益降低，激光器就需要更大的注入电流来获得相干光输出（图 1），结果激光器的阈值电流就升高了。(图 1) 目前，常用的有两种激光器，一种是边缘发光（Edge-EmittingL
3、aser）激光器，另一种是面发光激光器（VCSEL）。通常，边缘发光激光器的阈值随 温度的升高而升高。但是，随 温度的升高，垂直腔面发光激光器的阈值却可能升高也可能降低。FP 边缘发光激光器的典型阈值电流见(表 1)，当温度由40C 升高到+85C时，激光器的阈值电流升高了 20 多毫安。由于阈值电流的升高，为了保持同样的平均光功率输出，激光器的电流就需要增大；反之，如果对激光器的阈值升高不进行补偿的话，就会导致平均光功率的很大变化。(表 1) 为了补偿激光器阈值的变化，需要采用“自动功率控制（APC）”电路，见图2。APC 电路监测激光器背向光检测光电二极管的电流，通过调节激光器的偏置电流来
4、保持该光电管中的光生电流稳定。假定该光电管电流与平均光功率之间的比例关系是理想线性的，那么就可以通过保持背向光电二极管获得的光电流的稳定，使得激光器的平均光功率保持恒定。(图 2)众多的激光器驱动器中都有 APC 电路，只要激光器和背光检测二极管之间的光电转换比率保持不变，闭路的 APC 电路就能很好地工作，克服温度变化或者激光器老化所引起的阈值变化，使得激光器的平均光功率能够保持不便。另外还有一些补偿方法，如：“热敏电阻法”或“数字查表法”，他们都可以用于保持平均光功率的稳定，由于是“开环”方式（没有反馈），所以它们无法补偿激光器老化而引起的阈值电流的变化。(表 2)中的数据是用 MAX38
5、63 激光器驱动芯片和边缘发光激光器测试的。APC 电路通过增大激光器偏流保持背光检测光电二极管获得的光电流稳定。在温度变化的整个范围内，背光检测二极管中的电流只变化了 8 微安，对应于平均激光器光功率的变化应当小于 1%。但是，表 2 中的数据却显示光功率变化比较大，这是因为不止光电管电流这一个因素关系到实际测量出来的光功率的变化。高速 SFF/SFP 激光驱动器 MAX3738 的应用武警工程学院 彭月平概述MAX3738 是美国 MAXIM 公司生产的带有消光比控制的高速激光驱动器，工作速率为1Gbps2.7Gbps，可用作千兆以太光纤网络系统中的收发器。该产品与以往同类产品相比，不仅具
6、有传输速率高、供电电流小、输出平均功率恒定和安全稳定等特点，而且在激光管的使用寿命期间和温度变化范围内，能始终保持消光比恒定，此外，与外接激光管可采用直流耦合方式，在减少元件数的同时，使多速率工作模式变得简易。 内部结构及工作原理MAX3738 内部结构如图 1 所示，内部电路主要包括高速调制驱动电路、消光比控制电路和安全逻辑控制电路。高速调制驱动电路包括输入级和输出级两部分，主要由输入缓冲、数据通道和高速差分对组成，其功能是对输入信号进行调制，并为外部激光管提供所需的激励信号。消光比控制电路主要包括两部分：自动功率控制(APC)电路和自动调制控制(AMC)电路，其中 AMC 电路包括固定调制
7、电流设置电路、温度补偿电路和偏置电流对调制电流补偿电路，其主要作用是与监控光二极管形成反馈控制电路，通过对偏置电流和调制电流的动态控制调节，维持消光比恒定。安全逻辑控制电路主要包括传输控制电路、锁存失效输出电路和失效指示电路，主要功能是为驱动器正常工作提供安全保障，对驱动器工作状态进行监控，同时提供驱动器工作状态和失效信息。 工作过程：MAX3738 采用 APC 工作模式，当 MAX3738 正常工作时，数据从 IN 端和 IN+端输入，经输入缓冲电路和数据通道处理后，控制差分对调制器输出以实现调制，调制后的信号从 OUT 端和 OUT+端输出，去驱动外接激光管；当输出功率变化时，反馈信号从
8、MD 端输入，消光比控制电路通过调节调制电流和偏置电流变化，来自动维持平均输出功率和光幅度功率的稳定；当温度变化超过阀值时，温度补偿电路起作用，通过调节调制电流以维持功率稳定；当电路发生故障和其它意外情况发生时，安全电路起作用，SHUTDOWN 端输出控制信号关闭激光管输出，同时TX_FAULT 端输出警告信号。图 1MAX3738 内部结构示意图应用设计MAX3738 集成度高，应用时要求用户设计的外围电路非常少，主要设计工作是选择合适的激光管和各种相关电流的设计。激光管的选择用户在利用 MAX3738 设计光收发器时，在充分了解 MAX3738 的电气特性后，首要工作是根据应用实际需求选择
9、合适的激光管。一般情况下，光输出功率用平均光功率和消光比描述，用户首先根据所需光输出功率来确定所需激光管的输出平均功率和消光比，而且在满足输出功率的前提下，应尽量使消光比大一些；在输出功率和消光比确定后，可根据表 1 中功率关系来确定激光管的其它参数，根据这些参数来选择满足条件的激光管。相关电流的设计MAX3738 最大优点是能维持消光比稳定，由表 1 可知：消光比(re)由最大光功率(P1)和最小光功率(P0)的比值所确定，而由表 1 可推出：P_1=2P_AVG+P_P P；P_0=2P_AVG P_P-P ，式中各参数物理意义见表 1。因此，只要保持平均光功率(PAVG)和光幅度功率(P
10、P-P)稳定，即可维持消光比(re)的稳定。在 MAX3738中， APC 电路通过调节偏置电流变化以维持平均光功率(PAVG) 的稳定，而 AMC 电路通过调节调制电流变化以维持光幅度功率(PP-P)的稳定。下面具体分析与该电路有关的电流的设计。监控光二极管反馈电流 IMD 的设计在 APC 电路中，偏置电流的调节是通过监控光二极管反馈电流(IMD)的变化来实现的，APC 内部电路与外接监控光二极管形成一闭环反馈控制回路，当输出光平均功率变化时，通过监控光二极管的反馈电流(IMD)也发生变化，APC 内部电路就根据这种变化相应调整偏置电流变化，以维持光平均功率的稳定。因此，反馈电流(IMD)
11、的大小直接决定着 APC 电路作用效果。当激光管选定后，转移系数 MON 即可确定，如表 1 所示。当用户确定平均光功率后，即可根据公式： P_AVG=fracI_MD _MON来确定 IMD 理论值。在 MAX3738 中，反馈电流 IMD 由 APCSET 端外接电阻设定，因此 IMD 设计的实质是确定 APCSET 端外接电阻 RAPCSET 值。用户根据下式可确定 RAPCSET 值：I_MD=frac12 fracV_REFR_APCSET，式中：VREF 为 MAX3738 内部参考电压，典型值为1.3V。RAPCSET 确定后，实际提供的反馈电流 IMD 就确定，APC 电路会根
12、据 IMD 变化自动调整偏置电流IBIAS，以维持平均光功率的稳定。调制电流 IMOD 的设计光幅度功率(PP-P)变化与调制电流 IMOD 的有直接关系，MAX3738 就是通过调节调制电流 IMOD 以维持光幅度功率稳定。当激光管选定后，用户可根据表 1 关系式推出调制电流 IMOD 的计算公式，如下所示：I_MOD=2 fracP_AVG fracr_e 1r_e+1，式中各参数物理意义见表 1 。调制电流由三部分组成：固定调制电流(IMODS)、偏置补偿调制电流(K I_BIAS) )和温度补偿调制电流(IMODT)。(1)固定调制电流(IMODS)固定调制电流是在理想工作条件下(温度
13、不变和输出功率恒定) ，驱动器所需的调制电流由 MAX3738 内部电路和 MODSET 端外接电阻所确定。通常用户首先根据实际要求，确定所需要的固定调制电流(IMODS)，然后根据下式来确定 MODSET 端外接电阻(RMODSET)值。I_MODS=268 fracV_REFR_MODSET ，其中，VREF 为 MAX3738 内部参考电压，典型值为1.3V。(2)偏置补偿调制电流 (K I_BIAS)偏置补偿调制电流是偏置电流变化所引起的，其作用大小由补偿因子 K 值确定，K 值大小由MODBCOMP 端外接电阻所确定。在应用中，用户首先应根据偏置电流和调制电流变化确定合适的补偿因子
14、K，然后根据 K 值确定 MODBCOMP 端外接电阻(RMODBCOMP)值。确定补偿因子 K 计算公式为：K=frac I_MOD I_BIAS=fracI_MOD2 I_MOD1I_BIAS2 I_BIAS1 ；确定 RMODBCOMP 的计算公式为： K=frac17001000+R_MODBCOMPphantom1.510%。(3)温度补偿调制电流(IMODT)温度补偿调制电流是温度超过阀值温度所引起的，其作用是补偿温度变化对调制电流的影响，温度补偿调制电流(IMODT)的计算公式为：当 TT_TH时： I_MODT=0 ；当 TT_TH时： I_MODT=TC (T T_TH)；其
15、中，TTH 为温度阀值，其值由 TH_TEMP 端外接电阻(RTH_TEMP)所确定；TC 为温度补偿系数，其值由 MODTCOMP 端外接电阻(RMODTCOMP) 所确定。应用时，用户应根据实际情况确定合适的温度阀值和温度补偿系数，然后根据下列公式确定 RTH_TEMP和 RMODTCOMP：APC 环路滤波电容的设计在 APC 电路中，滤波电容 CAPC 的作用是延迟 APC 电路作用时间，减少低频信号干扰。滤波电容CAPC 值由低频截止频率 _3DB确定，通常用户根据要求确定低频截止频率 _3DB，然后根据下式确定 CAPC 的值：C_APC( F)frac68_3DB(KH_Z) _MON ，式中参数如表 1 所示。为滤除高频噪声，在 MD 端需接一下拉电容 CMD 接地，一般情况下， CMD 近似为 CAPC 值的四分之一。应注意的问题在设计过程中，为使电路正常工作，各种电流有一定的条件限制。若所需调制电流不大于60mA，MAX3738 和外接激光管可采用直流耦合方式；若调制电流大于 60mA，则应采用交流耦合方式。不管采用哪种耦合方式，在输出端 OUT+ ，各种电流应满足如下要求：对于直流耦合：V_OUT+=V_CC V_DIODE I_MOD (R_D+R_L) I_BIAS R_L0.7V ，式中：VDIODE：激光二极管偏置端电压，典型值为 1.
