一種寬溫高速短距離光模塊

　　背景技術(shù)

　　傳統(tǒng)的短距離模塊一般用于室內(nèi)機(jī)間光互連接，對(duì)光模塊溫度要求商業(yè)級(jí)溫度即可。隨著光通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展日新月異，通信速率不斷提高，光纖越來越多的替代電纜的使用，對(duì)高速小型化封裝的短距離光模塊需求也隨之增長，大量應(yīng)用于光互連和移動(dòng)基站等環(huán)境。伴隨著應(yīng)用場(chǎng)合的廣泛，小型化封裝短距離光模塊需要滿足不同環(huán)境的溫度要求，特別是在工業(yè)級(jí)溫度場(chǎng)合的應(yīng)用。

　　當(dāng)光模塊工作使用在工業(yè)級(jí)溫度，在高低溫環(huán)境時(shí)，光模塊發(fā)射部分的激光器的閾值和效率發(fā)生變化，出現(xiàn)光功率和消光比的變化。接收部分的探測(cè)器高低溫下帶寬會(huì)有不同，加上噪聲的影響，出現(xiàn)靈敏度的降低，信號(hào)告警的判決門限也會(huì)隨著溫度的變化從而有一定范圍的漂移。工業(yè)級(jí)溫度場(chǎng)合的應(yīng)用，對(duì)光模塊的性能提出了更高的要求，需要保證整個(gè)溫度范圍內(nèi)光電指標(biāo)的穩(wěn)定。

　　解決的技術(shù)問題

　　本模塊方案針對(duì)高速短距離模塊在工業(yè)級(jí)溫度范圍內(nèi)工作，對(duì)于出現(xiàn)的激光器的跟蹤誤差，建立合適的偏置電流和調(diào)制電流，減小激光器的起止控制延時(shí)和消除馳豫振蕩，維持穩(wěn)定的光功率和消光比;對(duì)于和微弱型號(hào)下靈敏度和信號(hào)告警等問題，進(jìn)行補(bǔ)償和優(yōu)化，改善高速短距離在工業(yè)級(jí)溫度范圍的性能。

　　具體內(nèi)容

　　本模塊是一種可以工作在工業(yè)級(jí)溫度范圍的短距離光模塊，由發(fā)射部分和接收部分組成，發(fā)射部分包括垂直腔發(fā)射激光器，驅(qū)動(dòng)電路，溫度采集單元和補(bǔ)償控制單元，接收部分包括電感電容網(wǎng)絡(luò)和限幅放大器。

　　具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：

　　發(fā)射部分，光模塊工作時(shí)，溫度采集單元將光模塊激光器當(dāng)前工作溫度信息取樣，上報(bào)給單片機(jī)補(bǔ)償控制單元，補(bǔ)償控制單元根據(jù)溫度和補(bǔ)償系數(shù)，修正自動(dòng)功率控制激光器的跟蹤誤差，建立合適的偏置電流，保證發(fā)射光功率的穩(wěn)定，同時(shí)獲取激光器當(dāng)前的偏置電流，根據(jù)調(diào)制電流的計(jì)算系數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算每個(gè)溫度下需要的調(diào)制電流值，并控制激光器驅(qū)動(dòng)電路，給激光器提供合適的調(diào)制電流，保證光模塊消光比的穩(wěn)定。功率補(bǔ)償單元和調(diào)制電流計(jì)算部分是由單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)控制各硬件電路部分的工作和銜接。

　　根據(jù)激光器發(fā)射光功率高低溫下的變化特點(diǎn)，補(bǔ)償控制單元可以對(duì)跟蹤誤差進(jìn)行分段補(bǔ)償，相應(yīng)地，補(bǔ)償系數(shù)采用有符號(hào)數(shù)，可以從正負(fù)兩個(gè)方向修正跟蹤誤差。

　　接收部分，光模塊探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速電信號(hào)后，通過建立的電感電容LC網(wǎng)絡(luò)，改善探測(cè)器輸出后的電信號(hào)質(zhì)量信號(hào)，提高信號(hào)的抗噪聲和抗干擾能力，然后輸出給限幅放大器，經(jīng)放大后輸出電信號(hào)。電感電容LC網(wǎng)絡(luò)提高信號(hào)質(zhì)量，抑制噪聲的影響，從而提高低溫下的帶寬性能和抗噪聲能力，提高接收的靈敏度，優(yōu)化信號(hào)告警的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

　　電感電容LC網(wǎng)絡(luò)由電感和電容組成，其中一對(duì)電感一端分別連接探測(cè)器的高速差分信號(hào)管腳，另一端分別連接跨接電容，跨接電容的兩端分別連接一對(duì)電容，這對(duì)電容的另一端分別連接限幅放大器的高速差分信號(hào)管腳。

　　具體實(shí)現(xiàn)框圖如下圖所示：

　　

 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　模塊方案的硬件電路單元分別由如下元器件構(gòu)成：激光器采用 VCSEL激光器;溫度采集單元由負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，普通貼片分壓電阻和ADC構(gòu)成;驅(qū)動(dòng)電路使用激光器驅(qū)動(dòng)芯片;探測(cè)器采用850nm接收探測(cè)器;電感電容LC網(wǎng)絡(luò)由電感L1 L2和電容C1 C2 C3組成，其中電感L1和L2一端分別連接探測(cè)器的高速差分信號(hào)管腳，另一端分別連接跨接電容C3，電容C3的兩端分別連接電容C1和C2，電容C1和C2的另一端分別連接限幅放大器的高速差分信號(hào)管腳;控制單元主要由MCS-51單片機(jī)構(gòu)成。以上的硬件電路部分依次連接，并通過單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)，完成其相應(yīng)的控制功能。

　　光模塊方案簡(jiǎn)潔，補(bǔ)償效果好，控制方便。如果將此方案用到高速短距離模塊上，對(duì)光模塊的發(fā)射光功率這項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，具體地，光模塊模塊室溫25度環(huán)境下，發(fā)射光功率-2.7dBm。補(bǔ)償控制單元對(duì)跟蹤誤差以25度為分段點(diǎn)進(jìn)行分段補(bǔ)償，25度至-40度采用負(fù)系數(shù)，25度至85度采用正系數(shù)。

　　

 

　　由以上數(shù)據(jù)可知，使用了本方案的控制方法后，模塊全溫度范圍光功率的變化由1.4dB減小到了0.5dB，使得光模塊全溫度范圍的光功率一致性提高。

　　使用該方案的光模塊，工作溫度范圍可達(dá)-40~85度，整個(gè)溫度范圍內(nèi)光功率穩(wěn)定，信號(hào)告警電平正常。光模塊一致性好，方便后續(xù)光模塊的批量生產(chǎn)。本模塊方案中的激光器控制補(bǔ)償方法，不受傳輸速率影響，調(diào)整不同的參數(shù)，可用于不同溫度范圍的激光器的補(bǔ)償。