摘 要： 在光收發(fā)模塊設(shè)計(jì)中,為優(yōu)化發(fā)射機(jī)眼圖指標(biāo)，對(duì)激光器的寄生參數(shù)模型進(jìn)行分析，探討激光器補(bǔ)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(bǔ)償
眼圖質(zhì)量是衡量光收發(fā)模塊發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)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(dòng)。為此，光收發(fā)模塊設(shè)計(jì)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(jì)相應(yīng)的電路補(bǔ)償以提高眼圖質(zhì)量。常見的激光器引線電感（圖1）會(huì)引起高頻振蕩以造成過沖（圖2），而在MAX3738激光驅(qū)動(dòng)器的接口電路中加入RC補(bǔ)償電路(圖3)可以減小過沖(圖4)。
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光發(fā)射機(jī)的信號(hào)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(shí)間、最小的過沖、幅度變化持續(xù)時(shí)間不超過一個(gè)比特周期。發(fā)射光組件(TOSA)的封裝阻抗會(huì)影響所加信號(hào)的階躍響應(yīng)。本文簡(jiǎn)要分析這些寄生參數(shù)，重點(diǎn)討論補(bǔ)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(gè)考慮了寄生參數(shù)的TOSA的模型，影響信號(hào)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(dòng)器的階躍信號(hào)經(jīng)過激光器后會(huì)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(huì)降低邊沿速率，導(dǎo)致抖動(dòng)增大，寄生電感有時(shí)還會(huì)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(shí)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(shí)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(shí)，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(duì)激光器的影響也需要考慮，本文主要討論電信號(hào)方面的響應(yīng)。
當(dāng)從驅(qū)動(dòng)器評(píng)估階躍響應(yīng)時(shí)，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(dòng)器和激光器交流耦合時(shí)，反向調(diào)制電流和偏置電流之和有可能會(huì)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(dòng)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(dòng)器到激光器接口的線性分量影響。
在實(shí)際操作中看到眼圖異常時(shí)，為了進(jìn)一步分析，觀察階躍信號(hào)響應(yīng)是最直觀的方法。如圖7所示，(a)為眼圖，(b)為對(duì)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(hào)要有足夠的周期長(zhǎng)度，以觀察躍遷變化開始到比較穩(wěn)定幅度的過程。幸運(yùn)的是，在激光器驅(qū)動(dòng)電路中，幾乎所有的高速信號(hào)起伏變化都將會(huì)在1個(gè)比特周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。
2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
2.1 過沖
為了解決光信號(hào)的過沖，可以選擇圖8的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。圖中的負(fù)載阻抗要基于時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(huì)降低到20Ω或者低于正常值的20%；通過選擇電容C1=0.5 pF，時(shí)間常數(shù)τ=R1×C1=50 ps，剛好與過沖持續(xù)時(shí)間一致，以達(dá)到最佳補(bǔ)償。
這種R-C補(bǔ)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?yàn)樾盘?hào)中的高頻成份被補(bǔ)償電路衰減了。所以為了保持快速的上升時(shí)間，有時(shí)需要適當(dāng)容忍一定的過沖。
2.2 欠沖
對(duì)于欠沖的補(bǔ)償，需要降低階躍信號(hào)的低頻分量。引起的不利因素是可以達(dá)到的峰值功率會(huì)被降低。圖9的電路是針對(duì)光信號(hào)欠沖的補(bǔ)償。
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有些激光器驅(qū)動(dòng)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(bǔ)償?shù)牟僮髟砗蚏-C補(bǔ)償類似：
以25 Ω負(fù)載、50 ps、20%欠沖的光信號(hào)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(shí)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(huì)引入
的時(shí)間常數(shù)，這和欠沖的持續(xù)時(shí)間剛好相等。
電感補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)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(jī)的信號(hào)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(shí)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(zhǎng)度以確保可以觀察到任何瞬態(tài)變化，幾個(gè)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
(5)基于過沖或者欠沖的幅度，選擇補(bǔ)償電阻R。
(6)基于過沖或者欠沖的持續(xù)時(shí)間，選擇合適的時(shí)間常數(shù)，從而確定C或者L。
(7)基于實(shí)際眼圖改善效果的微調(diào)。
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