一种宽温高速短距离光模块
双击滚屏 发表日期:2015-09-07   阅读次数:3134    字体[        ]

背景技术

  传统的短距离模块一般用于室内机间光互连接,对光模块温度要求商业级温度即可。随着光通信网络发展日新月异,通信速率不断提高,光纤越来越多的替代电缆的使用,对高速小型化封装的短距离光模块需求也随之增长,大量应用于光互连和移动基站等环境。伴随着应用场合的广泛,小型化封装短距离光模块需要满足不同环境的温度要求,特别是在工业级温度场合的应用。

  当光模块工作使用在工业级温度,在高低温环境时,光模块发射部分的激光器的阈值和效率发生变化,出现光功率和消光比的变化。接收部分的探测器高低温下带宽会有不同,加上噪声的影响,出现灵敏度的降低,信号告警的判决门限也会随着温度的变化从而有一定范围的漂移。工业级温度场合的应用,对光模块的性能提出了更高的要求,需要保证整个温度范围内光电指标的稳定。

  解决的技术问题

  本模块方案针对高速短距离模块在工业级温度范围内工作,对于出现的激光器的跟踪误差,建立合适的偏置电流和调制电流,减小激光器的起止控制延时和消除驰豫振荡,维持稳定的光功率和消光比;对于和微弱型号下灵敏度和信号告警等问题,进行补偿和优化,改善高速短距离在工业级温度范围的性能。

  具体内容

  本模块是一种可以工作在工业级温度范围的短距离光模块,由发射部分和接收部分组成,发射部分包括垂直腔发射激光器,驱动电路,温度采集单元和补偿控制单元,接收部分包括电感电容网络和限幅放大器。

  具体是这样实现的:

  发射部分,光模块工作时,温度采集单元将光模块激光器当前工作温度信息取样,上报给单片机补偿控制单元,补偿控制单元根据温度和补偿系数,修正自动功率控制激光器的跟踪误差,建立合适的偏置电流,保证发射光功率的稳定,同时获取激光器当前的偏置电流,根据调制电流的计算系数,实时计算每个温度下需要的调制电流值,并控制激光器驱动电路,给激光器提供合适的调制电流,保证光模块消光比的稳定。功率补偿单元和调制电流计算部分是由单片机来实现,单片机控制各硬件电路部分的工作和衔接。

  根据激光器发射光功率高低温下的变化特点,补偿控制单元可以对跟踪误差进行分段补偿,相应地,补偿系数采用有符号数,可以从正负两个方向修正跟踪误差。

  接收部分,光模块探测器将光信号转换成高速电信号后,通过建立的电感电容LC网络,改善探测器输出后的电信号质量信号,提高信号的抗噪声和抗干扰能力,然后输出给限幅放大器,经放大后输出电信号。电感电容LC网络提高信号质量,抑制噪声的影响,从而提高低温下的带宽性能和抗噪声能力,提高接收的灵敏度,优化信号告警的准确性和稳定性。

  电感电容LC网络由电感和电容组成,其中一对电感一端分别连接探测器的高速差分信号管脚,另一端分别连接跨接电容,跨接电容的两端分别连接一对电容,这对电容的另一端分别连接限幅放大器的高速差分信号管脚。

  具体实现框图如下图所示:

  

 

  实验结果

  模块方案的硬件电路单元分别由如下元器件构成:激光器采用 VCSEL激光器;温度采集单元由负温度系数热敏电阻,普通贴片分压电阻和ADC构成;驱动电路使用激光器驱动芯片;探测器采用850nm接收探测器;电感电容LC网络由电感L1 L2和电容C1 C2 C3组成,其中电感L1和L2一端分别连接探测器的高速差分信号管脚,另一端分别连接跨接电容C3,电容C3的两端分别连接电容C1和C2,电容C1和C2的另一端分别连接限幅放大器的高速差分信号管脚;控制单元主要由MCS-51单片机构成。以上的硬件电路部分依次连接,并通过单片机的程序设计,完成其相应的控制功能。

  光模块方案简洁,补偿效果好,控制方便。如果将此方案用到高速短距离模块上,对光模块的发射光功率这项指标进行对比测试,具体地,光模块模块室温25度环境下,发射光功率-2.7dBm。补偿控制单元对跟踪误差以25度为分段点进行分段补偿,25度至-40度采用负系数,25度至85度采用正系数。

  

 

  由以上数据可知,使用了本方案的控制方法后,模块全温度范围光功率的变化由1.4dB减小到了0.5dB,使得光模块全温度范围的光功率一致性提高。

  使用该方案的光模块,工作温度范围可达-40~85度,整个温度范围内光功率稳定,信号告警电平正常。光模块一致性好,方便后续光模块的批量生产。本模块方案中的激光器控制补偿方法,不受传输速率影响,调整不同的参数,可用于不同温度范围的激光器的补偿。

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