10G光模块消光比补偿方法*

王 波，于 佩，胡 亮

（江苏奥雷光电有限公司，江苏 镇江 212000）

0 引 言

随着光纤到户、4G业务的高速发展，光通信行业对高速光模块的需求也越来越大，这也对光模块厂商产能提出了新的挑战[1]。另外，市场对工业级（-40℃～85℃）光模块的需求也越来越大，作为光模块核心部件的激光器其阈值电流和斜效率会随着环境温度变化出现波动，从而导致激光器输出光功率发生变化，最终导致光模块消光比超标。在数字光纤通信系统中消光比超标很可能会造成通信信号中断。如何在全温度范围内保证所有光模块消光比、光功率的稳定，已经成为各大光模块厂商必须要面对的问题。光模块消光比补偿主要有：K系数补偿法、查表法、数字电位器补偿法等，当激光器一致性较好时，这些方法都比较适用。但是当激光器阈值电流、斜效率比较离散时，在高低温环境下这种统一的配置将不能满足所有光模块的补偿需要，一部分光模块的消光比指标在高低温下将超出范围，特别在高温下更加明显。本文提出一种新型的消光比补偿方法，根据高低温下偏置电流的变化量对激光器调制电流进行补偿，经大批量生产验证，能够满足光模块在全温度范围的性能指标[2-3]。

1 光模块设计方案

按照图1所示，本文10G光模块采用集成芯片，外加MCU的方案。其中集成芯片选用SEMTECH公司生产的GN1411A，是一款激光器驱动、限幅放大器二合一集成芯片，自带硬件光功率自动控制（APC）电路，可提供最高120 mA偏置电流，92 mA调制电流[4]。主控MCU选用C8051F336，其主要工作为：对GN1411A进行初始化配置，SFF8472标准协议的嵌入，ADC数据采集，flash数据的写入与读取以及随环境温度对调制电流进行调整[5-6]。

图1 光模块总体框图

2 影响消光比因素

在光纤通信系统中，随着环境温度的变化，光模块的性能指标参数可能会超出系统允许范围，指标超标会导致系统通信中断。为保证系统可靠通信，就必须对光模块发射光功率、消光比等性能指标进行控制[7]。消光比Er定义为有光功率（P1）和无光功率（P0）比值取对数乘10，即：

由式（1）可知，要使消光比Er保持不变，就必须保证P1/P0比值不变。其中P0主要由偏置电流（Ibias）决定，需注意要保证激光器可靠工作，偏置电流应大于激光器阈值电流（ITH）；P1主要由调制电流（Imod）决定。当环境温度升高时激光器的阀值电流会增加，在集成芯片GN1411A的自动功率控制组件（APC）作用下，偏置电流会相应的自动增加，使P0基本保持不变。但随着温度上升，激光器斜效率会下降，若此时调制电流保持不变，P1就会下降，消光比Er就会相应降低，要使消光比Er保持稳定，就必须对调制电流进行补偿[8]。因此实际应用中我们主要是通过改变调整电流来保持消光比稳定[9-10]。

3 消光比补偿方法研究

如前文所述，要使消光比在全温度范围内保持稳定，就必须随环境温度变化对调制电流进行调整。对于调制电流本文采用开环模式，通过C8051F336 MCU控制使激光器调制电流随偏置电流变化量进行相应调整，从而保证消光比在全温度范围内保持稳定。

将调制电流表示成如下形式：

其中，Imod_25为环境温度25℃的调制电流，Imod_t为实时的调制电流，Ibias_25为环境温度25℃的Ibias电流，Ibias_t为实时的Ibias电流，A为激光器调制电流高低温补偿系数。

在常温25℃下通过自制上位机软件调节GN1411A加载到激光器的调制电流Imod，并通过DCA观察发射光眼图指标，使模块发射光眼图消光比 Ext＞3 dB、抖动 jitter＜3ps、输出平均光功率Avg Power保持在-1 dBm、交叉点Crossing保持在45%～50%，调整后的25℃发射光眼图如图2所示，其中 Ext=4.56 Db，jitter=2.28 ps，Avg Power=-1.85 dBm，Crossing=48.1%，并将此时Imod、Ibias分别赋值给Imod_25、Ibias_25。然后通过烘箱将环境温度调整到85℃并稳定数分钟，GN1411A芯片内部APC电路使偏置电流随环境温度自动调整；再次通过自制上位机软件调节GN1411A加载到激光器的调制电流Imod，使模块发射眼图指标与常温25℃保持基本一致，调整后的85℃发射光眼图如图3所示，其中Ext=4.79 dB，jitter=3.37 ps，Avg Power=-1.71 dBm，Crossing=47.7%，将此时Imod、Ibias分别赋值给Imod_85、Ibias_85。

由式（3）可得到调制电流高低温补偿系数A。 最 后 将 Imod_25、Ibias_25、A存 入 MCU的FLASH固定位置，光模块上电运行时会将这三个参数从FLASH固定位置调出存入MCU RAM，并从GN1411A芯片固定位置读取实时的偏置电流Ibias_t，通过式（2）可得到实时调制电流Imod_t，作为激光器调制电流。

图2 25℃发射光眼图

图3 85℃发射光眼图

4 实验及测试结果分析

运用该消光比补偿方法，我司对一款常用10G带宽激光器进行批量验证，并从中随机挑选5只激光器制成光模块在各温度点下进行消光比测试，图4为测试数据。对于10G光模块，按照标准SPEC要求，消光比ER≥3.5 dB，从测试数据可以看出，在环境温度-40℃、-20℃、25℃、70℃、85℃下，这5只模块消光比ER范围是4.6～5.5 dB，变化量小于1 dB，说明消光比在全温度范围内得到比较理想的补偿，可以满足光模块性能指标要求。

图4 测试数据

5 结 语

本文采用的消光比补偿方法是用一次方程对激光器调制电流随温度变化趋势进行拟合，使激光器调制电流随偏置电流变化量进行线性调整。该方法可根据每只器件的变化趋势对消光比分别进行补偿，有效解决激光器一致性差的问题。由于该激光器调制电流拟合方法不可能与激光器实际变化趋势完全相同，在使用时需根据高低温消光比变化量对补偿系数A进行适当调整，得到更加精确的结果。