适用于工业级温度场合的宽温高速短距离光模块

 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。

      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。