发射组件TOSA常用参数及测试方法.doc
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发射组件TOSA常用参数
n发射组件TOSA内部原理图
常用参数
1正向电压VF
指激光器工作在一定前向驱动电流的条件下（一般为Ith+20mA）对应的正向电压值
包括激光器的带隙电压VBG及等效串联电阻的压降I*RL。
下图为。
在高速应用条件下，激光器的寄生电感一般也要考虑。
图1激光器的简化等效电路
WTD的LD一般为1.2~1.6V
VF参数对光模块的影响：
激光器高速率低电压直流耦合驱动产生的电压净空问题
图2激光器的DC耦合驱动电路
OUT-及OUT+回路轮流导通，当OUT+灌入调制电流时：
VLOW=VCC-VF-VL-IMOD*RD
其中VCC为电源电压,这里为3.3V
IMOD为调制电流，设为60mA
VL为激光器寄生电感（一般为1~2nH）引起的交变电流的压降，可近似计算为
VL=H*ΔI/Δt,若在2.5Gb/s条件下工作，上升沿时间20%~80%为80ps,
则得出VL为0.7V
若RD=20Ω，IMOD*RD=1.2V
显然这时VLOW很小，而事实上驱动器的输出级工作在放大状态，VLOW一般大于
0.7V，所以在这种情况下发射眼图上升沿时间变缓，眼开度降低
2阈值电流（Ith）
指激光器由自发辐射转换到受激辐射状态时的正向电流值，它与激光器的材料和结构
相关。
对于LD而言，Ith越小越好
一般在25℃时
VCSEL-LD，Ith=1~2mA
FP-LD，Ith=5~10mA
DFB-LD，Ith=5~20mA
Ith随温度的升高而增加，关系式为
Ith=I0eT/T0I0为25℃时的阈值电流，T0为特征温度，表示激光器对温度敏感的程度
对于WTD的长波长激光器，T0为50~80K
Ith参数对光模块的影响：
图3激光器的P-I曲线
目前模块较多的采用DC耦合方式，偏置电流IBAIS约等于Ith，随着温度的升高，模块的APC电路将自动增加IBAIS，补偿Ith的变化。
由于模块驱动芯片一般能够提供60mA的IBAIS，所以通常情况下外购或自制激光器的Ith指标能够达到模块使用要求。
3P-I曲线（P-I）
指激光器总的输出光功率P与注入电流I的关系曲线，如图3所示
曲线的拐点是阈值电流
（1）曲线的斜率是激光器电光转换效率SE（mW/mA），它是激光器的量子效率与器件耦合
效率的乘积。
量子效率η=hc/λe=hf/e
h为普朗克常数，C为光速，f为频率，e为单位电子的电荷
WTD自制管芯的量子效率一般为30~50%，耦合效率为20~30%
SE参数对模块的影响：
SE直接反映激光器的功率大小
激光器功率通常是指在Ith+14mA（或Ith+20mA）直流电流的条件下测得的输出功率
模块输出平均光功率是指在IBAIS+1/2IMOD驱动电流的条件下对应的功率。
由于IBAIS≈Ith，则如果1/2IMOD=14mA，则模块功率与器件功率基本是一致的。
这里有
一点需要注意的是，由于器件测试时测试光纤是自由状态，而器件安装在模块外壳中时
连接器的限位导致光路耦合到光纤时的效率往往不一致，这样最终结果存在差别。
（2）P-I曲线的线性度
实际P-I曲线是一条曲线，而不是直线，如图4
额定光功率P0
实际光功率P1
理论光功率P2
I
P
10%P0
图4P-I曲线的线性度
P-I曲线的线性度测试的简单方法：
可以通过曲线对应的10%及额定光功率点的直线
与实际曲线偏离的最大变化来表示，即
功率线性度=（P2-P1）/P2×100%
线性度参数对模块的影响:
只要曲线上点的斜率大于0，一般不会影响模块使用
但其消极影响有：
a将会对激光器的工作点的计算产生偏差
b将引起模块消光比的温度补偿的误差。
解释如下：
因为目前模块消光比的温度补偿方法大致有4种（不考虑双环控制）：
1）在调制电流设置端加热敏电阻
2）芯片带有温度补偿电路，可设置温度补偿的起始点及变化斜率
3）K因子补偿，在ΔIMOD=KΔIBIAS,因为激光器SE的温度特性有如下特点，在25℃到60℃，SE变化不大，但从60℃到85℃，却变化较大，所以单纯设置一个补偿斜率不能够进行有效补偿，而阈值的温度变化快慢与SE比较接近，因此K因子补偿能够较好解决补偿斜率变化的问题
4）Look-upTable查找表方式，往往根据几个典型温度点精确设置IBIAS及IMOD
以上4种方法均是以激光器具有良好的线性度为前提的。
（3）拐点
指P-I曲线上的扭转点，如图5
拐点
I
P
图5P-I曲线的拐点
拐点处P=f（I）存在多值函数，
若驱动电流正好在拐点处，由于这时电流对应多个光功率，APC电路无法保证光功率的稳定，导致模块在每个功率范围内跳变。
（4）最大饱和光功率
P1
I
P
PA
P0
饱和光功率Ps
IBIAS
IMOD
图6最大饱和光功率示意图
最大饱和光功率指激光器所能输出的最大的光功率（P-I曲线最大跌落处对应的光功率）
参数对模块的影响：
模块高温下功率下降，人为调整光功率设置，也达不到满足要求的功率值，这就是激光器在高温下饱和功率低于所需功率引起的（排除驱动电流饱和因素）。
还有一种影响往往被忽视：
若模块能够提供如图所示的IBIAS+IMOD电流，则模块能够输出的最大光功率就为PA，因为若以PS为P1，根据下面2个等式：
PA=（P1+P0）/2
Ext.r=10lgP1/P0
模块要求的消光比Ext.r是一个的确定值，所以模块所能输出的最大光功率就可以确定。
通常在高温时，需要考虑激光器的饱和光功率指标。
可能有这样的情况，模块在调测时，可以调到所需的光功率，但无任怎样增加调制电流，均不能调到要求的消光比，如果能够确定驱动电流没有饱和，则可以确定是激光器过早饱和的缘故。
4背光电流（Im）
指激光器在规定的光输出功率时，在给定一定背光探测器反向电压时输出的光电流。
一般TOSA要给出在Ith+14mA或Ith+20mA时背光电流测试值，通常以μA表示。
参数对模块的影响：
模块的APC环路是以背光电流为采样点的，一般具有APC功能的驱动芯片MD引脚规定了输入电流的范围，如MAX3735为18~1500μA，即要求激光器的背光电流也在一定范围内。
由于过小的背光电流，会导致APC环路过于灵敏，增加不稳定性，所以通常我们要求TOSA在额定功率点的背光不小于100μA。
多个TOSA的背光电流一致性不好，会导致模块在调整光功率时，设置电阻偏差太大，增加批量生产的难度。
5跟踪误差（TE）
对TOSA而言，跟踪误差指的是在两个不同温度条件下的光纤输出功率的比值，它是度量器件耦合效率稳定性的参数,单位为dB。
测试方法；恒定背光电流（如200μA），先测量25℃时的光纤输出功率，再测量在两个极值（如-20℃和+85℃）时的光纤输出功率，则
TE=10lg（P@+85℃/P@+25℃）及TE=10lg（P@-25℃/P@+25℃）
一般要求|TE|≤1.5dB
参数对模块的影响：
跟踪误差是影响模块输出光功率稳定性的重要指标。
模块在高低温输出光功率发生变化，通常是由于跟踪误差引起的（若激光器在高温下没有过早饱和）。
6SE温度变化率
I
P
25℃
85℃
图7SE温度变化示意图
SE温度变化率=SE@85℃/SE@25℃，这里包括量子效率及耦合效率的变化。
一般要求大于0.5。
因为跟踪误差已经规范了耦合效率的变化率，通常在这里只考虑量子效率的变化。
参数对模块的影响：
事实上，此参数间接规定了高温下的SE
模块的温度补偿电路将在高温时增加调制电流，以保持消光比的稳定，但值得注意的是，模块在高温时的电流供给能力，一般与常温差别不大，以MAX3735为例，为10mA~60mA,再加上RC补偿网络的分流，芯片最大能够提供的调制电流为60mA×80%（视RC参数而定），约48mA，模块电流供给能力的限制将制约了高温SE参数。
每种模块由于采用的驱动芯片、耦合方式、输出端串联电阻及RC补偿网络的不同，调制电流的实际供给能力有所不同，可以对其进行理论预估和实际测量。
7等效串联电阻R
指激光器工作在一定电流处时dV/dI的值
电压V
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2
4
6
0
注入电流I
串联电阻dV/dI（Ω）
8
图8激光器V-I曲线示意图
等效串联电阻越小越好，长波长激光器等效串联电阻一般为4~6Ω
等效串联电阻将影响激光器的3dB带宽及工作时的管压降
参数对模块的影响：
3dB带宽将影响模块发射眼图的质量；管压降变大将增加激光器低电压驱动的难度。
83dB带宽（截止频率）
指激光器的幅频特性中最大幅度下降3dB所对应的频率
Hz
dB
图9激光器3dB带宽示意图
对于应用于数字通信的激光器而言，激光器的3dB带宽必须大于线路比特速率的1.4倍参数对模块的影响：
3dB带宽将直接影响模块发射眼图的质量，带宽过大，常会引起激光器在调制过程中的驰豫振荡现象，即眼图的振铃现象。
带宽过小，会导致眼图的上升沿及下降沿的时间变慢，眼开度下降。
9相对强度噪声（RIN）
由于谐振腔内载流子和光子密度的量子起伏，导致输出光波中存在固有的量子噪声，这种量子噪声用相对强度噪声来度量，即在一定的频率范围内，光强度脉动的均方根与平均光强度平方之比，公式为RIN=（δP）2/P2，我们要求RIN小于-120dB/Hz
随着工作电流的增加，RIN将减小
参数对模块的影响：
RIN将影响模块发射眼图的抖动指标。
10波长λ
激光器的波长有三种表示方法：
峰值波长、中心波长、平均波长
峰值波长：
光谱中若干发射模式中最大强度的光谱波长
中心波长：
在光谱中，连接50%最大幅度值线段的中点对应的波长
λc=ΣEiλi/E0
λi表示第i个峰值的波长，Ei表示第i个峰值的能量，E0为所有峰值的能量。
平均波长：
指所有模式的加权平均值，将幅度大于峰值2%的模式均计算在内。
λmean=ΣλnPn/ΣPn
λn表示第n个峰值的波长,Pn表示第n个波长的功率
其中中心波长用得最多，对于DFB-LD，中心波长与峰值波长值几乎相同；对于FP-LD，一般用中心波长或平均波长表示激光器得工作波长。
一般WTD的激光器中心波长随着温度增加将以0.5nm/℃的速度变长
参数对模块的影响：
因为不同波长对应的光纤衰耗及色散系数不一样，所以模块不同的传输距离对工作波长要求就不一样。
对各种速率及传输距离下对波长的要求在G.957中都做了严格规定。
11光谱宽度Δλ
对于FP-LD，一般用3dB谱宽的均方根RMS来表示
Δλ=[Σai（λi–λm）2/Σai]1/2
λm=Σaiλi/Σai
λi为第i个光谱成分的波长，ai为第i个光谱成分的相对强度。
-3dB
波长
相对强度
图10FP-LD光谱示意图
对于DFB-LD激光器，以主模中心波长的最大峰值功率跌落-20dB的最大全宽为光谱宽度
-20dB
波长
相对
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