1. 前言
在光通信領域中，直接調製方式光發射模塊以其簡單的特點得到廣泛的應用，但該方法調製特性受溫度影響較大，所以需要進行溫度補償。目前實現溫度補償的主要有兩種，一是利用集成電路芯片建立查照表。另一種方法是使用熱敏電阻進行補償。後者方法簡單、實現容易、成本低，因此得到廣泛的應用。
有的文獻中介紹過用熱敏電阻進行發射機消光比溫度補償的方法，但因結構簡單所以補償的範圍相對較小(0~70℃)，而且提出的方法基於發射模塊的溫度實驗數據。本文介紹的方法不依賴於模塊的溫度實驗數據，只要選定所採用的激光器和驅動芯片，就可以計算出溫度補償網絡的參數值，補償的溫度範圍達到-40℃~+85℃。
2. 消光比自動溫度補償原理
直接調製方式光發射模塊採用驅動芯片來設定和控制LD的偏置電流和調製電流，驅動芯片通常具有自動功率控制(APC)功能。當模塊工作溫度升高時，輸出光功率維持恆定(不考慮跟蹤誤差)。但消光比將由於斜率效率的降低而減小。爲了維持消光比基本不變，要求輸出光幅度基本不變，需要增加調製電流。如圖1所示。
圖1、不同溫度下的LD的P-I曲線
根據激光驅動器特性，通過驅動芯片某引腳的外圍電阻值(Rmod)可以改變調製電流的大小，如圖2所示。本文介紹的方法就是通過熱敏電阻網絡來代替這個電阻，當溫度發生變化時，通過電阻網絡等效阻值的變化來調整調製電流大小，從而實現消光比的自動溫度補償。
圖2、驅動芯片調製電流和控制電阻的關係
3. 方法實現
本方法採用如圖3所示的熱敏電阻補償網絡，其等效阻值爲
(1)
式中RT(T)爲熱敏電阻阻值，以下式表示
式中Ro、B爲熱敏電阻參數。
圖3、溫度補償用電阻網絡
圖4爲等效阻值在補償點處對R1、R2、R3的偏導數曲線。可以看出，R2僅和常溫下設置的消光比有關，和溫度補償的效果無關，R1在全溫度範圍內補償作用明顯，R3隨溫度升高作用增強。這樣使補償範圍更大，效果更明顯。
圖4、熱敏電阻網絡等效阻值的偏導數曲線
器件的斜率效率隨溫度變化，以SL(T)表示。用25℃的值進行歸一化，並引入k因子來反映不同器件溫度性能的好壞，於是斜率效率變成
(2)
我們還需要調製電流和Rmod的關係曲線，幾乎所有的廠家都是用曲線圖描述這種關係，而沒有具體的公式。爲此，作者用Mathcad編寫了從圖形中進行座標提取的程序，然後用插值法得到函數Imod(Rmod)。
Imod=f (Rmod) (3)
由公式(1)、(2)、(3)可以得到光的調製幅度，用25℃的數值將其歸一化爲
(4)
溫度補償的作用是當溫度變化時，使用歸一化光調製幅度恆等於1，這是理想的補償結果，它可以在任何工作溫度點實現，但很難在寬的工作溫度範圍內實現。實際我們不一定非要達到理想的結果，只要在一定程度上接近這個理想結果就行了，用一個參數來控制接近理想值的程度，記爲TOL。只需要在A(t)在[1-TOL,1+TOL]範圍內即可。可以通過編程或使用數學軟件求解下面的約束方程
R1>0
R2>0
R3>0
1-TOL<A(T)<1+TOL
作者利用Mathcad求得不同k值情況下的解，得到等效阻值-溫度曲線，如圖5 (a)所示。 (b)爲計算得到的溫度補償的效果，k<2的補償精度見表1。
(a) (b)
圖5、計算的結果
表1、溫度補償的精度
|
溫度範圍(℃) |
補償後的消光比(dB)
(常溫爲10.0dB) |
補償後的消光比(dB)
(常溫爲13.1dB) | |||
|
最低 |
最高 |
最小 |
最大 |
最小 |
最大 |
|
0 |
70 |
9.6 |
10.5 |
12.2 |
14.1 |
|
-40 |
70 |
9.5 |
10.6 |
12 |
14.4 |
|
-40 |
85 |
9 |
11.3 |
11.2 |
16.1 |
4. 實驗結果及結論
實驗採用日本三菱的DFB激光器，TO46封裝，具有背光探測器，驅動芯片採用具有APC功能的MAX3850。在2.5Gbps速率下使用PRBS2^23-1的NRZ碼得到不同溫度點下消光比，如圖6所示。由此可見，本方法實現了消光比的溫度補償，效果很好。
圖6、工作溫度範圍內消光比變化曲線
5. 結束語
本方法僅討論了對消光比的補償，對於沒有APC功能的驅動芯片，利用本方法也同樣可以實現對發射光功率的補償。對於有APC的驅動芯片，也可以利用本方法對失蹤誤差(Tracking Error)和消光比同時進行溫度補償，達到更好的效果。另外，通信中常用的是收發一體模塊，如果接收部分採用APD，那麼也可以利用本方法對APD的偏壓進行補償，以實現在不同的溫度下獲得最佳的靈敏度。
該文已被“第六屆中國光電通信論壇”收錄。