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激光二极管RC补偿网络的研究

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  摘要:在光发射模块设计中,用激光驱动器驱动高速率的激光二极管发光是整个设计的,为优化光发射模块眼图的质量,对激光器的寄生参数模型进行分析,探讨激光器RC补偿的原理和方法。

  1.引言

  随着信息化的快速发展,人们的工作、生活、娱乐离不开网络,现如今无线网络盛行的同时,人们对有线网络的速度的要求也越来越高。现在的有线传输基本都采用光纤传输,光节点离我们越来越近。每个光节点上,都需要一个光收发模块,激光二极管这个模块中起到电信号转换成光信号用以传输。对于速度比较高的发射模块,我们选用半导体激光器来发光,常用的激光器有FP、DFB和VCSEL三种。因为不同型号的激光二极管,他的规格性能都不相同,因此对于不同型号的二极管,他的匹配网络也不相同。因此,在设计一个光发射器时,为了得到良好的光眼图,用RC网络来补偿由于激光二极管封装引起的寄生电感,本文简要分析这些寄生参数,重点讨论补偿方法和思路。

  2.激光器RC补偿网络介绍

  在设计一个光模块时,激光驱动器调制接口电路是整个设计的,眼图质量是衡量光收发模块发射机设计结果的重要指标。在满足相关应用的眼图模板要求之外,系统客户总是希望模块的发射眼图具有更高百分比的余量、更低的噪声和抖动。

  设计需要的激光二极管都用封装好的TOSA,TOSA的金属打线和环氧金属接触导致寄生电感和寄生电容的产生,影响信号完整性的因素主要是寄生串联电感L和寄生并联电容C,如图1所示考虑寄生参数的激光二极管。基于这些寄生参数以及激光器非线性行为的影响,送入激光驱动器的阶跃信号经过激光器会产生失真。激光器以及外部元件的寄生电感和寄生电容会降低边沿速率,导致抖动增大,寄生电感有时还会引起高频振铃。为了减少由寄生电感所产生的高频电流信号,并联一个旁路RC匹配滤波网络来减轻或消除这种现象。

  

  在低速(155Mb/s以下)的情况下,电路不需要RC网络,只有在高速的情况下,才需要RC网络。

  3.RC补偿网络

  对于MAX3656来说,他的调制输出驱动负载RD为15Ω,它与激光二极管采用直流耦合的方式连接。将激光驱动器与激光二极管直流耦合接口电路调制输出OUT+支路进行交流等效,LD作为终端负载,RL为激光器的动态内阻,与流过其电流IL成反比关系,在线性工作区激光器RL一般为4~6Ω,当速率在几百几千兆以上时,考虑到激光二极管寄生电容的影响,则该时域等效电路如图2所示,频域等效电路如图3所示。

  

  

  由电路理论可知:

  

  

  由1.8式可知,当时,H(jw)≈1,即当RF、C及信号频率满足以上条件是,该信号不失真。在实际的高速率信号电路设计中,RF的取值不大于100Ω,C的取值不大于10pF.

  对于激光发射器来说,眼图的质量很正常,在我们设计一个光发射器时,会遇到很多的问题,如过冲,下冲或振铃等。在解决光信号的过冲、下冲等这些实际问题时,负载阻抗要基于时间常数做调整,根据它的上升时间以及过冲或欠冲幅度做调整,选择适当的RF来减缓过冲或下冲问题。

  4.结论

  激光驱动器驱动激光二极管发光,他们的接口电路很重要也很难上手,不同的激光二极管,他们的寄生参数也不相同,在实际的应用中,除了理论值,也要根据他们的实际问题去改善,偏置电流的大小要满足,上升时间组都,对于过冲或欠冲及振铃问题,改变RF,C的大小。(作者:张志伟,王佳)


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