CN102291174A - 一种光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法。使用生产时光器件测得的数据直接计算需要设置的调制电流和光电二极管响应背光电流，代替现有的现场调试的方式，降低生产成本。

Description

一种光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法。

背景技术

在光通信高速发展的今天，光模块作为光通信的关键部件已经越来越广泛的运用。新兴的光模块生产厂商如雨后春笋般的出现，对光模块的新技术发展仍然在继续，但是对于常用的成熟方案的光模块而言，使用的技术方案大同小异，供应商相对集中。因而材料成本已经差异不大，而客户对于这些情况的了解，使得客户对于常规光模块的供应商如何能做出既满足要求又低成本的光模块。由于物料价格质量差异不大，对于光模块的生产成本节省来说尤为重要，在节约生产成本的同时，还要保证产品的稳定性及质量，需要减少人工操作的因素，更多的通过优良的软件算法及自动化程序来保证。

光模块的生产与程序相关的是调测试，传统的光模块的调测试需要大量价格昂贵的仪器设备进行测量，这样光模块生产过程中，要承担仪器设备高昂的维护费用，同时也要有专门的人员对其进行日常的校准及管理。怎样降低生产成本，同时保证光模块的产品质量成为每家光模块公司都需要考虑的问题。

典型的激光器驱动芯片，是通过对外围可变电阻或者数模转化器或其他方式，通过对于其提供的调制电流及偏置电流进行控制。由于半导体激光器具备了监控的光电二极管，利用其线性响应的能力，激光器驱动芯片提供了一个负反馈功能，通过检测监控MPD的光电响应电流的大小，激光器本身进行bias电流的控制，这种控制方式被称为平均光功率闭环，消光比开环控制方式，如图1所示。

相比较平均光功率开环模式，闭环模式是通过设置MPD光电响应电流的大小来控制激光器的发射光功率。闭环模式通过调节偏置电流来保证光功率恒定。

对于光模块的收端而言，如果使用MPD作为光学探测，利用MPD的光电响应特性及TIA芯片的电流信号到电压信号转换，完成光信号到电信号的转变。如果对于接收的灵敏度有很高的要求，一般就会使用到雪崩光电二极管，这时需要对雪崩光电二极管加上一个反向偏置的工作电压，而其反向偏置工作电压一般为当前温度的击穿电压的90%左右。相对于发端而言，收端调试部分较为简单。

无论哪种方式，传统的光模块调试都需要利用光学测试仪器对光模块的平均光功率及消光比进行实时监控。在相同的应用环境下，光模块的收发参数都是要满足一定范围的，但是由于每只半导体激光器的阈值电流，发光效率，高低温特性都不同，所以需要通过对光模块进行调试，调试的时候需要通过光功率计及采样示波器进行实时的监控，一般先通过光功率计将平均光功率调试完成之后，再通过示波器实时检测消光比，完成消光比的调试。

调试中使用的光功率计一般成本在1万元左右，而采样示波器及其配套的光学器件价格更达到40万左右，产生调制信号的误码仪也需要大概10万左右，如果是高速率的误码仪价格更加高，需要PC机与其通信的GPIB卡，线缆价格也是不菲，生产过程中需要维护计量等花费，即便是自动调试一只光模块的发端需要的时间大概是半分钟，对于低端的或者利润较低的光模块生产来说，降低生产成本，提高生产效率成为光模块厂商的最关注的一个问题。

对于降低生产成本，大部分厂商都在做这个方向的工作，所以对于现有的光模块调试方法而言，大概有如下几种，

1、仍然使用光学仪器进行调试，保持原有的调试方法不变。一个调测平台，有两个待调试的光模块，先调试其中1只平均光功率，在调试平均光功率的间隙，利用光学开关切换到另外一路光模块的消光比调试，平均光功率调试完成之后，在将光学开关切换回来。利用时分复用的方式，提高单位时间的采样示波器的利用率，如图2所示。

这种调试方式增加了光学开关的成本，员工操作及程序控制的复杂性。使用分路器会需要进行功率的校准，例如理论计算光功率通过50：50的分路器，功率应该下降一半，也就是3dB，但是由于分路器不能保证分光的精确度，所以每隔一段时间需要对光路进行校准。也会降低生产的效率。

2、保证原有的调试方式不变，在原有的采样示波器的基础上，买入不带有光电转换的普通采样示波器及一般的光电转换模块，进行二次开发，调试光模块使用自制的采样示波器，同时自制误码仪，以达到降低生产成本的目的。由于不是专业仪器生产厂商，测试消光比的精确度有很大差异，同时其稳定性也不如专业的仪器生产厂商，需要有专门的开发技术人员对示波器进行维护，而且需要足够的储备，以便遇到不能马上修复的示波器，有备用的示波器，保证生产的连续性。

3、有的公司利用自己在自动化控制上的优势，通过使用串口，USB口进行通信，去掉了原有的高价的GPIB卡及线缆，以达到节省生产成本的目的。这样通信的稳定性受到了挑战，可能生产设备出现通信异常的比例会增高，而维护员工的成本也要相应增加。

4、利用消光比的计算方法，

先设置正常应用状态的功率及消光比的典型值，根据下列算式：

AOP及ER的典型值可以通过设置已知。可以计算出P0及P1的理论值。在没有误码仪输出数据信号的时候，激光器驱动芯片提供偏置电流来保证光功率。可以通过改变可变电阻或者数模转换器，使得使得AOP’=P0,这个时候的AOP=(Ibias-Ith)*SE,PC机记录这个时候的激光器驱动芯片监控的Bias电流值。然后使得位误码仪发送数据流信号，这个时候激光器驱动芯片将提供调制电流及偏置电流来保证发光功率，通过改变可变电阻或者数模转换器调试平均光功率，然后再调试调制电流，使得此时的监控偏置电流跟平均光功率为P0的时候的偏置电流一样，即可认为调试结束。该种方式由于需要将平均光功率调试到相对较小的P0，由于半导体激光器及其监控的光电二极管的特性，会存在部分相应光电流过小的器件，无法通过该方式调试得到。生产的直通率没有传统的生产模式高。

发明内容    

本发明的目的在于提出一种光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，以实现通过读取器件生产商提供的参数数据并根据需要的消光比及光功率直接设置偏置端的输入电压和调制端的输入电压。

为实现以上目的，本发明提供一种光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，直接从器件资料中读取器件的特征参数，再根据系统需要的平均光功率（AOP）及消光比（ER），计算出在调制端需要输入的电压（Vdac1）和在偏置端需要输入的电压（Vdac2），并根据上述计算得到的在调制端需要输入的电压（Vdac1）和在偏置端需要输入的电压（Vdac2）来设置调制端的输入电压（Vdac1）和偏置端的输入电压（Vdac2）。

该读取器件的特征参数为发光效率（SE）、光电二极管的响应度（??）、芯片参考电压值（Vref）、调制电流设置电阻值（Rmodset）、光电二极管响应电流的设置电阻值（Rapcset）。

该计算出在调制端需要输入的电压（Vdac1）和在偏置端需要输入的电压（Vdac2）的方法为：根据平均光功率（AOP）及消光比（ER）计算出高电平的光功率（P1）和低电平的光功率（P0）；根据高电平的光功率（P1）、低电平的光功率（P0）和发光效率（SE）计算出调制电流（Imod）；根据平均光功率（AOP）及光电二极管的响应度（??）计算出光电二极管的响应电流（Impd）；根据光电二极管的相应电流（Impd）、芯片参考电压值（Vref）、光电二极管响应电流的设置电阻值（Rapcset），使用芯片特征公式计算出在调制端需要输入的电压（Vdac1）；根据调制电流（Imod）、芯片参考电压值（Vref）、调制电流设置电阻值（Rmodset），使用芯片特征公式计算出在偏置端需要输入的电压（Vdac2）。

该设置调制端的输入电压（Vdac1）的方法，为使用数模转换器设置调制端的输入电压（Vdac1）。该设置偏置端的输入电压（Vdac2）的方法，为使用数模转换器设置调制端的输入电压（Vdac2）。

该设置调制端的输入电压（Vdac1）的方法，为在调制端并联可变电阻，通过调整可变电阻设置调制端的输入电压（Vdac1）。该设置偏置端的输入电压（Vdac2）的方法，为在偏置端并联可变电阻，通过调整可变电阻设置偏置端的输入电压（Vdac2）。

该从器件资料中读取器件的特征参数的方法，具体为使用条码扫描枪读取储存于器件所附条码中的预存的器件特征参数。

采用了本发明的技术方案，可以实现通过读取器件生产商提供的参数数据并根据需要的消光比及光功率直接设置偏置端的输入电压和调制端的输入电压。

附图说明

图1是平均光功率闭环，消光比开环控制方式电路图；

图2是现有技术的使用光学开关调试的设备结构示意图；

图3是平均光功率及光电二极管的响应电流的线性关系示意图；

图4是激光器二极管加载电流与发光功率的关系的示意图；

图5是本发明的光功率闭环方式发射机的电路示意图；

图6是本发明的数据读取装置示意图；

图7是本发明的内部生产的发射机调试方法流程图；

图8是本发明的供应商提供的发射机调试方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

通过对于光器件的供应商提供的测试数据，主要是器件的发光效率SE（slope efficiency），Ith+20mA时常温的MPD的光电响应电流，简称背光电流。如果是开环模式需要测试Ith（阈值电流）的值，通过公式1~4进行设置值的写入即可完成调试。

公式1：(AOP=P1+P0)/2

公式2：ER=10*lg(P1/P0) 

公式3：P1=(Imod+Ibias-Ith)*SE

公式4：P0=(Ibias-Ith)*SE

公式5：AOP=??*Impd

公式6：SE=??P/??I=(P2-P1)/(I2-I1)

公式7：Ith=（I1*P2-I2*P1）??((P2-P1))

其中：

AOP：平均光功率，ER：消光比，Imod：调制电流，Ibias：偏置电流，Ith：阈值电流，SE：发光效率，P1：1电平的光功率，P0：0电平的光功率，Impd：光电二极管的响应电流。

公式5表示的平均光功率及光电二极管的响应电流的线性关系可以体现为图3（图3为平均光功率及光电二极管的响应电流的线性关系示意图）。

由于光器件测试的时候，发光功率及响应光电流都可以通过测试得到，故??可以通过AOP/Impd得到。公式6，可以通过体现为图4（图4为背光二极管的响应度的示意图）。

同样光器件的测试，可以测试两点的加载电流及对应的发光效率。

不同应用的光模块需要的平均光功率及消光比是不同的，通过对生产数据进行设置，即可得到想要调试到的平均光功率及消光比的值，例如光模块需要光功率在0~6dBm，数据库设置为调试目标值为3dBm，消光比范围为6~14dB，那么数据库的调试目标值可以设置为10dB。

通过公式1，公式2，可以计算出P1及P0的值，由公式2，可得10*P0=P1，带入公式1，得到11*P0=2mw，那么P0=0.18mw，P1=1.82mw。

然后再通过公式3，公式4，可以计算常温调试时，需要的调制电流。由于P0，P1已经通过公式1、2计算出来，两个公式相减，得到Imod*SE=P1-P0=1.64mw。

再利用公式6，及光器件测试的加载在半导体激光器的电流及半导体激光器的发射功率，这个是在光器件测试部分测试得到的，跟光模块的发射机部分调试无关，这里是为了推导计算。例如：测试得到的P2=2mw，P1=1mw，I1=16mA，I2=26mA，那么通过计算SE=0.1mw/mA。

Imod=16.4mA. 通过公式7的推导可以得到阈值电流Ith=6mA。阈值电流在平均光功率开环模式下才会用到，闭环模式还需要计算光电二极管MPD的响应度。

利用测试得到的背光电流对应的光功率，可以计算出背光二极管MPD的响应度??，根据要调试模块的AOP的具体值，及计算出的??，可以得到Impd的值。例如：功率为1mw的时候，Impd的电流测试为200uA，那么响应度??通过公式5，得到??=5mw/mA。那么这个半导体激光器的平均光功率要达到2mw的情况下，光电响应电流需要400uA。激光器驱动器芯片提供的调制电流，MPD响应电流的计算公式，可以求得，需要设置的可变电阻器或者数模转换器的设置值，通过根据高低温的激光器的温变系数，写入以温度为变量的设置值查找表中，完成光模块的调试。

假设使用上述的半导体激光器来做光模块。

如图5所示（图5为本发明的光功率闭环方式发射机的电路示意图），例如使用美国美信芯片公司的激光器驱动芯片MAX3738，如果使用的数模转换器设置的方式，平均光功率闭环控制，闭环控制是激光器驱动芯片利用对mpd的光电响应电流的大小进行监控反馈，控制偏置电流的大小来保证稳定的平均光功率输出，芯片消光比开环控制，其调制电流的计算公式为：

公式8：Impd=1/2*（Vref-Vdac1）/Rapcset 

公式9：Imod=（Vref-Vdac2）*268/Rmodse

其中Rmodset为调制电流设置电阻值，Rapcset为闭环控制的光电二极管响应电流的设置电阻值，这个是由不同的设计方案而定的，但是每个机型的电阻值是固定的，相当于公式5,6中的已知量。Vref为MAX3738的参考电压值，为1.25V，Vdac1和Vdac2为数模转换器电压，通过数模转换器进行设置，这个就是需要通过公式求出的变量。假设Rapcset电阻为1Kohm，Rmodset电阻为4Kohm，那么利用上面半导体激光器计算的值带入公式8,9可以算得Vdac1=0.45V，Vadc2=1.01V。对应数模转换器的设置值，也就是需要写入光模块的设置值。

如图6所示（图6为本发明的数据读取装置示意图），本发明可以使用一台条码扫描枪，对光器件的条码进行扫描，输入到PC机中，一台测试板提供光模块的供电及跟PC通信的接口功能，一台PC机，对于当前的光器件及光模块机型号进行处理，并通过网络访问数据库，根据算法及光器件的测试数据，完成光模块设置值的运算并写入光模块中。

本发明中用到的PC机可以为美国戴尔公司的戴尔 Vostro 1040系列，条码扫描枪可以为美国Honeywell公司的3800G系列，而测试板可以为superxon公司自制的EVB5。通信接口都为USB接口，网络接口有线或者无线皆可。

框图中没有任何的光学测试仪器出现，大大降低了生产成本，如果涉及到产线的扩产，也只需要增加相应的低廉的设备和一台PC机加测试板的空间即可完成。

该发明主要以现在的信息技术高速发展为前提，利用成熟的数据库及网络技术，对于内部制造的光学器件或者外部采购的光学器件的测试数据进行数据库录入。对于内部制造的光器件应用于光模块的生产流程如图7所示（图7为本发明的内部生产的发射机调试方法流程图）。

步骤1，自产的光器件的测试，并通过条码号记录进生产数据库中；

步骤2，完成光模块的装配，通过条码扫描枪扫描光器件的条码号，利用条码号，数据库读取测试数据，根据选定的光模块的机型，利用PC机进行设置值的计算；

步骤3，计算完成之后，通过通信接口将设置值写入光模块中；

步骤4，完成一只光模块的调试，并将数据记录进数据库中。

内部生产的光器件，可以利用唯一的条码识别，光器件的测试数据存入数据库中，生产的时候只需要通过条码扫描枪，对条码进行扫描，选取正确的调试机型，即可完成设置值的计算及写入。而对于外购的光器件，要求供应商按照固定的格式填写测试的数据，并要求光器件上的条码号跟测试数据一一对应，同时测试数据导入软件会对格式进行鉴别，对于个别关键数据会通过设置门限进行限制，以预防测试数据导入错误的情况发生。对于供应商提供的光器件的生产调试流程如图8所示（图8为本发明的供应商提供的发射机调试方法流程图）。

步骤1，供应商提供的光器件测试数据的录入，通过软件对数据进行识别之后，确认无误进行数据库的录入工作；

步骤2，完成光模块的装配，通过条码扫描枪扫描光器件的条码号，利用条码号，数据库读取测试数据，根据选定的光模块的机型，利用PC机进行设置值的计算；

步骤3，计算完成之后，通过通信接口将设置值写入光模块中；

步骤4，完成一只光模块的调试，并将数据记录进数据库中。

无论外来或者自产的光器件，数据库会有记录，模块生产调试一样会有记录，一旦遇到产品的质量问题，会通过数据库进行追溯，对产品进行有效的管理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：

直接从器件资料中读取器件的特征参数，再根据系统需要的平均光功率（AOP）及消光比（ER），计算出在调制端需要输入的电压（Vdac1）和在偏置端需要输入的电压（Vdac2），并根据上述计算得到的在调制端需要输入的电压（Vdac1）和在偏置端需要输入的电压（Vdac2）来设置调制端的输入电压（Vdac1）和偏置端的输入电压（Vdac2）。

2.根据权利要求1所述的光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：

所述读取器件的特征参数为发光效率（SE）、光电二极管的响应度（??）、芯片参考电压值（Vref）、调制电流设置电阻值（Rmodset）、光电二极管响应电流的设置电阻值（Rapcset）。

3.根据权利要求2所述的光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：

所述计算出在调制端需要输入的电压（Vdac1）和在偏置端需要输入的电压（Vdac2）的方法为：

根据平均光功率（AOP）及消光比（ER）计算出高电平的光功率（P1）和低电平的光功率（P0）；

根据高电平的光功率（P1）、低电平的光功率（P0）和发光效率（SE）计算出调制电流（Imod）；

根据平均光功率（AOP）及光电二极管的响应度（??）计算出光电二极管的响应电流（Impd）；

根据光电二极管的相应电流（Impd）、芯片参考电压值（Vref）、光电二极管响应电流的设置电阻值（Rapcset），使用芯片特征公式计算出在调制端需要输入的电压（Vdac1）；

根据调制电流（Imod）、芯片参考电压值（Vref）、调制电流设置电阻值（Rmodset），使用芯片特征公式计算出在偏置端需要输入的电压（Vdac2）。

4.根据权利要求1所述的光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：

所述设置调制端的输入电压（Vdac1）的方法，为使用数模转换器设置调制端的输入电压（Vdac1）。

5.根据权利要求1所述的光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：

所述设置调制端的输入电压（Vdac1）的方法，为在调制端并联可变电阻，通过调整可变电阻设置调制端的输入电压（Vdac1）。

6.根据权利要求1所述的光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：

所述设置偏置端的输入电压（Vdac2）的方法，为使用数模转换器设置调制端的输入电压（Vdac2）。

7.根据权利要求1所述的光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：

所述设置偏置端的输入电压（Vdac2）的方法，为在偏置端并联可变电阻，通过调整可变电阻设置偏置端的输入电压（Vdac2）。

8.根据权利要求1所述的光模块发端闭环调试光功率和消光比的方法，其特征在于：所述从器件资料中读取器件的特征参数的方法，具体为使用条码扫描枪读取储存于器件所附条码中的预存的器件特征参数。

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