CN114384392A - 一种在光模块生产中快速调试apd偏压的方法 - Google Patents

一种在光模块生产中快速调试apd偏压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，在APD雪崩击穿后继续慢慢加大电压，记录当前的电压设置值和RSSI值，得到一组数据后进行线性拟合得到一条直线，然后求解出此直线和0轴的交点，此点便是APD对应的VBR电压。使用本申请的方法，调试更快速，且基本能避免传统方法在不同温度下偏高或偏低的问题。同时本发明在不需要给光也不需要接BERT的情况下，任意温度条件下即可快速准确地调出APD最佳灵敏度的电压，这在实际生产中极大了提高了效率和成本。

Description

一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法
技术领域
本发明属于通信半导体技术领域，具体地说，涉及一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法。
背景技术
雪崩光电二极管APD的VBR电压定义为无光时加反偏电压当电流达到10uA(有些锗硅APD是100uA)，此时的电压称为VBR，而最佳APD的偏压一般是VBR-3（实际过程中也可进行微调VBR-2等）。
如图1所示，根据APD的特性我们知道，在高温、常温和低温三种不同的温度下，均有一个最佳的APD电压使得灵敏度最佳，所以生产中调试APD电压的时候，有以下确定电压的方法：
一种方法是给一个比较小的光，调节不同的APD电压，通过误码率判断最佳点的位置，然后调试三温分别找到最佳点后进行拟合，得到每一个温度对应的最佳APD电压。此方法理论上是确定APD电压的最佳方法，但在实际过程中有不少弊端，首先就是会浪费大量的时间去扫描三个温度的不同电压，读取BERT的误码率也会增加时间和瞬间误差，另外会经常出现拟合的电压曲线出现抛物线的顶点，则一定存在某点的温度降低而APD电压增加的情况，那么就极容易导致光模块在不接收光的状态下上报一个错的光功率，这对光模块来说是致命的。
此外，业界当前还有一种使用VBR回退的方法来确定最佳APD电压，具体为：设定一个目标RSSI区间（例如64-192），把APD电压慢慢往上加，当读取的RSSI值在设定目标区间的时候认为此时电压恰好是VBR，然后给一个固定的回退值（一般回退3V或者一个固定的100个DAC设置值），回退后即认为是最佳的APD电压。此方法用起来确实比较方便，但是存在一个很明显的缺陷，就是高低温的时候APD的VBR已经变了，高温变大，低温变小，此方法会导致高低温找的VBR会偏掉。低温很容易把VBR找的偏高，高温容易找低，导致最后APD低温电压会偏高，高温会偏低，也就导致了低温的光功率上报会偏大很多，高温光功率上报偏低。
发明内容
本发明针对上述的现有技术在进行光模块调试时操作复杂且容易出现偏离等缺陷，提出了一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，在APD雪崩击穿后继续慢慢加大电压，记录当前的电压设置值和RSSI值，得到一组数据后进行线性拟合得到一条直线，然后求解出此直线和0轴的交点，此点便是APD对应的VBR电压。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，对雪崩光电二极管APD进行调试，具体操作为：
步骤1：设置温度从高到低并间隔一定温度区间的三个温度值；
步骤2：设定一个判断雪崩光电二极管APD是否被击穿的RSSI判断值；
步骤3：对于设定的每一个温度值对应的环境，在光模块无光的情况下，不断加大输入雪崩光电二极管APD的电压V，使得流经雪崩光电二极管APD的电流I增大；并通过当前RSSI值和设定的RSSI判断值来判断雪崩光电二极管APD是否被击穿，并得到被击穿时的击穿电压B；
步骤4：在雪崩光电二极管APD被击穿后，继续加大提供给雪崩光电二极管APD的电压V；并记录继续加大后的电压V的值及对应的当前RSSI值；
步骤5：通过记录的数据计算当前温度下流过雪崩光电二极管APD的电流I和电压V，建立电流I与电压V的坐标关系轴，在坐标关系轴上拟合得到关于电流I和电压V的线性关系直线，得到线性关系直线的斜率和截距，然后计算斜率比截距的值的负值，以计算得到的负值作为计算得到的当前温度的下的雪崩光电二极管APD的电压V；以电流I等于0时候的电压V作为雪崩光电二极管APD的VBR电压。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1：设置DC-DC BOOSTS升压芯片、电阻模块和MCU模块，通过MCU模块的DAC引脚向DC-DC BOOSTS升压芯片的反馈引脚传输一个VPDSET值到来控制DC-DC BOOSTS升压芯片输出电压V，并将电压VPD经过电阻模块后传输到雪崩光电二极管APD的负极上；
步骤3.2：对于设定的每一个温度值对应的环境，在光模块无光的情况下，不断加大输入雪崩光电二极管APD的电压V，使得流经雪崩光电二极管APD的电流I增大；
步骤3.3：通过当前RSSI值和设定的RSSI判断值来判断雪崩光电二极管APD是否被击穿，并得到被击穿时的击穿电压B。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3.3中计算当前RSSI值的具体操作为：
在DC-DC BOOSTS升压芯片的MON引脚连接到MCU模块的RSSI引脚，并在DC-DCBOOSTS升压芯片的MON引脚上搭接接地的电阻R1；
通过DC-DC BOOSTS升压芯片的MON引脚来监测雪崩光电二极管APD的电流，并经电阻R1转换成电压后通过RSSI引脚传输给MCU模块，作为当前的RSSI值的反馈。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤5的具体步骤为：
步骤5.1：计算雪崩光电二极管APD的基础暗电流I0、反偏电压VPD，并通过反偏电压VPD以及击穿电压B计算得到倍增因子M；
步骤5.2：通过倍增因子M和基础暗电流I0计算得到流经雪崩光电二极管APD的电流I，并得到流经雪崩光电二极管APD的电流I与倍增因子M和基础暗电流I0之间的换算关系；
步骤5.3：通过欧姆定律得到雪崩光电二极管APD的电流I、电压V、电阻模块的电阻R和反偏电压VPD之间的换算关系，结合电流I与倍增因子M和基础暗电流I0之间的换算关系，基于泰勒展开，计算得到如下关系式：
Figure 934918DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，V为输入雪崩光电二极管APD整体电路的电压V；R为电阻模块的电阻值；B为雪崩光电二极管APD的击穿电压；I为流经雪崩光电二极管APD的电流；n为由实际半导体材料、掺杂分布和入射光波长决定的常数；I0为雪崩光电二极管APD的基础暗电流；
步骤5.4：将击穿后的雪崩光电二极管APD的电流I忽略不计，得到如下关系式：
Figure 711113DEST_PATH_IMAGE002
；
换算得到：
Figure 523473DEST_PATH_IMAGE003
；
当温度固定时，击穿电压B和电阻R为常数，进而通过记录的数据计算当前温度下流过雪崩光电二极管APD的电流I和电压V，建立电流I与电压V的坐标关系轴，在坐标关系轴上拟合得到关于电流I和电压V的线性关系直线，得到线性关系直线的斜率slope和截距offset；以电流I等于0时候的电压V作为当前温度的雪崩光电二极管APD的VBR电压，即B= -offset/slope。
为了更好地实现本发明，进一步地，常数n的取值范围为1.5-8。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述RSSI判断值取值为200。
本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：
（1）使用本申请的方法，调试更快速，且基本能避免传统方法在不同温度下偏高或偏低的问题。
（2）在不需要给光也不需要接BERT的情况下，任意温度条件下即可快速准确地调出APD最佳灵敏度的电压，这在实际生产中极大了提高了效率和成本。
附图说明
图1为雪崩光电二极管APD在不同温度下的温度和灵敏性的关系示意图；
图2为光模块调试时的调试电路原理示意图；
图3为雪崩光电二极管APD的等效电路示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，对雪崩光电二极管APD进行调试，如图2、图3所示，具体操作为：
步骤1：设置温度从高到低并间隔一定温度区间的三个温度值；
步骤2：设定一个判断雪崩光电二极管APD是否被击穿的RSSI判断值；
步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1：设置DC-DC BOOSTS升压芯片、电阻模块和MCU模块，通过MCU模块的DAC引脚向DC-DC BOOSTS升压芯片的反馈引脚传输一个VPDSET值到来控制DC-DC BOOSTS升压芯片输出电压V，并将电压VPD经过电阻模块后传输到雪崩光电二极管APD的负极上；
步骤3.2：对于设定的每一个温度值对应的环境，在光模块无光的情况下，不断加大输入雪崩光电二极管APD的电压V，使得流经雪崩光电二极管APD的电流I增大；
步骤3.3：通过当前RSSI值和设定的RSSI判断值来判断雪崩光电二极管APD是否被击穿，并得到被击穿时的击穿电压B；步骤3.3中计算当前RSSI值的具体操作为：
在DC-DC BOOSTS升压芯片的MON引脚连接到MCU模块的RSSI引脚，并在DC-DCBOOSTS升压芯片的MON引脚上搭接接地的电阻R1；
通过DC-DC BOOSTS升压芯片的MON引脚来监测雪崩光电二极管APD的电流，并经电阻R1转换成电压后通过RSSI引脚传输给MCU模块，作为当前的RSSI值的反馈；
步骤4：在雪崩光电二极管APD被击穿后，继续加大提供给雪崩光电二极管APD的电压V；并记录继续加大后的电压V的值及对应的当前RSSI值；
步骤5的具体步骤为：
步骤5.1：计算雪崩光电二极管APD的基础暗电流I0、反偏电压VPD，并通过反偏电压VPD以及击穿电压B计算得到倍增因子M；
步骤5.2：通过倍增因子M和基础暗电流I0计算得到流经雪崩光电二极管APD的电流I，并得到流经雪崩光电二极管APD的电流I与倍增因子M和基础暗电流I0之间的换算关系；
步骤5.3：通过欧姆定律得到雪崩光电二极管APD的电流I、电压V、电阻模块的电阻R和反偏电压VPD之间的换算关系，结合电流I与倍增因子M和基础暗电流I0之间的换算关系，基于泰勒展开，计算得到如下关系式：
Figure 715420DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，V为输入雪崩光电二极管APD整体电路的电压V；R为电阻模块的电阻值；B为雪崩光电二极管APD的击穿电压；I为流经雪崩光电二极管APD的电流；n为由实际半导体材料、掺杂分布和入射光波长决定的常数；I0为雪崩光电二极管APD的基础暗电流；
步骤5.4：将击穿后的雪崩光电二极管APD的电流I忽略不计，得到如下关系式：
Figure 60951DEST_PATH_IMAGE002
；
换算得到：
Figure 414572DEST_PATH_IMAGE003
；
当温度固定时，击穿电压B和电阻R为常数，进而通过记录的数据计算当前温度下流过雪崩光电二极管APD的电流I和电压V，建立电流I与电压V的坐标关系轴，在坐标关系轴上拟合得到关于电流I和电压V的线性关系直线，得到线性关系直线的斜率slope和截距offset；以电流I等于0时候的电压V作为当前温度的雪崩光电二极管APD的VBR电压，即B= -offset/slope。
工作原理：本文提供一种新的在光模块实际生产过程中快速确定APD（雪崩光电二极管）电压的方法，极大节省了生产时间。如图2所示为光模块的APD供电原理，MCU的DAC脚给一个VPDSET值到DC-DC BOOSTS升压芯片的反馈脚来控制其输出电压VPD，经过电阻R（为分压电阻和RC滤波部分的电阻之和）后加在APD负极，DC-DC的MON脚是用来监测VPD的电流，经电阻R1转成电压后从RSSI脚给MCU监控。在无光情况下，不断慢慢加大VPDSET的值使得流过APD的电流慢慢增大，通过设定一个RSSI值（例如200）来判断APD是否雪崩击穿，在雪崩击穿后继续慢慢加大电压，记录当前的电压设置值和RSSI值，得到一组数据后进行线性拟合，然后求解出此直线和0轴的交点，此点便是APD对应的VBR电压。使用本文提到的APD调试方法后，基本能避免传统方法的问题。在不需要给光也不需要接BERT的情况下，任意温度条件下即可快速准确地调出APD最佳灵敏度的电压，这在实际生产中极大了提高了效率和成本。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，如图3所示，为APD工作电路模型，设电源电压为V，流过APD的电流为I，APD两端的电压为VPD，分压电阻大小为R。假设APD的基础暗电流为I0，倍增因子为M。
倍增因子M和反偏电压VPD的关系约为：
Figure 212763DEST_PATH_IMAGE004
，
其中n为常数，和耗尽层宽度以及电离率有关，主要由半导体材料、掺杂分布和入射光波长决定，通常是1.5-8之间，VPD为加在APD上的反偏电压，B为APD的击穿电压，即VBR。
所以流过APD的电流I为：
Figure 942822DEST_PATH_IMAGE005
根据欧姆定律有V-I*R=VPD，代入上式有
Figure 142859DEST_PATH_IMAGE006
则可以推导出：
Figure 157127DEST_PATH_IMAGE007
根据泰勒展开有：
Figure 442615DEST_PATH_IMAGE008
再结合M的表达式可知，当VPD越接近VBR的时候M越大。所以击穿后，
Figure 710786DEST_PATH_IMAGE009
的值实际上非常小，所以可以近似得到 (V-IR)/B=1，所以
I=V/R-B/R
当温度固定的时候B和R是常数，所以可以看出无光击穿后流过APD的电流I是和总电路加上去的电压V是成线性关系。拟合出此直线后，得到斜率slope和截距offset，令I=0，则此时的V即是APD当前温度的VBR电压，即B= - offset/slope。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，在实际操作时，在稳定温度以后，不断慢慢加大APD的设置电压，使得读到的RSSI值大于200后，开始进行RSSI和电压的数据记录。假如默认值是30V，读此时RSSI为0，加大VPDSET这个DAC值后，发现RSSI慢慢增大，当发现RSSI超过200时，开始记录，比如-35℃时，当不断加电压发现RSSI为230时，记录此时设置的电压值（由DAC和电压的公式可计算出）为34.6920V,对应的RSSI值为230，依次慢慢增大电压设置，分别读取对应的电压和RSSI值6次，如下表1所示：
表1
Figure 562067DEST_PATH_IMAGE011
对以上数据进行线性回归拟合，得到斜率slope=1319.9195，截距slope=-45631.633；
代入公式可得到此APD当前温度下的VBR为：
B= - offset/slope=34.5715
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上，给出对7个样品进行测试的实验结果，分别如下表2、表3、表4、表5、表6、表7、表8所示：
表2 样品1
Figure 788649DEST_PATH_IMAGE012
表3样品2
Figure 561433DEST_PATH_IMAGE013
表4样品3
Figure 869180DEST_PATH_IMAGE014
表5样品4
Figure 43809DEST_PATH_IMAGE015
表6样品5
Figure 175713DEST_PATH_IMAGE016
表7样品6
Figure 435793DEST_PATH_IMAGE017
表8样品7
Figure DEST_PATH_IMAGE018
由上面的实验数据可以看出，确实都存在低温的时候，按照旧方法找到的APD的VBR电压基本都会偏高，高温的时候基本上也会都偏低一点。而使用本文的新方法找到的VBR和最佳灵敏度时电压基本都稳定在3.6V左右，所以也可以看出此型号的APD样品VBR-3.6是最佳灵敏度电压。而旧方法找到的VBR低温会偏大，高温会偏小。
本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，其特征在于，对雪崩光电二极管APD进行调试，具体操作为：
步骤1：设置温度从高到低并间隔一定温度区间的三个温度值；
步骤2：设定一个判断雪崩光电二极管APD是否被击穿的RSSI判断值；
步骤3：对于设定的每一个温度值对应的环境，在光模块无光的情况下，不断加大输入雪崩光电二极管APD的电压V，使得流经雪崩光电二极管APD的电流I增大；并通过当前RSSI值和设定的RSSI判断值来判断雪崩光电二极管APD是否被击穿，并得到被击穿时的击穿电压B；
步骤4：在雪崩光电二极管APD被击穿后，继续加大提供给雪崩光电二极管APD的电压V；并记录继续加大后的电压V的值及对应的当前RSSI值；
步骤5：通过记录的数据计算当前温度下流过雪崩光电二极管APD的电流I和电压V，建立电流I与电压V的坐标关系轴，在坐标关系轴上拟合得到关于电流I和电压V的线性关系直线，得到线性关系直线的斜率和截距，然后计算斜率比截距的值的负值，以计算得到的负值作为计算得到的当前温度的下的雪崩光电二极管APD的电压V；以电流I等于0时候的电压V作为雪崩光电二极管APD的VBR电压。
2.如权利要求1所述的一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1：设置DC-DC BOOSTS升压芯片、电阻模块和MCU模块，通过MCU模块的DAC引脚向DC-DC BOOSTS升压芯片的反馈引脚传输一个VPDSET值到来控制DC-DC BOOSTS升压芯片输出电压V，并将电压VPD经过电阻模块后传输到雪崩光电二极管APD的负极上；
步骤3.2：对于设定的每一个温度值对应的环境，在光模块无光的情况下，不断加大输入雪崩光电二极管APD的电压V，使得流经雪崩光电二极管APD的电流I增大；
步骤3.3：通过当前RSSI值和设定的RSSI判断值来判断雪崩光电二极管APD是否被击穿，并得到被击穿时的击穿电压B。
3.如权利要求2所述的一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，其特征在于，所述步骤3.3中计算当前RSSI值的具体操作为：
在DC-DC BOOSTS升压芯片的MON引脚连接到MCU模块的RSSI引脚，并在DC-DC BOOSTS升压芯片的MON引脚上搭接接地的电阻R1；
通过DC-DC BOOSTS升压芯片的MON引脚来监测雪崩光电二极管APD的电流，并经电阻R1转换成电压后通过RSSI引脚传输给MCU模块，作为当前的RSSI值的反馈。
4.如权利要求2或3所述的一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，其特征在于，所述步骤5的具体步骤为：
步骤5.1：计算雪崩光电二极管APD的基础暗电流I0、反偏电压VPD，并通过反偏电压VPD以及击穿电压B计算得到倍增因子M；
步骤5.2：通过倍增因子M和基础暗电流I0计算得到流经雪崩光电二极管APD的电流I，并得到流经雪崩光电二极管APD的电流I与倍增因子M和基础暗电流I0之间的换算关系；
步骤5.3：通过欧姆定律得到雪崩光电二极管APD的电流I、电压V、电阻模块的电阻R和反偏电压VPD之间的换算关系，结合电流I与倍增因子M和基础暗电流I0之间的换算关系，基于泰勒展开，计算得到如下关系式：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
式中，V为输入雪崩光电二极管APD整体电路的电压V；R为电阻模块的电阻值；B为雪崩光电二极管APD的击穿电压；I为流经雪崩光电二极管APD的电流；n为由实际半导体材料、掺杂分布和入射光波长决定的常数；I0为雪崩光电二极管APD的基础暗电流；
步骤5.4：将击穿后的雪崩光电二极管APD的电流I忽略不计，得到如下关系式：
Figure 928086DEST_PATH_IMAGE002
；
换算得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
当温度固定时，击穿电压B和电阻R为常数，进而通过记录的数据计算当前温度下流过雪崩光电二极管APD的电流I和电压V，建立电流I与电压V的坐标关系轴，在坐标关系轴上拟合得到关于电流I和电压V的线性关系直线，得到线性关系直线的斜率slope和截距offset；以电流I等于0时候的电压V作为当前温度的雪崩光电二极管APD的VBR电压，即B= -offset/slope。
5.如权利要求4所述的一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，其特征在于，常数n的取值范围为1.5-8。
6.如权利要求1所述的一种在光模块生产中快速调试APD偏压的方法，其特征在于，所述RSSI判断值取值为200。
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