光收发模块设计中的激光器补偿分析

　　光发射机的信号完整性要求电路具有良好的阶跃响应。这意味着快速的上升时间、最小的过冲、幅度变化持续时间不超过一个比特周期。发射光组件(TOSA)的封装阻抗会影响所加信号的阶跃响应。本文简要分析这些寄生参数，重点讨论补偿方法和思路。
1 TOSA的寄生参数
　　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。图5就是一个考虑了寄生参数的TOSA的模型，影响信号完整性的因素是图中的寄生串联电感L和寄生并联电容C。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后会产生失真(图6)。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(图7)。

　　图5所示的过冲失真和欠冲失真是同时考虑了低频和高频响应的双重效果。高频响应的影响：上升时间，过冲，振铃；低频响应的影响：衰减，漂移。
　　考虑低频响应时，电感可以看作短路，电容可以看作开路，这样图5所示的寄生参数就没有了。其他如温度变化对激光器的影响也需要考虑，本文主要讨论电信号方面的响应。
　　当从驱动器评估阶跃响应时，激光器本身的电光转换影响要尽量最小化。但是为了激光器能够正常发光，最小电流也需要在激光器的阈值之上，而且为了得到比较好的眼图，必须高于阈值一定幅度，不然在驱动器和激光器交流耦合时，反向调制电流和偏置电流之和有可能会低于激光器的阈值，从而造成眼图打开不全的问题。保持激光驱动器的偏置电流在高端，并且调制电流在低端，这可以帮助最好地观察驱动器到激光器接口的线性分量影响。
　　在实际操作中看到眼图异常时，为了进一步分析，观察阶跃信号响应是最直观的方法。如图7所示，(a)为眼图，(b)为对应的阶跃波形图。在阶跃波形图上，可以更加清楚地观察和分析过冲和振铃，包括过冲的幅度、振铃的周期、频率等。
　　如果要用仪表设备观察阶跃响应，所给信号要有足够的周期长度，以观察跃迁变化开始到比较稳定幅度的过程。幸运的是，在激光器驱动电路中，几乎所有的高速信号起伏变化都将会在1个比特周期内达到稳定。
2 补偿网络
2.1 过冲
　　为了解决光信号的过冲，可以选择图8的补偿网络。图中的负载阻抗要基于时间常数τ做调整。如果负载阻抗ZL主要为阻性，则下面的等式成立：
　　

　　通过选择适当的电阻R1来降低整个阻抗以限制过冲到可以接受的水平。理论上讲电容C1要尽量小，这样在最初的过冲之后R1的影响可以被忽略。
　　举一个比较典型的25 Ω负载、50 ps、20%过冲的例子(可以理解为图6中的过冲幅度为正常幅度的20％，持续时间是50 ps)：通过选择电阻R1=100 Ω，高频的合并负载Z=R1||ZL将会降低到20Ω或者低于正常值的20%；通过选择电容C1=0.5 pF，时间常数τ=R1×C1=50 ps，刚好与过冲持续时间一致，以达到最佳补偿。
　　这种R-C补偿电路的负面影响是减缓了上升沿爬升速度。这主要是因为信号中的高频成份被补偿电路衰减了。所以为了保持快速的上升时间，有时需要适当容忍一定的过冲。
2.2 欠冲
　　对于欠冲的补偿，需要降低阶跃信号的低频分量。引起的不利因素是可以达到的峰值功率会被降低。图9的电路是针对光信号欠冲的补偿。

　　　　　　　　　　　　　　　　
　　有些激光器驱动器具有内置的背向匹配电阻。如果电感L1和背向匹配电阻串联，则可以阻止额外的功率损失。R-L补偿的操作原理和R-C补偿类似：