光模块发射电路
影响光模块发射眼图的一些关键因素
影响光模块发射眼图的⼀些关键因素影响发射眼图的⼀些关键因素关键词:阈值电流(I th) 调制电流(I MOD) 偏置电流(I BIAS) 反射(reflection) 振铃（ringing）过冲（overshoot）⽋冲(undershoot) 反向不归零制(NZR)本⽂主要通过分析在实际调试过程中出现的现象及其解决⽅法来说明对眼图影响较⼤的⼀些主要因素，以供在设计及调试中引起注意。
激光驱动器和激光⼆极管间采⽤直流耦合⽅式,电路⽰意图如下:激光驱动器的输出结构如下图所⽰:R MOD决定调制电流(I MOD)的⼤⼩,下⾯对调试中常见的⼀些波形进⾏分析并提出相应的解决办法。
1、现象：波形混杂压缩在⼀起，没有出现清晰可变的眼图，波形底部太低。
原因：由于偏置电流(I BIAS)设得太⼩造成的。
解决⽅法：增加偏置电流，直到波形底部向上移动，此时波形会渐渐变清晰。
关键因素：偏置电流(I BIAS)2、现象：过冲，波形上升沿过冲超过1电平，。
原因：上升沿速度太快解决⽅法：A、插⼊⼀个低通滤波器RC电路，截⾄频率位速率的75％，减缓上升和下降沿。
B、调节串联阻尼电阻R D的值，使驱动器输出阻抗匹配。
关键因素：串联阻尼电阻R D和低通滤波器RC电路。
3、现象：⽋冲，波形上升或下降沿没有到达⾼或低电平位置。
原因：过阻尼解决⽅法：调节串联阻尼电阻R D的值，使输出阻抗匹配减⼩衰减。
关键因素：串联阻尼电阻R D。
4现象：波形上升或下降沿出现振铃现象。
原因：阻抗不连续，电路中有过多的⾃感应⽽产⽣共振。
解决⽅法：尽可能排除阻抗不连续，尽可能减⼩组件引脚长度来减⼩寄⽣电感。
关键因素：阻抗不连续，寄⽣电感。
5现象：由于传输线阻抗不连续造成的反射。
原因：接⼝电路中阻抗不连续。
解决⽅法：A、尽可能减⼩激光驱动器和激光⼆极管间的距离。
B、布线时考虑正确的阻抗控制。
C、调整RC补偿⽹络，使传输线负载终端获得好的阻抗匹配。
关键因素：阻抗阻抗及连续性，RC补偿⽹络。
光模块原理
光模块原理
光模块是一种新型的集成电路，它通过将小型模块壳封装在一起，具有极高的集成度。
它包括了半导体器件、外围电路和其他元件，可以直接实现某种信号处理功能。
光模块可以将发射器、接收器、电子信号、光纤补偿和线缆等全部组装在一个小型模块壳里，实现对光信号的快速处理和整合，是光信号传输中的一大利器。
光模块的核心元件分为发射器（又称为接口器）和接收器，这两种元素被封装在一个小型的模块壳内，起到信号的传输及收发的作用。
发射器的作用是将电子信号转变成光信号，以便进行远距离的传输；接收器的作用则是将光信号转换成电子信号，以便供应端进行接收和处理。
此外，光模块还必须配合光纤补偿线缆和接线线缆等设备，才能进行正常工作。
光纤补偿线缆用于调整光纤芯和模块之间的偏差，以确保光纤和模块之间的良好连接；接线线缆通过将电子信号进行连接，来连接系统的各个元件，以实现光模块的正常工作。
光模块的应用非常广泛，它可以用于数据通信、监控安全、照明系统和自动控制系统等。
光模块具有体积小、结构简单、接口连接稳定、节点位置可改变、节点之间可以实现高速无线通信等优点，因此被广泛应用于通信、控制、安防等领域。
尽管光模块的优点很多，但它也有一些缺点。
首先是性能不够稳定，因为光信号容易受外界环境的干扰，所以光模块的性能受到一定的影响。
其次，光模块的复杂度较高，它需要经过特殊的调试和维护
才能获得良好的性能。
最后，光模块的成本较高，因此只能在一些高端应用场景中使用。
总之，光模块是一种集成电路，它可以实现对光信号的快速处理和整合，广泛应用于通信、控制、安防等领域，但也存在一些缺点，如性能不够稳定、复杂度高和成本较高等。
[光模块电路原理]培训教材-黄祥灿
![[光模块电路原理]培训教材-黄祥灿](https://img.taocdn.com/s3/m/0ef0e3b9453610661fd9f46f.png)
10 LDIP 11 LDIN 12 BENP 13 BENN 14 MD
发射信号正向输入，采用交流耦合，差分线具有100Ω输入阻抗。此信号连接BCM68461芯片。 发射信号反向输入，采用交流耦合，差分线具有100Ω输入阻抗。此信号连接BCM68461芯片。 突发信号正向输入端，连接BCM68461芯片。此信号下拉10KΩ电阻到GND。 突发信号反向输入端（此信号悬空未用）。 发射监测光电输入端，连接BOSA第T3引脚（PD+）。
BOSA关键器件
名词术语 BOSA：Bi-Directional Optical Sub-Assembly 光发射接收组件。 TOSA：Transmitting Optical Sub-Assembly 光发射组件。 ROSA：Receiving Optical Sub-Assembly 光接收组件。 LD：Laser Diode 激光二极管。 PD：Photodiode 光电二极管。 MD：Monitor Diode 监控光电二极管。 PIN：Positive Intrinsic Negative 同质PN结光电二极管。 APD：Avalanche Photo-Diode 雪崩光电二极管。 TIA：Trans-impedance Amplifier 跨阻放大器。 LA：Limiting Amplifier 限幅放大器。 LDD：Laser Driver 突发模式激光驱动器。 WDM：Wavelength Division Multiplexing 波分复用。 OLT：Optical Line Termination 光线路终端。 ONU：Optical Network Unit 光网络单元。
21 TX_SDO 可选的突发发光状态指示输出端/长发光指示端，连接BCM68461芯片。
激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计讲解
激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计武汉电信器件有限公司模块开发部王松摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。
关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统1. 引言随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。
近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD 正在不断的发展，光接点离我们越来越近。
在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。
模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。
LED 和LD 的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL 三种。
WTD光模块通常所用发射光器件为FP 和DFB 激光器。
2. 半导体激光器半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。
激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。
FP激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此FP 激光器多用于短距离光纤通信。
《光模块发射电路》课件
光模块发射电路的验证实验
实验目的
验证实验的目的是通过实际测试和观察，验证光模块发射电路是否符合设计要 求和性能标准。
实验方法
验证实验通常包括搭建测试平台、设定测试条件、执行测试并记录数据等步骤 。实验过程中需要关注电路的输入信号质量、工作温度、电源电压等影响因素 ，以确保测试结果的准确性和可靠性。
消光比
指光模块发射电路输出光信号的消光 比，是衡量光信号质量的重要参数。
03
光模块发射电路的设计与 优化
光模块发射电路的设计原则
高效性
确保电路能快速、准确地转换信号。
可靠性
设计应耐用、抗干扰，确保长期使用。
稳定性
保证电路在各种工作条件下都能稳定运行。
兼容性
应与其他模块和系统兼容，便于集成。
光模块发射电路的优化方法
05
光模块发射电路的发展趋 势与展望
光模块发射电路的技术发展趋势
高速率
智能化
随着数据传输需求的增长，光模块发 射电路的技术发展趋势正朝着更高的 速率发展，以满足更快的传输速度和 更大的带宽需求。
随着人工智能和自动化技术的不断发 展，光模块发射电路的技术正朝着智 能化的方向发展，实现更高效、精确 和自动化的控制和管理。
光信号输出
经过处理后的光信号从光模块 发射出来，传输到接收端。
光模块发射电路的关键技术参数
波长稳定性
指光模块发射电路输出的光信号波长 稳定度，直接影响信号的传输质量和 距离。
功率稳定性
指光模块发射电路输出的光信号功率 稳定度，对信号的接收质量和误码率 有重要影响。
调制速率
指光模块发射电路能够支持的最大调 制速率，直接决定传输速率的高低。
光模块发射电路的性能评估
光模块介绍简介PPT课件
CHENLI
驱动芯片
➢ 激光器驱动（电流） ➢ 调制器驱动（电压）
23 2021/3/7
CHENLI
MUX &DeMUX
➢ MUX：16路并行 数据输入，经过并串转换，输出数 据。（如并行数据输入为622Mb/s ，那么输出数据为 9.95Gb/s）
➢ DeMUX：则反过来，输入数据经过串并转换，输出16 路并行 数据
纤通道 ➢ 电信：OC-3/STM-1、OC-12/STM-4、OC-48/STM-16
34 2021/3/7
CHENLI
PON模块
特点： ➢ 工作速率:155Mb/s~ 2.5Gb/s ➢ 工作电压：3.3 V ➢ 传输距离可达20km ➢ 带数字诊断功能 应用： ➢ PON接入网
35 2021/3/7
特点： ➢ 速率可达10Gb/s ➢ 波长：1550nm，DWDM ➢ 传输距离可达80km ➢ 带数字诊断功能
应用： ➢ 电信： OC -192/STM -64
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CHENLI
主要内容
➢光模块简介 ➢光模块内部主要元器件 ➢光模块调制方式 ➢光模块的特点及应用 ➢光模块原理框图 ➢光模块主要性能指标 ➢光模块接口电平
EAM Laser
XC MC
APC
占空比控 制
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调制电压 控制
自动光功率控制
CHENLI
PIN型光接收模块功能框图
PIN/TIA
MA
2R 功能(Reshape, Reamplify)
PIN/TIA
MA
CDR
3R 功能(Reshape, Reamplify, Retime)
41 2021/3/7
光模块中的电路
光模块中的电路
光模块中的电路主要包括两部分：发射部分电路和接收部分电路。
发射部分电路的功能是将电信号转换为光信号。
具体来说，它首先通过电接口接收电信号，然后经过内部的驱动芯片处理，驱动半导体激光器（LD）或发光二极管（LED）发射出相应速率的调制光信号。
这个过程中，内部还带有光功率自动控制电路，使输出的光信号功率保持稳定。
接收部分电路的功能则是将光信号转换回电信号。
当一定码率的光信号输入模块后，它由光探测二极管转换为电信号，然后经过前置放大器后输出相应码率的电信号。
输出的信号一般为PECL电平。
同时，在输入光功率小于一定值后，接收部分电路还会输出一个告警信号。
需要注意的是，光模块的结构和电路可能因具体型号和应用场景的不同而有所差异。
因此，在实际应用中，建议参考具体光模块的技术手册和电路设计指南以获取更准确的信息。
光模块概述概要课件
传输距离
01
光模块的传输距离是指其能够传 输信号的最大距离。
02
不同的光模块针对不同的传输距 离有不同的设计和性能参数。长 距离光模块通常采用更低的速率 ，以降低信号衰减和失真。
波长
光模块的波长是指其传输光的中心波长。
不同波长的光具有不同的传输特性和应用场景。常用的波长有1310nm和1550nm等，适用于不同的光纤网络建设和数据传输 需求。
小型化、集成化
小型化
随着光模块需求的增加，对光模块的尺寸和重量也提出了更高的要求。目前，已经出现 了多种小型化的光模块，如SFP+、QSFP+、OSFP等。
集成化
将多个光模块集成在一个封装内，可以减少光模块的体积和重量，提高设备的集成度。 目前，已经出现了多种集成化的光模块，如CPO（Co-packaged optics）等。
消光比
消光比是指光模块发送信号时的光强 最大值与最小值之比。
消光比是衡量光模块性能的一个重要 参数，它影响着接收端信号的识别和 误码率。消光比越大，信号质量越好 。
插入损耗
插入损耗是指由于插入光模块而引起的信号功率损失。
插入损耗越小，表示光模块的插入对信号的影响越小，信号传输质量越高。降低 插入损耗可以提高信号的传输质量和稳定性。
VS
详细描述
光模块的工作原理是将电信号转换为光信 号或光信号转换为电信号。在发送端，电 信号通过驱动电路调制激光器，产生相应 的光信号，然后通过光纤传输到接收端。 在接收端，探测器将光信号转换为电信号 ，再通过接收电路进行解调和处理，恢复 出原始的电信号。
Part
02
光模块的应用
通信网络中的应用
长距离通信
光模块在长途和骨干网络中用于 实现高速数据传输。由于光纤的 传输损耗较低，光模块能够实现 数百公里甚至数千公里的长距离
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根据LD的温度特性精心设计热敏电阻补偿电路—常用 MAXIM公司的某些芯片采用K因子补偿法 某些芯片内部对调制电流做温度补偿—自动调制电流控制（AMC） ANALOG公司某些芯片采用双环电路补偿调制电流以保持消光比
不变 某些芯片设置查找表，配合其中的数字电位器，在温度变化后重新
设置偏置电流和调制电流，可以精确保持光功率和消光比稳定
光通信激光二极管驱动电路 原理与应用
成都网动光电子技术有限公司技术部
本讲座主要内容
激光二极管驱动电路基本原理 电流控制原理 自动功率控制（APC）电路原理 稳定消光比和光功率的原理和温度补偿
激光二极管的特性
激光二极管（LD—Laser diode） 是一个电流器件，只在它通过 的正向电流超过阈值电流Ith （Threhold current）时它发出 激光
近驱动器芯片，不易 LDD芯片，易于匹配，
匹配
高速性能好
较大
较小
较大（不受
较小（受
‘Headroom’限制） ‘Headroom’限制）
LD和驱动芯片接口
LD和驱动芯片接口要求
1. TO型激光器安装在PCB边沿时，接地层要扩展到 PCB边沿以减少管脚引线电感，过大的电感会使波 形边沿速度变慢
2. 激光器要尽可能靠近驱动器芯片，只要接线长度小 于传输波长，可以不考虑传输线的几何尺寸，减少 线宽有利于减小寄生电容
参考资料
1. Maxim Application note HFAN-2.0 Interfacing maxim laser drivers with laser diodes
2. Maxim Application note HFAN-2.2.1 Maintaining the extinction ratio of optical transmitters using K-factor control
激光器驱动电路原理图(2)
驱动电路结构
一个典型的激光器驱动电路包括下列部分： 1. 差分电流开关电路—向LD输出调制电流 2. 偏置电流发生器—向LD提供直流偏置电流 3. 自动功率控制（APC）电路—在不同温度
和LD老化的情况下，改变IBIAS，保持PAVG 不变 4. 故障告警、保护电路 5. 调制电流、偏置电流监控电路 6. 输入端整形电路（D触发器）
LD的温度特性
稳定光功率和消光比的方法
闭环自动功率控制（APC）+热敏电阻补偿调制电流 开环补偿法
热敏电阻补偿(调制电流和偏置电流) 通过MCU查表精确设置调制电流和偏置电流 其它方法： APC+芯片内部对调制电流补偿—如MAXIM公司的 MAX3863、Mindspeed公司的M02066 等
接在LD阴极的阻容网络（RFCF）的作用是补偿LD封装内部的引线寄生电感， 以降低寄生电感引起的过冲和振铃（对LD固有的驰豫振荡无效）
RF通常是小于100Ω的电阻 CF通常是小于10pF的电容 低速（l55Mb/s以下）的电路不需要RFCF
调制电流和偏置电流设置原理
调制电流和偏置电流的大小都可以用镜 像恒流源来设置
上图是基本型镜像恒流源电路 当Q1和Q2严格配对时 Ir=Io Ir的又是由Rr来决定的，所以改变Rr就 可以设置Io
下图是实际常用的一种镜像恒流源电路 Io≈IrR2/R1 通过改变外接电阻R2，就可以设置Io（调制 电流或偏置电流）
在驱动电路中有多处会用到镜像电流源，不 光用于电流设置，引出电流监控也要用到镜 像电流的方法
温度变化时, 在同样的发射光功率下，背光二极管（MD）产生的光 电流（平均值）发生了变化。MD的眼踪误差引起APC的跟踪误 差 — 光功率会因为MD的跟踪误差产生较大的变化 要求MD跟踪误差小于1 dB（1.5dB）
调制电流补偿不正确，过补偿或欠补偿都会使光功率和消光比随温 度变化而发生较大的变化
+Vcc Ir
Rr Q2
+Vcc Ir
Rr Q2
R2
Io
Q1
Io
Q1 R1
LD的温度特性
LD是半导体器件，它的特性 与二极管类似
温度升高 阈值电流Ith增大 斜效率S降低
为了保持输出平均光功率和 消光比不变，在温度上升时 要增大IBIAS和IMOD
*消光比(P1+P0)/2
用交流耦合驱动LD
驱动电流IMOD通过电容 CD耦合到LD
流过LD的电流：
‘1’ IL=IBIAS＋IMOD/2 ‘0’ IL=IBIAS－IMOD/2
比较两种驱动方式
电路元件 多速率工作 易于匹配
驱动器功耗 输出调制电 流
AC耦合
多2～4个元件
有低速率限制
DC耦合
最少
无低速率限制
元件多LD引脚不能靠 LD引脚直接连接
为了使LD高速开关工作，必须 对它加上略大于阈值电流的直 流偏置电流IBIAS
LD的两个主要参数：阈值电流 Ith和斜效率S（Slope efficiency） 是温度的函数，
激光二极管驱动电路
驱动电路实质上 就是 一个高速电流开关
LD调制电流输出电路原理图
LD直流耦合接口电路原理图
RFCF阻尼网络
自动功率控制（APC）原理
通过检测背光二极管（MD） 产生的光电流（平均值）来 实现闭环控制
APC调节偏置电流来保持平 均输出光功率稳定；APC只 对偏置电流回路起作用
APC对调制电流无法控制， 温度升高，斜效率降低，调 制幅度变小，APC却使偏流 加大，消光比就变小了
激光器驱动电路原理图(1)
3. 要仔细考虑高速信号电流环路，尽量减小返回路径 的连接阻抗，并使高速电流环路闭合面积最小，就 能减少EMI
4. 在激光器阳极处Vcc要有足够的旁路电容，以降低高 速电流切换而产生的电源开关噪声
消光比和光功率的温度稳定
温度升高时斜效率降低，而此时APC电路却使偏流加大了，调制幅 度相对变小，这就使消光比变小 — 单一的APC无法稳定消光比
3. Maxim design note HFDN-18.0 The MAX3865 Laser Driver with Automatic Modulation Control
4. Analog devices Datasheet 3V Dual loop 50Mbps to 3.3Gbps laser diode driver ADN2847