1. 前言
在光通信领域中，直接调制方式光发射模块以其简单的特点得到广泛的应用，但该方法调制特性受温度影响较大，所以需要进行温度补偿。目前实现温度补偿的主要有两种，一是利用集成电路芯片建立查照表。另一种方法是使用热敏电阻进行补偿。后者方法简单、实现容易、成本低，因此得到广泛的应用。
有的文献中介绍过用热敏电阻进行发射机消光比温度补偿的方法，但因结构简单所以补偿的范围相对较小(0~70℃)，而且提出的方法基于发射模块的温度实验数据。本文介绍的方法不依赖于模块的温度实验数据，只要选定所采用的激光器和驱动芯片，就可以计算出温度补偿网络的参数值，补偿的温度范围达到-40℃~+85℃。
2. 消光比自动温度补偿原理
直接调制方式光发射模块采用驱动芯片来设定和控制LD的偏置电流和调制电流，驱动芯片通常具有自动功率控制(APC)功能。当模块工作温度升高时，输出光功率维持恒定(不考虑跟踪误差)。但消光比将由于斜率效率的降低而减小。为了维持消光比基本不变，要求输出光幅度基本不变，需要增加调制电流。如图1所示。
图1、不同温度下的LD的P-I曲线
根据激光驱动器特性，通过驱动芯片某引脚的外围电阻值(Rmod)可以改变调制电流的大小，如图2所示。本文介绍的方法就是通过热敏电阻网络来代替这个电阻，当温度发生变化时，通过电阻网络等效阻值的变化来调整调制电流大小，从而实现消光比的自动温度补偿。
图2、驱动芯片调制电流和控制电阻的关系
3. 方法实现
本方法采用如图3所示的热敏电阻补偿网络，其等效阻值为
(1)
式中RT(T)为热敏电阻阻值，以下式表示
式中Ro、B为热敏电阻参数。
图3、温度补偿用电阻网络
图4为等效阻值在补偿点处对R1、R2、R3的偏导数曲线。可以看出，R2仅和常温下设置的消光比有关，和温度补偿的效果无关，R1在全温度范围内补偿作用明显，R3随温度升高作用增强。这样使补偿范围更大，效果更明显。
图4、热敏电阻网络等效阻值的偏导数曲线
器件的斜率效率随温度变化，以SL(T)表示。用25℃的值进行归一化，并引入k因子来反映不同器件温度性能的好坏，于是斜率效率变成
(2)
我们还需要调制电流和Rmod的关系曲线，几乎所有的厂家都是用曲线图描述这种关系，而没有具体的公式。为此，作者用Mathcad编写了从图形中进行座标提取的程序，然后用插值法得到函数Imod(Rmod)。
Imod=f (Rmod) (3)
由公式(1)、(2)、(3)可以得到光的调制幅度，用25℃的数值将其归一化为
(4)
温度补偿的作用是当温度变化时，使用归一化光调制幅度恒等于1，这是理想的补偿结果，它可以在任何工作温度点实现，但很难在宽的工作温度范围内实现。实际我们不一定非要达到理想的结果，只要在一定程度上接近这个理想结果就行了，用一个参数来控制接近理想值的程度，记为TOL。只需要在A(t)在[1-TOL,1+TOL]范围内即可。可以通过编程或使用数学软件求解下面的约束方程
R1>0
R2>0
R3>0
1-TOL<A(T)<1+TOL
作者利用Mathcad求得不同k值情况下的解，得到等效阻值-温度曲线，如图5 (a)所示。 (b)为计算得到的温度补偿的效果，k<2的补偿精度见表1。
(a) (b)
图5、计算的结果
表1、温度补偿的精度
|
温度范围(℃) |
补偿后的消光比(dB)
(常温为10.0dB) |
补偿后的消光比(dB)
(常温为13.1dB) | |||
|
最低 |
最高 |
最小 |
最大 |
最小 |
最大 |
|
0 |
70 |
9.6 |
10.5 |
12.2 |
14.1 |
|
-40 |
70 |
9.5 |
10.6 |
12 |
14.4 |
|
-40 |
85 |
9 |
11.3 |
11.2 |
16.1 |
4. 实验结果及结论
实验采用日本三菱的DFB激光器，TO46封装，具有背光探测器，驱动芯片采用具有APC功能的MAX3850。在2.5Gbps速率下使用PRBS2^23-1的NRZ码得到不同温度点下消光比，如图6所示。由此可见，本方法实现了消光比的温度补偿，效果很好。
图6、工作温度范围内消光比变化曲线
5. 结束语
本方法仅讨论了对消光比的补偿，对于没有APC功能的驱动芯片，利用本方法也同样可以实现对发射光功率的补偿。对于有APC的驱动芯片，也可以利用本方法对失踪误差(Tracking Error)和消光比同时进行温度补偿，达到更好的效果。另外，通信中常用的是收发一体模块，如果接收部分采用APD，那么也可以利用本方法对APD的偏压进行补偿，以实现在不同的温度下获得最佳的灵敏度。
该文已被“第六届中国光电通信论坛”收录。