VCSEL(垂直腔面发射激光器)具有阈值低、稳定性好、寿命长、调制速率高、集成度高、发散角小、成本低等优势。随着10Gbps以太网标准和光纤通道10Gps标准的应用，采用VCSEL的模块在SAN和光纤局域网（LAN）中得到了大力推广。10G SFP+短距离光模块发射部分选用的是塑封850nm VCSEL TOSA。此激光器是由850nm VCSEL TO、塑封适配器、柔性电路板组成。它的主要技术指标阈值电流（Ith）、发射光功率(P)之间的关系可在P-I曲线中表示。激光器的特性之一是出光功率随着温度的变化而变化。高速SFP+光模块发射部分除了要求激光器的输出光功率在全温范围内保持稳定外，还要求激光器发出的光信号的消光比要基本保持稳定。因此，高速光模块中的温度控制设计十分重要。
图 光模块工作原理框图
发射部分，驱动电路将输入的数据转换为控制高速激光器的信号，产生偏移电流，对激光器的输出光进行调制。接收部分，光模块探测器将光信号转换成高速电信号后，通过建立的LC网络，改善探测器输出后的电信号质量，提高信号的抗噪声和抗干扰能力，然后经过限幅放大器进行放大。控制电路通过内部通信实现对激光器APC/ATC，发射部分软关断，以及探测器的带宽调整等智能控制；通过串行数据接口进行外部通信，完成工作状态的数据的上报。 EEPROM用于监控和告警的数据储存，比如光模块工作时的温度、电压、电流、发射功率上报、接收功率上报等。
高速SFP+光模块是光通信系统的核心组成部分，在全温范围内保持输出光功率稳定是高速SFP+光模块发射部分研究的重点。基于塑封10G 850nm VCSEL的 SFP+模块的设计温度为-40℃-85℃，在没有自动温度控制电路的情况下，激光器温度特性所引起的光模块性能指标参数值发生的变化可能会超出系统设计允许范围，进而导致通信信号出现异常。因此，在模块电路设计时，必须采用温控系统对其进行实时监控和补偿，保证光模块的消光比和发光功率稳定，确保光通信系统正常工作。
塑封850nm VCSEL TOSA是由10G 850nm VCSEL TO、非球帽集成塑封适配器、柔性电路板两件式塑封方式、同轴形式封装而成。如图2.1.所用的塑封材料选用目前行业内通用的PEI材料制作。 制作工艺采用紫外胶一次固化、再采用热固化胶加强固化的方式进行粘胶耦合。TO高频设计结合Flex PCB设计满足高速SFP+要求。
因850nm VCSEL 芯片自身的温度特性以及850nm VCSEL TOSA采用的塑封方式，850nm VCSEL TOSA表现出特有的温度特性。取一批合格塑封850nm VCSEL TOSA，在不同的温度下进行PIV测试，得到随工作温度变化的P-I数据。850nm VCSEL TOSA具有低的阈值电流，很小的电流获得快速增加的输出光功率，表明850nm VCSEL TOSA是光电转换速率较好的激光器。低阀值电流的特性降低了激光器本身及所在模块的IC功耗。相对平坦的阀值电流变化有利于激光器的温度补偿。激光器的输出光功率会受温度变化的影响。塑封850nm VCSEL TOSA自身的结构特性和所采用的芯片的温度特性决定了它在25℃以上的环境下，阈值电流随着温度的增加而增加；25℃以下的环境下，阈值电流随着温度的降低而增加。斜效率(Slope=P/I)在全温范围内随着温度的增加而降低。此特点与采用DFB或FP芯片的同轴激光器的温度特性有很大的不同。DFB或FP芯片的同轴激光器在不同温度环境下，阈值电流是随着温度的增加而增加，即Ith（-40℃）＜Ith（25℃）＜Ith（ 85℃）；斜效率均是随着温度的增加而降低，即Slope （-40℃）＞Slope （25℃）＞Slope（ 85℃）。
高速SFP+模块常用的消光比温度补偿方案有开环补偿法和闭环补偿法。我们设计的10G SFP+短距离光模块利用闭环补偿法之一：APC+热敏电阻补偿调制电流进行温度监控和补偿，通过调整IC芯片外部的热敏电阻，合理设置相关电阻值，补偿调制电流，使模块消光比EXT在环境温度变化时基本保持稳定。除此以外，根据选用的塑封10G 850nm VCSEL的温度特性，我们另行设计了温度补偿系统。
此温控系统位于10G SFP+模块的控制电路部分，由温度采样单元、功率补偿单元、调制电流计算和状态与告警信号组成。
在光模块发射部分工作时，温度采集单元将光模块激光器当前工作温度信息取样，上报给单片机补偿控制单元，补偿控制单元根据温度和补偿系数，修正自动功率控制激光器的跟踪误差，建立合适的偏置电流，保证发射光功率的稳定，同时获取激光器当前的偏置电流，根据调制电流的计算系数，实时计算每个温度下需要的调制电流值，并控制激光器驱动电路，给激光器提供合适的调制电流，保证光模块消光比的稳定。功率补偿单元和调制电流计算部分是由单片机来实现，单片机控制各硬件电路部分的工作和衔接。
激光器的跟踪误差参数度量的是器件耦合效率的稳定性，表现为模块输出光功率的稳定性。我们每1℃采集测试一次光功率，与常温25℃时的光功率进行比较，得到；评估功率差值，如果超过，说明跟踪误差较大，则需要补偿，保证激光器的跟踪特性接近线性，即模块在高低温环境下工作时的发射光功率尽量保持恒定。
取样一批合格激光器，恒定背光电流条件下，测试它们的常温25℃以及高低温（-40℃/85℃）时的光功率，根据跟踪误差公式（3.1），可以得到不同条件下，保证线性跟踪时的系数K， （3.2）
10G SFP+模块工作温度为工业温度，计算出每只激光器在-40℃/85℃时的K值，去除粗大误差，得到平均K值，即为补偿系数。因为所用850nm VCSEL激光器在25℃以上的环境下，阈值电流随着温度的增加而增加；25℃以下的环境下，斜效率随着温度的降低而增加。所以，相应的补偿系数采用有符号数，从正负两个方向修正跟踪误差，功率补偿控制单元对跟踪误差进行分段补偿。
此温度补偿系统针对高速短距离模块在工业级温度范围内的工作，对于出现的激光器的在不同温度下的电流、功率和跟踪误差，建立合适的偏置电流和调制电流，减小激光器的起止控制延时和消除驰豫振荡，维持稳定的光功率和消光比；对于和微弱型号下灵敏度和信号告警等问题，进行补偿和优化，进而改善高速短距离模块在工业级温度范围的性能。
使用了温度补偿系统的控制方法后，10G SFP+短距离光模块在-40~85℃的工作温度范围内的光功率的变化由1.4dB左右减小到了0.5dB左右，提高了10G SFP+光模块全温度范围的光功率一致性，更有利于光信号的传输。
光迅科技10G SFP+短距离光模块的温度补偿系统的研究，针对其采用的850nm VCSEL激光器的温度特性，采用了功率分段补偿和消光比补偿的方法，保证了激光器在-40℃-85℃整个工作温度范围内的光功率稳定，信号告警电平正常，光模块的一致性更好。这种温度控制补偿方法，不受传输速率影响，可调整不同的参数，可用于不同温度范围的激光器的补偿。
