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基于DFB激光器的波长转换器设计与实现 |
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作者：华东理工大学 马骏 孙自强 |
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摘 要：设计并实现了一个基于DFB 激光器的波长转换器。该波长转换器分为接收、温控和发射3 个模块。接收模块将光信号转化为发射模块所需的电压信号，使发射模块驱动激光器产生光信号。温控模块用以稳定半导体激光器的发射功率和波长。最终使入射的1310nm 波长的光信号转化为波长控制精度高的1550nm 波长的光信号。
关键词：波长转换 DFB 激光器 温度控制 TEC
引言
21 世纪是一个信息化的社会，大量的信息传送需要大容量的系统波分复用(WDM)技术。WDM 技术的实现使得光纤到户已不再是遥不可及的梦想。WDM 系统不仅仅能使系统的容量成倍增长，而且可以利用波长完成路由和交换等功能。按照ITU－T 标准，各信道中心波长间隔Df 为100GHz (0.8nm)，全波窗口可以同时容纳425 路波长信道，总传输容量可达4.25Tb/s以上。虽然WDM 网络的带宽可以满足每个用户的需求，但是系统的波长数目仍然大大少于实际的节点数目和用户数目。这就使得不同地点的发射机向同一目的地以同一波长发送信号时，在很多节点的多个波长上的交换信号会发生冲突。解决上述问题的关键技术就是利用波长转换技术。
本文所要阐述的波长转换器主要基于DFB 激光器，将1310nm 的光信号转换为1550nm的光信号。通过调节温度改变并稳定激光器波长，使普通DFB 激光器达到DWDM 激光器的要求。
1 系统概述
波长转换即为波长的再分配和再利用以解决交叉连接中的波长竞争，有效地进行路由选择，降低网络的阻塞率，从而提高网络的灵活性和可扩展性，同时也有利于网络的运行、管理和控制，以及通道的保护倒换。虽然全光交换网都已开始出现,但在波长转换这一技术上，人们似乎还没有完全找到一种全光的解决方案。这就必然涉及到O/E和E/O之间的转换。
在光网络体系发展的诸多关键中，首先是超大容量信息载入技术的实现，Tb/s 级信息比特量的传输将成为发展光网络的起点，目前(2.5～10)Gb/s 的单信道传输容量是最经济的选择方案。Tb/s 级超大信息容量的传输必须采用复用技术。波长的精确度和高度的稳定性是DWDM 技术对光子源器件最重要、最基本的要求。
其对波长转换器的基本要求是：转换速度要快（至少对2.5Gb/s 的信息流能够响应）；对光信息流的各种传输格式是透明的；有较宽的转换范围；对输入信号光功率要求不太高；偏振敏感度小；啁啾噪声低等。波长变换要求对偏振不敏感，不因传输中受环境影响引起的偏振态变化导致传输质量的下降。
本波长转换器信号格式是调频模拟信号。分为接收、发射和温控3 个模块，可以工作在－5ºC～＋65ºC 的环境温度中。
2 模块设计
2.1 接收模块
接收模块主要用于接收1310nm 波长的光信号，并将其可靠而又高效地转换为发射模块所需要的差分电压信号。
光电探测器PTCM965 是一个同轴型高速铟镓砷化合物(InGaAs)Pin/Tie 组件，用于将接收到的1310nm 波长光信号转换成差分电压信号并从DOUT+、DOUT-两个引脚输出。
Vitesse公司的VSC7961芯片是一个高速限幅放大器，具有对最高达3.125Gb/s的SONET/SDH和光通道器件进行信号损耗侦测、输出偏移修正、输出静噪、低供电电流和快速的上升/下降时间等特点。VSC7961的输入电压为5mV～1200mV,其输出（PECL）上升/下降时间为90ps～120ps。
图1 接收模块的电路设计
如图1 所示，光通过PTCM965 转换为电压信号输入到VSC7961 的正反相两个输入端，然后经过VSC7961 处理变为发射模块所需要的电压信号。在VSC7961 的TH 引脚上接上阻值为2K 的电阻R33,使VCS7961 的电压限幅值设置为10mV,当过限时，将改变其LOS,LOS-引脚的状态。依据厂家对SONET 的推荐值，在CZ1、CZ2 之间连接一个0.1μF 的电容，使内部的低频滤波器工作频率保证能对输入偏移值的修正。
2.2 温控模块
为了稳定半导体激光器的发射功率和波长，我们采用TEC 对半导体激光器进行恒温控制。这个温控系统包括热沉、TEC、散热器和温控电路等部分。热沉包括一个用来监测温度的负温度系数的热敏电阻。热沉、TEC、散热器构成温控系统的机械部分。
温控电路由专用的温控芯片和外围电路组成。由于DFB 激光器的两个最主要的技术特点都是通过控制温度来实现的，所以温控系统显得尤为重要。
2.2.1 热电制冷器(TEC)的选择
TEC 的选择与温控电路的设计必须要以热流量为基础。热流量可以通过melcor 公司的一个专用软件AZTEC 方便地计算出来。参数设置如图2 所示，计算得到的热功率为6.76W。热功率与绝缘材料和厚度也很有关系。我们用的电压为5V，所以TEC 上的压降在3～4V 左右。考虑到贴片器件的承受能力，电流控制在2～4A。最后选择melcor 公司的DT3-4。
图2 热流量的计算
2.2.2 温控驱动电路
温控采用了linear 公司的LTC1923EGN 芯片。该芯片是一个脉宽调制器，特地为TEC器件单双向的驱动电路研制，其典型的温度设定精度可以达到0.1°C。LTC1923 采用开关方式通过控制图3 所示的H 型桥电路来控制TEC 的制冷与制热。当PA 和NA 开通的时候，PB和NB 关闭，电流正向流过TEC；反之，反向流过TEC。R75 为取样电阻，取样得到的差分电压反馈给LTC1923。
如果TEC 的压降为3.5～4V，电流为3.5~4A，则电流回路上其他器件的压降总和为1~1.5V，电阻为0.25～0.4Ω。所以场效应对管的电阻和应该在0.15～0.3Ω 之间。所选择的D15P05（P 管）和FRU3103（N 管，可以与R3303 互换）的参数如下：
图3 H 型桥电路
R44 和R45 的作用是分压，因为1923 芯片CS＋、CS-的电压降最大为0.15V，也就是允许TEC 的电流为1.5A，超出将被限流。经过分压，则允许的电流可提高到3.75A。
图4 温控基本电路
图4 中画了圆弧的区域是温差信号输入的反馈网络。SDSYNOB 引脚必须接高电平，否则芯片将不工作。图4 左上方的电路用来探测热敏电阻RT1 阻值随温度的变化，并转化为INA155UA 的电压输入值，用于反映温度的变化。考虑到ADC 的误差，传感精度要做到0.1％，电压的波动必须做到0.01％。一般的稳压器件已经无能为力了。采用可以补偿电压的漂移，得到的数值只与热敏电阻的阻值和R28 的温度漂移有关。如果采用0.01％精度的热稳定电阻就可以消除温度漂移的影响。
另一方面，通过图5 所示得预设定电压电路，将预设定电压与目标温度一一对应，通过调节可变电阻VR2 来改变温度设定值。其作为INA155UA 的基准比较电压成为INA155UA的另一电压输入值。INA155UA 是一个放大器，通过悬空其RG1,RG2 脚，使其工作在10 倍的增益。当被测温度与设定温度不一致时，INA155UA 的2 个输入引脚电压值，其输出信号将输入到LTC1923 的误差信号放大器输入脚。
图5 预设定电压电路
2.3 发射模块
图6 激光器驱动电路
发射模块包括DFB 激光器和激光器驱动电路。驱动激光器采用maxim 公司的MAX3869芯片，驱动电路按照MAX 公司的推荐电路设计。如图6 所示，调试时，主要调节如下几个电阻：
VR1 用来设定输出平均功率；R13 用来设定最大调制电流；R14 用来设定最大偏置电流；R10 和激光器的电阻之和为25Ω 的时候，电路的性能最佳；R11 和C5 用来吸收反射回来的电流，可以改变这两个元件的值使激光器输出性能最佳；输入信号采用直流耦合的方式， R1、R2、R8、R9 构成耦合匹配网络。
3 结束语
通过波长转换器的设计，使接收到的1310nm 波长的光信号转化为波长控制精度高的1550nm 波长的光信号。整个波长转换器模块功耗低、集成度高，缓解了系统的散热问题，与利用光收发模块来实现波长转换相比又降低了成本，能够广泛应用于DWDM 系统中。
参考文献
1 Govind P.Agrawal.Fiber-optic communication system(2nd ed).New York.1997.
2 张宏.DWDM 系统光发射机温度控制电路的优化设计.电子设计应用，2003.3 月
3 MAXIM,MAX3869 Evaluation Kit,2002
4 VITESSE, VSC7961 Data Sheet,2003(end)
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(12/31/2010) |
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