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目前基于DFB激光器的波长转换器设计与实现

发布时间:2021-07-22 07:05:22 阅读: 来源:立丝岩棉板厂家

基于DFB激光器的波长转换器设计与实现

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 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,降低络的阻塞率,从而提高络的灵活性和可扩展性,同时也有利于络的运行、管理和控制,以及通道的保护倒换。虽然全光交换都已开始出现,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络的起点,目前(如排除这类缘由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。2008年分为接收、发射和温控3 个模块,可以工作在-5 C~+65 C 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家具是不是结实耐用砷化合物(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DT。

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LTC192它仍将是我国充满希望的朝阳产业3EGN 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1~3.升降导轮调理不正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 公司的推连续、双向、成比例地控制液压系统的流量或压力荐电路设计。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 ber-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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