光交换矩阵关键功能模块的研究

光交换矩阵关键功能模块的研究 华中科技大学 硕士学位论文 光交换矩阵关键功能模块的研究 姓名:王海 申请学位级别:硕士 专业:物理电子学 指导教师:张新亮 20070527摘 要 第三代光网络,光标签交换(Optical Label Switch)提供了真正的光网和数据网的 综合解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,光交换矩阵关键功能模块作为 OLS网络路由器的核心器件,基本功能 是为光分组提供合理的路由,完成交换和控制功能,实现简单而极其高速的光分组处 理,对路由器性能有很大的影响。 本文主要论述了基于单端耦合半导体光放大器(SOA)交叉增益型波长转换和波 导阵列光栅(AWGR)的光交换矩阵的关键功能模块,完成了模块的硬件设计及软件 设计,印制电路板的设计和制作,在此基础上对模块的软硬件进行了调试,测试了模 块波长转换子系统的性能。主要工作包括以下几个方面: 1 简要介绍了OPS和OLS产生的背景,讨论了OLS网络的关键技术,包括光分组 组装技术、光缓存技术和高速光交换矩阵等。详细介绍了基于可调谐波长转换器和 AWGR的光交换矩阵的关键功能模块,分析了其结构及工作原理。 2 详细阐述了光交换矩阵关键功能模块的硬件设计部分。首先给出模块设计的总 再从 SOA控制模块、可调谐激光器模块和模块整体控制体思想及其框架图, 及显示电 路三个方面分别作了详细的论述。 3 详细阐述了单片机控制系统的软件设计,包括键盘输入识别,ADuC812 与可 调谐激光器 Agility3205的通信 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 以及人机交互界面设置等。 4 讨论了并制作了光交换矩阵关键功能模块的印制电路板,测试了波长转换子系 统的性能。实验表明,波长转换子系统可以实现10Gb/s的NRZ光信号在1528~1563nm 范围的波长转换,合理的选择泵浦功率、探测功率和SOA的电流,可以实现消光比大 于10dB,转换效率大于0dB。 关键词:光标签交换 光交换矩阵 可调谐波长转换 半导体光放大器 IAbstract The third-generation optical-networking, optical label switching OLS can achieve dynamic reconfiguration on a packet-by-packet basis in the optical it provides domain, and an attractive solution for realizing true integration of optical and data networking. The main task of the key functional module of optical switch matrix is to route the packets to the correct destinations. Within the OLS router, the key functional module of optical switch matrix has notable impact on the router’s performanceA key functional module of optical switch matrix based on XGM-SOA wavelength conversion and arrayed waveguide grating router AWGR is illustrated in detail from the hardware design to the software design in this thesis. The performance of the wavelength conversion is investigated in the thesis. The main work of this project is listed as follows: 1 The key technologies of OLS network including label generation and swapping, optical buffering, high-speed optical switch module are discussed. The mechanism of the module based on tunable wavelength conversion and AWGR is discussed in detail2 The hardware including the SOA controller, tunable laser circuit and module controller and display circuit is designed3 Micro-controller control system is illustrated in detail. The functions of keypad identification, man-machine conversation interface and the communication protocol between ADuC812 and Agility3205 are discussed4 The printed circuit board of the key functional module is fabricated and the performance of the tunable wavelength conversion is investigated: the output wavelength could be tuned from 1528nm to 1563nm. Operating at proper conditions, the output extinction ratio could be higher than 10dB and the conversion efficiency could be higher than 0dB for the whole tuning range Key words:optical label switch optical switch matrix tunable wavelength conversion semiconductor optical amplifierII独 创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名: 日期: 年 月 日 学位论文版权使用授权书 即:学校有权本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索, 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密?,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 (请在以上方框内打“?”) 学位论文作者签名:指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日 1 绪论 1.1 引言 光纤通信由于其容量大,损耗低,抗电磁干扰,保密性好等特点,并且随着掺铒 光纤放大器(EDFA)技术的出现和成熟,波分复用(WDM)技术逐渐从实验室走向 商用化,光纤通信已经成为现代通信网络的基础平台。 自 20世纪 90年代初以来,以互联网协议为基础的多种多样的互联网业务如远程 教育、视频点播、高清晰度电视等一直在迅速增长,不但对现有网络的带宽容量提出 了越来越高的要求,而且导致了电信业务中以语音为主的电路交换业务向以数据为主 [1] 的交换业务转移 ,如图 1-1所示,从而使电信网络从对语音业务最优的结构向以 IP 业务为中心的网络结构转移。 数据 语音图1-1通信网数据业务和语音业务变化曲线 因而,如何在 WDM层上承载 IP数据业务,成为人们的研究焦点。基于 IP的 WDM (IP over WDM)可以在多波长光网络中承载信息的同时,减少网络层和物理层之间的 网络接口。目前,基于 IP的 WDM网络是通过通用多协议标签交换(GMPLS)实现, [2] GMPLS可以通过光交叉互联(OXCs)提供波长粒度的电路交换 。波长粒度的 WDM 全光网络本质上属于粗粒度的面向连接的交换,波长的管理和控制十分复杂,带宽的 [3] 利用率比较低,并不适合直接承载高速的数据通信业务 。为了满足未来高速数据通信 业务,光分组交换(OPS)应运而生。OPS层完成了 IP层和 WDM层之间的适配,在 1 相对负载 与 WDM传送层无缝集成的同时也提供了许多的控制功能,因而 OPS可以灵活高效的 承载上层的 IP数据业务,改善带宽的利用率和网络的灵活性,同时充分利用 WDM传 [4] 送层的优点,便于网络扩容 。 完全的 OPS中,标签和数据负载的处理和路由完全在光域中完成。最大的困 难就 是在不对标签进行光电转换的情况下,直接完成交换路由表的查找及路由的选择。然 而,由于全光逻辑运算的困难,处理功能是通过相关器完成。相关器对分组中的标签 和路由器的地址进行相关计算,如果结果符合,则负载被提取处理,否则,光分组就 被转发到下一个路由器。采用相关器的处理方法,虽然减轻了电域对标签的处理,但 是也有明显的不足。一旦相关器结构确定,标签的长度,码型和速率就无法更改,这 样,网络的可升级性就受到了限制。同时,由于对标签的处理只是简单的相关,这意 味着不能执行复杂的算法完成流量的控制和冲突的解决。上述的功能可以通过光标签 交换(OLS)实现,OLS是 OPS一种特殊的实现方式,数据负载在其生存周期内始终 [2] 保持在光域中,光标签则是在电域内进行处理 。利用 OLS,一方面可以根据光标签 增加网络的处理功能,另一方面,现存的 SONET和 ATM网络与 IP over WDM接口更 为容易。 1.2 OLS网络及核心路由器结构 OLS网络是光交换技术与分组交换技术相结合的网络,基本功能包括:波长交换、 [5] 光分组路由、网络流量控制、光分组冲突解决、光分组同步、光标签识别与处理等 。根 据这些基本功能的特点,OLS网络主要由核心路由器和边缘路由器构成。核心路由器主 要完成交换和控制功能,实现简单而极其高速的光分组处理,如大颗粒的波长交换和批量 光分组路由等功能;边缘路由器进行复杂且费时的处理,如多业务接入和会话建立等交互 过程。OLS网络结构如图 1-2所示,IP、SDH等数据流可以看作 OLS网络的业务层,业 务层的数据在 OLS网络边缘节点处由边缘路由器打包并装入数据负载,然后加入光标签 从而完成光分组的组装,以光分组的形式来承载业务数据。光分组的交换和控制功能在 OLS核心路由器实现。对 OLS网络而言,无论是核心路由器还是边缘路由器,数据负载 [2] 的交换和路由都是在光域内完成,标签的提取和处理则是在电域完成 。2光标签 核心路由器 OXC城域网 交换网络 标签 标签 光分组 边缘路由器 负载 IP网 SONET 图 1-2 OLS网络结构图 根据光分组的到达时刻和长度大小不同,OLS网络可以分为同步 OLS网络和异步 OLS网络。在同步 OLS网络中,光分组只出现在固定长度的时隙上,网络节点要对分组 进行时间的同步,边缘网络节点还要对分组进行封装,分拆和重组。在异步 OLS网络中, 分组可变化长度,可出现在任意时刻,节点不必对其进行拆分和重组。异步 OLS网络更 加灵活,但控制机制比较复杂,由于光分组到达的时刻随意性较强,所以在交 换节点发生 [6] 冲突的几率也更大,因此在相同的流量负荷下,同步 OLS网络有更大的吞吐量 。 OLS核心路由器继承了现有光交叉连接设备的基本功能,如分波/合波、波长转换、 空分交换和光监控等,此外,还具备光同步、标签提取和改写及冲突解决等功能实体。 OLS核心路由器的基本功能是为光分组提供正确合理的路由。OLS核心路由器的基本 [2] 结构如图 1-3所示 ,其基本过程为: 1 光标签提取器从光分组中提取出光标签; 2 路由处理器和控制电路对光标签进行处理,得到路由信息; 3 输入接口后的光缓存保证产生的延迟足够完成电域中光标签的处理,当数据负 载到达光交换矩阵时进行路由; 4 路由处理器和控制电路对数据负载进行路由,决定数据负载的流向及方式; 5 如果产生冲突的话,路由处理器和控制电路完成波长域、空域和时域的冲突解决; 6 改写光标签,并把光标签和数据负载封装成新的光分组。3光标签提取器 路由处理器&控制电路 光标签改写器 光缓存 光缓存 输 输 光缓存 光缓存 入 出 接 接 光交换矩阵 口 口 光缓存 光缓存 光缓存图 1-3 OLS核心路由器结构 1.3 OLS网络的关键技术 1 光分组组装方案。光分组由数据负载和标签组成,其中标签包含了支撑分组路 由的相关信息,因而需要仔细设计光分组格式及承载方案,以便路由器中的控制电路 能够按所需速率实现对分组标签的识别和处理。选择合理的方案对光标签有如下的要 求:占用尽可能少的网络容量;支持简单的标签改写技术;经过长距离传输及级联节 点后,保持较高的信号完整性;标签和数据负载之间的串扰很小;对数据负载和光标 签的码型和速率透明。表 1-1 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了各种光标签的编码方案。 表 1-1 光标签编码方案比较域 方法 频谱效率 复杂度 负载-标签串扰 [7-8] 串行 时间 比特序列 0.8 复杂 ~-20dB 双边带副载波 0.5 复杂 ~-17dB 单边带副载波 0.7 复杂 ~-17dB [9-12] 频率 载波抑制 复杂 ~-17dB 0.7 ~-35dB 带外标签 0.2 简单 [13] 编码 光学编码 0.4 中等 ~-10dB 并行 ASK负载 0.8 复杂 ~-6dB DPSK/FSK标签 DPSK/FSK负载 调制格式 0.8 复杂 ~-6dB [14-16] ASK标签 PolSK标签 0.8 复杂 ~-6dB ASK负载4串行方式的光标签编码技术把标签和负载在同一波长通道上串行传输,因而需要 严格的时间控制;并行方式则采用单独的频率,正交的调制格式或者光学编码的方法, 因而对时间的要求不是那么严格,同时并行方式允许对光标签进行并行的处理,提高 了系统的效率。 [17] 其光分组如图 1-4所示 。标签速率KEOPS采用的是串行的光标签编码技术, 为 622Mb/s,以便于电域处理信息,负载的速率可以灵活选择,最高为 10Gb/s。光分组为 1.646μs,包括 180ns光标签时间,1.35μs负载时间以及 64.3ns和 26ns的保护时间。 周期 T:1.646us128字节(622Mb/s) 信头同步比特 标签同步比特 保护时间 保护 2字节 时间 信头 负载 18014字节 1.35us:105~1680字节图 1-4 KEOPS光分组 负载 调制器 滤波器 标签 CW 耦合器 调制器 调制器 电压 10GHz 波长(nm)图1-5 载波抑制及分离原理图 [18] 乔治亚理工的Gee-Kung Chang等人提出的载波抑制方法,其原理如图1-5所示 : 5 传输函数 相对功率(dB) 正弦RF信号极其反向信号分别用来驱动偏置在最小输出的LiNbO调制器,调制器输出 3 的就是两个对称的纵模,而载波被抑制,两个纵模的间隔为正弦调制信号频率的2倍。 通过光学滤波分离出两个纵模,分别用作标签载波和负载载波。采用载波抑制及分离 的方法,对负载和标签分别进行调制,因而没有串扰;对RF信号和光学器件的带宽要 求低于负载的速率;负载和标签的速率可以单独调制,灵活性较高;带宽的利用率也 较高。 2 光缓存技术。光缓存主要用于时间同步和冲突解决。路由器需要光缓存来完成 光分组同步,并为负载提供标签处理所需的延时;路由器的输出也需要光缓存来配合 负载定位和更新标签,并消除交换矩阵引入的时钟抖动。理想的光缓存具有如下性质: 纳秒级的延时时间;动态可配置性;对波长、速率及调制格式透明;低插入损耗;小 尺寸低功耗。动态可配置性指即使光分组已经进入缓存,但仍然可以增大或者减小延 时时间。实际的 OLS路由器中,当光分组发生冲突时,冲突解决可能早于或者晚于预 计,光缓存的动态可配置可以很好的解决这一问题。 由于存储光子的困难,目前光缓存的延时主要通过两种方式实现:降低光的群速 度或者增加光的传输距离。前者通常称为慢光,通过改变光的传输介质的性质来实现, [19] [20] 目前含有缺陷的带隙光子材料(PBG) 和电磁致透明半导体材料(EIT) 实现了一 定的程度上的慢光。对于PBG而言,材料一旦制作完成,其延时性质就已经固定,同 时其实用性还受到带宽、波长及偏振态的影响。对于EIT,其延时性质由光泵浦信号决 循环流通型 广播选择型 基于 2×2开关 前向流通型 光延时线 光反射镜 折叠路径型 开关门 耦合器 图1-6 基于光延时线的光缓存结构6定,泵浦信号的存在改变了材料的色散性质,减小了光的群速度,然而EIT产生的延时 太短。目前制作光缓存较为常用的方法为增加光的传输距离,通常采用光纤延时线的 方法,因为光纤对波长、速率及调制格式等透明。基于光纤延时线的光缓存可以分为 [21-22] [23] 循环流通型(re-circulating) ,前向流通型(feed-forward) 和折叠路径型 [24] (folded-path) ,如图1-6所示。 3 高速光交换矩阵。选择高速光交换矩阵是由于传统的电交换结构无法满足 OLS 网络的对速度和光学透明性的要求。为 OLS路由器设计的光交换矩阵模块应具有以下 性质:纳秒的处理速度;低串扰、高消光比;透明性;小体积,低功率。表 1-2总结 其中,波长路由型和广播选择型两种结了目前实现的部分光交换矩阵模块, 构满足了 OLS路由器对交换时间的要求。 表1-2 光交换矩阵实现技术 波长路由 PLZT 广播选 光相位 光机械 热光 [26] 光MEMS (AWG)[28] [25] [27] [17] [32] 开关 PLC 择型 阵列 [29~31]交换 3D:~10ms ~4ms ~4ms ~300ns ~1ns ~1ns ~30ns 时间 2D:~3ms 3D:1000×1000 65336× 扩展性 16×16 4×4 4×4 32×32 64×64 2D:32×32 65336 透明性 严格 严格 严格 严格 波长相关 严格 严格 串扰 -55dB -45dB -35dB-25dB -35dB -45dB -25dB 偏振相 严格 3dB 0.1dB 0.5dB 0.5dB 1dB 波长相关 关损耗 广播选择型光交换矩阵实现交换过程通常分为两个阶段:首先所有输入信号通过 由放大器、耦合器及光纤等组成的功率分配网络广播到输出端口;然后,每个输出端 口的光开关门决定通过信号或者阻止信号。KEOPS项目采用的是基于SOA的广播选择 型光交换矩阵,如图1-7所示。整个交换结构由3部分组成。输入端采用SOA交叉增益 型固定波长转换器把输入信号转换到不同的波长,该波长代表了光分组的输入端口, 然后转换后的光分组经历不同的光延时,最后通过SOA逻辑门的通断与否决定光分组 的输出。由于采用了广播选择型的光交换矩阵,光功率衰减严重,但SOA逻辑门的采 用很好了补偿了损失的功率,同时SOA的处理速度可以达到上百皮秒,因而能够满足 7光交换矩阵的要求。基于SOA的广播选择型光交换矩阵的不足在于,随着波长及端口 的增长,作为光开关器件的SOA增长更快,同时模块消耗相当大的功率,这些功率主 要来源于SOA的功率和热电制冷器(TEC)的功率。 光缓存 波长选择器 分组编码器 控制电路 图 1-7 广播选择型光交换矩阵 波长路由型光交换矩阵如图 1-8所示,由可调谐波长转换器(T_WC)、波导阵列 光栅路由器(AWGR)及光纤延时线构成。AWGR具有如下的波长相关的路由性质, P i 如图 1-9所示, λ 代表信号光波长为 λ,从端口 P进入。对于图 1-9所 示的 4×4的 j j i AWGR,输入端口 1的输入波长分别为 λ, λ, λ及 λ时,输入端口 1分别与输出端 1 2 3 4 口 1、2,3、4相连,因而根据输入端口选择合理的输入波长,可以把光分组路由到需 要的输出端口。T_WC根据光标签提取器获得的路由信息把光分组的输入波长转换到 输入光波导 输出光波导 光延时线 阵列光波导 衬底 图 1-8波长路由型光交换矩阵 图 1-9 AWGR端口特性8合理的数值,然后进入 AWGR进行路由选择。图 1-8所示的波长路由型光交换矩阵含 有 K个光纤端口,每个端口 W个波长和 F个光纤延时环,这样的结构只需调节 T_WC 的转换波长,即可以获得波长域、时域和空域的冲突解决。对于一个 N×N的 AWGR, 2 2 每一个输入端口都能容纳 N个波长,因而对于这样一个 AWGR,可同时建立 N×N 个连接。目前已经实现的 AWGR的端口数为 256,这样其可以建立 65536× 65536个连 接。AWGR的进一步扩展可以通过工艺上制作多层的 AWGR,32层的 256×256的 2 2 AWGR的连接数为 32×256×256,如果一个波长的速率为 20Gb/s,则容量达 42Pb/s。 1.4 光交换矩阵关键功能模块设计 传统的电交换路由器消耗了非常大的空间和功率,具有640Gb/s的 CISCO CRS-1 3 路由器占用空间为 213×60×91cm,消耗的功率为 10.92kw,如果多个 CRS-1联合工 作可以达到 46Tb/s,但消耗的功率也上升到 0.86MW。光标签路由器具有如下的优势 来降低空间和功率: 1 光标签在一个可管理的速率(155Mb/s到 1Gb/s),同时保证高速数据完全在光 域,则 OLS路由器管理层可以在电域内工作,数据层完全在光域。 2 舍弃了传统的存储转发的路由器结构,采用流水线的路由器结构可以避免存储 结构。 3 未来进一步的光电集成可以降低 OLS路由器的体积和功率。 OLS路由器内部的光交换矩阵则是影响路由器性能的主要因素,根据前文对光交 换矩阵性质的分析,基于可调谐波长转换器(T_WC)和 AWGR的光交换矩阵的性能 最为优异,不仅满足 OLS网络对交换速度和交换容量的要求,同时体积小,功耗低。 本文的光交换矩阵的关键功能模块采用基于单端耦合 SOA交叉增益型可调谐波长转换 器(T_WC)和 AWGR的设计,如图 1-10中虚线区域所示。 图 1-10中光标签和负载采用副载波调制的方法,负载在基带,标签在副载波上。 OLS核心路由器的标签提取器由环行器和 FBG构成,提取出的光标签进行光电转换, 送入路由控制器电路,根据路由表和标签的内容决定 T_WC的转换输出波长。 可调谐波长转换器为 AWGR提供合理的输入波长,其性能参数例如消光比、转换 效率等都会影响到交换质量。图 1-9虚线区域所示的光交换矩阵中,可调谐波长转换9可调谐波长转换器 SOA 1 Label Receiver Forwarding Table and controller SSG-DBR Laser OC2 Label Receiver BPF 光交换模块 1 1 T_WC 2 2 1 T_WC 1 SCM TX ? ? T_WC W OC1 W T_WC ? ? ? ? ? ? T_WC T_WC K’ K’ SCM TX T_WC OC2 ? T_WC ? ? ? T_WC 标签提取器 T_WC K-F+1 K-F+1 T_WC T_WC ? ? ? ? T_WC T_WC K K T_WC T_WC 光延时线 图 1-10 OLS核心路由器结构示意图 器模块采用的是单端耦合 SOA的交叉增益型波长转换,避免了制作长有源区的半导体 光放大器,带有信息的输入光( λ)和 SSG-DBR激光器发出的探测光( λ)经耦合 1 2 器,再经过环行器注入到单端耦合的半导体光放大器,在交叉增益调制的作用下,实 现信息在波长之间的传递,再经过环行器和与标准波长探测光波长相匹配的固定波长 滤波器就可以得到带有信息的光( λ),实现了波长转换。模块采用的单端耦合 SOA 2 [33] 可以极大地改善转换输出结果,包括输出消光比、转换效率等参数 。 转换后的波长进入 AWGR的输入端口,从所需的输出端口输出。 AWGR一方面实 现路由功能,另一方面如果光分组产生冲突,可以依次从波长域、时域和空域解决: 1 如果可以在同一端口可以获得另外的波长,则路由控制器电路决定 T_WC的转 换输出波长,从波长域解决冲突; 2 如果不能从波长域解决冲突,则从时域解决冲突,及进入光延时线环路,获取 一定的延时来解决冲突;10 FBG1 FBG2 KW×KW AWGR3 如果波长域和时域都无法解决冲突,则需要从空域解决冲突,即选择另外的输 出端口。 1.5 本文的主要工作 本文主要研究了光标签分组交换网络及核心路由器的结构及关键技术,选择了基 于单端耦合 SOA交叉增益型(XGM)波长转换和 AWGR的光交换矩阵关键功能模块 的设计方案,详细论述了光交换矩阵关键功能模块的硬件设计及软件设计,完成了印 制电路板的设计和制作,在此基础上对模块的软硬件进行了调试,测试模块波长转换 子系统的性能。全文组织如下: 第一章:绪论 介绍了光标签分组交换网络的结构和关键技术,详细论述了光标签分组交换网络 的核心路由器的结构,提出了基于单端耦合 SOA交叉增益型波长转换和 AWGR的光 交换矩阵关键功能模块设计。 第二章:光交换矩阵关键功能模块的硬件设计 详细介绍了 OLS核心路由器光交换矩阵关键功能模块的硬件设计,包括 SOA的 精密温控和驱动电路,可调谐激光器电源电路及状态显示电路和以 ADuC812及 T6963C 为核心的控制显示电路。 第三章:光交换矩阵关键功能模块的软件设计 完成了模块的控制软件的设计,包括系统总体 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图、键盘扫描程序,单片机与 Agility3205的通信程序,参数实时监控及液晶模块模拟时序及操作界面的实现等。 第四章:完成了印制电路板的设计和制作,对模块的软硬件进行了调试,测试了 模块波长转换子系统的性能。 第五章:全文总结 11NS12864F 2 光交换矩阵关键功能模块的硬件设计 2.1 光交换矩阵关键功能模块的硬件设计任务 光交换矩阵关键功能模块的硬件设计包括电路设计和光路设计,光路设计较为简 单,这里主要介绍硬件电路设计,包括三部分:半导体光放大器(SOA)的高精度、 超稳定的温控和驱动电路,以 ADuC812为核心的控制显示电路和可调谐激光器电源及 状态显示电路。图 2-1为硬件设计结构示意图,其中虚线代表光路,实线代表电路。 手动控制 电流驱动电路 温度控制电路 SOA WLD3343 WTC3243 λs 光分组数据 2 1 3 电源芯片LT1587 光环行器 滤 状 波 态 可调谐激光器 器 显 Agility3205 IN 1 λ1 OUT 1 示 液 AWGR 采 晶 集 显 SOAI 电 示 λ8 ADuC812 路 模 SOAT 块 IN 8 OUT 8 光分组数据 λ8 光路 ADuC812 202 PC 4*4矩阵键盘 外围电路 电路图 2-1硬件电路结构示意图 基于 WTC3243的温控电路对 SOA实施温度控制,保证 SOA的工作温度稳定在 25?;基于 WLD3343的电流驱动电路为 SOA提供精确恒定的驱动电流,并且可以手 动调节驱动电流的大小。以 ADuC812为核心的控制显示电路完成输入数据的识别,控 制命令的发出,SOA工作状态的收集以及各项参数的液晶显示,其控制程序由 PC通 过 202下载。可调谐激光器 Agility3205需要稳定的电源,且电源需要能够提供 2.3A的电流,采用 LT1587,同时,硬件设计完成 Agility3205的状态显示及通信方式 的选择。12 SOAI SOAT2.2 SOA控制模块 半导体光放大器本质上类似半导体激光器,都是高效的电子-光子转换器件,都必 须注入电流使粒子数反转。如同半导体激光器一样,SOA对静电,过热,过驱动,浪 涌电压及负电压都非常敏感,外部光反馈同样需要避免或者减少以避免 SOA的退化。 为了使 SOA长时间安全工作,就必须为其提供精确稳定的恒流驱动,并且保证其工作 [34] 温度稳定 。表 2-1给出了 SOA的工作极限参数,在设计 SOA的驱动电路时,尤其 需要注意以下几个参数:SOA正向电流,TEC驱动电流,热敏电阻的阻值及工作温度。 表 2-1 InPhenix SOA极限工作参数 Unit Parameter Min 70 工作温度 ? -20 85 存储温度 ? -40 550 mA SOA正向电流 SOA反向电压 2.5 V 1.5 A TEC驱动电流 3.6 V TEC驱动电压 热敏电阻10kΩ@25? SOA温度设定25? 光纤类型SMF 封装14引脚蝶形封装 SOA的恒流驱动不是指驱动电流恒定不变,而是指驱动电流在需要的电流点是不 变的,或者变化很小,但是整个驱动电流在一定范围内是可调的。正常情况下,SOA 有很长的工作寿命,然而不适当的操作或者存放条件会造成性能的急剧恶化甚至失效。 SOA的突然失效可由 PN结被击穿或者解理面遭到破坏而造成的。SOA的失效有很大 一部分是由于浪涌电压击穿。浪涌是一种突变性的瞬态电脉冲,使 SOA瞬时 承受过电 压,从而把 PN结击穿,同时,在瞬态过电压下的正常过电流所放大的光功率可以使解 理面损伤。即使在数纳秒的时间内超过最大正向电流 I 也会使其失效或者受损。 产生浪涌的原因有很多,主要有驱动电源在没有慢启动 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 的情况下接通和断开 电路时,会在电路中形成一个过渡过程,即在开启时,驱动电流出现幅度很大的过冲, 随后经过过渡过程才趋于稳定。这种驱动电流的过冲容易使PN结遭到击穿,解理面遭 损伤或破坏,即使一次不能使激光器失效,多次冲击也将加速性能退化以致失效。当 然还有其它原因会造成浪涌,比如外电源带来的浪涌等。13此外,影响SOA工作的还有温度,温度的升高会增加内部的缺陷,严重地影响器 件的寿命。目前热电制冷器已经被封装到SOA器件之内,热电制冷器利用了珀耳贴效 [35-36] 应 。珀耳贴效应是珀耳贴于1834年所观察到的,即电流以不同方向通过双金属片 所构成的结时,能对与其接触的物体制冷或者加热。现在的热电制冷器是利 用两块重 掺不同类型杂质的半导体(通常是铋?化合物)使之在电学上串联,热学上并联所构 成的热电偶(TEC),其冷端从热负载处吸收并将热转移到热端。实用的热电制冷器是 将很多这样的热电偶相串连构成热电堆(或模块)。从热负载抽运热量的速度取决于模 块所含TEC的数量、通过电流的大小、模块平均温度以及模块两端的温差。当然,也 可以加热,电流的方向控制加热还是制冷。制冷器的选择要考虑热负载的热 同 容量, 时要把制冷器所抽运的热功率散发出去,制冷器还要配有与之接触良好的散热器,一 般采用槽形铝,对于某些大功率激光器还要采用强制风冷或流体制冷。 本课题采用的SOA为InPhenix公司生产,采用14引脚蝶形封装,其内部含有热电制 冷器和热敏电阻,其引脚定义如表2-2所示: 表2-2 SOA引脚定义 引脚 描述 描述 引脚 1 TEC+ TEC- 14 2 NC Case 13 3 Thermistor NC 12 4 Thermistor SOA- 11 5 NC SOA+ 10 6 NC NC 9 7 NC NC 8 2.2.1 基于WLD3343的SOA的电流驱动电路 [37] WLD3343 是 Wavelength electronics公司推出的一个通用型的模拟混合电路,主 要用于驱动超稳型的激光二极管或者 SOA。 WLD3343可以提供精确的激光二极管LD 电流(恒电流模式)或者确保稳定的光电二极管PD电流(恒功率模式),并与任何类 型的激光二极管兼容。在单电压 5伏特到 12伏特的偏置下,WLD3343可以输出最高 为 2.2安培的电流。主要特点有: 1 低成本, 2 既可作恒流模式工作又可作恒功率模式工作, 3 高达 2.2Amps的输出电流,144 兼容任何类型的 LD或者 SOA, 5 小包装1.30”×1.26”×0.313” 6 电压控制设定, 7 可调的电流极限,可调的电流范围 8 2 MHz恒流带宽 9 过热自动关闭 10 5V电压驱动。 图2-2和表2-3分别为WLD3343的引脚布局俯视图和各引脚的功能。 切断驱动电流输入端 驱动电压端 工作点电压输入端 光电二极管敏感电阻负输入端 电流监控端 光电二极管敏感电阻正输入端 光电二极管监控端 输出端 模式选择入端 敏感电阻负输入端 最大电流设置端 输出端 地 敏感电阻正输入端 图 2-2 WLD3343引脚布局俯视图 表 2-3 WLD3343引脚功能 编号 引脚 功能 1 SHD 功能用于切断激光二极管驱动电流 -- 悬空或零电压时为开启;大于3伏特 时切断 2 VSET 工作点电压输入端 -- 在引脚2与引脚7之间提供电压以调节工作点或者调 制输入 3 IMON 激光二极管电流监控端 -- 监控与激光二极管正向电流成正比的电压 4 PMON 光电二极管电流监控端 -- 监控与光电二极管监控电流成正比的电 压 5 MODE 模式选择端 -- 恒电流模式,在5脚与6脚之间连接一个1k ?的电阻 恒功率模式,在5与6脚之间连接一个0.1?F电容 6 LIM 激光二极管安全最大电流设置端 --引脚6与引脚7之间放置一电阻, 限制激光二 极管的工作电流 7 GND 地端 -- 7脚单独接地 8 RS+ 激光二极管电流敏感电阻正输入端 -- 连接激光二极管电流敏感电阻正极 9 OUTB B输出端 -- 单独连接激光二极管电流敏感电阻的正极 10 RS- 激光二极管电流敏感电阻负输入端 -- 连接激光二极管电流敏感电阻负极 11 OUTA A输出端 -- A/B型激光二极管,连接激光二极管的正极 C型激光二极管,连接驱动电压VDD12 PD+ 光电二极管电流敏感电阻正输入端 -- 连接光电二极管电流敏感电阻正极 13 PD- 光电二极管电流敏感电阻负输入端 -- 连接光电二极管电流敏感电阻负极 14 VDD 驱动电压端 -- 连接到+5V至+12V的电压源15WLD3343在恒流工作模式下 24小时内提供的电流偏差稳定在 50~75ppm之内, 最大至 2.2Amps的驱动电流,体积小而且外围电路简单。图 2-3为基于 WLD3343的激 光器恒流驱动电路,可以看到 WLD3343的外围电路简单,参数选择和操作也非常方便。 SOA恒流驱动电路与此类似,只需把图中的 LD换成 SOA。 开启 带隙电压 关闭图2-3 WLD3343恒电流工作模式 首先,WLD3343工作与否由第 1引脚决定,当其悬空或者为低电平(0.3V)时, 芯片正常工作;当其电压为高电平(3V)时,芯片停止工作。图 2-3中使用了一个开 关形象地展示了如何控制 WLD3343的工作状态。 其次,根据最大工作电流 I 决定 R : LD SENSE 1 (2-1) I LD R SENSE 流经 R 的电流较大,因而需要考虑 R 的功率限制,至少保证其承受的功率 为: SENSE SENSE 2 PI 2* *R (2-2) LD SENSE 2 例如最大驱动电流为 500mA,则 R 为 2Ω,其功率限制为 P2*0.5 *21W。 SENSE WLD3343为 SOA提供的实际驱动电流的大小由第 2引脚的输入电压及第 9 和第 10引脚之间的电阻决定:16V PIN 2 I (2-3) LD 2* R SE N SE 所以通过调节第 2引脚的电压就可以控制 WLD3343为 SOA提供的驱动电 流。 WLD3343可提供的实际最大驱动电流由 I (R )和 R 共同决定,R LD SENSE LIM LIM 对应一个限制系数α, II * α (2-4) LIM LD 由表 2-4可以查得,例如 R 为 360Ω,则限制系数α约为 0.6。那么在上面 R 为 LIM SENSE 2Ω(I 为 500mA)的情况下,激光器实际驱动电流范围就是 0~300mA,即: LD IIm * α 500*0.6 300A LIM LD 此外,WLD3343为监控驱动电流的大小提供了一个专门的引脚:第 3引脚,其 电 压的大小反映了驱动电流的大小: V PIN 3 I (2-5) MON 2* R SEN SE 因此,可以把第 3引脚的电压通过 A/D转换,进行处理并显示。 表2-4 WLD3343的限制电阻 R 与限制系数 α的关系 LIM A/B型恒流驱 A/B型恒功率驱 A/B型恒流驱 A/B型恒功率 限制 限制 动限制电阻 动限制电阻 动限制电阻 驱动限制电阻 系数 α 系数 α R ? R ? R ? R ? LIM LIM LIM LIM 0.00 152 149 0.52 322 340 0.04 162 160 0.56 341 361 0.08 172 171 0.60 361 383 0.12 183 183 0.64 382 406 0.16 194 195 0.68 405 432 0.20 205 208 0.72 428 459 0.24 217 222 0.76 455 488 0.28 230 236 0.80 483 519 0.32 243 251 0.84 514 552 0.36 257 267 0.88 547 588 0.40 272 284 0.92 582 627 0.44 288 301 0.96 621 670 0.48 305 320 1.00 664 716 172.2.2 基于WTC3243的SOA温度控制电路 [38] WTC3243 是由 Wavelength electronics公司推出的高稳定的热电控制器, 是一个 模拟的比例积分 PI控制环电路,可以直接连接热敏电阻,RTD,AD590和 LM335型 温度传感器。WTC3243可提供最大至 2.5Amps的制冷或加热电流,并且可通 过电压对 其温度设定脚来调节目标温度。主要特点有: 1 超稳定的PI控制(24小时可控制在?0.01?内); 2 大到?2.5Amps输出电流; 3 可制冷也可加热; 4 小包装1.30” X 1.26” X 0.313”; 5 电压设定目标温度; 6 可调的传感偏流; 7 可调的传感增益; 8 独立的最大制冷或加热电流。 图2-4和表2-5分别为WTC3243引脚布局俯视图: 驱动电压输入端 负载驱动电压输入端 工作点电压输入端 地 输出端 电流限制端 电流限制端 输出端 正比增益电阻连接端 传感器偏置电流端 +1V电压参考端 传感器连接端 传感器增益电阻连接端 积分时间电阻连接端 图 2-4 WTC3243引脚布局俯视图 WTC3243可以直接连接SOA的TEC和热敏电阻,外围只需要很少的电阻电容,而 不必场效应管,从而可以减小模块的规模。它在24小时内可以使温度稳定在?0.01?内, 最大的制冷或加热电流为2.5Amps,比例增益在1~100和积分时间常数0.75~4.5s之间可 调,体积小而且外围电路简单。18表2-5 WTC3243引脚功能 编号 引脚 功 能 1 VDD 驱动电源输入端 -- 在引脚1与引脚13之间连接4.5伏特至28伏特的电压 2 VSET 工作点电压输入端 -- 在引脚2与引脚13之间提供电压以控制温度 3 LIMA A 限制端 --引脚3与引脚13之间连接电阻以限制通向引脚11的输出电流4 LIMB B 限制端 --引脚3与引脚13之间连接电阻以限制通向引脚11的输出电流5 P 正比增益 -- 在引脚5与引脚6之间连接电阻以调节正比增益设置 6 +1V +1伏特电压参考端 -- 参考输出供5、7引脚使用 7 I 积分器时间常数电阻连接端 --引脚7与引脚6之间连接电阻以调节积分时间常数设置 8 SG 传感器增益 -引脚8与引脚13之间连接电阻以调节传感器增益 9 S+ 传感器连接端 --引脚9与引脚1之间连接温度传感器 10 BIAS 传感器偏置电流 --引脚10与引脚13之间连接电阻以调节传感器偏置电流 11 OUTA A输出端 --使用热敏电阻为负热电连接,使用其他传感器时为正热电连接 12 OUTB B输出端 --使用热敏电阻为正热电连接,使用其他传感器时为负热电连接 引脚13单独接地 13 GND 地端 -- 14 VS 驱动电压输入端 -- 在引脚14与引脚13之间连接4.5伏特到28伏特的电压 热敏电阻 热电器件 电流方向及大小控制 传感器 比例积分控制 偏置电流 放大及误差校正 图2-5 WTC3243内部结构(虚线部分)示意图 图 2-5为 WTC3243的内部结构图,分析其内部结构图,可以得到其工作原 理。 WTC3243通过热敏电阻来采集温度变化,通过比例积分来控制 H-Bridge,从而控制通 过制冷器的电流方向来达到制冷的目的。 首先,制冷器最大工作电流由两个电阻 R、R(分别连接在第 3脚和地,第 4脚 A B 19和地之间)决定。它们的关系由表 2-6列出,由表还可以看出,当 R、 R 小于等于 1.6KA B 时,芯片不工作,所以它们的取值可以当作开关使用。 表2-6 限流电阻R 与电流输出最大值表 LIM 电流输出最大值 限流电阻值, 电流输出最大值 限流电阻值,R K ? R K ?Amps LIM Amps LIM 0 1.6 1.2 3.050.1 1.69 1.3 3.230.2 1.78 1.4 3.430.3 1.87 1.5 3.650.4 1.97 1.6 3.880.5 2.08 1.7 4.130.6 2.19 1.8 4.420.7