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光交换矩阵关键功能模块的研究.doc

光交换矩阵关键功能模块的研究

李思索
2017-11-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《光交换矩阵关键功能模块的研究doc》,可适用于初中教育领域

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:张新亮摘要第三代光网络,光标签交换(OpticalLabelSwitch)提供了真正的光网和数据网的综合解决方案,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: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。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。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,ADuC与可调谐激光器Agility的通信协议以及人机交互界面设置等。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Gbs的NRZ光信号在~nm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dB,转换效率大于dB。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IAbstractThethirdgenerationopticalnetworking,opticallabelswitchingOLScanachievedynamicreconfigurationonapacketbypacketbasisintheopticalitprovidesdomain,andanattractivesolutionforrealizingtrueintegrationofopticalanddatanetworkingThemaintaskofthekeyfunctionalmoduleofopticalswitchmatrixistoroutethepacketstothecorrectdestinationsWithintheOLSrouter,thekeyfunctionalmoduleofopticalswitchmatrixhasnotableimpactontherouter’sperformanceAkeyfunctionalmoduleofopticalswitchmatrixbasedonXGMSOAwavelengthconversionandarrayedwaveguidegratingrouterAWGRisillustratedindetailfromthehardwaredesigntothesoftwaredesigninthisthesisTheperformanceofthewavelengthconversionisinvestigatedinthethesisThemainworkofthisprojectislistedasfollows:ThekeytechnologiesofOLSnetworkincludinglabelgenerationandswapping,opticalbuffering,highspeedopticalswitchmodulearediscussedThemechanismofthemodulebasedontunablewavelengthconversionandAWGRisdiscussedindetailThehardwareincludingtheSOAcontroller,tunablelasercircuitandmodulecontrolleranddisplaycircuitisdesignedMicrocontrollercontrolsystemisillustratedindetailThefunctionsofkeypadidentification,manmachineconversationinterfaceandthecommunicationprotocolbetweenADuCandAgilityarediscussedTheprintedcircuitboardofthekeyfunctionalmoduleisfabricatedandtheperformanceofthetunablewavelengthconversionisinvestigated:theoutputwavelengthcouldbetunedfromnmtonmOperatingatproperconditions,theoutputextinctionratiocouldbehigherthandBandtheconversionefficiencycouldbehigherthandBforthewholetuningrangeKeywords:opticallabelswitchopticalswitchmatrixtunablewavelengthconversionsemiconductoropticalamplifierII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:年月日绪论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。自世纪年代初以来,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的交换业务转移,如图所示,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(IPoverWDM)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,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IPoverWDM接口更为容易。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、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。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核心路由器的基本结构如图所示,其基本过程为:光标签提取器从光分组中提取出光标签路由处理器和控制电路对光标签进行处理,得到路由信息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改写光标签,并把光标签和数据负载封装成新的光分组。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OLS核心路由器结构OLS网络的关键技术光分组组装方案。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。表总结了各种光标签的编码方案。表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串行时间比特序列复杂~dB双边带副载波复杂~dB单边带副载波复杂~dB频率载波抑制复杂~dB~dB带外标签简单编码光学编码中等~dB并行ASK负载复杂~dBDPSKFSK标签DPSKFSK负载调制格式复杂~dBASK标签PolSK标签复杂~dBASK负载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。其光分组如图所示。标签速率KEOPS采用的是串行的光标签编码技术,为Mbs,以便于电域处理信息,负载的速率可以灵活选择,最高为Gbs。光分组为μs,包括ns光标签时间,μs负载时间以及ns和ns的保护时间。周期T:us字节(Mbs)信头同步比特标签同步比特保护时间保护字节时间信头负载字节us:~字节图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GHz波长(nm)图载波抑制及分离原理图乔治亚理工的GeeKungChang等人提出的载波抑制方法,其原理如图所示: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。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,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×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基于光延时线的光缓存结构定,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循环流通型(recirculating),前向流通型(feedforward)和折叠路径型(foldedpath),如图所示。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光MEMS(AWG)开关PLC择型阵列~交换D:~ms~ms~ms~ns~ns~ns~ns时间D:~msD:××扩展性×××××D:×透明性严格严格严格严格波长相关严格严格串扰dBdBdBdBdBdBdB偏振相严格dBdBdBdBdB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,如图所示。整个交换结构由部分组成。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广播选择型光交换矩阵波长路由型光交换矩阵如图所示,由可调谐波长转换器(TWC)、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,Pi如图所示,λ代表信号光波长为λ,从端口P进入。对于图所示的×的jjiAWGR,输入端口的输入波长分别为λ,λ,λ及λ时,输入端口分别与输出端口、,、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。TWC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波长路由型光交换矩阵图AWGR端口特性合理的数值,然后进入AWGR进行路由选择。图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TWC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,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,这样其可以建立×个连接。AWGR的进一步扩展可以通过工艺上制作多层的AWGR,层的×的AWGR的连接数为××,如果一个波长的速率为Gbs,则容量达Pbs。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Gbs的CISCOCRS路由器占用空间为××cm,消耗的功率为kw,如果多个CRS联合工作可以达到Tbs,但消耗的功率也上升到MW。光标签路由器具有如下的优势来降低空间和功率:光标签在一个可管理的速率(Mbs到Gbs),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。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。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(TWC)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(TWC)和AWGR的设计,如图中虚线区域所示。图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TWC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。图虚线区域所示的光交换矩阵中,可调谐波长转换可调谐波长转换器SOALabelReceiverForwardingTableandcontrollerSSGDBRLaserOCLabelReceiverBPF光交换模块TWCTWCSCMTXTWCWOCWTWCTWCTWCK’K’SCMTXTWCOCTWCTWC标签提取器TWCKFKFTWCTWCTWCTWCKKTWCTWC光延时线图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SSGDBR激光器发出的探测光(λ)经耦合器,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: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TWC的转换输出波长,从波长域解决冲突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FBGFBGKW×KWAWGR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。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ADuC及TC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,包括系统总体流程图、键盘扫描程序,单片机与Agility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NSF光交换矩阵关键功能模块的硬件设计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ADuC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SOAWLDWTCλs光分组数据电源芯片LT光环行器滤状波态可调谐激光器器显AgilityINλOUT示液AWGR采晶集显SOAI电示λADuC路模SOAT块INOUT光分组数据λ光路ADuCPC*矩阵键盘外围电路电路图硬件电路结构示意图基于WTC的温控电路对SOA实施温度控制,保证SOA的工作温度稳定在基于WLD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ADuC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通过下载。可调谐激光器Agility需要稳定的电源,且电源需要能够提供A的电流,采用LT,同时,硬件设计完成Agility的状态显示及通信方式的选择。SOAISOATSOA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,并且保证其工作温度稳定。表给出了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InPhenixSOA极限工作参数UnitParameterMin工作温度存储温度mASOA正向电流SOA反向电压VATEC驱动电流VTEC驱动电压热敏电阻kΩSOA温度设定光纤类型SMF封装引脚蝶形封装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。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应。珀耳贴效应是珀耳贴于年所观察到的,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,其引脚定义如表所示:表SOA引脚定义引脚描述描述引脚TECTECNCCaseThermistorNCThermistorSOANCSOANCNCNCNC基于WLD的SOA的电流驱动电路WLD是Wavelengthelectronics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。WLD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。在单电压伏特到伏特的偏置下,WLD可以输出最高为安培的电流。主要特点有:低成本,既可作恒流模式工作又可作恒功率模式工作,高达Amps的输出电流,兼容任何类型的LD或者SOA,小包装”×”×”电压控制设定,可调的电流极限,可调的电流范围MHz恒流带宽过热自动关闭V电压驱动。图和表分别为WLD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WLD引脚布局俯视图表WLD引脚功能编号引脚功能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伏特时切断VSET工作点电压输入端在引脚与引脚之间提供电压以调节工作点或者调制输入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MODE模式选择端恒电流模式,在脚与脚之间连接一个k的电阻恒功率模式,在与脚之间连接一个F电容LIM激光二极管安全最大电流设置端引脚与引脚之间放置一电阻,限制激光二极管的工作电流GND地端脚单独接地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OUTBB输出端单独连接激光二极管电流敏感电阻的正极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OUTAA输出端AB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VDDPD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VDD驱动电压端连接到V至V的电压源WLD在恒流工作模式下小时内提供的电流偏差稳定在~ppm之内,最大至Amps的驱动电流,体积小而且外围电路简单。图为基于WLD的激光器恒流驱动电路,可以看到WLD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WLD恒电流工作模式首先,WLD工作与否由第引脚决定,当其悬空或者为低电平(V)时,芯片正常工作当其电压为高电平(V)时,芯片停止工作。图中使用了一个开关形象地展示了如何控制WLD的工作状态。其次,根据最大工作电流I决定R:LDSENSE()ILDRSENSE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:SENSESENSEPI**R()LDSENSE例如最大驱动电流为mA,则R为Ω,其功率限制为P**W。SENSEWLD为SOA提供的实际驱动电流的大小由第引脚的输入电压及第和第引脚之间的电阻决定:VPINI()LD*RSENSE所以通过调节第引脚的电压就可以控制WLD为SOA提供的驱动电流。WLD可提供的实际最大驱动电流由I(R)和R共同决定,RLDSENSELIMLIM对应一个限制系数α,II*α()LIMLD由表可以查得,例如R为Ω,则限制系数α约为。那么在上面R为LIMSENSEΩ(I为mA)的情况下,激光器实际驱动电流范围就是~mA,即:LDIIm*α*ALIMLD此外,WLD为监控驱动电流的大小提供了一个专门的引脚:第引脚,其电压的大小反映了驱动电流的大小:VPINI()MON*RSENSE因此,可以把第引脚的电压通过AD转换,进行处理并显示。表WLD的限制电阻R与限制系数α的关系LIMAB型恒流驱AB型恒功率驱AB型恒流驱AB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αRRRRLIMLIMLIMLIM基于WTC的SOA温度控制电路WTC是由Wavelengthelectronics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,AD和LM型温度传感器。WTC可提供最大至Amps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:超稳定的PI控制(小时可控制在内)大到Amps输出电流可制冷也可加热小包装”X”X”电压设定目标温度可调的传感偏流可调的传感增益独立的最大制冷或加热电流。图和表分别为WTC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V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WTC引脚布局俯视图WTC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。它在小时内可以使温度稳定在内,最大的制冷或加热电流为Amps,比例增益在~和积分时间常数~s之间可调,体积小而且外围电路简单。表WTC引脚功能编号引脚功能VDD驱动电源输入端在引脚与引脚之间连接伏特至伏特的电压VSET工作点电压输入端在引脚与引脚之间提供电压以控制温度LIMAA限制端引脚与引脚之间连接电阻以限制通向引脚的输出电流LIMBB限制端引脚与引脚之间连接电阻以限制通向引脚的输出电流P正比增益在引脚与引脚之间连接电阻以调节正比增益设置V伏特电压参考端参考输出供、引脚使用I积分器时间常数电阻连接端引脚与引脚之间连接电阻以调节积分时间常数设置SG传感器增益引脚与引脚之间连接电阻以调节传感器增益S传感器连接端引脚与引脚之间连接温度传感器BIAS传感器偏置电流引脚与引脚之间连接电阻以调节传感器偏置电流OUTAA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OUTBB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单独接地GND地端VS驱动电压输入端在引脚与引脚之间连接伏特到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WTC内部结构(虚线部分)示意图图为WTC的内部结构图,分析其内部结构图,可以得到其工作原理。WTC通过热敏电阻来采集温度变化,通过比例积分来控制HBridge,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(分别连接在第脚和地,第脚AB和地之间)决定。它们的关系由表列出,由表还可以看出,当R、R小于等于KAB时,芯片不工作,所以它们的取值可以当作开关使用。表限流电阻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,RKRKAmpsLIMAmpsLIM

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