(中國電子科技集團公司第八研究所 合肥 230051)

快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件*

高進王東元王銳

(中國電子科技集團公司第八研究所 合肥 230051)

論文介紹了利用半導體光放大器(SOA)及外圍光路和電路構(gòu)建的一種快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件,能夠?qū)崿F(xiàn)光信號級別的數(shù)據(jù)交叉連接傳輸。論文對組件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理作了闡述,并對保證組件正常工作所必需的幾個外圍電路進行了介紹。

SOA;光開關(guān);交叉連接;光傳輸;光交換

ClassNumberTN915.41

1 引言

快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件用于在局部通信設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。對于某些大型設(shè)備,常常具有多個功能部件,這些功能部件在完成各自功能的前提下還需要相互交換數(shù)據(jù),協(xié)同工作,以達到信息共享,統(tǒng)一調(diào)配,實現(xiàn)更強大的功能作用[1～2]。特別對于高頻或高速信號處理設(shè)備,交換信息容量大,數(shù)據(jù)信號帶寬大、速率高,在需要有動態(tài)地址分配能力時,這種數(shù)據(jù)交叉連接面臨巨大的困難。根據(jù)這一問題提出的快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件可有效解決這一難題。它采用基于高速光開關(guān)的光交叉連接技術(shù)手段,實現(xiàn)設(shè)備間可尋址的數(shù)據(jù)訪問,突破了數(shù)據(jù)傳輸、交換的瓶頸,使各種通信數(shù)據(jù)在各通信設(shè)備間和通信設(shè)備與總控室間可自由地傳輸與交換。這種交換可實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的交叉連接,并且傳輸通道的切換響應(yīng)是快速的。

2 組件設(shè)計原理

2.1 原理結(jié)構(gòu)框圖

組件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 組件原理結(jié)構(gòu)框圖

圖1所示為基本型的2×2光交叉連接組件,組件主要由光分路器、光合路器、光開關(guān)、驅(qū)動控制等部分組成[3]。

光分路器1用以將光輸入端1輸入的光信號分成兩路輸出,分別送入光開關(guān)1和光開關(guān)3;光分路器2用以將光輸入端2輸入的光信號分成兩路輸出,分別送入光開關(guān)2和光開關(guān)4;在光開關(guān)后端,設(shè)置兩個光合路器,將光輸出信號進行整合。其中,光合路器1將光開關(guān)1和光開關(guān)2的輸出進行合路,光合路器2將光開關(guān)3和光開關(guān)4的輸出進行合路,分別送至光輸出1端和光輸出2端。另外設(shè)有光開關(guān)驅(qū)動控制電路,根據(jù)光信號分配需要進行驅(qū)動切換,達到光信號交叉連接目的。

由于每一路光輸入都被分配到與每一路光輸出有連接關(guān)系的光開關(guān),因而通過適當?shù)目刂凭涂蓪崿F(xiàn)光信號通道上的交叉連接交換。

當光輸入端1的光信號需要送到光輸出端1,光輸入端2的光信號需要送到光輸出端2時,控制系統(tǒng)控制驅(qū)動控制部分1工作,使光開關(guān)1和光開關(guān)4導通,而光開關(guān)2和光開關(guān)3關(guān)斷,光輸入端1的光信號經(jīng)光開關(guān)1送到光輸出端1,光輸入端2的光信號經(jīng)光開關(guān)4送到光輸出端2。

當光輸入端2的光信號需要送到光輸出端1,光輸入端1的光信號需要送到光輸出端2時,控制系統(tǒng)控制驅(qū)動控制部分2工作,使光開關(guān)2和光開關(guān)3導通,而光開關(guān)1和光開關(guān)4關(guān)斷,光輸入端1的光信號經(jīng)光開關(guān)3送到光輸出端2,光輸入端2的光信號經(jīng)光開關(guān)2送到光輸出端1。

2.2 光開關(guān)的選用

由組件工作原理可知,組件中的核心部件是光開關(guān)。一方面光信號要通過光開關(guān)傳輸,光開關(guān)作為光傳輸器件;另一方面光開關(guān)還要能夠在一定的驅(qū)動條件下,實現(xiàn)快速的開關(guān)動作,在光發(fā)射設(shè)備與光接收設(shè)備之間選擇路由,以達到光傳輸通道的切換,實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的交叉連接。因此,所選用光開關(guān)器件的性能,直接影響組件的工作性能。

光開關(guān)是光纖通信中光交換系統(tǒng)的基本元件,廣泛應(yīng)用于光通訊系統(tǒng)。光開關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、串擾、工作波長、消光比、開關(guān)時間等。對于這里的快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件而言,所選用的光開關(guān)主要考慮的性能參數(shù)有插入損耗、隔離度、工作波長和開關(guān)時間等[4]。

插入損耗表征了光開關(guān)對傳輸光信號的衰減,為了不降低傳輸距離和接收端靈敏度,光開關(guān)的插入損耗不能太大。隔離度表征了某一光傳輸通道未被選中時,光信號在其上的泄漏程度。為了減小串擾,降低無用光信號在輸出端光合路器上的影響,希望光開關(guān)的隔離度越高越好。工作波長是光開關(guān)的工作條件,限定了能夠在光開關(guān)上傳輸?shù)墓庑盘柕牟ㄩL范圍。對于現(xiàn)代光通信設(shè)備,普遍使用1310nm和1550nm兩個波長,因此,光開關(guān)也必須能夠工作于這兩個波長[5～6]。光開關(guān)中另一個重要的參數(shù)就是開關(guān)時間,表征了光開關(guān)導通或關(guān)斷光信號的速度。開關(guān)時間也是考核組件性能的一個重要的指標,它決定了組件完成光傳輸通道切換所需要的延時對于快速交叉連接組件來說,具有快速切換的特點,也就需要在完成光傳輸通道切換時只有極小的延時,亦即要求光開關(guān)開關(guān)時間極快。

綜合以上對光開關(guān)提出的各種性能要求,特別是從光開關(guān)的開關(guān)速度方面考慮,選用半導體光纖放大器(SOA)作為高速光開關(guān)器件。SOA一般由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成,具有對光信號進行實時、在線、寬帶、高增益、低功耗的放大功能。在工作時對SOA注入工作電流,則SOA能夠?qū)斎氲墓庑盘栠M行放大;如果不注入工作電流,則SOA吸收輸入的光信號,使其衰減。因此,利用SOA的這種特性,通過控制SOA的工作電流,就可實現(xiàn)SOA的光開關(guān)作用。并且,SOA具有開關(guān)速度快、體積小的特點,特別是開關(guān)速度極快,達到納秒量級,對于需要高速切換光纖通道的組件來說,這一點尤為重要。另外,SOA具有增益能力,隨著注入工作電流由小到大的變化,SOA逐漸由對輸入光信號的衰減轉(zhuǎn)為對輸入光信號的放大,注入電流越大,增益也越大,直至SOA的光輸出達到飽和。一般情況下,SOA的飽和輸出光功率達數(shù)毫瓦,滿足通訊設(shè)備需要。在未加工作電流時,SOA對輸入的光信號衰減很大,輸入光幾乎被完全吸收,從而得到較高的隔離度。SOA還可以根據(jù)通信設(shè)備的工作波長,有選擇的使SOA工作于某一波長,與外部光設(shè)備相一致。

經(jīng)實際檢測,快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件通道切換時間為20ns,隔離度達40dB。

2.3 組件的擴展功能

使用半導體光放大器(SOA)作為基本的光開關(guān)器件,通過增加光開關(guān)器件數(shù)量和設(shè)計合理的光路結(jié)構(gòu)以及適當?shù)墓饴房刂?、分配途?可實現(xiàn)任意數(shù)目的光交叉連接功能。光交叉連接設(shè)備由若干個光分路器、光合路器和基本的光開關(guān)組成。光分路器用以對輸入端光信號進行分配,光合路器用以將光開關(guān)輸出端光信號進行合并,光開關(guān)在驅(qū)動控制電路的作用下,處于導通或關(guān)斷狀態(tài),進行光信號通路的路徑切換,實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的交叉連接傳輸。

3 組件外圍控制電路

在光交叉連接設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)確定以后,具體要做的工作就是設(shè)計組件的外圍控制電路,主要包括SOA驅(qū)動、SOA溫度控制和SOA增益控制。

3.1 SOA高速大電流驅(qū)動電路

為使SOA實現(xiàn)光開關(guān)功能,要對其施加開關(guān)電流脈沖,要使開關(guān)速度達到較高的速度,施加的開關(guān)電流脈沖的上升和下降時間要很小,并且要有較大的電流驅(qū)動能力。為此,使用高速、大電流運放AD8009做驅(qū)動芯片[7]。

AD8009為具有較強輸出驅(qū)動能力的寬帶型運放。在G=+2,輸出電壓4V時,上升和下降時間為0.725ns,滿足高速要求。其最大輸出電流達到175mA,滿足SOA的驅(qū)動電流要求。圖2為AD8009驅(qū)動波形圖。由圖可見,其輸出波形上升、下降時間極快,為2ns左右。如果想要進一步增大驅(qū)動能力,還可以采用多個芯片并聯(lián)驅(qū)動的方式。

圖2 AD8009驅(qū)動波形圖

3.2 溫度控制電路

為保證SOA能可靠地工作,必須對其進行溫度控制。廠家在生產(chǎn)模塊時已考慮到這一點,在SOA的模塊內(nèi)封裝了熱敏電阻和TEC制冷器,從而為控制SOA的溫度提供了可能。現(xiàn)在需要的就是一個性能優(yōu)越、穩(wěn)定的溫度控制電路。經(jīng)過對各種可能的溫度控制電路方案進行選擇,使用美國模擬器件公司ADN8830ACP芯片實現(xiàn)溫度控制功能。

圖3 AD8830工作原理框圖

ADN8830ACP是一個單片溫度控制器,專門用于驅(qū)動TEC器件以控制激光器等器件的工作溫度。它使用負溫度系數(shù)的熱敏電阻檢測器件內(nèi)部溫度,然后通過設(shè)定的參數(shù)對檢測值進行運算,并通過輸出端口輸出線性和PWM信號驅(qū)動TEC器件工作以調(diào)節(jié)器件溫度,使器件溫度值達到設(shè)定值[8]。

ADN8830ACP通過一個負溫度系數(shù)的熱敏電阻檢測SOA內(nèi)部溫度,檢測到SOA器件的溫度信息后,將其與設(shè)定值比較,經(jīng)PID運算產(chǎn)生控制信號輸出,控制TEC器件制冷或加熱,保持SOA的溫度穩(wěn)定。

為了使ADN8830AC能準確的控制SOA的溫度,要對ADN8830AC器件進行必要的參數(shù)配置,主要包括設(shè)定工作溫度的設(shè)置、PID調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)置、匹配電阻的選取等。經(jīng)過仔細地選取合適的參數(shù),并正確地連接溫度控制系統(tǒng)的各個部件,該溫度控制電路可靠地工作,保持SOA的溫度在±1℃內(nèi)變化,保證了SOA穩(wěn)定地工作。

3.3 增益控制電路

SOA的增益不夠穩(wěn)定,隨器件溫度的變化而變化,并且增益與輸入的光功率也有關(guān)系。這一特點會對使用以SOA為基礎(chǔ)的光交叉連接組件系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為了提高動態(tài)范圍,穩(wěn)定SOA的輸出光功率,必須對其進行增益控制。增益控制原理圖如圖4所示。

圖4 光開關(guān)增益控制原理圖

組件內(nèi)設(shè)置兩個光強檢測電路,分別檢測光開關(guān)輸入光信號和輸出光信號的光強,并轉(zhuǎn)換為電壓信號,送入比較電路。比較電路根據(jù)輸入、輸出光功率的差異,計算此時SOA應(yīng)有的增益值,然后通過控制驅(qū)動電路的驅(qū)動電流強度來調(diào)整SOA工作電流,使輸出光功率達到穩(wěn)定。

4 結(jié)語

相對于電交換技術(shù),快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件在光路上進行數(shù)據(jù)交換,使數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)特性無關(guān),實現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸和交換。由于不需要額外的光電、電光轉(zhuǎn)換和電路級別的信號分配,使得交換數(shù)據(jù)帶寬極大。通信用光信號波長一般在1310nm或1550nm波長,頻率高達200THz左右,相對于工作在光頻上的SOA而言,在光信號上的電調(diào)制信號的帶寬幾乎不受限制,這使得快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件可以順利地實現(xiàn)微波信號和高速數(shù)字信號的光交叉連接數(shù)據(jù)交換[9～10]。目前已實現(xiàn)的可通過光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘栴l率高達20GHz,數(shù)字鏈路速率達2.5Gbit/s。對于長距離的傳輸或者傳輸損耗相當大的光信號通路,SOA本身具有增益特性,可以使其工作在增益狀態(tài),進行光信號的補償,進一步增強了組件的應(yīng)用范圍和性能。

[1]王加強.光纖通信工程[M].北京:北京郵電大學出版社,2003:1-320.

[2]黃章勇.光纖通信用光電子器件和組件[M].北京:北京郵電大學出版社,2001:1-331.

[3]錢淵,蔡勇,馬志強.現(xiàn)代交換技術(shù)[M].北京:北京郵電大學出版社,2009:1-301.

[4]邱琪.光纖通信技術(shù)[M].北京:科學出版社有限責任公司,2011:1-280.

[5]李維民,趙巧霞,康巧燕.全光通信網(wǎng)技術(shù)[M].北京:北京郵電大學出版社,2009:1-164.

[6]潘英俊,鄒建,林曉剛.光電子技術(shù)[M].重慶:重慶大學出版社,2010:1-201.

[7]Howard Johnson, Martin Graham. High-Speed Digital Design[M].北京:電子工業(yè)出版社,2011:1-355.

[8]陳振源.半導體光電器件封裝工藝[M].北京:電子工業(yè)出版社,1-104.

[9]Gerd Keiser. Optical Fiber Communications[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012,5:235-270.

[10]王志功.光纖通信集成電路設(shè)計[M].北京:高等教育出版社,2003:295-312.

RapidMulti-channelOpticalFiberDataCrossConnectComponent

GAO Jin WANG Dongyuan WANG Rui

(No.8 Research Institute, China Electronics Technology Group Corporation, Hefei 230051)

Semiconductor optical amplifier and peripheral optical and electrical circuits are used to build a rapid multi-channel optical fiber data cross connect component, which can realize data cross connect transportation in optical signal level. The system structure and working principle of the component are elaborated, and several peripheral circuits which are necessary to keep the component working normally are introduced.

SOA, OSW, cross connect, optical transportation, optical switch

2013年11月8日,

:2013年12月24日

高進,男,高級工程師,研究方向:光纖通信和光傳輸技術(shù)。

TN915.41DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.044