李萬軍

（索爾思光電（成都）有限公司，四川 成都 611731）

0 引 言

近年來，在光通信領(lǐng)域中隨著大數(shù)據(jù)和海量數(shù)據(jù)的通信傳遞需求，大容量光通信的需求愈加迫切，光電收發(fā)模塊作為光纖傳輸系統(tǒng)中的心臟，其各項指標決定了傳輸系統(tǒng)的整體性能[1-6]。而光電收發(fā)模塊中，激光器的工作穩(wěn)定性，特別是發(fā)射光功率的穩(wěn)定性對光通信的質(zhì)量有較為明顯的影響。溫度對半導(dǎo)體激光器的特性有很大的影響，特別是在高速光通信系統(tǒng)中。為了使得激光器的輸出光功率穩(wěn)定，必須對其溫度進行高精度控制[7-10]。同時在光通信系統(tǒng)中，一旦作為關(guān)鍵器件的光電收發(fā)模塊出現(xiàn)故障或告警，則將對光通信系統(tǒng)產(chǎn)生重大故障，因此對其進行實時監(jiān)控和數(shù)字診斷（Digital Diagnostic Monitoring，DDM）顯得尤為必要[11,12]。開展光電收發(fā)模塊中半導(dǎo)體器件穩(wěn)定工作的控制設(shè)計和研究溫度補償算法對模塊自身工作的穩(wěn)定度提升有重要意義，同時對整個光通信系統(tǒng)是否能穩(wěn)定、高質(zhì)量地工作也有重要意義。

1 控制電路設(shè)計

本控制電路中的MCU選用ADI公司的ADuCM320i，其內(nèi)核采用ARM Cortex-M3架構(gòu)，工作頻率可達80 MHz，內(nèi)部集成了高精度ADC、VDAC以及IDAC。VDAC的可輸出范圍為0～2.5 V，IDAC的可輸出范圍為0～150 mA，同時片上還集成了Flash、SRAM、I2C、SPI、UART及PLA等，可開發(fā)自定義功能的控制軟件。

如圖1所示，MCU通過多個GPIO管腳控制光電收發(fā)模塊的子模塊上電時序，其中InitMode、ModSelL以及ResetL來自光電模塊的金手指信號，可使模塊工作在低功耗狀態(tài)或進行硬復(fù)位。ModSelL為支持多模塊訪問的選擇信號，IntL為模塊輸出給外部的中斷信號，用于監(jiān)控數(shù)據(jù)及告警的實時上報。P0.4和P0.5提供一路外部I2C總線接口供上位機配置及查詢模塊相關(guān)信息，P0.6和P0.7提供一路內(nèi)部I2C總線接口配置和訪問內(nèi)部相關(guān)模塊。同時，通過片上ADC對光電模塊的接收光功率RSSI、模塊溫度、激光器溫度以及TEC工作電流等進行實時監(jiān)控，通過片上的VDAC對激光器工作點和光電接收管工作點等提供偏置補償。

圖1 MCU外接控制及監(jiān)控電路

該模塊中所使用的激光器驅(qū)動電路如圖2所示，LD_Bias_Lx為激光器工作偏置輸出，EA_Bias_Lx為電吸收調(diào)制器工作偏置輸出。MCU通過SCL_INT、SDA_INT信號可進行激光器工作點的調(diào)諧及補償，使得激光器長期工作于線性工作狀態(tài)，達到最好的信號調(diào)制狀態(tài)。

圖2 激光器驅(qū)動芯片電路

激光器的光功率通過背光電流進行監(jiān)控，如圖3所示，TX_PDx為激光器背光電流產(chǎn)生的電壓，通過AD5593的8通道ADC進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，可對激光器的當前的發(fā)射光功率進行實時監(jiān)測。

圖3 激光器光功率監(jiān)控芯片電路

隨著激光器的長時間工作，會導(dǎo)致工作溫度逐漸上升，特別是大功率的激光器，其發(fā)射光功率的穩(wěn)定性會受到較大影響，影響光通信的質(zhì)量。因此，本設(shè)計中采用圖4中的ADN8834對激光器內(nèi)部的TEC單元進行自動PID控制，使得激光器基本處于恒溫工作狀態(tài)，保證發(fā)射光功率的穩(wěn)定性和信號的線性調(diào)制。

圖4 激光器溫度控制芯片電路

2 控制軟件設(shè)計

2.1 DDM及告警上報

DDM是數(shù)字診斷監(jiān)控的縮寫，是對光電模塊工作狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的實時監(jiān)測值，對于某些敏感參數(shù)值不在合理范圍內(nèi)，將會上報告警。具體監(jiān)控和上報流程如圖5所示，該軟件流程開始后更新監(jiān)控目標參數(shù)的ADC值，并經(jīng)過校準后得到目標參數(shù)的DDM值，然后判別該值是否不在門限范圍內(nèi)，如果不在則設(shè)置對應(yīng)的告警標志并產(chǎn)生上報中斷信號，如果監(jiān)控值在門限范圍內(nèi)則取消產(chǎn)生的上報中斷信號。目標監(jiān)控參數(shù)一般包括模塊的工作溫度、電壓、電流、發(fā)射光功率以及接收光功率等。

圖5 DDM監(jiān)控及告警上報

2.2 溫度補償流程

光電模塊的工作線性度與溫度關(guān)系最為密切，其工作參數(shù)需要隨溫度變化得到實時補償才能一直處于良好工作狀態(tài)。圖6中是本設(shè)計中的溫度補償流程，軟件開始后先更新激光器的實時溫度，并計算出補償表的當前索引值，然后根據(jù)索引值查得當前的目標補償值，最后將補償值更新到硬件中生效。

圖6 溫度補償流程

2.3 發(fā)射光功率自動控制

光電模塊中激光器所發(fā)射的光功率大小會隨溫度的變化而變化，為了保證模塊在不同溫度環(huán)境下發(fā)射光功率的穩(wěn)定，設(shè)計了圖7所示的自動控制流程。軟件開始后先更新激光器的當前工作溫度并計算出查找表的索引值，然后根據(jù)索引值查得當前的發(fā)射功率目標值，再更新當前的實時發(fā)射功率值，接著判斷當前發(fā)射功率是否在鎖定范圍內(nèi)，如果已經(jīng)鎖定則不再進行誤差調(diào)整，如果沒有鎖定則使用PID算法計算誤差值，然后根據(jù)誤差值調(diào)整激光器的偏置值，直到發(fā)射功率鎖定。

圖7 發(fā)射光功率自動控制流程

3 測試結(jié)果及分析

在上位機上使用軟件訪問光電模塊的I2C接口，得到該光電模塊的DDM值監(jiān)控正常，修改報警門限使得報警條件滿足后可以正常上報告警中斷信號，測試中對應(yīng)的I2C時序如圖8所示。

圖8 2C訪問測試時序圖

本測試中對模塊中激光器發(fā)射光功率的穩(wěn)定度也進行了監(jiān)測，測試方法是使用光接收機持續(xù)監(jiān)測模塊的發(fā)射光功率，每間隔1 s記錄一個功率值，將1 min內(nèi)采樣得到的60個樣點值求均值，然后計算出該均值的絕對誤差百分比值進行觀察。如圖9所示，圖9（a）、圖9（b）以及圖9（c）分別是環(huán)境溫度為65 ℃、25 ℃和-40 ℃下的發(fā)射光功率誤差百分比，3種環(huán)境溫度下激光器的輸出光功率的誤差均小于5%，工作穩(wěn)定，能正常滿足光通信的發(fā)射功率要求。

圖9 不同溫度下發(fā)射光功率穩(wěn)定度測試

4 結(jié) 論

基于單片機ADuCM320i對光電收發(fā)模塊的控制電路和控制軟件進行了設(shè)計，同時對電路的工作原理和控制算法進行了詳細介紹。最后，對設(shè)計的光電收發(fā)模塊進行了測試和結(jié)果分析，測試內(nèi)容包括該模塊的I2C訪問功能、DDM查詢及告警上報功能以及發(fā)射光功率穩(wěn)定度等，測試結(jié)果顯示功能均正常且光功率誤差在高溫、低溫及常溫環(huán)境下均小于5%，滿足工程應(yīng)用要求。