快速多路光纖數據交叉連接組件*

(中國電子科技集團公司第八研究所 合肥 230051)

快速多路光纖數據交叉連接組件*

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建的一種快速多路光纖數據交叉連接組件,能夠實現光信號級別的數據交叉連接傳輸。論文對組件的系統結構、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;交叉連接;光傳輸;光交換

ClassNumberTN915.41

1 引言

快速多路光纖數據交叉連接組件用于在局部通信設備之間傳輸數據。對于某些大型設備,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據,協同工作,以達到信息共享,統一調配,實現更強大的功能作用[1～2]。特別對于高頻或高速信號處理設備,交換信息容量大,數據信號帶寬大、速率高,在需要有動態地址分配能力時,這種數據交叉連接面臨巨大的困難。根據這一問題提出的快速多路光纖數據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的光交叉連接技術手段,實現設備間可尋址的數據訪問,突破了數據傳輸、交換的瓶頸,使各種通信數據在各通信設備間和通信設備與總控室間可自由地傳輸與交換。這種交換可實現多路數據的交叉連接,并且傳輸通道的切換響應是快速的。

2 組件設計原理

2.1 原理結構框圖

組件原理結構框圖如圖1所示。

圖1 組件原理結構框圖

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、驅動控制等部分組成[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1和光開關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2和光開關4;在光開關后端,設置兩個光合路器,將光輸出信號進行整合。其中,光合路器1將光開關1和光開關2的輸出進行合路,光合路器2將光開關3和光開關4的輸出進行合路,分別送至光輸出1端和光輸出2端。另外設有光開關驅動控制電路,根據光信號分配需要進行驅動切換,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系的光開關,因而通過適當的控制就可實現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,控制系統控制驅動控制部分1工作,使光開關1和光開關4導通,而光開關2和光開關3關斷,光輸入端1的光信號經光開關1送到光輸出端1,光輸入端2的光信號經光開關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,控制系統控制驅動控制部分2工作,使光開關2和光開關3導通,而光開關1和光開關4關斷,光輸入端1的光信號經光開關3送到光輸出端2,光輸入端2的光信號經光開關2送到光輸出端1。

2.2 光開關的選用

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

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

插入損耗表征了光開關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,希望光開關的隔離度越高越好。工作波長是光開關的工作條件,限定了能夠在光開關上傳輸的光信號的波長范圍。對于現代光通信設備,普遍使用1310nm和1550nm兩個波長,因此,光開關也必須能夠工作于這兩個波長[5～6]。光開關中另一個重要的參數就是開關時間,表征了光開關導通或關斷光信號的速度。開關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,亦即要求光開關開關時間極快。

綜合以上對光開關提出的各種性能要求,特別是從光開關的開關速度方面考慮,選用半導體光纖放大器(SOA)作為高速光開關器件。SOA一般由增益介質、泵浦光和輸入輸出耦合結構組成,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能夠對輸入的光信號進行放大;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SOA的光開關作用。并且,SOA具有開關速度快、體積小的特點,特別是開關速度極快,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毫瓦,滿足通訊設備需要。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還可以根據通信設備的工作波長,有選擇的使SOA工作于某一波長,與外部光設備相一致。

經實際檢測,快速多路光纖數據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)作為基本的光開關器件,通過增加光開關器件數量和設計合理的光路結構以及適當的光路控制、分配途徑,可實現任意數目的光交叉連接功能。光交叉連接設備由若干個光分路器、光合路器和基本的光開關組成。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輸出端光信號進行合并,光開關在驅動控制電路的作用下,處于導通或關斷狀態,進行光信號通路的路徑切換,實現多路數據的交叉連接傳輸。

3 組件外圍控制電路

在光交叉連接設備的總體結構確定以后,具體要做的工作就是設計組件的外圍控制電路,主要包括SOA驅動、SOA溫度控制和SOA增益控制。

3.1 SOA高速大電流驅動電路

為使SOA實現光開關功能,要對其施加開關電流脈沖,要使開關速度達到較高的速度,施加的開關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動能力。為此,使用高速、大電流運放AD8009做驅動芯片[7]。

AD8009為具有較強輸出驅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的驅動電流要求。圖2為AD8009驅動波形圖。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動能力,還可以采用多個芯片并聯驅動的方式。

圖2 AD8009驅動波形圖

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。廠家在生產模塊時已考慮到這一點,在SOA的模塊內封裝了熱敏電阻和TEC制冷器,從而為控制SOA的溫度提供了可能。現在需要的就是一個性能優越、穩定的溫度控制電路。經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。它使用負溫度系數的熱敏電阻檢測器件內部溫度,然后通過設定的參數對檢測值進行運算,并通過輸出端口輸出線性和PWM信號驅動TEC器件工作以調節器件溫度,使器件溫度值達到設定值[8]。

ADN8830ACP通過一個負溫度系數的熱敏電阻檢測SOA內部溫度,檢測到SOA器件的溫度信息后,將其與設定值比較,經PID運算產生控制信號輸出,控制TEC器件制冷或加熱,保持SOA的溫度穩定。

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配置,主要包括設定工作溫度的設置、PID調節參數的設置、匹配電阻的選取等。經過仔細地選取合適的參數,并正確地連接溫度控制系統的各個部件,該溫度控制電路可靠地工作,保持SOA的溫度在±1℃內變化,保證了SOA穩定地工作。

3.3 增益控制電路

SOA的增益不夠穩定,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系。這一特點會對使用以SOA為基礎的光交叉連接組件系統產生影響。為了提高動態范圍,穩定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 光開關增益控制原理圖

組件內設置兩個光強檢測電路,分別檢測光開關輸入光信號和輸出光信號的光強,并轉換為電壓信號,送入比較電路。比較電路根據輸入、輸出光功率的差異,計算此時SOA應有的增益值,然后通過控制驅動電路的驅動電流強度來調整SOA工作電流,使輸出光功率達到穩定。

4 結語

相對于電交換技術,快速多路光纖數據交叉連接組件在光路上進行數據交換,使數據交換與數據特性無關,實現數據的透明傳輸和交換。由于不需要額外的光電、電光轉換和電路級別的信號分配,使得交換數據帶寬極大。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,在光信號上的電調制信號的帶寬幾乎不受限制,這使得快速多路光纖數據交叉連接組件可以順利地實現微波信號和高速數字信號的光交叉連接數據交換[9～10]。目前已實現的可通過光纖數據交叉連接組件傳輸的微波信號頻率高達20GHz,數字鏈路速率達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,進行光信號的補償,進一步增強了組件的應用范圍和性能。

[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.現代交換技術[M].北京:北京郵電大學出版社,2009:1-301.

[4]邱琪.光纖通信技術[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.全光通信網技術[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[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:電子工業出版社,1-104.

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

[10]王志功.光纖通信集成電路設計[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。

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