電光晶體光開關的控制及驅動電路研制

樊彥恩 吳彭生 武 帥

摘 要：光開關是光交換網絡系統中的核心器件，用于控制光信號的切換。文章設計并實現了電光晶體光開關的控制和高壓驅動電路。經過測試，此設計滿足了光交換網絡工作所需要的切換時間以及電平延遲時間。

關鍵詞：光開關；光交換網絡；切換時間

引言

隨著光通信的迅猛發展，全光網絡離我們越來越近。這也使得應用于光網絡中的各種光無源器件越來越受到重視。光開關是一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉換或邏輯操作的器件，是全光交換的關鍵器件，可以實現全光層的路由選擇、波長選擇、交叉連接等。除了光開關本身的設計原理與結構外，其控制和驅動電路的高電壓輸出和切換時間已成為光開關發展的瓶頸。對鈮酸鋰光開關而言，其驅動電壓可達到350V-420V左右。驅動電路設計的難點不僅要輸出高電壓，還要為光開關提供較高的輸出峰值電流。否則，高壓驅動信號的上升以及下降沿就會惡化，光開關的切換時間就會下降。

1 控制電路的設計

控制電路的主要作用是將計算機輸出的RS232串行控制信號解碼轉換成TTL并行輸出信號，然后輸入到光開關驅動電路的驅動級。在這里，為了以后光開關陣列的擴展，我們預留了另外7個控制光開關陣列的TTL并行輸出口，如圖1所示。

2 光開關驅動電路的設計

光開關是一種容性負載，把光開關驅動到一種狀態相當于給電容充電，而使光開關恢復到默認狀態相當于給電容放電。由于光開關切換速度比較快，所產生的上升和下降時間均要求在500ns左右，這就要求電容的充放電時間較短。因此，電光晶體光開關高壓輸出驅動級電路采用MOS管級聯結構。高壓輸出驅動級電路是TTL信號接口，要求有較低的輸入電容，較少的傳輸延時和較快的開關速度。同時，該級也要求有較高的輸出峰值電流，從而可以使驅動信號有更快的上升和下降時間。綜合上述要求，高壓輸出驅動級采用ANALOG DEVICES公司的一款高速MOS管驅動芯片——ADuM5230。ADuM5230是ADI推出的隔離半橋門級驅動器，采用icoupler技術可在同一芯片內提供兩個獨立的高低壓隔離通道和一個150mW的DC-DC隔離電源。其DC-DC高壓側輸出電壓不僅可以給ADuM5230的高壓隔離側供電，而且可以給后端的緩沖電路供電。該芯片的輸出信號具有比較快的上升（25ns）和下降時間（10ns），可以很好的滿足驅動級的要求。

級聯MOS管采用ZVN0545G，具有較小的輸入電容和導通電阻，較大的耐壓范圍（VDSS=450v），較快的切換速度（tr=7ns，tf=10ns），確保了峰值電流的快速泄放，提高了高壓驅動信號的切換速度。由于光開關驅動電壓較大，可能出現MOS管柵極和源極之間的電壓VGS大于規定的20V電壓。而ADuM5230的VOA管腳和GNDISO管腳將MOS管的VGS鉗位到了18V，確保了MOS管不會受到損害。如圖2所示。

光開關高壓驅動電路的設計難點在于升高壓的電荷泵電路設計，如圖3所示。SW控制MOS管的導通，此時，C50-2為0電位。假設此時C38-1的電位為V0，則C50-1的電位為V0-Vd，C45-2的電位為V0。其中，Vd為二極管的正向壓降。當SW控制MOS管關閉，L2上產生反向電動勢VL，和電源電壓12V疊加在一起（VL+12=V0），使得C50-2的電位變為V0+Vd。由于C50兩端壓差不能突變（SW控制MOS管導通時，C50兩端壓差為V0-Vd），此時，C50-1端電壓變為V0+Vd+V0-Vd=2V0，C45-1端電位為2V0-Vd。SW控制MOS管導通，C50-2電位為0，C50-1電位為V0-Vd，C46-2電位為V0-Vd，此時C45-1端電壓傳遞給C46-1，2V0-2Vd，使得C46兩端壓差變為V0-Vd.當SW控制MOS管關閉，C46-2電位變為2V0，C46-1端電位變為2V0+V0-Vd=3V0-Vd，C46-1再將電壓傳遞給C44，這樣以此類推，實現了電壓的升高。通過調整電路參數，該光開關驅動電路的電壓可以達到450V以上，滿足光開關正常工作要求。

圖3 升高壓電路原理圖

3 性能測試

圖4 測試原理框圖

為驗證光開關控制及驅動電路是否正常工作，設計以下測試方案進行指標驗證，如圖4所示。可調半導體激光器（Santec TSL-510，LD）輸出波長為1550nm，光功率為3dBm的直流光，經過光開關后進入光電探測器（THORLABS，DET01CFC），最后接入示波器（TEKTRONIX，DPO2024B）觀察波形。計算機（PC）通過串口RS232輸出控制信號，經光開關控制電路解碼輸出TTL電平，然后進入光開關高壓驅動電路驅動級，控制高壓的輸出，最終驅動光開關切換。其上升沿及下降沿占用的時間即為光開關切換時間。

本項目使用的光開關為Agiltron公司的一款電光晶體光開關，NS系列的2×2光開關，其切換速度可達納秒量級。通過調整升高壓電路的參數，確定光開關的驅動電壓為388V。測試結果如圖5，圖6所示。電光晶體光開關的上升時間為236ns，下降時間為160ns。可見，經過控制及驅動電路的驅動，光開關不僅可以正常切換，并且切換時間滿足工程項目指標要求。

圖5 上升沿波形

圖6 下降沿波形

4 結束語

文章給出了一種電光晶體光開關控制及驅動電路的設計方案，并實現了電路方案的調試以及實驗測試。測試結果表明，該光開關控制及驅動電路可以正常控制和驅動電光晶體光開關的切換，切換時間為236ns，上升以及下降沿陡峭，波形平整，滿足工程實踐需要。

參考文獻

[1]C.Qaio and M.Yoo，"Optical burst switching（OBS），"J.High Speed Networks，1999，8（1）.

[2]李運濤，陳少武，余金中.光開關矩陣控制和驅動電路及集成技術的研究進展[J].激光與紅外，2005，35（1）.

[3]楊凱.4×4光開關矩陣的控制及驅動電路研制[J].光纖與光纜及其應用技術，2002（1）.

[4]楊剛，阮從明，何淑飛，等.光開關驅動接口設計[J].光器件，2011（10）.

[5]張寧，紀越峰.光通信網絡中的光開關技術[J].2004，28（4）.

[6]李江全，曹衛彬，鄭瑤，等.計算機典型測控與串口通信開發軟件應用實踐[M].人民郵電出版社，2008.

[7]鐘昌錦，余志強，周劍超，等.新型4通道2×2光開關的設計[J].光通信技術，2014（6）.

[8]袁云，趙東生.光開關技術的發展和應用分析[J].電信科學，2000（12）.

[9]趙鋒.未來大容量數據網絡的關鍵設備—光交換機[J].通訊世界，2000（3）.

作者簡介：樊彥恩（1985，7-），女，河北石家莊，碩士學歷，助理工程師，研究方向：光電子學。