兼具PD功能的1×2磁光開關的設計*

［劉斌 鐘昌錦 付益 李廣寧 李沼云］

1 引言

光開關（OSW）和光電探測器器（PD）在光網絡中扮演著重要角色。PD利用半導體材料的光電效應制成的一種光探測器件。所謂光電效應，是指由輻射引起被照射材料電導率改變的一種物理現象。它能把光信號轉換為電信號，OSW作為光分插復用設備、光交叉連接設備和光路由器中的關鍵器件，可實現光信號在同一通道中的通斷、波長轉換和光信號在不同通道間轉換的作用，對解決目前復雜網絡中的波長爭用、提高波長重用率、進行網絡靈活配置具有重要意義。

磁光開關（OSW）具有低功率消耗、穩定可靠、工藝簡單、開關速度快（幾十微妙）、無移動等優勢，利用法拉第旋光效應的光開關。所謂磁光效應是指線偏振光在磁性介質中傳播時，受到磁場作業，其偏振面發生旋轉的一種物理現象。而集成了PD的1×2磁光開關，既可以實現開關的切換功能，又可以完成PD的功率監控，非常適應于光網絡監控與傳感系統中。

2 電路與光路設計

兼具PD功能的1×2磁光開關通過微處理器MSP430控制MC33886芯片、I/V轉接及量程切換完成電路控制。MC33886芯片由微處理器MSP430觸發控制，控制IN1和IN2端的不同高低電平搭配可以得出所需的脈沖電流形式，通過該脈沖來驅動控制磁光開關工作。由于光纖中輸入光信號很弱，從nW級到mW級，需要微處理器MSP430控制PD讀取的數據進行I/V轉換及量程切換。轉換及切換電路主要由一個8路模擬開關MAX4638和一個低功耗低噪聲單電源雙路運放OPA2344組成。

兼具PD功能的1×2磁光開關實現對輸入的光信號進行探測、主路和被路任意切換等功能。光信號通過99∶1的光分路器，將輸入光的1%的進行功率檢測，輸入光的99%接入1×2磁光開關的輸入端。其光路設計圖如圖1所示。

圖1 光路設計圖

3 微處理器

本設計選用德州儀器公司的MSP430系列的微處理器，它是一種16位超低功耗、自帶DAC模塊的信號處理器，具體特點如下。

（1）超強的處理能力

MSP430系列單片機采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算，還有高效的查表處理指令，有較高的處理速度，在8 MHz晶體驅動下指令周期為125 ns。

（2）系統工作穩定

上電復位后，首先由DCO_CLK啟動CPU，以保證程序從正確的位置開始執行，保證晶體振蕩器有足夠的起振時間及穩定時間，然后軟件可以設置寄存器的控制位來確定系統時鐘頻率。如果晶體振蕩器用做CPU時鐘MCLK時發生故障，DCO會自動啟動，以保證系統正常工作。

（3）豐富的片上外圍模塊

MSP430 單片機的各系列成員都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A、定時器B、串口0和1、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、I2C總線直接數據存取（DMA）、端口P1-P6、基本定時器等一些外圍模塊的不同組合。

（4）方便高效的開發環境

目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型3種類型的器件，這些器件的開發手段不同。對于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器開發成功之后再燒寫芯片；對于FLASH型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有JTAG調試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，因此采用先下載程序到FLASH內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由JTAG接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發。這種方式只需要一臺PC機和一個JTAG調試器，不需要仿真器和編程器，開發語言為匯編語言和C語言。

（5）多種時鐘模塊

MSP430單片機有3種時鐘源可以選擇提供給ACLK、SMCLK、MCLK。其中DCO為單片機內部提供，并具有鎖相環，為系統提供一個內部時鐘源，LFXT1提供給外圍設備32 768 Hz的時鐘，LFXT2可以提供高達8 MHz的時鐘供單片機運行使用，當XTALT2沒有提供時，系統依靠DCO運行，整個時鐘配置可以通過DCOCTL、BCSCTL1，BCSCTL2和SR等控制寄存器中相應的位來選擇和控制以滿足用戶對系統的要求。

（6）低電壓、低功耗

MSP430單片機的電源電壓采用的是1.8～3.6V電壓。因而可使其在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片的電流在200～400 μ A左右，時鐘關斷模式的低功耗只有0.1 μ A。

（7）適應工業級運行環境

MSP430器件均為工業級的，工作溫度為-40℃～+85℃，所設計的產品適合用于工業環境下。

MSP430家族陣容很強大，有X1XX、X3XX、X4XX等系列，本設計所選擇的芯片MSP430F169功耗超低，非常適合功率要求低的場合，并且體積小，使用靈活，速度高，性價比高，內部自帶的12位A/D和DMA控制單元可以分別為系統采樣電路和數據傳輸部分采用，使得系統的硬件電路更加集成化、小型化。MSP430單片機引腳圖如圖2所示。

圖2 MSP430單片機引腳圖

4 光分路器

光分路器又稱分光器，是光纖鏈路中重要的無源器件之一，是具有多個輸入端和多個輸出端的光纖匯接器件。光分路器按分光原理可以分為熔融拉錐型和平面波導型（PLC型）兩種。熔融拉錐型產品是將兩根或多根光纖進行側面熔接而成；平面波導型是微光學元件型產品，采用光刻技術，在介質或半導體基板上形成光波導，實現分支分配功能。這兩種型式的分光原理類似，它們通過改變光纖間的消逝場相互耦合（耦合度，耦合長度）以及改變光纖纖半徑來實現不同大小分支量，反之也可以將多路光信號合為一路信號，也稱合成器。

設計選用平面波導型（PLC型）原理，Y分支波導的功率分配是基于圖3所示的模式變化，當入射模從輸入波導到達分支尖角時由于波導的幾何結構而分開，便沿著對稱分支波導傳輸實現功率分配功能。

圖3 Y分支波導結構示意圖

設計選用了分光比1:99的光分路器。分光比定義了光分路器各輸出端口的輸出功率比值，在系統應用中，分光比的確是根據實現系統光節點所需的光功率的多少，確定合適的分光比（平均分配的除外），光分路器的分光比與傳輸光的波長有關。

5 PIN探測器

PIN結構的探測器本質是一個反向偏置的半導體二極管，與普通光電二極管不同之處是在重摻雜的p區和n區之間夾有一層本征層。本征層的引入增加了光在探測器內的光程，從而提高了光的吸收。圖4表示了PIN光探測器的原理結構。正常工作時，探測器一般要加反向偏壓。當入射光的能量小于InP禁帶寬度時，入射光就會透過InP帽層進入In0.53 Ga0.47As吸收層。如果吸收層的禁帶寬度E小于入射光（1.0～1.6 μm波段）的能量，則吸收層中的價帶電子會吸收光子能量而躍遷到導帶形成電子-空穴對。因為外加反向電壓的作用，空間電荷區會存在很強的電場，電子-空穴對會受電場的作用而分別被掃向n區和p區電極，在外電路中形成光電流，從而實現光到電的轉換。

圖4 InP/InGaAs PIN工作原理圖

光電探測器的響應度表征了探測器將入射光信號轉換為電信號的能力。若a為材料的吸收系數，Rf為人射面的反射率，ω為吸收層的厚度，則響應度R可表示為

由公式（1）可見，可通過引入合適的增透膜和設計合適的耗盡層寬度方法優化探測器的材料和 結構來提高器件的響應度。

6 1×2磁光開關

磁光開關（Magneto-optic Switch）是本文研究的對象。磁光開關利用了法拉第（Faraday）磁致旋光效應。法拉第效應又稱為磁光效應，是指某些物質在外磁場的作用下，能使通過它的平面偏振光的偏振方向發生旋轉。利用這一特性，磁光開關實現全光通信所必需的全光切換功能。

如圖5所示，入射光矢量旋轉的角度β與沿著光傳播方向作用在非磁性物質上的磁感強度B及光在磁場中所通過的物質長度d成正比，即

圖5 法拉第磁光效應圖

其中，V是費爾德（Verdet）常數，它與波長有關，且非常接近該材料的吸收諧振，故不同的波長應選取不同的材料。大多數物質的V值都很小，近些年出現了一些極強磁致旋光能力的新型材料，這些材料屬于鐵磁性物質，線偏振光通過在磁場中被磁化的材料時，振動面會發生旋轉。當磁化強度未達到飽和時，振動面旋轉角度θ目與磁化強度M及通過的距離d成正比。

以上公式中M0是飽和磁化強度，F為法拉第旋光系數，表示磁化強度達到飽和后振動面每通過單位距離所轉過的角度。強磁性金屬合金及金屬化臺物（如Fe，Co及Ni）有極高的F值，但同時吸收系數a的值也非常大；強磁性化合物由于一般存在a極小的波長區域，使得它具有很高的旋光性能指數，同時，磁致旋光的方向只與磁場的方向有關，而與光的傳播方向無關，光束往返通過磁致旋光物質時，旋轉角度往同一方向累加。

7 性能測試對比

將PD中光功率與日本橫河（YOKOGAWA）公司光功率測試系統（型號WT130）進行實際數據測試并對比，波長是1 550 nm，數據測量結果如表1所示。

表1 數據測量對比

通過以上數據測量對比，算出該PD探測光功率值誤差范圍在0.2 dB以內。

8 結束語

集成了PD功能的1×2磁光開關，利用1:99的光分路器進行分光、PD探測器進行高精確度光功率監測、1×2磁光開關進行高速光路切換，具有很高的商業應用價值。