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            DWDM系統(tǒng)光發(fā)射機溫度控制電路的優(yōu)化設(shè)計

            作者:四川大學電子信息學院,張宏 時間:2003-07-14 來源:電子設(shè)計應(yīng)用 收藏
            摘 要: 本文提出了一種在激光發(fā)射機溫度控制電路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度的有效方法,給出了波長的原理及測試結(jié)果。

            關(guān)鍵詞: ;

            引言
            近年來,DWDM()技術(shù)不斷發(fā)展,為了盡可能地傳輸更多的信道,要求光源峰值波長的間隔盡可能小,提高各信道光發(fā)射機的工作性是極其必要的。而且,DWDM系統(tǒng)一般采用40×10G、 80×10G甚至更高的信道復(fù)用形式,系統(tǒng)中每個子架用到的光發(fā)射機越來越多,電路集成度以及散熱問題也成為了激光器設(shè)計的關(guān)鍵。因此,在DWDM系統(tǒng)激光發(fā)射機溫度控制電路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度成為設(shè)計的核心。
            本文提出了一種采用 ADI公司的ADN8830芯片進行激光器管芯溫度控制的方法,它具有波長控制精度高、電路體積小的優(yōu)點并且由于其功耗低,大大降低了系統(tǒng)功耗,緩解了系統(tǒng)的散熱問題。

            原理
            在DWDM系統(tǒng)中,對性的要求十分嚴格。例如,對于采用0.8nm信道間隔的DWDM系統(tǒng),一個0.4nm 的波長變化就能把一個信道移到另一個信道上。在典型的系統(tǒng)中,光源波長穩(wěn)定是通過控制激光器管芯溫度而實現(xiàn)的。通過熱電制冷器(TEC),管芯的溫度可以被穩(wěn)定在一個恒定的值上,普通的激光器波長的溫度依賴性典型約為0.08nm/℃。
            TEC控制器按輸出的工作模式可以分成線性模式和開關(guān)模式。傳統(tǒng)WDM的熱電溫度控制多采用線性模式的TEC控制器,雖然具有電流紋波小且容易設(shè)計和制造的優(yōu)點,但功率效率低、波長控制精度不高,電路集成度較低。
            本文采用的ADN8830芯片是開關(guān)模式的單芯片TEC控制器,其原理框圖如圖1所示。它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng),通過負溫度系數(shù)熱敏電阻檢測附于TEC上的激光器管芯溫度并將其轉(zhuǎn)換為電壓值,與來自于DAC的模擬輸入溫度設(shè)置電壓進行比較,產(chǎn)生一個誤差信號經(jīng)由PWM(脈寬調(diào)制)控制器驅(qū)動TEC來穩(wěn)定激光二極管的溫度。系統(tǒng)的反饋環(huán)路通過高穩(wěn)定性,低噪聲的PID(比例積分控制)補償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,通過調(diào)整PID參數(shù)可以改變系統(tǒng)響應(yīng)特性。
            ADN8830單芯片TEC控制器的主要優(yōu)點:(1)控制精度高。采用高精度誤差放大器作為輸入級,它具有自校正、自穩(wěn)零、低漂移的特性,最大漂移電壓低于250mV,在典型應(yīng)用中,使目標溫度誤差低于±0.01℃。(2)系統(tǒng)功耗低。在線性模式控制器中,一般采用推挽電路作為輸出級,其功率效率低;開關(guān)模式控制器采用MOSFET開關(guān)管,導(dǎo)通時電阻很小,大大降低了系統(tǒng)功耗。(3)集成度高。它采用5mm×5mm LFCSP封裝,所有的控制器件都集成到一顆芯片里。

            圖1 ADN8830單片TEC控制器原理圖

            性能測試結(jié)果分析
            采用電吸收調(diào)制激光器、VSC7937調(diào)制驅(qū)動器和ADN8830 TEC溫度控制器構(gòu)成光發(fā)射機,進行了高低溫測試。
            采用ADVANTEST Q8326波長計,在環(huán)境溫度為室溫(26℃)、高溫(52.1℃)、低溫(-20℃)條件下,對光發(fā)射模塊波長穩(wěn)定性進行測試。
            溫度實驗測試結(jié)果見表1所示。
            測試結(jié)果表明,在環(huán)境溫度變化的過程中,模塊發(fā)射的光波長基本穩(wěn)定不變,得到很好的鎖定。實驗證明該控制方式具有很好的波長穩(wěn)定能力。

            圖2 改進前直流信號波形

            圖3 改進后直流信號波形

            圖4 傳輸前的眼圖

            圖5 傳輸后的眼圖

            優(yōu)化設(shè)計
            光發(fā)射模塊在無調(diào)制信號時,用TEK CSA8000示波器對發(fā)射機光信號進行測試,測試結(jié)果如圖2所示,發(fā)現(xiàn)光信號中有很多噪聲,這勢必影響光發(fā)射機的眼圖質(zhì)量。分析光發(fā)射機印制板設(shè)計發(fā)現(xiàn),由于采用開關(guān)模式溫度控制方法,激光器的偏置電流很容易受到ADN8830脈寬調(diào)制信號的干擾。
            為了克服脈寬調(diào)制信號對其它信號的干擾,對電路原理和PCB設(shè)計進行了改進。在優(yōu)化設(shè)計中,除了ADN8830芯片采用低電壓模式供電以外,主要解決辦法是優(yōu)化電路板布局:(1)采用四層電路板設(shè)計,為了減小開關(guān)輸出電流對低噪聲模擬電流的干擾,將涉及PWM的電源、地與其它電源、地平面隔離。(2)使輸出級電流路徑最小,減小了高頻電流的寄生電感,從而減小電源、地彈跳。(3)PWM信號盡量遠離激光器偏置輸入和調(diào)制輸入。經(jīng)過以上改進,有效消除了光噪聲,如圖3所示。
            對該發(fā)射機模塊加載速率10Gbps的偽隨機電信號進行40公里傳輸實驗,實現(xiàn)了24小時無誤碼傳輸,傳輸前后的眼圖特性如圖4、圖5所示。

            結(jié)語
            通過本文中的優(yōu)化設(shè)計,消除了ADN8830芯片中脈寬調(diào)制信號對其它模擬電路的干擾。利用該方法設(shè)計的光發(fā)射機光波長控制精度高、模塊功耗低、集成度高,緩解了系統(tǒng)的散熱問題,成功地應(yīng)用到實際系統(tǒng)中?!?/P>

            參考文獻
            1 周炳琨,高以智.激光原理(第4版).北京.國防工業(yè)出版社,2000.
            2 江劍平.半導(dǎo)體激光器.北京.電子工業(yè)出版社,2000.
            3 Govind P.Agrawal.Fiber-optic communication system(2nd ed).New York.1997.
            4 AD.ADN8830 Preliminary Technical Data,2000.



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