快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件*

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所 合肥 230051)

快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件*

高進(jìn)王東元王銳

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所 合肥 230051)

論文介紹了利用半導(dǎo)體光放大器(SOA)及外圍光路和電路構(gòu)建的一種快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件,能夠?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)級(jí)別的數(shù)據(jù)交叉連接傳輸。論文對(duì)組件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理作了闡述,并對(duì)保證組件正常工作所必需的幾個(gè)外圍電路進(jìn)行了介紹。

SOA;光開(kāi)關(guān);交叉連接;光傳輸;光交換

ClassNumberTN915.41

1 引言

快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件用于在局部通信設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)。對(duì)于某些大型設(shè)備,常常具有多個(gè)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(shù)據(jù),協(xié)同工作,以達(dá)到信息共享,統(tǒng)一調(diào)配,實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能作用[1～2]。特別對(duì)于高頻或高速信號(hào)處理設(shè)備,交換信息容量大,數(shù)據(jù)信號(hào)帶寬大、速率高,在需要有動(dòng)態(tài)地址分配能力時(shí),這種數(shù)據(jù)交叉連接面臨巨大的困難。根據(jù)這一問(wèn)題提出的快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件可有效解決這一難題。它采用基于高速光開(kāi)關(guān)的光交叉連接技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)設(shè)備間可尋址的數(shù)據(jù)訪問(wèn),突破了數(shù)據(jù)傳輸、交換的瓶頸,使各種通信數(shù)據(jù)在各通信設(shè)備間和通信設(shè)備與總控室間可自由地傳輸與交換。這種交換可實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的交叉連接,并且傳輸通道的切換響應(yīng)是快速的。

2 組件設(shè)計(jì)原理

2.1 原理結(jié)構(gòu)框圖

組件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 組件原理結(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)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(hào)分成兩路輸出,分別送入光開(kāi)關(guān)1和光開(kāi)關(guān)3;光分路器2用以將光輸入端2輸入的光信號(hào)分成兩路輸出,分別送入光開(kāi)關(guān)2和光開(kāi)關(guān)4;在光開(kāi)關(guān)后端,設(shè)置兩個(gè)光合路器,將光輸出信號(hào)進(jìn)行整合。其中,光合路器1將光開(kāi)關(guān)1和光開(kāi)關(guān)2的輸出進(jìn)行合路,光合路器2將光開(kāi)關(guān)3和光開(kāi)關(guān)4的輸出進(jìn)行合路,分別送至光輸出1端和光輸出2端。另外設(shè)有光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)控制電路,根據(jù)光信號(hào)分配需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)切換,達(dá)到光信號(hào)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(guān)系的光開(kāi)關(guān),因而通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂凭涂蓪?shí)現(xiàn)光信號(hào)通道上的交叉連接交換。

當(dāng)光輸入端1的光信號(hào)需要送到光輸出端1,光輸入端2的光信號(hào)需要送到光輸出端2時(shí),控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)控制部分1工作,使光開(kāi)關(guān)1和光開(kāi)關(guān)4導(dǎo)通,而光開(kāi)關(guān)2和光開(kāi)關(guān)3關(guān)斷,光輸入端1的光信號(hào)經(jīng)光開(kāi)關(guān)1送到光輸出端1,光輸入端2的光信號(hào)經(jīng)光開(kāi)關(guān)4送到光輸出端2。

當(dāng)光輸入端2的光信號(hào)需要送到光輸出端1,光輸入端1的光信號(hào)需要送到光輸出端2時(shí),控制系統(tǒng)控制驅(qū)動(dòng)控制部分2工作,使光開(kāi)關(guān)2和光開(kāi)關(guān)3導(dǎo)通,而光開(kāi)關(guān)1和光開(kāi)關(guān)4關(guān)斷,光輸入端1的光信號(hào)經(jīng)光開(kāi)關(guān)3送到光輸出端2,光輸入端2的光信號(hào)經(jīng)光開(kāi)關(guān)2送到光輸出端1。

2.2 光開(kāi)關(guān)的選用

由組件工作原理可知,組件中的核心部件是光開(kāi)關(guān)。一方面光信號(hào)要通過(guò)光開(kāi)關(guān)傳輸,光開(kāi)關(guān)作為光傳輸器件;另一方面光開(kāi)關(guān)還要能夠在一定的驅(qū)動(dòng)條件下,實(shí)現(xiàn)快速的開(kāi)關(guān)動(dòng)作,在光發(fā)射設(shè)備與光接收設(shè)備之間選擇路由,以達(dá)到光傳輸通道的切換,實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的交叉連接。因此,所選用光開(kāi)關(guān)器件的性能,直接影響組件的工作性能。

光開(kāi)關(guān)是光纖通信中光交換系統(tǒng)的基本元件,廣泛應(yīng)用于光通訊系統(tǒng)。光開(kāi)關(guān)的特性參數(shù)主要有插入損耗、回波損耗、隔離度、串?dāng)_、工作波長(zhǎng)、消光比、開(kāi)關(guān)時(shí)間等。對(duì)于這里的快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件而言,所選用的光開(kāi)關(guān)主要考慮的性能參數(shù)有插入損耗、隔離度、工作波長(zhǎng)和開(kāi)關(guān)時(shí)間等[4]。

插入損耗表征了光開(kāi)關(guān)對(duì)傳輸光信號(hào)的衰減,為了不降低傳輸距離和接收端靈敏度,光開(kāi)關(guān)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(shí),光信號(hào)在其上的泄漏程度。為了減小串?dāng)_,降低無(wú)用光信號(hào)在輸出端光合路器上的影響,希望光開(kāi)關(guān)的隔離度越高越好。工作波長(zhǎng)是光開(kāi)關(guān)的工作條件,限定了能夠在光開(kāi)關(guān)上傳輸?shù)墓庑盘?hào)的波長(zhǎng)范圍。對(duì)于現(xiàn)代光通信設(shè)備,普遍使用1310nm和1550nm兩個(gè)波長(zhǎng),因此,光開(kāi)關(guān)也必須能夠工作于這兩個(gè)波長(zhǎng)[5～6]。光開(kāi)關(guān)中另一個(gè)重要的參數(shù)就是開(kāi)關(guān)時(shí)間,表征了光開(kāi)關(guān)導(dǎo)通或關(guān)斷光信號(hào)的速度。開(kāi)關(guān)時(shí)間也是考核組件性能的一個(gè)重要的指標(biāo),它決定了組件完成光傳輸通道切換所需要的延時(shí)對(duì)于快速交叉連接組件來(lái)說(shuō),具有快速切換的特點(diǎn),也就需要在完成光傳輸通道切換時(shí)只有極小的延時(shí),亦即要求光開(kāi)關(guān)開(kāi)關(guān)時(shí)間極快。

綜合以上對(duì)光開(kāi)關(guān)提出的各種性能要求,特別是從光開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)速度方面考慮,選用半導(dǎo)體光纖放大器(SOA)作為高速光開(kāi)關(guān)器件。SOA一般由增益介質(zhì)、泵浦光和輸入輸出耦合結(jié)構(gòu)組成,具有對(duì)光信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、寬帶、高增益、低功耗的放大功能。在工作時(shí)對(duì)SOA注入工作電流,則SOA能夠?qū)斎氲墓庑盘?hào)進(jìn)行放大;如果不注入工作電流,則SOA吸收輸入的光信號(hào),使其衰減。因此,利用SOA的這種特性,通過(guò)控制SOA的工作電流,就可實(shí)現(xiàn)SOA的光開(kāi)關(guān)作用。并且,SOA具有開(kāi)關(guān)速度快、體積小的特點(diǎn),特別是開(kāi)關(guān)速度極快,達(dá)到納秒量級(jí),對(duì)于需要高速切換光纖通道的組件來(lái)說(shuō),這一點(diǎn)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(duì)輸入光信號(hào)的衰減轉(zhuǎn)為對(duì)輸入光信號(hào)的放大,注入電流越大,增益也越大,直至SOA的光輸出達(dá)到飽和。一般情況下,SOA的飽和輸出光功率達(dá)數(shù)毫瓦,滿足通訊設(shè)備需要。在未加工作電流時(shí),SOA對(duì)輸入的光信號(hào)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(jù)通信設(shè)備的工作波長(zhǎng),有選擇的使SOA工作于某一波長(zhǎng),與外部光設(shè)備相一致。

經(jīng)實(shí)際檢測(cè),快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件通道切換時(shí)間為20ns,隔離度達(dá)40dB。

2.3 組件的擴(kuò)展功能

使用半導(dǎo)體光放大器(SOA)作為基本的光開(kāi)關(guān)器件,通過(guò)增加光開(kāi)關(guān)器件數(shù)量和設(shè)計(jì)合理的光路結(jié)構(gòu)以及適當(dāng)?shù)墓饴房刂?、分配途?可實(shí)現(xiàn)任意數(shù)目的光交叉連接功能。光交叉連接設(shè)備由若干個(gè)光分路器、光合路器和基本的光開(kāi)關(guān)組成。光分路器用以對(duì)輸入端光信號(hào)進(jìn)行分配,光合路器用以將光開(kāi)關(guān)輸出端光信號(hào)進(jìn)行合并,光開(kāi)關(guān)在驅(qū)動(dòng)控制電路的作用下,處于導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài),進(jìn)行光信號(hào)通路的路徑切換,實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)的交叉連接傳輸。

3 組件外圍控制電路

在光交叉連接設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)確定以后,具體要做的工作就是設(shè)計(jì)組件的外圍控制電路,主要包括SOA驅(qū)動(dòng)、SOA溫度控制和SOA增益控制。

3.1 SOA高速大電流驅(qū)動(dòng)電路

為使SOA實(shí)現(xiàn)光開(kāi)關(guān)功能,要對(duì)其施加開(kāi)關(guān)電流脈沖,要使開(kāi)關(guān)速度達(dá)到較高的速度,施加的開(kāi)關(guān)電流脈沖的上升和下降時(shí)間要很小,并且要有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力。為此,使用高速、大電流運(yùn)放AD8009做驅(qū)動(dòng)芯片[7]。

AD8009為具有較強(qiáng)輸出驅(qū)動(dòng)能力的寬帶型運(yùn)放。在G=+2,輸出電壓4V時(shí),上升和下降時(shí)間為0.725ns,滿足高速要求。其最大輸出電流達(dá)到175mA,滿足SOA的驅(qū)動(dòng)電流要求。圖2為AD8009驅(qū)動(dòng)波形圖。由圖可見(jiàn),其輸出波形上升、下降時(shí)間極快,為2ns左右。如果想要進(jìn)一步增大驅(qū)動(dòng)能力,還可以采用多個(gè)芯片并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式。

圖2 AD8009驅(qū)動(dòng)波形圖

3.2 溫度控制電路

為保證SOA能可靠地工作,必須對(duì)其進(jìn)行溫度控制。廠家在生產(chǎn)模塊時(shí)已考慮到這一點(diǎn),在SOA的模塊內(nèi)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?，F(xiàn)在需要的就是一個(gè)性能優(yōu)越、穩(wěn)定的溫度控制電路。經(jīng)過(guò)對(duì)各種可能的溫度控制電路方案進(jìn)行選擇,使用美國(guó)模擬器件公司ADN8830ACP芯片實(shí)現(xiàn)溫度控制功能。

圖3 AD8830工作原理框圖

ADN8830ACP是一個(gè)單片溫度控制器,專門用于驅(qū)動(dòng)TEC器件以控制激光器等器件的工作溫度。它使用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻檢測(cè)器件內(nèi)部溫度,然后通過(guò)設(shè)定的參數(shù)對(duì)檢測(cè)值進(jìn)行運(yùn)算,并通過(guò)輸出端口輸出線性和PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)TEC器件工作以調(diào)節(jié)器件溫度,使器件溫度值達(dá)到設(shè)定值[8]。

ADN8830ACP通過(guò)一個(gè)負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻檢測(cè)SOA內(nèi)部溫度,檢測(cè)到SOA器件的溫度信息后,將其與設(shè)定值比較,經(jīng)PID運(yùn)算產(chǎn)生控制信號(hào)輸出,控制TEC器件制冷或加熱,保持SOA的溫度穩(wěn)定。

為了使ADN8830AC能準(zhǔn)確的控制SOA的溫度,要對(duì)ADN8830AC器件進(jìn)行必要的參數(shù)配置,主要包括設(shè)定工作溫度的設(shè)置、PID調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)置、匹配電阻的選取等。經(jīng)過(guò)仔細(xì)地選取合適的參數(shù),并正確地連接溫度控制系統(tǒng)的各個(gè)部件,該溫度控制電路可靠地工作,保持SOA的溫度在±1℃內(nèi)變化,保證了SOA穩(wěn)定地工作。

3.3 增益控制電路

SOA的增益不夠穩(wěn)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(guān)系。這一特點(diǎn)會(huì)對(duì)使用以SOA為基礎(chǔ)的光交叉連接組件系統(tǒng)產(chǎn)生影響。為了提高動(dòng)態(tài)范圍,穩(wěn)定SOA的輸出光功率,必須對(duì)其進(jìn)行增益控制。增益控制原理圖如圖4所示。

圖4 光開(kāi)關(guān)增益控制原理圖

組件內(nèi)設(shè)置兩個(gè)光強(qiáng)檢測(cè)電路,分別檢測(cè)光開(kāi)關(guān)輸入光信號(hào)和輸出光信號(hào)的光強(qiáng),并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),送入比較電路。比較電路根據(jù)輸入、輸出光功率的差異,計(jì)算此時(shí)SOA應(yīng)有的增益值,然后通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電流強(qiáng)度來(lái)調(diào)整SOA工作電流,使輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)于電交換技術(shù),快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件在光路上進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,使數(shù)據(jù)交換與數(shù)據(jù)特性無(wú)關(guān),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸和交換。由于不需要額外的光電、電光轉(zhuǎn)換和電路級(jí)別的信號(hào)分配,使得交換數(shù)據(jù)帶寬極大。通信用光信號(hào)波長(zhǎng)一般在1310nm或1550nm波長(zhǎng),頻率高達(dá)200THz左右,相對(duì)于工作在光頻上的SOA而言,在光信號(hào)上的電調(diào)制信號(hào)的帶寬幾乎不受限制,這使得快速多路光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件可以順利地實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)和高速數(shù)字信號(hào)的光交叉連接數(shù)據(jù)交換[9～10]。目前已實(shí)現(xiàn)的可通過(guò)光纖數(shù)據(jù)交叉連接組件傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)頻率高達(dá)20GHz,數(shù)字鏈路速率達(dá)2.5Gbit/s。對(duì)于長(zhǎng)距離的傳輸或者傳輸損耗相當(dāng)大的光信號(hào)通路,SOA本身具有增益特性,可以使其工作在增益狀態(tài),進(jìn)行光信號(hào)的補(bǔ)償,進(jìn)一步增強(qiáng)了組件的應(yīng)用范圍和性能。

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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(jìn),男,高級(jí)工程師,研究方向:光纖通信和光傳輸技術(shù)。

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