DFB激光器实现波长转换器

1 系统概述

波长转换是增加光交换网络灵活性，降低阻塞的必要手段，对光网络波长转换节点的设计方案也有很多。最简单的当然是专注式的转换节点设计，也就是在复用前，给每个通道都各配置一个波长转换器，显然这样作是元件利用率最低的。一些波长转换器的共享方案，也被陆续提出。这就必然涉及到O/E和E/O之间的转换。

在光网络体系发展的诸多关键中，首先是超大容量信息载入技术的实现，Tb/s 级信息比特量的传输将成为发展光网络的起点，目前(2.5～10)Gb/s 的单信道传输容量是最经济的选择方案。Tb/s 级超大信息容量的传输必须采用复用技术。波长的精确度和高度的稳定性是DWDM 技术对光子源器件最重要、最基本的要求。

其对波长转换器的基本要求是：转换速度要快(至少对2.5Gb/s 的信息流能够响应);对光信息流的各种传输格式是透明的;有较宽的转换范围;对输入信号光功率要求不太高;偏振敏感度小;啁啾噪声低等。波长变换要求对偏振不敏感，不因传输中受环境影响引起的偏振态变化导致传输质量的下降。

本波长转换器信号格式是调频模拟信号。分为接收、发射和温控3 个模块，可以工作在-5?C～+65?C 的环境温度中。

2 模块设计

2.1 接收模块

接收模块主要用于接收1310nm 波长的光信号，并将其可靠而又高效地转换为发射模块所需要的差分电压信号。

光电探测器PTCM965 是一个同轴型高速铟镓砷化合物(InGaAs)Pin/Tie 组件，用于将接收到的1310nm 波长光信号转换成差分电压信号并从DOUT+、DOUT-两个引脚输出。

Vitesse公司的VSC7961芯片是一个高速限幅放大器，具有对最高达3.125Gb/s的SONET/SDH和光通道器件进行信号损耗侦测、输出偏移修正、输出静噪、低供电电流和快速的上升/下降时间等特点。VSC7961的输入电压为5mV～1200mV,其输出(PECL)上升/下降时间为90ps～120ps。

图1 接收模块的电路设计

如图1 所示，光通过PTCM965 转换为电压信号输入到VSC7961 的正反相两个输入端，然后经过VSC7961 处理变为发射模块所需要的电压信号。在VSC7961 的TH 引脚上接上阻值为2K 的电阻R33,使VCS7961 的电压限幅值设置为10mV,当过限时，将改变其LOS,LOS-引脚的状态。依据厂家对SONET 的推荐值，在CZ1、CZ2 之间连接一个0.1μF 的电容，使内部的低频滤波器工作频率保证能对输入偏移值的修正。

2.2 温控模块

为了稳定半导体激光器的发射功率和波长，我们采用TEC 对半导体激光器进行恒温控制。这个温控系统包括热沉、TEC、散热器和温控电路等部分。热沉包括一个用来监测温度的负温度系数的热敏电阻。热沉、TEC、散热器构成温控系统的机械部分。

温控电路由专用的温控芯片和外围电路组成。由于DFB 激光器的两个最主要的技术特点都是通过控制温度来实现的，所以温控系统显得尤为重要。

2.2.1 热电制冷器(TEC)的选择

TEC 的选择与温控电路的设计必须要以热流量为基础。热流量可以通过melcor 公司的一个专用软件AZTEC 方便地计算出来。参数设置如图2 所示，计算得到的热功率为6.76W。热功率与绝缘材料和厚度也很有关系。我们用的电压为5V，所以TEC 上的压降在3～4V 左右。考虑到贴片器件的承受能力，电流控制在2～4A。最后选择melcor 公司的DT3-4。

图2 热流量的计算

2.2.2 温控驱动电路

温控采用了linear 公司的LTC1923EGN 芯片。该芯片是一个脉宽调制器，特地为TEC器件单双向的驱动电路研制，其典型的温度设定精度可以达到0.1°C。LTC1923 采用开关方式通过控制图3 所示的H 型桥电路来控制TEC 的制冷与制热。当PA 和NA 开通的时候，PB和NB 关闭，电流正向流过TEC;反之，反向流过TEC。R75 为取样电阻，取样得到的差分电压反馈给LTC1923。

如果TEC 的压降为3.5～4V，电流为3.5~4A，则电流回路上其他器件的压降总和为1~1.5V，电阻为0.25～0.4Ω。所以场效应对管的电阻和应该在0.15～0.3Ω 之间。所选择的D15P05(P 管)和FRU3103(N 管，可以与R3303 互换)的参数如下：

图3 H 型桥电路

R44 和R45 的作用是分压，因为1923 芯片CS+、CS-的电压降最大为0.15V，也就是允许TEC 的电流为1.5A，超出将被限流。经过分压，则允许的电流可提高到3.75A。

图4 温控基本电路

图4 中画了圆弧的区域是温差信号输入的反馈网络。SDSYNOB 引脚必须接高电平，否则芯片将不工作。图4 左上方的电路用来探测热敏电阻RT1 阻值随温度的变化，并转化为INA155UA 的电压输入值，用于反映温度的变化。考虑到ADC 的误差，传感精度要做到0.1%，电压的波动必须做到0.01%。一般的稳压器件已经无能为力了。采用可以补偿电压的漂移，得到的数值只与热敏电阻的阻值和R28 的温度漂移有关。如果采用0.01%精度的热稳定电阻就可以消除温度漂移的影响。

另一方面，通过图5 所示得预设定电压电路，将预设定电压与目标温度一一对应，通过调节可变电阻VR2 来改变温度设定值。其作为INA155UA 的基准比较电压成为INA155UA的另一电压输入值。INA155UA 是一个放大器，通过悬空其RG1,RG2 脚，使其工作在10 倍的增益。当被测温度与设定温度不一致时，INA155UA 的2 个输入引脚电压值，其输出信号将输入到LTC1923 的误差信号放大器输入脚。

图5 预设定电压电路

2.3 发射模块

图6 激光器驱动电路

发射模块包括DFB 激光器和激光器驱动电路。驱动激光器采用maxim 公司的MAX3869芯片，驱动电路按照MAX 公司的推荐电路设计。如图6 所示，调试时，主要调节如下几个电阻：

VR1 用来设定输出平均功率;R13 用来设定最大调制电流;R14 用来设定最大偏置电流;R10 和激光器的电阻之和为25Ω 的时候，电路的性能最佳;R11 和C5 用来吸收反射回来的电流，可以改变这两个元件的值使激光器输出性能最佳;输入信号采用直流耦合的方式， R1、R2、R8、R9 构成耦合匹配网络。

3 结束语

整个波长转换器模块功耗低、集成度高，缓解了系统的散热问题，与利用光收发模块来实现波长转换相比又降低了成本，能够广泛应用于DWDM 系统中。