摘要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于DFB 激光器的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。該波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器分為接收、溫控和發(fā)射3 個(gè)模塊。接收模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為發(fā)射模塊所需的電壓信號(hào)，使發(fā)射模塊驅(qū)動(dòng)激光器產(chǎn)生光信號(hào)。溫控模塊用以穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的發(fā)射功率和波長(zhǎng)。終使入射的1310nm 波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)控制高的1550nm 波長(zhǎng)的光信號(hào)。

　　引言

　　21 世紀(jì)是一個(gè)信息化的社會(huì)，大量的信息傳送需要大容量的系統(tǒng)波分復(fù)用(WDM)技術(shù)。WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分復(fù)用）是利用多個(gè)激光器在單條光纖上同時(shí)發(fā)送多束不同波長(zhǎng)激光的技術(shù)。WDM的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是它的協(xié)議和傳輸速度是不相關(guān)的?；贒WDM的網(wǎng)絡(luò)可以采用IP協(xié)議、ATM、SONET /SDH、以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，處理的數(shù)據(jù)流量在100 Mb/s 和2.5 Gb/s之間，這樣，基于WDM的網(wǎng)絡(luò)可以在一個(gè)激光信道上以不同的速度傳輸不同類型的數(shù)據(jù)流量。從QoS （質(zhì)量服務(wù)）的觀點(diǎn)看，基于WDM的網(wǎng)絡(luò)以低成本的方式來(lái)快速響應(yīng)客戶的帶寬需求和協(xié)議改變?？萍荚谌找娓?，現(xiàn)在在國(guó)家干線，省級(jí)干線以及市級(jí)干線用1600G，800G以及400G的也比比皆是。拿1600G為例：理論上，在光纜完全具備的情況下，一根光纖能走160條10G業(yè)務(wù)。大大提高了光纖利用率。當(dāng)然對(duì)光纜的要求也很高，理論值和實(shí)際值是有偏差的，實(shí)際應(yīng)用中為了避免故障率很少在同一根光纖上用百個(gè)信道的業(yè)務(wù)。

　　本文所要闡述的是基于DFB 激光器波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)?shí)現(xiàn)從1310nm 的光信號(hào)到1550nm的光信號(hào)的轉(zhuǎn)化。通過(guò)調(diào)節(jié)溫度改變并穩(wěn)定激光器波長(zhǎng)，使普通DFB 激光器達(dá)到DWDM 激光器的要求。

　　1 系統(tǒng)概述

　　波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換是增加光交換網(wǎng)絡(luò)靈活性，降低阻塞的必要手段，對(duì)光網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案也有很多。簡(jiǎn)單的當(dāng)然是專注式的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，也就是在復(fù)用前，給每個(gè)通道都各配置一個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，顯然這樣作是元件利用率的。一些波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的共享方案，也被陸續(xù)提出。這就必然涉及到O/E和E/O之間的轉(zhuǎn)換。

　　在光網(wǎng)絡(luò)體系發(fā)展的諸多關(guān)鍵中，首先是超大容量信息載入技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，Tb/s 級(jí)信息比特量的傳輸將成為發(fā)展光網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)，目前(2.5～10)Gb/s 的單信道傳輸容量是經(jīng)濟(jì)的選擇方案。Tb/s 級(jí)超大信息容量的傳輸必須采用復(fù)用技術(shù)。波長(zhǎng)的度和高度的穩(wěn)定性是DWDM 技術(shù)對(duì)光子源器件重要、基本的要求。

　　其對(duì)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的基本要求是：轉(zhuǎn)換速度要快（至少對(duì)2.5Gb/s 的信息流能夠響應(yīng)）；對(duì)光信息流的各種傳輸格式是透明的；有較寬的轉(zhuǎn)換范圍；對(duì)輸入信號(hào)光功率要求不太高；偏振敏感度?。贿痹肼暤偷?。波長(zhǎng)變換要求對(duì)偏振不敏感，不因傳輸中受環(huán)境影響引起的偏振態(tài)變化導(dǎo)致傳輸質(zhì)量的下降。

　　本波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器信號(hào)格式是調(diào)頻模擬信號(hào)。分為接收、發(fā)射和溫控3 個(gè)模塊，可以工作在－5?C～＋65?C 的環(huán)境溫度中。

　　2 模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 接收模塊

　　接收模塊主要用于接收1310nm 波長(zhǎng)的光信號(hào)，并將其可靠而又高效地轉(zhuǎn)換為發(fā)射模塊所需要的差分電壓信號(hào)。

　　光電探測(cè)器PTCM965 是一個(gè)同軸型高速銦鎵砷化合物(InGaAs)Pin/Tie 組件，用于將接收到的1310nm 波長(zhǎng)光信號(hào)轉(zhuǎn)換成差分電壓信號(hào)并從DOUT+、DOUT-兩個(gè)引腳輸出。

　　Vitesse公司的VSC7961芯片是一個(gè)高速限幅放大器，具有對(duì)達(dá)3.125Gb/s的SONET/SDH和光通道器件進(jìn)行信號(hào)損耗偵測(cè)、輸出偏移修正、輸出靜噪、低供電電流和快速的上升/下降時(shí)間等特點(diǎn)。VSC7961的輸入電壓為5mV～1200mV,其輸出（PECL）上升/下降時(shí)間為90ps～120ps。

　　圖1 接收模塊的電路設(shè)計(jì)

　　如圖1 所示，光通過(guò)PTCM965 轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸入到VSC7961 的正反相兩個(gè)輸入端，然后經(jīng)過(guò)VSC7961 處理變?yōu)榘l(fā)射模塊所需要的電壓信號(hào)。在VSC7961 的TH 引腳上接上阻值為2K 的電阻R33,使VCS7961 的電壓限幅值設(shè)置為10mV,當(dāng)過(guò)，將改變其LOS,LOS-引腳的狀態(tài)。依據(jù)廠家對(duì)SONET 的推薦值，在CZ1、CZ2 之間連接一個(gè)0.1μF 的電容，使內(nèi)部的低頻濾波器工作頻率保證能對(duì)輸入偏移值的修正。

　　2.2 溫控模塊

　　為了穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器的發(fā)射功率和波長(zhǎng)，我們采用TEC 對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行恒溫控制。這個(gè)溫控系統(tǒng)包括熱沉、TEC、散熱器和溫控電路等部分。熱沉包括一個(gè)用來(lái)監(jiān)測(cè)溫度的負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。熱沉、TEC、散熱器構(gòu)成溫控系統(tǒng)的機(jī)械部分。

　　溫控電路由專用的溫控芯片和外圍電路組成。由于DFB 激光器的兩個(gè)主要的技術(shù)特點(diǎn)都是通過(guò)控制溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以溫控系統(tǒng)顯得尤為重要。

　　2.2.1 熱電制冷器(TEC)的選擇

　　TEC 的選擇與溫控電路的設(shè)計(jì)必須要以熱流量為基礎(chǔ)。熱流量可以通過(guò)melcor 公司的一個(gè)專用軟件AZTEC 方便地計(jì)算出來(lái)。參數(shù)設(shè)置如圖2 所示，計(jì)算得到的熱功率為6.76W。熱功率與絕緣材料和厚度也很有關(guān)系。我們用的電壓為5V，所以TEC 上的壓降在3～4V 左右?？紤]到貼片器件的承受能力，電流控制在2～4A。選擇melcor 公司的DT3-4。

　　圖2 熱流量的計(jì)算

　　2.2.2 溫控驅(qū)動(dòng)電路

　　溫控采用了linear 公司的LTC1923EGN 芯片。該芯片是一個(gè)脈寬調(diào)制器，特地為TEC器件單雙向的驅(qū)動(dòng)電路研制，其典型的溫度設(shè)定可以達(dá)到0.1°C。LTC1923 采用開(kāi)關(guān)方式通過(guò)控制圖3 所示的H 型橋電路來(lái)控制TEC 的制冷與制熱。當(dāng)PA 和NA 開(kāi)通的時(shí)候，PB和NB 關(guān)閉，電流正向流過(guò)TEC；反之，反向流過(guò)TEC。R75 為取樣電阻，取樣得到的差分電壓反饋給LTC1923。

　　如果TEC 的壓降為3.5～4V，電流為3.5~4A，則電流回路上其他器件的壓降總和為1~1.5V，電阻為0.25～0.4Ω。所以場(chǎng)效應(yīng)對(duì)管的電阻和應(yīng)該在0.15～0.3Ω 之間。所選擇的D15P05（P 管）和FRU3103（N 管，可以與R3303 互換）的參數(shù)如下：

　　圖3 H 型橋電路

　　R44 和R45 的作用是分壓，因?yàn)?923 芯片CS＋、CS-的電壓降為0.15V，也就是允許TEC 的電流為1.5A，超出將被限流。經(jīng)過(guò)分壓，則允許的電流可提高到3.75A。

 圖4 溫控基本電路

　　圖4 中畫(huà)了圓弧的區(qū)域是溫差信號(hào)輸入的反饋網(wǎng)絡(luò)。SDSYNOB 引腳必須接高電平，否則芯片將不工作。圖4 左上方的電路用來(lái)探測(cè)熱敏電阻RT1 阻值隨溫度的變化，并轉(zhuǎn)化為INA155UA 的電壓輸入值，用于反映溫度的變化?？紤]到ADC 的誤差，傳感要做到0.1％，電壓的波動(dòng)必須做到0.01％。一般的穩(wěn)壓器件已經(jīng)無(wú)能為力了。采用可以補(bǔ)償電壓的漂移，得到的數(shù)值只與熱敏電阻的阻值和R28 的溫度漂移有關(guān)。如果采用0.01％的熱穩(wěn)定電阻就可以消除溫度漂移的影響。

　　另一方面，通過(guò)圖5 所示得預(yù)設(shè)定電壓電路，將預(yù)設(shè)定電壓與目標(biāo)溫度一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)可變電阻VR2 來(lái)改變溫度設(shè)定值。其作為INA155UA 的基準(zhǔn)比較電壓成為INA155UA的另一電壓輸入值。INA155UA 是一個(gè)放大器，通過(guò)懸空其RG1,RG2 腳，使其工作在10 倍的增益。當(dāng)被測(cè)溫度與設(shè)定溫度不一致時(shí)，INA155UA 的2 個(gè)輸入引腳電壓值，其輸出信號(hào)將輸入到LTC1923 的誤差信號(hào)放大器輸入腳。

　　圖5 預(yù)設(shè)定電壓電路

　　2.3 發(fā)射模塊

圖6 激光器驅(qū)動(dòng)電路

　　發(fā)射模塊包括DFB 激光器和激光器驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)激光器采用maxim 公司的MAX3869芯片，驅(qū)動(dòng)電路按照MAX 公司的推薦電路設(shè)計(jì)。如圖6 所示，調(diào)試時(shí)，主要調(diào)節(jié)如下幾個(gè)電阻：

　　VR1 用來(lái)設(shè)定輸出平均功率；R13 用來(lái)設(shè)定調(diào)制電流；R14 用來(lái)設(shè)定偏置電流；R10 和激光器的電阻之和為25Ω 的時(shí)候，電路的性能；R11 和C5 用來(lái)吸收反射回來(lái)的電流，可以改變這兩個(gè)元件的值使激光器輸出性能；輸入信號(hào)采用直流耦合的方式， R1、R2、R8、R9 構(gòu)成耦合匹配網(wǎng)絡(luò)。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，使接收到的1310nm 波長(zhǎng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為波長(zhǎng)控制高的1550nm 波長(zhǎng)的光信號(hào)。整個(gè)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器模塊功耗低、集成度高，緩解了系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，與利用光收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換相比又降低了成本，能夠廣泛應(yīng)用于DWDM 系統(tǒng)中。