引言

　　21 世紀是一個信息化的社會，大量的信息傳送需要大容量的系統(tǒng)波分復用(WDM)技術(shù)。WDM 技術(shù)的實現(xiàn)使得光纖到戶已不再是遙不可及的夢想。WDM 系統(tǒng)不僅僅能使系統(tǒng)的容量成倍增長，而且可以利用波長完成路由和交換等功能。按照ITU－T 標準，各信道中心波長間隔Df 為100GHz (0.8nm)，全波窗口可以同時容納425 路波長信道，總傳輸容量可達4.25Tb/s以上。雖然WDM 網(wǎng)絡(luò)的帶寬可以滿足每個用戶的需求，但是系統(tǒng)的波長數(shù)目仍然大大少于實際的節(jié)點數(shù)目和用戶數(shù)目。這就使得不同地點的發(fā)射機向同一目的地以同一波長發(fā)送信號時，在很多節(jié)點的多個波長上的交換信號會發(fā)生沖突。解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)就是利用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)。

　　本文所要闡述的波長轉(zhuǎn)換器主要基于DFB 激光器，將1310nm 的光信號轉(zhuǎn)換為1550nm的光信號。通過調(diào)節(jié)溫度改變并穩(wěn)定激光器波長，使普通DFB 激光器達到DWDM 激光器的要求。

　　1 系統(tǒng)概述

　　波長轉(zhuǎn)換即為波長的再分配和再利用以解決交叉連接中的波長競爭，有效地進行路由選擇，降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率，從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴展性，同時也有利于網(wǎng)絡(luò)的運行、管理和控制，以及通道的保護倒換。雖然全光交換網(wǎng)都已開始出現(xiàn),但在波長轉(zhuǎn)換這一技術(shù)上，人們似乎還沒有完全找到一種全光的解決方案。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)的實現(xiàn)，Tb/s 級信息比特量的傳輸將成為發(fā)展光網(wǎng)絡(luò)的起點，目前(2.5～10)Gb/s 的單信道傳輸容量是最經(jīng)濟的選擇方案。Tb/s 級超大信息容量的傳輸必須采用復用技術(shù)。波長的精確度和高度的穩(wěn)定性是DWDM 技術(shù)對光子源器件最重要、最基本的要求。

　　其對波長轉(zhuǎn)換器的基本要求是：轉(zhuǎn)換速度要快（至少對2.5Gb/s 的信息流能夠響應）；對光信息流的各種傳輸格式是透明的；有較寬的轉(zhuǎn)換范圍；對輸入信號光功率要求不太高；偏振敏感度??；啁啾噪聲低等。波長變換要求對偏振不敏感，不因傳輸中受環(huán)境影響引起的偏振態(tài)變化導致傳輸質(zhì)量的下降。

本波長轉(zhuǎn)換器信號格式是調(diào)頻模擬信號。分為接收、發(fā)射和溫控3 個模塊，可以工作在－5ºC～＋65ºC 的環(huán)境溫度中。

　　2 模塊設(shè)計

　　2.1 接收模塊

　　接收模塊主要用于接收1310nm 波長的光信號，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。

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

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

 
圖1 接收模塊的電路設(shè)計

　　如圖1 所示，光通過PTCM965 轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到VSC7961 的正反相兩個輸入端，然后經(jīng)過VSC7961 處理變?yōu)榘l(fā)射模塊所需要的電壓信號。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,當過限時，將改變其LOS,LOS-引腳的狀態(tài)。依據(jù)廠家對SONET 的推薦值，在CZ1、CZ2 之間連接一個0.1μF 的電容，使內(nèi)部的低頻濾波器工作頻率保證能對輸入偏移值的修正。

　　2.2 溫控模塊

　　為了穩(wěn)定半導體激光器的發(fā)射功率和波長，我們采用TEC 對半導體激光器進行恒溫控制。這個溫控系統(tǒng)包括熱沉、TEC、散熱器和溫控電路等部分。熱沉包括一個用來監(jiān)測溫度的負溫度系數(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 激光器的兩個最主要的技術(shù)特點都是通過控制溫度來實現(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)計必須要以熱流量為基礎(chǔ)。熱流量可以通過melcor 公司的一個專用軟件AZTEC 方便地計算出來。參數(shù)設(shè)置如圖2 所示，計算得到的熱功率為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。最后選擇melcor 公司的DT3-4。
 

 
圖2 熱流量的計算

　　引言

　　21 世紀是一個信息化的社會，大量的信息傳送需要大容量的系統(tǒng)波分復用(WDM)技術(shù)。WDM 技術(shù)的實現(xiàn)使得光纖到戶已不再是遙不可及的夢想。WDM 系統(tǒng)不僅僅能使系統(tǒng)的容量成倍增長，而且可以利用波長完成路由和交換等功能。按照ITU－T 標準，各信道中心波長間隔Df 為100GHz (0.8nm)，全波窗口可以同時容納425 路波長信道，總傳輸容量可達4.25Tb/s以上。雖然WDM 網(wǎng)絡(luò)的帶寬可以滿足每個用戶的需求，但是系統(tǒng)的波長數(shù)目仍然大大少于實際的節(jié)點數(shù)目和用戶數(shù)目。這就使得不同地點的發(fā)射機向同一目的地以同一波長發(fā)送信號時，在很多節(jié)點的多個波長上的交換信號會發(fā)生沖突。解決上述問題的關(guān)鍵技術(shù)就是利用波長轉(zhuǎn)換技術(shù)。

　　本文所要闡述的波長轉(zhuǎn)換器主要基于DFB 激光器，將1310nm 的光信號轉(zhuǎn)換為1550nm的光信號。通過調(diào)節(jié)溫度改變并穩(wěn)定激光器波長，使普通DFB 激光器達到DWDM 激光器的要求。

　　1 系統(tǒng)概述

　　波長轉(zhuǎn)換即為波長的再分配和再利用以解決交叉連接中的波長競爭，有效地進行路由選擇，降低網(wǎng)絡(luò)的阻塞率，從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴展性，同時也有利于網(wǎng)絡(luò)的運行、管理和控制，以及通道的保護倒換。雖然全光交換網(wǎng)都已開始出現(xiàn),但在波長轉(zhuǎn)換這一技術(shù)上，人們似乎還沒有完全找到一種全光的解決方案。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)的實現(xiàn)，Tb/s 級信息比特量的傳輸將成為發(fā)展光網(wǎng)絡(luò)的起點，目前(2.5～10)Gb/s 的單信道傳輸容量是最經(jīng)濟的選擇方案。Tb/s 級超大信息容量的傳輸必須采用復用技術(shù)。波長的精確度和高度的穩(wěn)定性是DWDM 技術(shù)對光子源器件最重要、最基本的要求。

　　其對波長轉(zhuǎn)換器的基本要求是：轉(zhuǎn)換速度要快（至少對2.5Gb/s 的信息流能夠響應）；對光信息流的各種傳輸格式是透明的；有較寬的轉(zhuǎn)換范圍；對輸入信號光功率要求不太高；偏振敏感度小；啁啾噪聲低等。波長變換要求對偏振不敏感，不因傳輸中受環(huán)境影響引起的偏振態(tài)變化導致傳輸質(zhì)量的下降。

本波長轉(zhuǎn)換器信號格式是調(diào)頻模擬信號。分為接收、發(fā)射和溫控3 個模塊，可以工作在－5ºC～＋65ºC 的環(huán)境溫度中。

　　2 模塊設(shè)計

　　2.1 接收模塊

　　接收模塊主要用于接收1310nm 波長的光信號，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。

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

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

 
圖1 接收模塊的電路設(shè)計

　　如圖1 所示，光通過PTCM965 轉(zhuǎn)換為電壓信號輸入到VSC7961 的正反相兩個輸入端，然后經(jīng)過VSC7961 處理變?yōu)榘l(fā)射模塊所需要的電壓信號。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,當過限時，將改變其LOS,LOS-引腳的狀態(tài)。依據(jù)廠家對SONET 的推薦值，在CZ1、CZ2 之間連接一個0.1μF 的電容，使內(nèi)部的低頻濾波器工作頻率保證能對輸入偏移值的修正。

　　2.2 溫控模塊

　　為了穩(wěn)定半導體激光器的發(fā)射功率和波長，我們采用TEC 對半導體激光器進行恒溫控制。這個溫控系統(tǒng)包括熱沉、TEC、散熱器和溫控電路等部分。熱沉包括一個用來監(jiān)測溫度的負溫度系數(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 激光器的兩個最主要的技術(shù)特點都是通過控制溫度來實現(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)計必須要以熱流量為基礎(chǔ)。熱流量可以通過melcor 公司的一個專用軟件AZTEC 方便地計算出來。參數(shù)設(shè)置如圖2 所示，計算得到的熱功率為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。最后選擇melcor 公司的DT3-4。
 

 
圖2 熱流量的計算

　　2.2.2 溫控驅(qū)動電路

　　溫控采用了linear 公司的LTC1923EGN 芯片。該芯片是一個脈寬調(diào)制器，特地為TEC器件單雙向的驅(qū)動電路研制，其典型的溫度設(shè)定精度可以達到0.1°C。LTC1923 采用開關(guān)方式通過控制圖3 所示的H 型橋電路來控制TEC 的制冷與制熱。當PA 和NA 開通的時候，PB和NB 關(guān)閉，電流正向流過TEC；反之，反向流過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。所以場效應對管的電阻和應該在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，因為1923 芯片CS＋、CS-的電壓降最大為0.15V，也就是允許TEC 的電流為1.5A，超出將被限流。經(jīng)過分壓，則允許的電流可提高到3.75A。

 圖4 溫控基本電路

　　圖4 中畫了圓弧的區(qū)域是溫差信號輸入的反饋網(wǎng)絡(luò)。SDSYNOB 引腳必須接高電平，否則芯片將不工作。圖4 左上方的電路用來探測熱敏電阻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，傳感精度要做到0.1％，電壓的波動必須做到0.01％。一般的穩(wěn)壓器件已經(jīng)無能為力了。采用可以補償電壓的漂移，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％精度的熱穩(wěn)定電阻就可以消除溫度漂移的影響。

　　另一方面，通過圖5 所示得預設(shè)定電壓電路，將預設(shè)定電壓與目標溫度一一對應，通過調(diào)節(jié)可變電阻VR2 來改變溫度設(shè)定值。其作為INA155UA 的基準比較電壓成為INA155UA的另一電壓輸入值。INA155UA 是一個放大器，通過懸空其RG1,RG2 腳，使其工作在10 倍的增益。當被測溫度與設(shè)定溫度不一致時，INA155UA 的2 個輸入引腳電壓值，其輸出信號將輸入到LTC1923 的誤差信號放大器輸入腳。
 

圖5 預設(shè)定電壓電路

　　2.3 發(fā)射模塊
 

 
圖6 激光器驅(qū)動電路

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

　　VR1 用來設(shè)定輸出平均功率；R13 用來設(shè)定最大調(diào)制電流；R14 用來設(shè)定最大偏置電流；R10 和激光器的電阻之和為25Ω 的時候，電路的性能最佳；R11 和C5 用來吸收反射回來的電流，可以改變這兩個元件的值使激光器輸出性能最佳；輸入信號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

　　通過波長轉(zhuǎn)換器的設(shè)計，使接收到的1310nm 波長的光信號轉(zhuǎn)化為波長控制精度高的1550nm 波長的光信號。整個波長轉(zhuǎn)換器模塊功耗低、集成度高，緩解了系統(tǒng)的散熱問題，與利用光收發(fā)模塊來實現(xiàn)波長轉(zhuǎn)換相比又降低了成本，能夠廣泛應用于DWDM 系統(tǒng)中。

 　　參考文獻
1 Govind P.Agrawal.Fiber-optic communication system(2nd ed).New York.1997.
2 張宏.DWDM 系統(tǒng)光發(fā)射機溫度控制電路的優(yōu)化設(shè)計.電子設(shè)計應用，2003.3 月
3 MAXIM,MAX3869 Evaluation Kit,2002
4 VITESSE, VSC7961 Data Sheet,2003(end)