一种基于DFB激光器的波长转换器的设计方法

　　摘要：设计并实现了一个基于DFB 激光器的波长转换器。该波长转换器分为接收、温控和发射3 个模块。接收模块将光信号转化为发射模块所需的电压信号，使发射模块驱动激光器产生光信号。温控模块用以稳定半导体激光器的发射功率和波长。终使入射的1310nm 波长的光信号转化为波长控制高的1550nm 波长的光信号。

　　引言

　　21 世纪是一个信息化的社会，大量的信息传送需要大容量的系统波分复用(WDM)技术。WDM（Wavelength Division Multiplexing，波分复用）是利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。WDM的一个关键优点是它的协议和传输速度是不相关的。基于DWDM的网络可以采用IP协议、ATM、SONET /SDH、以太网协议来传输数据，处理的数据流量在100 Mb/s 和2.5 Gb/s之间，这样，基于WDM的网络可以在一个激光信道上以不同的速度传输不同类型的数据流量。从QoS （质量服务）的观点看，基于WDM的网络以低成本的方式来快速响应客户的带宽需求和协议改变。科技在日益更新，现在在国家干线，省级干线以及市级干线用1600G，800G以及400G的也比比皆是。拿1600G为例：理论上，在光缆完全具备的情况下，一根光纤能走160条10G业务。大大提高了光纤利用率。当然对光缆的要求也很高，理论值和实际值是有偏差的，实际应用中为了避免故障率很少在同一根光纤上用百个信道的业务。

　　本文所要阐述的是基于DFB 激光器波长转换器，能够将实现从1310nm 的光信号到1550nm的光信号的转化。通过调节温度改变并稳定激光器波长，使普通DFB 激光器达到DWDM 激光器的要求。

　　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。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。波长的度和高度的稳定性是DWDM 技术对光子源器件重要、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，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。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％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 用来设定调制电流；R14 用来设定偏置电流；R10 和激光器的电阻之和为25Ω 的时候，电路的性能；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；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

　　通过波长转换器的设计，使接收到的1310nm 波长的光信号转化为波长控制高的1550nm 波长的光信号。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。