快速多路光纤数据交叉连接组件*
2014-07-25
(中国电子科技集团公司第八研究所 合肥 230051)
快速多路光纤数据交叉连接组件*
高进王东元王锐
(中国电子科技集团公司第八研究所 合肥 230051)
论文介绍了利用半导体光放大器(SOA)及外围光路和电路构建的一种快速多路光纤数据交叉连接组件,能够实现光信号级别的数据交叉连接传输。论文对组件的系统结构、工作原理作了阐述,并对保证组件正常工作所必需的几个外围电路进行了介绍。
SOA;光开关;交叉连接;光传输;光交换
ClassNumberTN915.41
1 引言
快速多路光纤数据交叉连接组件用于在局部通信设备之间传输数据。对于某些大型设备,常常具有多个功能部件,这些功能部件在完成各自功能的前提下还需要相互交换数据,协同工作,以达到信息共享,统一调配,实现更强大的功能作用[1~2]。特别对于高频或高速信号处理设备,交换信息容量大,数据信号带宽大、速率高,在需要有动态地址分配能力时,这种数据交叉连接面临巨大的困难。根据这一问题提出的快速多路光纤数据交叉连接组件可有效解决这一难题。它采用基于高速光开关的光交叉连接技术手段,实现设备间可寻址的数据访问,突破了数据传输、交换的瓶颈,使各种通信数据在各通信设备间和通信设备与总控室间可自由地传输与交换。这种交换可实现多路数据的交叉连接,并且传输通道的切换响应是快速的。
2 组件设计原理
2.1 原理结构框图
组件原理结构框图如图1所示。
图1 组件原理结构框图
图1所示为基本型的2×2光交叉连接组件,组件主要由光分路器、光合路器、光开关、驱动控制等部分组成[3]。
光分路器1用以将光输入端1输入的光信号分成两路输出,分别送入光开关1和光开关3;光分路器2用以将光输入端2输入的光信号分成两路输出,分别送入光开关2和光开关4;在光开关后端,设置两个光合路器,将光输出信号进行整合。其中,光合路器1将光开关1和光开关2的输出进行合路,光合路器2将光开关3和光开关4的输出进行合路,分别送至光输出1端和光输出2端。另外设有光开关驱动控制电路,根据光信号分配需要进行驱动切换,达到光信号交叉连接目的。
由于每一路光输入都被分配到与每一路光输出有连接关系的光开关,因而通过适当的控制就可实现光信号通道上的交叉连接交换。
当光输入端1的光信号需要送到光输出端1,光输入端2的光信号需要送到光输出端2时,控制系统控制驱动控制部分1工作,使光开关1和光开关4导通,而光开关2和光开关3关断,光输入端1的光信号经光开关1送到光输出端1,光输入端2的光信号经光开关4送到光输出端2。
当光输入端2的光信号需要送到光输出端1,光输入端1的光信号需要送到光输出端2时,控制系统控制驱动控制部分2工作,使光开关2和光开关3导通,而光开关1和光开关4关断,光输入端1的光信号经光开关3送到光输出端2,光输入端2的光信号经光开关2送到光输出端1。
2.2 光开关的选用
由组件工作原理可知,组件中的核心部件是光开关。一方面光信号要通过光开关传输,光开关作为光传输器件;另一方面光开关还要能够在一定的驱动条件下,实现快速的开关动作,在光发射设备与光接收设备之间选择路由,以达到光传输通道的切换,实现传输数据的交叉连接。因此,所选用光开关器件的性能,直接影响组件的工作性能。
光开关是光纤通信中光交换系统的基本元件,广泛应用于光通讯系统。光开关的特性参数主要有插入损耗、回波损耗、隔离度、串扰、工作波长、消光比、开关时间等。对于这里的快速多路光纤数据交叉连接组件而言,所选用的光开关主要考虑的性能参数有插入损耗、隔离度、工作波长和开关时间等[4]。
插入损耗表征了光开关对传输光信号的衰减,为了不降低传输距离和接收端灵敏度,光开关的插入损耗不能太大。隔离度表征了某一光传输通道未被选中时,光信号在其上的泄漏程度。为了减小串扰,降低无用光信号在输出端光合路器上的影响,希望光开关的隔离度越高越好。工作波长是光开关的工作条件,限定了能够在光开关上传输的光信号的波长范围。对于现代光通信设备,普遍使用1310nm和1550nm两个波长,因此,光开关也必须能够工作于这两个波长[5~6]。光开关中另一个重要的参数就是开关时间,表征了光开关导通或关断光信号的速度。开关时间也是考核组件性能的一个重要的指标,它决定了组件完成光传输通道切换所需要的延时对于快速交叉连接组件来说,具有快速切换的特点,也就需要在完成光传输通道切换时只有极小的延时,亦即要求光开关开关时间极快。
综合以上对光开关提出的各种性能要求,特别是从光开关的开关速度方面考虑,选用半导体光纤放大器(SOA)作为高速光开关器件。SOA一般由增益介质、泵浦光和输入输出耦合结构组成,具有对光信号进行实时、在线、宽带、高增益、低功耗的放大功能。在工作时对SOA注入工作电流,则SOA能够对输入的光信号进行放大;如果不注入工作电流,则SOA吸收输入的光信号,使其衰减。因此,利用SOA的这种特性,通过控制SOA的工作电流,就可实现SOA的光开关作用。并且,SOA具有开关速度快、体积小的特点,特别是开关速度极快,达到纳秒量级,对于需要高速切换光纤通道的组件来说,这一点尤为重要。另外,SOA具有增益能力,随着注入工作电流由小到大的变化,SOA逐渐由对输入光信号的衰减转为对输入光信号的放大,注入电流越大,增益也越大,直至SOA的光输出达到饱和。一般情况下,SOA的饱和输出光功率达数毫瓦,满足通讯设备需要。在未加工作电流时,SOA对输入的光信号衰减很大,输入光几乎被完全吸收,从而得到较高的隔离度。SOA还可以根据通信设备的工作波长,有选择的使SOA工作于某一波长,与外部光设备相一致。
经实际检测,快速多路光纤数据交叉连接组件通道切换时间为20ns,隔离度达40dB。
2.3 组件的扩展功能
使用半导体光放大器(SOA)作为基本的光开关器件,通过增加光开关器件数量和设计合理的光路结构以及适当的光路控制、分配途径,可实现任意数目的光交叉连接功能。光交叉连接设备由若干个光分路器、光合路器和基本的光开关组成。光分路器用以对输入端光信号进行分配,光合路器用以将光开关输出端光信号进行合并,光开关在驱动控制电路的作用下,处于导通或关断状态,进行光信号通路的路径切换,实现多路数据的交叉连接传输。
3 组件外围控制电路
在光交叉连接设备的总体结构确定以后,具体要做的工作就是设计组件的外围控制电路,主要包括SOA驱动、SOA温度控制和SOA增益控制。
3.1 SOA高速大电流驱动电路
为使SOA实现光开关功能,要对其施加开关电流脉冲,要使开关速度达到较高的速度,施加的开关电流脉冲的上升和下降时间要很小,并且要有较大的电流驱动能力。为此,使用高速、大电流运放AD8009做驱动芯片[7]。
AD8009为具有较强输出驱动能力的宽带型运放。在G=+2,输出电压4V时,上升和下降时间为0.725ns,满足高速要求。其最大输出电流达到175mA,满足SOA的驱动电流要求。图2为AD8009驱动波形图。由图可见,其输出波形上升、下降时间极快,为2ns左右。如果想要进一步增大驱动能力,还可以采用多个芯片并联驱动的方式。
图2 AD8009驱动波形图
3.2 温度控制电路
为保证SOA能可靠地工作,必须对其进行温度控制。厂家在生产模块时已考虑到这一点,在SOA的模块内封装了热敏电阻和TEC制冷器,从而为控制SOA的温度提供了可能。现在需要的就是一个性能优越、稳定的温度控制电路。经过对各种可能的温度控制电路方案进行选择,使用美国模拟器件公司ADN8830ACP芯片实现温度控制功能。
图3 AD8830工作原理框图
ADN8830ACP是一个单片温度控制器,专门用于驱动TEC器件以控制激光器等器件的工作温度。它使用负温度系数的热敏电阻检测器件内部温度,然后通过设定的参数对检测值进行运算,并通过输出端口输出线性和PWM信号驱动TEC器件工作以调节器件温度,使器件温度值达到设定值[8]。
ADN8830ACP通过一个负温度系数的热敏电阻检测SOA内部温度,检测到SOA器件的温度信息后,将其与设定值比较,经PID运算产生控制信号输出,控制TEC器件制冷或加热,保持SOA的温度稳定。
为了使ADN8830AC能准确的控制SOA的温度,要对ADN8830AC器件进行必要的参数配置,主要包括设定工作温度的设置、PID调节参数的设置、匹配电阻的选取等。经过仔细地选取合适的参数,并正确地连接温度控制系统的各个部件,该温度控制电路可靠地工作,保持SOA的温度在±1℃内变化,保证了SOA稳定地工作。
3.3 增益控制电路
SOA的增益不够稳定,随器件温度的变化而变化,并且增益与输入的光功率也有关系。这一特点会对使用以SOA为基础的光交叉连接组件系统产生影响。为了提高动态范围,稳定SOA的输出光功率,必须对其进行增益控制。增益控制原理图如图4所示。
图4 光开关增益控制原理图
组件内设置两个光强检测电路,分别检测光开关输入光信号和输出光信号的光强,并转换为电压信号,送入比较电路。比较电路根据输入、输出光功率的差异,计算此时SOA应有的增益值,然后通过控制驱动电路的驱动电流强度来调整SOA工作电流,使输出光功率达到稳定。
4 结语
相对于电交换技术,快速多路光纤数据交叉连接组件在光路上进行数据交换,使数据交换与数据特性无关,实现数据的透明传输和交换。由于不需要额外的光电、电光转换和电路级别的信号分配,使得交换数据带宽极大。通信用光信号波长一般在1310nm或1550nm波长,频率高达200THz左右,相对于工作在光频上的SOA而言,在光信号上的电调制信号的带宽几乎不受限制,这使得快速多路光纤数据交叉连接组件可以顺利地实现微波信号和高速数字信号的光交叉连接数据交换[9~10]。目前已实现的可通过光纤数据交叉连接组件传输的微波信号频率高达20GHz,数字链路速率达2.5Gbit/s。对于长距离的传输或者传输损耗相当大的光信号通路,SOA本身具有增益特性,可以使其工作在增益状态,进行光信号的补偿,进一步增强了组件的应用范围和性能。
[1]王加强.光纤通信工程[M].北京:北京邮电大学出版社,2003:1-320.
[2]黄章勇.光纤通信用光电子器件和组件[M].北京:北京邮电大学出版社,2001:1-331.
[3]钱渊,蔡勇,马志强.现代交换技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2009:1-301.
[4]邱琪.光纤通信技术[M].北京:科学出版社有限责任公司,2011:1-280.
[5]李维民,赵巧霞,康巧燕.全光通信网技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2009:1-164.
[6]潘英俊,邹建,林晓刚.光电子技术[M].重庆:重庆大学出版社,2010:1-201.
[7]Howard Johnson, Martin Graham. High-Speed Digital Design[M].北京:电子工业出版社,2011:1-355.
[8]陈振源.半导体光电器件封装工艺[M].北京:电子工业出版社,1-104.
[9]Gerd Keiser. Optical Fiber Communications[M].北京:电子工业出版社,2012,5:235-270.
[10]王志功.光纤通信集成电路设计[M].北京:高等教育出版社,2003:295-312.
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
高进,男,高级工程师,研究方向:光纤通信和光传输技术。
TN915.41DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.05.044