（光学专业论文）3ns+soa高速电控光开关的研制.pdf

摭塞窑适太堂亟堂僮j 幺窑虫塞翅蓉 中文摘要 摘要：随着光纤通信技术的发展，带宽瓶颈越来越成为城域网的主要问题克服 电子瓶颈的方法是直接进行光信号处理，即建设全光网。光开关和光开关矩阵在 全光网中也起着非常重要的作用，主要应用于全光层的路由选择、波长选择、光 交叉连接及自愈保护等功能。随着通信速率的飞速增长，对光开关的开关速度等 指标提出了更高的要求。由于s o a 具有功耗低、体积小和易集成等优点，基于s o a 的各类干涉型器件在全光信号处理领域显示出了很大的应用潜力。 本文设计并研制出了s o a 的直流驱动电路，用于实现本实验室中双环全光缓 存器中信号光与控制光的交叉相位调制。 本文设计并研制出了基于s o a 的高速电控光开关，开关速度在3 n s 以内。提 出并解决了系统研制中的主要技术，并根据s o a 半导体二极管的等效模型，首次 建立了电感耦合驱动电路模型，提出了对于电感耦合相加电路提高速率的技术途 径该理论结果得到了实验验证。本题提出的该模型及结论对基于半导体器件的 高速光电转换电路设计有重要的指导意义 关键词：光开关；半导体光放大器s o a 可编程逻辑器件；驱动电路；开关速度。 a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d 锄f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , b o t t l e - n e c ko f b a n d w d t ha n di n s t a b i l i t yo f t r a f f i ch a v et l i n l c di n t ot h em a i np r o b l e mo f n e t w o r k s t h ew a yt oo v e r c o m et h ep r o b l e mo ft h ee l e c t r i cb o t t l e - n e c ki sp r o c e s s i n g t h eo p t i c a ls i g n a ld i r e c t l y , t h a ti st os a y , t ob u i l da l l - o p t i c a ln e t w o r k o p t i c a ls w i t c ha n d o p t i c a ls w i t c hm a u i xp l a y 锄i m p o r t a n tr o l ei nt h ea l l - o p t i c a ln e t w o r k t h e 3 , m a i n l y a p p l y t ot h es e l e c t i o no f r o u t i n ga n dt h ew a v e l e n g t h ，a n dt ot h ef u n c t i o no f o x ci t sw e l l 舔s e l f - r e p a r a t i o na n dp r o t e c t i o n w i t ht h er a p i di n c r e a s eo f c o m m u n i c a t i o n 伐峨i th a sa h i g h e r d e m a n d o n t h es w i t c h i n gs p e e d o f o p t i c a ls w i t c h s o a h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w r e q u i s i t ep o w e r , s m a l lv o l u m ea n de a s yi n t e g r a t i o n a sar e s u l t , m a n yk i n d so f i n t e r f e r o m e t e r sb a s e do ns o as h o wah i g h a p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h ef i e l do f a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ep a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h ed 酶c tc u r r e n t c ) d r i v ec i r c u i to fs o at o r e a l i z et h ec r o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) f o rd u a l l o o po p t i c a lb u f f e r ( d l o b ) i nt h e l a b t h ep a p e r d e s i g n sa n dd e v e l o p st h eh i g h s p e e do p t i c a ls w i t c hb a s e do ns o a ，w i t h t h es p e e dl e s st h a n3 n s a l s o , t h ep a p e rp r e s e n t sa n ds o l v e sm a i nk e yt e c h n o l o g yo f s y s t e mm a n u f a c t u r i n g f o rt h ef a s tt i m e ，a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tm o d e lo fs o a s e m i c o n d u c t o rd i o d e , t h em o d e lo f i n d u c t a n c ec o u p l i n gd r i v ec i r c u i ti sp r o p o s e d ，w h i c h c a nh e l pt oe l l h a n c et h es p e e do fi n d u c t a n c ec o u p l i n gd r i v ec i r c u i tg r e a t l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw o v et h ec o r r c c 协e s so ft h i st h e o r y t h em o d e la n dc o n c l u s i o n s g i v e nb yt h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tg u i d a n c em e a n i n gt ot h ed e s i g no fh i g h - s p e e do e c o n v e r s i o ne l e c t r i cc i r c u i tb a s e do ns e m i c o n d u c t o r a p p l i a n c e s k e y w o r d s o p t i c a ls w i t c h ；s o a ；p l d ；d r i v ec i r c u i t ；s w i t c h i n gs p e e d 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：年月日签字日期：2 一，f 年，。月2 名 致谢 在本论文即将完成之际，我也要马上告别硕士研究生这段令人终生难忘的岁 月，本论文的工作是在我的导师吴重庆教授的悉心指导下完成的，从论文的开题 到论文的最终定稿，每一个步骤无不凝聚着吴老师的心血和智慧，吴老师学识渊 博、治学严谨，吴老师胸怀坦荡、淡泊名利，吴老师对我的谆谆教导和言传身教 使我不仅在专业知识上得到了长足的进展，学到了许多科学的研究方法，更重要 的是学习到了宝贵的做人道理，这些都将使我终生受益在此衷心感谢三年来吴 老师对我的关心和指导。 盛新志教授、王智教授对于我的科研工作提供了宝贵的意见，在此表示衷心 的谢意。 李亚捷博士悉心指导我完成了实验室的科研工作，在光开关的研制始终，李 亚捷师姐实时关心着过程中的每一个细节；同时在学习、工作和生活上给予了我 很大的支持和帮助；在撰写论文期间，也提供了很多实质性的修改意见，在此向 李亚捷师姐表示衷心的感谢。 王拥军博士在电路设计和调试方面都提供了很多建设性的建议和意见，这些 宝贵的建议和意见对我能够按时完成科研任务起到了重要的作用，在此向王拥军 博士表示衷心的谢意。 在实验室工作期间，我衷心感谢付松年博士、程木博士、李政勇博士、魏斌 博士、田昌勇博士，他们严谨的治学态度、孜孜不倦的求是精神潜移默化的影响 了我，鞭策着我在未来的人生之路上要不断进取；陈春桢、倪东、孙士杰、盛积 业、高华丽师兄师姐对我论文中的方案设计和电路设计的研究工作给予了热情帮 助，在此向他们表达我的感激之情。感谢刘琦、李赞、姜楠、刘晓冬、王丹、黄 涛、刘衍飞，与他们两年半朝夕相处的日子是我一生的精神财富；感谢王亚平、 赵爽、高凯强、彭鹏、杨双收、赵阳、张建亮、郭伟青、李欣蓓师弟师妹们，在 与他们相处的一年里，我感受到了兄弟姐妹般的关怀，让我沐浴在家庭般温馨般 的环境中学习生活，感谢张立军、余贶碌、赵瑞、孙广娜、王雪、冯震等师弟师 妹在我撰写论文期间给予的热心帮助。 感谢我的挚友们和他们提供的兄弟般的友谊，这将是我终生的宝贵财富。 最后，感谢我的父母和弟弟，感谢父母对我的养育之恩、无私的爱、经济和 精神上的巨大付出。虽然在千里之外，却一直默默地全心全力支持我、鼓励我和 关心我，没有父母和弟弟的理解和支持，我不可能在学校专心完成我的学业父 母和弟弟对我的爱，我会永远铭记在心。 1 1 光开关 第一章引言 光开关与光开关阵列是光纤通信系统中重要的光器件，随着光纤通信技术的 发展，特别是数据通信和密集波分复用( d w d m ) 系统的应用，复杂的网络拓扑 对可靠、灵活的网络控制了强烈的需求，网络结构的动态优化、路由选择、保护 和自愈等网络功能已成为关键，这一切都离不开光开关【l 】 目前，在光纤通信网中各种不同交换原理和实现技术的光开关被广泛地提出 来不同原理和技术的光开关具有不同的特性，适用于不同的场合依据不同的 光开关原理，光开关可分为：电控光开关和光控光开关两类。机械光开关、热光 开关、电光开关、声光开关等都属于电控光开关 目前常用的光开关有以下几种：m e m s 光开关、喷墨气泡光开关、热光效应 光开关、液晶光开关、全息光开关、声光开关、液体光栅光开关、s o a 光开关等。 随着新技术的发展，将有更多类型的光开关出现。 1 1 1 光开关的主要性能参数 开关速度：切换速度是衡量光开关性能的重要指标当从一个端口到另一个 端口的开关时间达到几个m s 时，对因故障而重新选择路由的时间已经够了。如对 s d f f s o n e t 来说，因故障而重新选路时，5 0 m s 的开关时间几乎可以使上层感觉 不到。当开关时闻到达n s 量级时，可以支持光网络的分组交换，这对于实现光通 信网是十分重要的。 损耗：当光信号通过光开关时，将伴随着能量损耗。依据功率预算设计网络 时，光开关及其级联对网络性能的影响很大损耗和干扰将影响到功率预算。光 开关损耗产生的原因主要有两个：光纤和光开关端口耦合时的损耗和光开关自身 材料对光信号产生的损耗。一般来说，自由空间交换的光开关的损耗低于波导开 关的光开关。如液晶光开关和m e m s 光开关的损耗较低，大约1 2 d b 。而铌酸锂 和固体光开关的损耗较大，大约4 d b 左右。损耗特性影响到了光开关的级联，艰 制了光开关的扩容能力。 可靠性：光开关要求具有良好的稳定性和可靠性。在某些极端情况下，光开 关可能需要完成几千几万次的频繁动作。有些情况( 如保护倒换) ，光开关倒换的 次数可能很少，此时，保持光开关的状态是更主要的因素如喷墨气泡光开关。 如何保持其气泡的状态是需要考虑的问题 很多因素也会影响光开关的性能，如光开关之间的串扰、隔离度、消光比等 都是影响网络性能的重要因素。 1 1 2 光开关的应用范围 光开关是全光交换的关键器件，可以实现全光层的路由选择、波长选择、交 叉连接以及自愈保护功能。目前光开关主要应用在以下几个方面【2 】： 光交叉连接( o x c ) ；在w d m 全光传送网中，o x c 是设备的交换核心，它的 功用是将一个波分复用( w d m ) 系统输出的波长插入到另一个w d m 系统中o x c 主要应用于骨干网，对不同子网的业务进行汇聚和交换。 实现网络的自动保护：光开关通常用于网络的故障恢复，这种保护通常只需 要最简单的i x 2 光开关 网络监视功能：使用简单的i x n 光开关可以将多纤联系起来。当需要监视网 络时，只需在远端监测点将多纤经光开关连接到网络监视仪器上( 如o t o r ) ，通 过光开关的动作实现网络在线监测 光纤通信器件测试；通过i x n 光开关，可以通过监测光开关的每个通道信号来 测试器件，使用光开关同时测试多个器件，从而简化测试，提高效率 光分插复用( o a d m ) ：o a d m 是光网络的关键设备之，通常用于环行的城域 网和骨干网，实现单个波长和多个波长从光路上自由上下实现o a d m 光信号上 下路的具体方式很多，但大多数情况下都应用了光开关，主要是2 2 光开关 1 2 典型光开关介绍 上一节中我们对光开关的分类，主要性能参数和应用范围作了简单的介绍。 就目前而言，光纤通信系统中应用比较成熟的是机械式光开关下面就几种典型 的光开关作简单的介绍1 3 】。 一、机械式光开关 目前应用得最为广泛的是传统的l x 2 和2 x 2 机械式光开关。其主要优点是损 耗小，易于实现锁定，缺点是开关时间为m s 量级，体积大，单个器件难以做成4 x 4 以上的开关阵列，只能通过级联实现。近年来主要的研究方向集中于微电子机械 光开关( m e m s ) ，主要是利用移动光纤或者利用微镜反射原理进行光交换的光开 关，它将光、电和机械集成在一片芯片，能透明的传送不同速率、不同业务的协 2 议 二、波导型光开关 波导型光开关是近年来发展起来的一种光开关，它采用波导结构，主要利用 电光、熟光、声光和磁光效应来进行控制，近几年研究较多的主要是基于电光和 热光效应最一般的介质波导是平面波导结构，它由衬底、薄膜层和覆盖层组成， 由于其体积小，可用于大规模的o x c 器件中 三、液晶光开关 液晶光开关是根据其偏振特性来完成交换的，其工作状态是基于对偏振的控 制，每一个开关元件包括两个基本组件：液晶片和光柬方向器。液晶在电压作用 下改变光的偏振方向，光束方向器则能把光束反射到由l c 片决定的光路径( 有两 个可选择路径) 。由于液晶的电光系数很高，使液晶材料成为很有效的光电材料 电控液晶光开关的交换速度可以达到亚微妙级，可以通过加热液晶来提高速度， 但不可避免地会使设备功耗增加。 四、全息光开关 全息光开关是通过全息反射。在晶体内部形成布拉格光栅。当加电时，布拉 格光栅把光反射到输出端口；反之，光就直接通过晶体。利用这种技术可以很容 易的组成上千端口的光交换系统，同时它的开关速度很快，只需要几个璐就可以 实现波长间的转换，由于全息光开关没有可移动器件，因此它的可靠性很高。表 1 - 1 列出了常见光开关的性能参数 表1 1 常用光开关参数 光开关类型损耗开关比串扰透过率开关速度功耗其他 ( 1 5 u r n ) m e m s 小很小 - 8 0 d b 极好 一1 0 u s 小 机械式光纤小* l t d , - 6 0 d b 极好 5 m s 小 开关 机械空间光 小 l t d , - 6 0 d b 一般 - - , 5 0 m s 小 p d l 开光 l 甜b 0 3 光开大一般一般好 m s 小 p m d 关 i i i v 族化合大小 - 4 0 d b 一般 叫i s 小可集成 物光开关 s i 基光开关较大小 - 2 0 d b 一般 山s 大可集成 3 ( s o i ) s i 0 2 基光开关较大 小 - 4 0 d b 一般 几u s 大 可集成 s o a 门光开可忽小 - 4 0 d b 一般 n s 小有增益 关略 聚合物光开 大小 - 1 8 d b 一般 n s 大 关( y 分支) 1 3 光控光开关 电控光开关构成的开关系统都是电开关矩阵，这意味着输入的控制光信号要 先变换成相应的电信号，才能对开关进行控制，不便于全光网使用。最具发展潜 力的还是光控光开关，使用光控光开关是全光网的发展方向，尽管在目前大多数 光控光开关还处于实验室开发阶段，相信不久将会生产出满足核心光网络所需交 换密度的全光开关。现在光控光开关已经提出了多种方案，其中比较成熟的有非 线性光学环路镜n o l m 、t o a d 等。本节主要分析了光控光开关的结构和原理【4 】 一，基于半导体光放大器s o a 光开关 基于半导体光放大器s o a 的光开关有两种基本结构，一种是利用它的增益饱 和特性，称为s o a - x g m 型；另一种利用它的交叉相位调制特性，称为s o a - x p m 型，在s o a - x g m 型中，当输入信号光( 强光) 变化时，s o a 对连续光增益随之变化， 从而改变输出光的光平。这种逻辑门结构简单，可达4 0 g b s 的速率，但缺点是消光 比较差，有自发辐射噪声，信噪比较低，难于级联。在s o a - x p m 型中，当输入信 号光变化时，改变s o a 的折射率，从而改变两个臂的相位差，经干涉后改变输出 光的光平。这种结构相对于前一种来说，消光比有所改善，可达1 5 d b ，但s o a 本身 的噪声特性仍然比较大，噪声指数可达8 - - 1 0 d b ，因与光纤耦合较难，净增益相对 比e d f a 小，不利于多级级联。在实际构成o x c 时，其输入端和输出端仍需另加两 个e d f a ，因此将导致总体积增大。而且在s o a 中，x p m 与x g m 是同时存在的， 控制光在引起相位变化的同时，幅度也随之变化，这将导致干涉效果不稳定 二，非线性光纤环路镜( n o l m ) 图1 1 为n o l m 光开关的结构示意图，它是根据光纤的s a g n a c - t 涉原理制成， 其中包括功率耦合比为5 0 ：5 0 的2 x 2 耦合器，连接耦合器两臂的光纤环路，将控制脉 冲引入导出环路的波分复用( w d m ) 耦合器和偏振控制器( p c ) 。光纤环路作为克尔 介质，非线性作用( 交叉相位调制) 就在其中完成。如不加控制光，从图中的n o l m 4 端口l 输入信号光在端口3 、4 分成具有等强度的相反方向传输的两束光，并沿光纤 环路绕行一周反射回l 端口。2 端口( n o l m 的输出端) 完全没有输出，就像全反射 镜一样。如果通过波分复用( w d m ) 藕合器顺时针方向引入控制光脉冲到光纤环路 中，由于交叉相位调制。与控制光同方向传输并在时域上相互重叠的那部分脉冲 信号光将经历更大的非线性相移。这样导致两个方向上脉冲信号光产生相位差， 从而使n o l m 输出端有输出，实现了开关操作。根据控制光与信号光波长与偏振 方向的关系，一般将n o l m 分为两类：一是波长不同，偏振方向相同：二是波长 相同，偏振方向正交。前者结构简单，开关速度快，开关能量低( s o u t c wv o l t a g e ” 图2 - 7l r f 4 6 0 漏极特性曲线 一u拿s甚善il。6j n 使用漏电小、损耗小、吸附效应小的高质量产品；电路中在i c l 7 6 5 0 的o u t p u t 端接入滤波网络，用来滤去i c l 7 6 5 0 模拟开关换向所带来的斩波尖蜂噪声，减小输 出电压中的过冲叫 2 3 2 温控电路 半导体光放大器对温度的变化是很敏感的，温度的变化和器件的老化给半导 体光放大器带来很大的影响，包括输出光功率、输出光波长、使用寿命等。温控 电路的作用就是使半导体光放大器工作在恒定的温度。 半导体光放大器利用热电制冷器( 骶犯) 作为冷热源。它的最大工作电流为 1 5 a ，一个t e c 是一个半导体p - n 结器件，利用帕尔贴( p e l t i e r ) 效应来制冷或加 热。在t e c 两端加上一个直流电压就会产生一个直流电流，这会使t e c 的一个面发 热，另外一个面制冷。把t e c 两端的电压反向也会导致冷熟面相反t e c 可以移去的 热量与流过t e c 的电流值有关。当电流越大，移去的热量越多，但这并非是一种线 性关系。因此，激光器的p n 结温度可以通过控制流过t e c 两端的电流方向和幅度 来控制。但是t e c 的电流一旦超过某个最大值，t e c 就不再制冷而只是会发热了， 因此一个好的系统设计应该避免这种情况的发生i l “。 实验中使用的半导体光放大器含有一个能够检测半导体光放大器结温度的热 敏电阻，其阻值在2 5 1 c 的情况下为1 0 k f l ( 而实际热敏电阻的阻值并不是严格等于 产品说明书上所给的阻值，在实际应用之前，最好用测量工具测量一下) 热敏电 阻检测出温度的变化，该信号经过放大后，去控制制冷器的制冷电流。利用激光 器内部的热敏电阻构成反馈电路电桥的一臂，这样可以检测出激光器的结温，从 而控制对应电路来实现实时监测温度变化，并相应的调整制冷电路中的电流。我 们采用达林顿管对管电路来提供制冷电流( 该器件最大可以提供1 5 a 的电流) ，而 对管的设计可以对制冷器提供两个方向的电流控制。实验系统中设计的温度提取 - s v 图2 - 8温控电路 电路采用两级减法器，可以控制温度的变化范围比较大为了能够提供合适的制冷 电流我们对提取的温度变化信号进行6 倍的放大( 实验表明设计豹制冷电路是实 用的) 如图2 - 8 所示，热敏电阻r t 接在电桥的一个臂上，在设定的温度下，电桥 的状态应刚好处在使制冷器没有电流流过，而当温度升高或者降低时，制冷器开 始工作热敏电阻具有负温度系数，电桥状态的变化自动控制制冷量的大小，从而 维持激光器的结稳不高于设定的温度 但是这种温度控制电路只能使半导体光放大器工作在一个恒定的温度，具体 s o a 的工作温度是多少我们不得而知，因而不能把它精确的控制在莱一个温度， 在电控光开关的设计方案中提出了一种新的温控方案，可以把温度精确的稳定在 0 i 。c 以内，具体请见第四章。 2 3 3 保护电路 保护电路主要包含电源慢启动保护，过流保护、反向冲击电流保护 电源慢启动保护：在电路中，整体电路的所有器件一般都是共用一组电源。 为了防止接通电源时s o a 的电流瞬态过冲，电路中在上电部分采用r c 组成 i m s - 1 0 m s 的低通滤波器，在接通电源之后，电源部分约经过l m s - 1 0 m s 之后，偏 置电流才达到稳定值，防止了接通电源瞬间冲击电流对半导体光放大器的损伤。 过流保护：s o a 的直流工作状态可以通过调整通过s o a 的工作电流来调节， 但是注入s o a 的电流不能羞过3 0 0 m a ，如果超过这个上限，s o a 就会受到损伤 或者烧坏。所以必须要采取一定的保护措施强制使电流的变化限定在一个范围内， 这样即使存在误操作也是能够避免对s o a 造成重大的损坏。 冲击电流保护：s o a 在上电或者断电的时候可能会受到冲击电流或电压的破 坏，我们在s o a 的正负极两端并联一只肖特基二极管，同时并联了一个r c 串联 电路，因为肖特基二极管的节电容小，反向恢复时问短，故不影响s o a 的工作。 当冲击电流出现时，肖特基二极管迅速导通泄放，r c 串联电路充放电，从而避免 s o a 受冲击而损坏，起到了保护的作用。 另外，半导体二极管对瞬问电压和电流非常敏感，同时人体感应的静电电压 很高，最高时达到2 万伏，在处理时如果操作不当，极有可能击穿二极管，为了 防止对器件造成永久性的损害和损伤，因此需要采取一定的防护措施。决不能在 二极管的周围使用能够提供瞬间能量的器具，比如电烙铁和探测器。在使用激光 二极管时，必须使用或穿戴静电手镯或静电释放工具 2 4 直流驱动电路测试 半导体光放大器s o a 本身是非常昂贵的器件，在将s o a 安装到我们的驱动电 路板上之前，我们必须对电路板进行严格的性能测试和实际工作环境等效模拟， 在确定电路板没有任何问题后，才能将s o a 安装到驱动电路板上 2 4 1 温控电路测试 文章的前面已经提到，为了使s o a 在工作时能够处于一个比较稳定的工作温 度范围内，我们需要对其进行温度控制 在室温2 5 时，我们实际测得s o a 内部的热敏阻值为9 6 l 【q ，制冷器的 等效阻值经我们实际测量，在2 4 跏3 2 n 2 间( 随着输入电流的不同而变化) ，因 此我们采用2 0 k q 的电位器模拟热敏阻值，采用2 5 f l 的电阻模拟制冷器t e c 。我们 通过调节电位器得到不同的热敏阻值，对应于制冷电流的输出，如表2 - 2 所示( 以 下测试是在室温2 5 时测得的数据) 。 表2 - 2温控电路测试 热敏阻值( k )致冷电流输出( m a ) 9 6 02 9 5 25 0 9 4 1l o o 9 3 01 5 0 9 1 92 0 0 9 0 9 2 5 0 8 9 73 0 0 8 7 94 0 0 8 5 45 0 0 8 3 55 7 0 由上表可以看出，温控电流的最大输出为5 7 0 m a ，热敏电阻阻值随温度变化 可以由以下关系表示：在某一温度时热敏电阻所具有的电阻值，等于其前一温度 的电阻乘以系数o 9 7 。因此由实验结果可以得知，当s o a 的内部温度由2 5 升到 2 c c 时，大约由1 5 0 m a 的致冷电流输出。 当我们将s o a 上到驱动电路板上后，随着工作电流的增大，致冷电流的最大 输出没有超过1 0 0 m a ，可以得知s o a 工作时的内部温度没有超过2 6 。致冷电路 工作正常。 由于我们采用达林顿管提供致冷电流，在实际测试中我们发现，达林顿管基 1 4 级和发射级间有i 2 v 左右的压降，这样工作起来影响了温控电路的敏感性和输出 电流的大小。因此我们需要调节桥式电路参考臂的电阻，使得放大器的输出电压 在温度变化之前有1 2 v 的输出。保证温控电路的敏感性和瞬时响应 2 4 2 冲击电流保护 由于本驱动电路只是单纯的直流驱动电流，所以不用考虑s o a 半导体二极管 的阻性和容性，因此在实际测试中我们采用1 0 q 的电阻模拟半导体二极管，图2 - 9 和图2 1 0 分别为未加保护电路和加保护电路后，上，断电时在模拟电阻的两端采集 到的波形。 图2 - 9 未加保护电路时测到的冲击电流 图2 - 1 0加保护电路时测到的冲击电流 从以上的测试波形可以看出，冲击电流保护电路有效的避免了上电时冲击电 流的产生，起到了保护的作用。 除此之外，我们还有对原有电路在真实模拟情况下进行烤机测试，每次保证 电路的工作时间在3 个小时以上持续测试一周左右，在整个烤机测试过程中， 一定要实时监测电路的工作情况，保证驱动电路的稳定工作以免以后在驱动电 路板上$ o a 后造成不必要的隐患。 2 5s o a 测试 半导体光放大器s o a 在双环全光缓存器中起着非常重要的作用作为非线性 相移元件，s o a 一方面使信号光与控制光产生交叉相位调制( m ) ，在两束沿不 同方向传输的信号光之间引入相移，这样信号光才能在缓存器中缓存；此外，当 信号光通过s o a 时，它会对其产生功率放大，起到环路功率补偿的作用，这样信 号光就能在缓存器中缓存更长的时间。因此，半导体光放大器性能的好坏也是相 当重要的。为了全面了解s o a 的工作性能和特点，以便于应用于实际当中，我们 有必要对s o a 的进行测试，测试主要包括a s e 噪声测试和放大性能测试。 2 5 1a s e 噪声测试 半导体光放大器是一种基于受激辐射的相干光放大器，同时又存在着自发辐 射，自发辐射是一种固有的非相干辐射，是一种噪声。输入相干光通过光放大器 后得到了放大，同时也引入了自发辐射噪声a s e ，因此，在研究半导体光放大器 的特性时，必须分析其噪声特性。实验系统图如图2 一l l 所示： 薯动t 赢咻 图2 1 2a s e 输出曲线图 s o a 两端口的自发辐射噪声分输入到两个光功率计中进行测量。驱动电路通 过调节输出不同的直流驱动电流测试中我们取驱动电流在o 2 0 0 m a 范围内，每 f 目隔1 0 m a 取一次值，s o a 的自发辐射噪声a s e 与驱动电流i 的关系曲线如图2 - 1 2 所示，数据如表2 - 3 所示。 表”s o a 的a s e 输出 s o a 的自发辐射噪声 驱动电流r n a左侧输出u w右侧输出u w o0 0 3 4 90 0 3 9 4 1 00 4 9 2 90 5 2 3 8 2 01 3 2 91 3 7 8 3 02 7 8 72 7 2 7 4 04 8 7 44 7 6 5 08 2 1 57 7 9 6 6 01 2 7 91 2 1 3 7 01 9 2 ll8 3 8 02 8 0 22 6 8 7 9 03 9 8 43 8 0 3 1 0 05 5 3 55 3 5 3 l l o7 4 2 37 1 5 2 1 2 09 8 4 39 6 0 9 1 3 01 2 81 2 5 1 4 0 1 6 3 31 6 1 7 1 5 02 0 6 12 0 3 2 1 6 02 5 4 32 5 2 6 1 7 0 3 1 0 63 0 9 1 8 03 7 5 33 7 5 7 1 9 04 4 7 54 4 8 4 2 5 2 直流信号光放大测试 在测量a s e 噪声的同时，我们还需要了解s o a 对输入光信号的放大作用。图 2 - 1 3 为实验系统测试框图： 1 7 图2 - 1 3实验系统测试框图 我们调节输入的光波长为1 5 5 6 5 6 0 r i m ，输入光光功率从o 5 m w - 2 m w 范围内， 每间隔0 2 5 m w 取值，表2 - 4 为分别测试在不同电流下的增益情况 袁2 4直流光信号增益 输入光功率( m w ) o 5 00 7 51 0 0 1 2 51 5 01 7 52 0 0 s o a 驱动电流( m a ) 5 00 8 80 1 1 60 1 2 70 1 7 9 0 2 2 30 2 4 10 2 6 6 6 00 2 2 90 3 0 20 3 2 20 4 5 40 5 5 10 5 7 3 0 6 2 9 7 00 4 6 9 0 6 1 70 6 5 3o 8 81 0 41 0 9 l - 1 8 8 00 8 1 21 0 31 1 01 4 31 6 61 7 21 8 7 9 01 2 4l5 61 6 62 0 92 2 92 4 72 6 4 1 0 01 7 52 1 62 3 32 8 03 0 53 2 83 4 6 1 1 02 3 32 8 43 0 53 5 7 3 8 3 4 1 4 4 3 1 1 2 02 9 43 5 23 9 24 3 6 4 6 6 5 0 0 5 2 2 1 3 03 5 94 2 54 6 75 1 95 4 95 8 96 1 l 1 4 0 4 2 8 5 0 0 5 4 56 0 36 3 36 8 17 0 0 1 5 04 9 65 7 66 3 06 8 67 1 77 7 17 9 8 1 6 05 6 76 5 27 1 07 7 3 8 0 2 8 6 l8 8 6 1 7 06 3 97 3 07 8 98 5 78 8 49 5 19 7 6 1 8 07 0 9& 0 58 6 8 9 3 99 6 8 1 0 3 01 0 6 0 1 9 07 8 18 8 39 4 7l o 2 0 1 0 5 0 1 1 2 01 1 5 0 2 0 08 5 09 5 31 0 0 01 0 8 0l l - 2 01 2 1 01 2 4 0 增益饱和特性是s o a 的重要特性，当作为功率放大器时，希望有较宽的线性 放大区，即不易达到增益饱和；而作为非线性元件时，比如实现交叉增益调制、 交叉相位调制，要求工作于增益饱和区，希望具有较小的增益饱和功率。 图2 1 4 给出了实验中使用的s o a 工作电流在5 0 m a 2 0 0 m a 之间变化时的放 大特性曲线，曲线的斜率即为增益。通过曲线可以看出，s o a 对输入光信号放大 0 4o 0 , 8 01 上1 输入光功率，m w 图2 1 4 s o a 赢流光信号放大曲线 是在输入驱动电流为8 0 m a 时开始的。通过该曲线可以看出，当输入光功率为定 值，s o a 的输出光功率随工作电流的增加而增加，即s o a 工作电流越大，信号光 所获得的增益也越大。此外当s o a 工作电流为定值时，输入光功率不断增大时， 输出光功率变化较慢，即随之输入光功率的增加s o a 的输出光功率出现饱和 3 2 ，o 9 e 7 e s 4 3 2 1 毫毗，骨霄装茁舞 第三章可编程逻辑器件 3 1 可编程逻辑器件的发展历程 随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商 来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路芯片，而且希望设计周 期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的a s i c 芯片，并且能够立即使用， 因而出现了现场可编程逻辑器件，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列 ( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 目前广泛应用的可编程逻辑器件无论是在结构、工艺、集成度方面，还是在功 能、速度和灵活性方面都有了很大的改进和提高。可编程逻辑器件已经成为当今 世界上最富有吸引力的半导体器件，在现代电子系统设计中扮演着越来越重要的 角色 3 2i s p m a c h 4 0 0 0 系列c p l d 3 2 1 器件性能 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件是一种低功耗超快速的c p l d ，它以低动态功耗实现 了领先的速度性能，同时支持3 , 3 v 与2 5 v 之间的i o 标准。对于有限供电电源场合， 设计者在使用c p l d 设计和实现数字系统时，最基本的也是最关心的是如何达到低 功耗，同时达到系统的可靠性1 1 3 】【1 4 1 。 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件可提供相当低的功耗，采用低功耗的非易失性逻辑单 元等新技术使静态电流降到l m a 。1 8 v 内部电压为该系列器件降低了动态功耗， 因此i s p m a c h 4 0 0 0 系列器件比同类器件的功耗要低得多。 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的结构为使用者提供了很宽的设计范围，该系列有6 种不同的密度可供选择，从3 2 至5 1 2 个宏单元，并有多种先进的封装形式和i ，o 选择，i o 的端数为3 0 - , 2 0 8 。 l s p m a c h 4 0 0 0 系列器件增强了系统集成能力，支持3 3 v ( 4 0 0 0 v 系列) 、2 5 v ( 4 0 0 0 b 系列) 和1 8 v ( 4 0 0 0 c 系列) 供电电压，以及3 3 v 、2 5 v ，1 8 v 接口电 单元) o 似：厶。( 疵：) 4 0 33 22 54 0 03 0 ，3 2 4 4 4 8 - t q f p 2 b ，c ，、7 4 0 46 42 54 0 03 0 ，3 2 ，6 4 4 4 4 8 1 0 0 - t q f p 魄| c n 4 1 21 2 82 73 3 3 6 4 ，9 2 1 0 0 1 2 8 - t q f p 2 5 1 8 8 b ，( ：，v 3 3 4 2 5 2 5 63 o3 2 26 4 ，1 2 8 ，1 6 1 0 0 1 7 6 - t q f p , 6 _ b e 02 5 6 _ b g a 4 3 8 3 8 43 53 2 21 2 8 1 9 2l7 6 - t q f p 4 b | c n2 5 6 - b g a 4 5 1 2 b ，5 1 2 3 53 2 21 2 8 2 0 8 1 7 6 - t q f p c n2 5 6 b g a 压。它还具有增强的i o 性能，如摆率控制、p c i 兼容、总线保持锁存、上拉电阻、 下拉电阻、漏极开路输出、热插拔功能。表3 - l 为i s p m a c h4 0 0 0 b c n 系列器件 的主要性能。 3 2 2 基本结构 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的结构如图3 - l 所示它由多个通用逻辑块g l b 组 成，每个g l b 有3 6 个输入、1 6 个宏单元。g l b 的互联通过全局布线区g r p 来 一 翟 皇 2 图3 - 1 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的结构图 完成。输出布线区把g l b 连接到含有多个i o 单元的i o 块。器件中的i o 分成 两个区，每个区有不同的供电电压。支持多种标准，使设计者能在混合电压环境 中实现设计 g l b 由可编程与阵列、逻辑分配器、1 6 个宏单元和一个g l b 时钟发生器组 成。可编程与阵列有3 6 个输入、8 3 个输出乘积项。来自全局布线区的3 6 个输入 用来在与阵列中构成7 2 根线。每根线都可以通过线与连接8 3 个输出乘积项中的 任意一项。踟个逻辑乘积项的每一个都馈入逻辑分配器，余下的三个控制乘积项 馈入共享p t 时钟和共享p t o e 。在送入宏单元之前，共享p t 时钟和共享p t o e 初始信号可以选择反向每5 个乘积项组成一个乘积项群( p r o d u c t t e r mc l u s t e r ) 第一个乘积项群为p t 0 g l b 中的每个宏单元都有一个乘积项群。 3 2 3 器件特点 1 低功耗 2 0 - 3 0 z a 的待机电流 4 0 - - 6 0 r o w 的功耗 2 超快速性能 引脚到引脚之间延时为3 5 1 2 6 5 m h z 的系统性能 3 易于设计 极佳的首次适配和再适配能力 4 个人全局时钟 每个逻辑有3 6 个输入 每个输出多达幻个乘积项( p t ) o r p 用于引脚锁定 密度迁移 灵活的控制、锁定和输出使能( 0 e ) 快速、s p e e d l o c k i n g t m ( 速度锁定) 和宽p t 路径 4 系统集成 3 3 v ( i s p m a c h 4 0 0 0 v ) 和1 8 的工作电压( i s p m a c h 4 0 0 0 z ) 用于l v c o m s 3 3 v 接口的兼容5 v 的i o 车用温度范围：- 4 0 - 1 3 0 i e e e l 5 3 2 在系统可编程( j & 删) i e e e l l 4 9 1 边界扫描测试 漏极开路提供灵活的总线接口能力 可编程的上拉或者总线保持输入 热插拔性能 3 3 v p c i 兼容 可编程的输出摆率 3 3 硬件描述语言 v h d l 和v e r i l o gh d l 是目前最流行的两种硬件描述语言。其中v h d l 是1 9 8 5 年在美国国防部的支持下正式推出的它是目前世界上标准化程度最高的一种硬 件描述语言。1 9 8 7 年l e e e 将v h d l 采纳为硬件描述语言标准( i 髓es t 胁1 0 7 6 ) 。 v h d l 是一种全方位的硬件描述语言，包括从系统到电路的所有设计层次。在描述 风格上v h d l 支持结构，数据和行为三种描述形式以及三种描述形式的混和描述方 法。因此v h d l 几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个至顶向下或至底向 上的电路设计过程都可以用v h d l 来完成【l ”。 v e r i l o gh d l 是出现最早的一种硬件描述语言。它的最大特点是支持混和模式 的描述，即描述的集成电路可以包括不同的抽象层次，行为层次和结构层次，并 且能用仿真程序做仿真。v e r i l o gh d l 把一个数字系统当作一组模块来描述。每一 个模块具有模块的接口以及关于模块i 勺容的描述。这些模块用网络互相连接，相 互通信。 相比较而言，v h d l 的复杂性等级要高一些，其它语言更加接近于硬件的概 念。v h d l 语言的应用领域最为广泛，包括集成电路设计、印刷电路板设计和系 统设计等各个领域。在建模能力上，在低层次设计描述中( 门级和开关级) v h d l 对电气模型和模拟电路模型的支持还很缺乏，但是在高层设计中( 系统级) ，v h d l 比其他语言显得更加有力。v e r i l o gh d l 是专门为复杂数字系统的设计仿真而开发 的，本身就非常适合复杂数字路基电路和系统的仿真和综合。