（光学工程专业论文）基于双soa的新型全光缓存器的研究.pdf

中文摘要 摘要：全光缓存器能够在光域内对数据包进行缓存，解决数据包在节点的冲突问 题，将会成为全光网的重要组成部分。本文提出了一种新型可擦写的全光缓存器， 该缓存器在原有双环结构缓存器( d u a l _ l o o po p t i c a lb u f f e r , d l o b ) 结构的基础上， 引入了双s o a ( 半导体光放大器，s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ) 结构。此种结 构的优点是： l 、可以利用不同的控制光来完成信号的“写入读出”控制。由于信号光在缓 存器中环行时会发生功率的变化，将会导致其对“读出 控制光的功率的 要求发生变化，而此种结构的缓存器可以单独地调节“写入读出 控制 光的功率，很好地解决了这个问题。 2 、双s o a 结构的引入，使得信号从耦合器的不同端口“写入读出缓存器。 解决了采用同一端口“写入读出”信号光时存在的串扰问题；同时，有效 地克服了由于数据包的”写入”动作而造成的信号光的“泄露 问题。 3 、在注入信号峰值功率相同的条件下，双s o a 结构的采用还可以对信号光 实现功率补偿，比利用单个s o a 进行“写入读出”控制延长了缓存时间。 本文的主要工作有： 1 、在电路设计方面，提出了一种针对半导体器件的温度控制电路的设计方案。 进行了详细的原理分析，并调试了实验电路。通过拟和方式得到了温控控 制电路中采样电路中匹配电阻的确定。在温度误差仅为o 0 3 0 c 的同时， 极大地简化了运算复杂度。 2 、提出了一种新型的可擦写结构的全光缓存器，针对其结构特性分析了控制 光功率的确定；可缓存包长的限制；最后，理论上分析了此结构缓存器的 缓存原理，“漏光 消除原理。 3 、搭建了全光缓存系统结构，成功进行了2 5 g b s 速率信号的多圈缓存实验， 同时证明了理论的正确性。 关键词：光通信；全光缓存器；3 3 平行排列耦合器；半导体光放大器；交叉相 位调制；交叉增益调制 分类号：t n 9 2 9 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a 1 1 o p t i c a lb u f f e rb e c o m e st h ek e yc o m p o n e n ti na l l o p t i c a ln e t w o r k w h i c hc o u l db u f f e rp a c k e t si no p t i c a ld o m a i na n ds o l v e st h ep a c k e t c o l l i s i o ni no p t i c a l s w i t c h i n gn o d e t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e le r a s a b l ea l l o p t i c a lb u f f e rw h i c h i n t r o d u c e s ad u a l s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e rc o n f i g u r a t i o no nt h eb a s i so f d u a lo o o po p t i c a l b u f f e r , d l o b t h ei n n o v a t i o n so ft h i sc o n f i g u r a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 r e a l i z i n gt h e r e a d w r i t e c o n t r o lt h r o u g hd i f f e r e n tc o n t r o ll a s e r b e c a u s eo f t h ep o w e rd i s t o r t i o no ft h es i g n a lp a c k e t ，d i f f e r e n tp o w e ro ft h ec o n t r o ll a s e r w i l lb en e e d t h i sc o n f i g u r a t i o nc o u l da d j u s tt h e “r e a d w r i t e c o n t r o ll a s e r s e p a r a t e l yw h i c hs o l v e st h ep r o b l e ms u c c e s s i v e l y 2 d u a l s o ac o n f i g u r a t i o nu s e st w op o r t st o w r i t ei n a n d “r e a do u t s i g n a l p a c k e ts e p a r a t e l y t h i s o v e r c o m e st h ep r o b l e mo fs i g n a l “l e a k a g e s u c c e s s i v e l yw h i c h i n t r o d u c e db yt h ea c t i o no fw r i t i n gi ns i g n a lp a c k e t 3 o nt h ec o n d i t i o no fs a m ei n p u ts i g n a lp o w e r , d u a l - s o ac o n f i g u r a t i o n c o m p e n s a t e st h es i g n a lp o w e re f f e c t i v e l ya n dw i l le n h a n c et h es t o r i n gt i m e w h e nc o m p a r e dt os i n g l e - s o ac o n f i g u r a t i o n w h a tih a v e d o n ea r ea sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c eat e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i td e s i g n a n a l y z et h et e m p e r a t u r ec o n t r o l t h e o r yi nd e t a i l e da n dd e b u g t h ee x p e r i m e n tc i r c u i t a r e s i s t a n c e t e m p e r a t u r ef i t t i n gc u r v eo f t h em a t c h i n gr e s i s t a n c ei sa c h i e v e df o r t h ef i r s tt i m ew i t ht h et e m p e r a t u r ee r r o ro f5 ：0 0 3o cw h i c hm a k e st h e e x p e r i m e n ts i m p l e r 2 p r e s e n tan o v de r a s a b l ea 1 1 o p t i c a lb u f f e r a n a l y z et h ep o w e rn e e do ft h ec o n t r o l l a s e ra n dp a c k e t sl e n g t hr e s t r i c t i o no nt h i sd u a l s o ac o n f i g u r a t i o n a n a l y z e t h eb u f f e r i n gt h e o r yw i t h o u ts i g n a l “l e a k a g e 3 t h e2 5g b ss i g n a lp a c k e t sa r er e a do u ts u c c e s s i v e l ya f t e rm u l t i 。c i r c l e s b u f f e r i n gw h i c hd e m o n s t r a t e st h ec o r r e c t n e s so f t h et h e o r ya tt h es a m et i m e k e y w o r d s ：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ；a l l o p t i c a lb u f f e r ；3 x3c o l l i n e a rf i b e rc o u p l e r ； s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ；c r o s sp h a s em o d u l a t i o n ；c r o s sg a i nm o d u l a t i o n c l a s s n o ：t n 9 2 9 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：导师签名： 签字日期：年月日签字同期：年月日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：张立军签字日期：2 0 0 8 年5 月3 1日 致谢 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，吴重庆教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 吴重庆老师对我的关心和指导。 吴重庆教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向吴重庆老师表示衷心的谢意。 盛新志教授、王智教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李亚捷博士、王拥军博士、魏斌博士、李政 勇博士、程木博士、田昌勇博士、余贶球博士以及王亚平、杨双收、高凯强、赵 爽、赵阳、彭鹏、张建亮、郭伟青等师兄师姐对我论文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。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 、l k 。 1 引言 1 1 全光缓存器的提出口1 全光缓存器首先是一个无需进行光电光变换且具有光输入与光输出数据流 的器件。输入的光在一定的色散和失真范围可以在其中存储一定的时间t ，且读出 时间可以通过外部光电信号控制，满足p ( 1 ，f ) = m p ( o ，0 ) 。如图1 1 所示。现今研 究的缓存器中，要求数据流必须是全光的，但是，允许数据的帧头在节点处经过 光电光的变换。图1 2 为缓存器在全光包交换中如何解决数据包冲突的示意图。 当来自a 、b 两个不同信道的数据包同时到达交换节点且需要被路由到相同目的地 址时，缓存器可以让其中一个数据包在其中暂存的同时允许优先级高的数据包通 过，当线路空闲时再释放其中的数据包。除了全光通信系统，全光缓存器还在全 光信号处理、射频光子学( 如相位振列天线) 及非线性光学中有着广泛的应用【2 】。 z = 0z = l c d c o , t - r ) d c d 图1 1 全光缓存器的示意图图1 2 全光缓存器在网络节点中的应用 1 2 全光缓存器的研究进展 光子是玻色子，如果不把光子转变为其它形式的能量，理论上光子是不可能 停下来的，唯一的办法是使光信号延迟一段时间，以便对高速光信号进行处理。 光信号的传输时间可表示为t = 纠v ，其中三为光传输路径长度，v ，是群速度，所 以“光缓存 可以从两方面着手：一是减慢光的传播速度；另一方面是延长传输 路径【3 1 。目前提出的全光缓存器可分为两大类：一类是慢光型( s l o wl i g h tt y p e ) 全 缓存器；一类是光纤延迟线或光纤环型( f i b e rd e l a yl i n eo rf i b e rl o o pt y p e ) 全光缓 存器。下面将对光纤延迟线光纤环型的缓存器做简要的介绍。 光纤延迟线或光纤环型全光缓存器主要有以下几种方案：最早被提出来的方 案是利用光纤的延时特性配合光开关来调节延迟时间，就构成了“交换延迟 线”( s w i t c h e dd e l a yl i n e ，s d l ) ，它是由美国m a s s a c h u s e t t s 大学的i c h l a m a t a c 等人 在1 9 9 1 年提出的【4 j ，其结构如图1 3 所示。光子在光纤中传输会产生5 n s m 的时 间延时，对于1 0 g b s 的码流可以容纳大约5 0 比特，对2 5 g b s 的码流可以容纳1 2 个比特，原则上该结构的缓存器可以精确到1 个比特。当两个数据包冲突时，可 以将优先低的数据包在延迟线中暂存一定时间后再输出。但它的缺点也是显而易 见的：首先它不能进行“读一写”控制，并不是真正意义上的缓存器，严格地说 只是一个可调延时器，延时时间也非常有限。此外，存储时间不能随意调节，对 于比较复杂的调节要求，将导致节点数的增加，成本、数据串音都会随之增加。 s w ls w 2 s w 3 图1 3 交换延迟线( s d l ) g l e n nd b a r t o l i n i 等人提出了法布里一珀罗谐振腔的方案，其结构见图1 4 【5 1 。该方案的基本思想是在一根光纤的两端分别加一个反射镜和非线性光纤环路 镜( n o l m ) 。当信号由n o l m 引入光纤后将m 1 调整为反射状态，于是光信号就 在由两个全反射镜组成的f p 腔中来回运动，这就是存储效应。当需要将数据读出 时，只需将n o l m 改为透射状态即可。在该实验中实现了3 2 - b i t 数据包l m s 的存 储。 图1 4f 。p 结构缓存方案 2 可重构多粒度光缓存器【6 】结构如图1 5 所示，它以光纤延迟线和s o a 增益光 开关为基本单元，组成不同粒度的光延迟线。整个光缓存器由不同粒度的光延迟 线树级联，每个延迟数由4 种不同粒度的光延迟线组成。图1 5 为一个四级的光纤 延迟树。此种结构支持全光交换网中不定长度数据包的缓存。由于每个延迟线树 由四种不同粒度延迟线组成，可以提供1 0 ( o 9 ) 个基本单位的缓存时延。缓存时 延1 0 n s 1 m s 。可以随机读写。 图1 5 可重构多粒度光缓存器 延迟时间和输出波长可调的光缓存烈7 1 如图1 6 所示。它利用光单边带调制器 的波长变换特性以及布拉格光栅的反射和投射特性可以实现数据包延迟时间任意 可调，并且输出波长也是可调的。只要调节相移电压控制器的输出就能控制该缓 存器的延迟时间和输出波长。能满足全光分组交换下对数据包缓存和波长可调的 要求，适用于全光分组交换中有缓存和波长调节需求的光路由系统。 燃卜匝 信号源l 。二 磊器匝 7 偏撮控制器 9 偏置电 压控制器 1 0 相移电 压控制器 坐竺岈 5 光环行器 ! 布拉堂兰纤光栅二习禽甍誊警黧燃 卜卅一= 蒜匙嚣磁警凝长 输入波长搬毛钯次后 一瑚入波长搬稻a 次后 图1 6 延迟时间和输出波长可调的光缓存器 2 0 0 5 年基于3 3 平行排列耦合器的双环耦合全光环缓存器( d l o b ：d u a l 1 0 0 p o p t i c a lb u f f e r ) 方案被提出，其结构如图1 7 所示【8 】。该缓存器巧妙地利用了3 3 平 行排列耦合器的干涉特性，由光纤连接耦合器两侧的边端口形成o o 字型光纤环， 数据包的读写控制则是由放置于环中的半导体光放大器( s o a ：s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ) 这一非线性相移元件来完成。当需要被缓存的数据包经环型器进 入耦合器的2 端口，它在4 、6 端口将被分为等强度的两束光分别沿顺时针和逆时 针方向传输。当同步控制光脉冲不存在时，两束信号光绕行右侧环一周后返回耦 合器二次干涉后将由原输入端口2 反射输出。当同步控制光通过一个波分复用耦 合器w d m 引入光纤环时，由于s o a 中交叉相位调制的作用两束信号光间将会产 生一非线性相移。调节控制光的功率使得该相移达到7 时，信号光干涉后将会出现 在l 、3 端口，此后信号光将会一直在“0 0 字型光纤环中绕行，这就是存储效应。 当要读出数据时只需再次引入控制光脉冲，这样数据包就从2 端口被读出。该方 案的优点在于结构简单易于集成、读写速度快易操作。目前已实现了2 5 g b s 、3 2 圈的数据存储。 图1 7 延迟时间和输出波长可调的光缓存器 4 基于光纤环( f i b e rl o o p ) 的方案是当今全光缓存的热点，它的优点是，带有 功率补偿的光纤环如果不考虑噪声的积累，理论上信号在旱面的存储时间无上限， 技术的关键是如何将信号“写入 和“读出 。仍需解决的问题是缓存最小粒度与 波长长度之间的矛盾，以及如何保证信号光在缓存器中的偏振态长时间保持不变。 1 3 双环全光缓存器的研究方向 1 3 1 多波长缓存技术的研究1 o 】 全光交换网是现代通信发展的必然趋势，全光缓存器是实现全光交换的重要部 件。光缓存技术的研究都是针对单个波长光信号的缓存。而现有的光纤通信系统 中，随着波分复用技术( w d m ) 已经广泛应用，不同波长的信道成倍、十倍、百 倍地增长。在w d m 中，传输容量的增加是通过波长的增加来实现的。在常规的c 带内( 1 5 3 0 1 5 6 5 n m ) ，基础速率为2 5 g b p s 1 0 b p s 的8 波、1 6 波、3 2 波、4 0 波乃至 8 0 波的d w d m 系统已经商用，各光波道间隔将缩小到2 5 g h z ( 0 2 n m ) 。新的全波 光纤可利用光谱达到1 2 8 0 1 6 1 5 n m ，是常规可用波长范围的数倍，复用波长数大大 增加，从而经济有效地解决了网络扩容问题。近来，日本n e c 和法国阿尔卡特公 司在实验室中分别实现了总容量为1 0 9 t b i t s ( 2 7 3 x 4 0 g b i v s ) 和1 0 2 t b i t s ( 2 5 6 x 4 0 g b i t s ) 的传输容量的最新世界纪录。目前t b i t s 级w d m 系统已经开 始商用，光纤的价格也已经非常低，具备了超大容量传输的坚实基础，世界上许 多国家采用w d m 技术对已铺设的光纤线路进行扩容。光纤传输的问题已基本解 决。 d w d m 系统解决了光信号传输的问题，技术已经很成熟。而作为交换系统中 重要的组成部分，全光缓存器的研究目前主要是针对单一波长的光信号进行的。 显然，单一波长的全光缓存器很难与目前广泛应用的w d m 技术相适应，因此 全光缓存器只有实现多波长的并行缓存才有得到应用的可能。所以，多波长光信 号的并行缓存就成为了全光缓存器的一个重要的研究课题。多波长光信号对全光 缓存器的读写控制技术也提出了新的要求。 基于3 x 3 耦合器的双环全光缓存器的双波长缓存器结构如图1 8 所示。双波长光 源分别由d f b l 和d f b 2 产生，经过耦合器w d m l 和波后，再经过外调制器 m o d u l a t o r ，装载信号。激光器d f b 3 用于产生“缓存过路 控制信号。下路的信号 从环行器c i r c u l a t o r 的3 端口输出，经过w d m 4 解复用后通过探测器d e t e c t o r 分别观察 两波长信号的质量。该结构的缓存器在保证消光比的同时，完成了光波长信号的 多圈缓存p j 。 5 图1 8 双波长全光缓存器结构 1 3 2 可变包长结构的研究【l l 】【1 2 】 在全光网中到达节点的数据包的长度并不是固定不变的，为适应变化的包长 对缓存器的需求，可变包长结构的缓存器也是研究方向之一。基于3 x 3 耦合器的 可接收可变包长结构的全光缓存器结构如图1 9 所示。根据双环全光缓存器各部分 环长及两个双环全光缓存器间延迟光纤的长度，将数据包的分割粒度定为1 ：2 ， 如图1 1 0 所示。当具有6 个数据单元的数据帧到达时，经过光开关的分割，数据 包按照前后达到的顺序分为三组并行的数据：数据单元l 和4 ，2 和5 ，3 和6 ，每 组数据前后相邻的两个数据单元之间为2 个数据单元长度，每一组数据进入一个 两级串联的d l o b 缓存单元。 由实验系统及装置1 9 可见，l d 和c o n t r o ll a s e r 分别为信号光源和控制光源。 右环中w d m 的中心波长与信号光相同，带宽5 0 g h z 。经过脉冲码型发生器( p p g ： p u l s ep a t t e r ng e n e r a t o r ) 控制的外调制器将入射的直流光源调制为含有信息的光信 号。然后经过一个7 0 ：3 0 的耦合器，7 0 的信号光经环型器后进入缓存器，3 0 的信号光进入光接收控制单元进行光电变换、帧头识别。随后光接收单元控制就 会向控制光产生单元发出一个同步的触发电信号，控制光产生单元接收到该触发 电信号后就会发出两个相邻的控制脉冲来同时控制两个串连双环全光缓存器的写 入和读出。光开关在这里的作用除截去填充帧外，还起着截取该路缓存单元所要 缓存的数据单元的作用。其开关状态的控制，由光接收控制单元( c o n t r o lu n i t ) 来 完成。 该并联结构的缓存器在保证消光比的基础上已经完成了信号的多圈缓存【1 1 】。 6 cont黔roa s e r| ll 图1 9 并联 - 图1 1 0 数据包分割示意图 1 3 3 存储深度问题的研究【1 3 双环全光缓存器中c w 和c c w 方向传输的数据包不可以在s o a 中相遇出 现交叠区域，这是使得缓存器所能存储的数据包长度受到限制的根本原因。如 果将c w 和c c w 方向传输的数据包采用空间绕行的方法在不同的路径中传输就 可以有效的解决该问题。深度存储缓存器结构如图1 1 1 所示的马赫曾德尔结构 的双环耦合全光缓存器( m z d l o b ) ，该结构的独特之处在于在右侧光纤环中巧 妙地利用两个环型器的光路环行功能将c w 和c c w 方向传输的信号光在空间上 分独立的两路传输，上下两个光纤臂上各加入一个s o a 。 根据环行器的传输特性c 2 专cl 、c3 专c2 端的隔离度高达5 0d b ，完 全能够实现光路绕行的功能而不会出现串扰。当注入的信号光在耦合器的4 、6 端口等功率输出时，c w 方向的信号光由环型器b 的c 2 端口传输到c 3 端口， 7 一r上一p。n 甲一面一 曼同 系 一 臻 掌糠 m 了。 了 i 敝 。，、| 一 霞 纛鬃一 l 然后经过s o a l 后再由环型器c 的c 1 端口传输到c 2 端口，随后返回耦合器的 6 端口。而c c w 方向的信号光先到达环型器c 的c 2 端，而后由c 2 端传输到 c 3 端，经过s o a 2 后进入环型器b 的c 1 端，由c 1 端传输到c 2 端后返回到耦 合器的4 端口。这样c w 和c c w 方向的信号光就永远不会在s o a 中相遇交叠 了。和c w 方向信号光同步的控制光脉冲同样也只经过上臂光纤，并和c w 方 向的信号光在s o a l 中发生交叉相位调制效应。下臂中的s o a 2 仅是为了对c c w 方向的信号光实现放大以平衡c w 和c c w 方向信号光彼此之间的功率。 通过实验证实了该m z d l o b 结构可有效避免反向传输数据包的交叠相遇， 能够将d l o b 的存储深度提高到1 0 0 ，实现满环存储。实验中并未出现数据 包部分丢失的情况i l 。 图1 1 1m z d l o b 结构图 8 2 2s o a 温度控制电路的设计 2 1 s o a 的结构特性 在全光缓存系统中，多处用到半导体激光器，半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o r o p t i c a la m p l i f i e r ，s o a ) 等半导体器件。而半导体激光器、半导体光放大器等 半导体器件在工作中，由于其p n 结内部承受着相当大的电流密度和热耗散功率密 度，不可避免地存在着各种非辐射损耗、自由载流子吸收等损耗机制，相当一部 分注入电功率转化为热量，引起激光器的温度升高【1 4 1 。随着半导体器件工作温度 的升高，其阈值也将随之升高，这将使得器件输出功率随之降低；对于激光器， 温度升高还会带来中心波长的漂移，其典型值为0 3 n m c - o 4 n m c 1 5 】。综上，对 于半导体器件，一个稳定的温度控制系统是非常重要的。本文针对全光缓存系统 对器件的需求，阐述了半导体器件温度控制电路的设计思想，详细分析了一个良 好的温度控制电路需要注意的一些问题。最后，比较了当前使用比较广泛的温度 控制芯片d r v 5 9 1 1 。7 】和a d n 8 8 3 0 1 6 】，分析了它们的工作原理以及使用中的区别。 s o a 在本质上是一个在输入输出端口没有反馈的激光二极管，也可以被称为行 波放大器( t r a v e l i n g w a v ea m p l i f i e r ，t w a ) 。s o a 结构灵活，功能丰富，是未来 光网络的必需基本结构。描述参数有增益( g ) 、增益带宽、饱和输出功率( p s a t ) 噪 声指数( n f ) 、偏振独立性( p d g ) 等。理想的s o a 应具有较高的增益、较宽的3 d b 带宽、 较低的噪声指数( 理论最低值为3 d b ) 以及较低的偏振相关性来降低对t e ( t r a n s v e r s e e l e c t r i c ) 和t m ( t r a n s v e r s e m a g n e t i c ) 模式的增益差别。 s o a 为e s d 敏感器件，在使用时应注意采取防静电措施；确保输入s o a 的光功率 不要超过规定最大值( 通常为1 5 d b m ) ，以避免输入功率过高对其造成损害；由于s o a 为行波放大器件，反射光会对其性能造成影响，故在输入一输出端都应使用a p c 接 头；s o a 的驱动电流不要超过器件资料上给定的最大值；为保证s o a 不受到损害， 应采取有效的制冷措施保证其不在长时间工作在较高温度下。 实验系统使用的半导体光放大器( s e m i c o n d u c t o ro p t i c a la m p l i f i e r ，s o t ) 为中心波长为1 5 5 0 n m 的半导体光放大器。最大驱动电流为3 0 0 m a ，它具有带宽 宽、高饱和输出光功率、低偏振相关性等特点。主要适用于前级放大、中继放大 和光交叉连接损耗补偿等场合。器件的详细参数如表2 1 所示。它的内部结构如图 2 1 所示，管脚定义见表2 2 。 9 表2 1s o a 技术参数 1 3 - b 御l 一臼甲它 p a r a m e t e r s y m l m l u n i t 、e n 。 t y p m a r _x i l u 。 t y p 、l a x 。 d r i v ec 瑚删 k 2 5 02 5 0m a p e a kw a x e l e n g t h k 1 5 l o1 5 9 01 5 1 01 5 9 0l 姐 3d bo p t i c a lb a n 翩d t h 厶天避 5 5 4 5 蜀m s m a l ls t g n a lg a i n kg m x 1 21 51 8 2 0 d b g a i nr i p p l ew i mr e s v e c tt o 丸go 51 oo ，51 od b s a r t w a t l o no u t p u tp o w e r p 98胡3 m p o l a r i z a t i o nd e t ) e a d e a tg a i np d go 51 oo ，51 od b n o 矗ef t g , u r en f99d b 表2 2s o a 己3 1 线管脚定义 p i nn a m e p i nn a m e 1t e c +8n c 2n c9n c 3t h e r m i s t o r1 0s o a + 4t h e r m i s t o r1 ls o a 5n c1 2n c 6n c1 3c a s e 7n c1 4t e c 。u 。f 一矗_ p 图2 1s o a 内部结构构成 由图中可以看出，模块内部除了半导体光放大器( s o a ) 本身之外，还集成了 热电制冷器t e c 、热敏电阻t h e r m i s t o r 。本章以下小节将分析如何利用s o a 内部的t e c 和t h e r m is t o r 来完成s o a 的温度控制。 2 2 温度控制电路的设计思想 温度控制的目的就是将器件的工作温度以一定的精度稳定在一个较低的温度 值上，这样一来就要求根据器件工作时的实际情况如产热量大小等采取一定的措 施，随时将产生的热量即时散掉，并且要求器件在单位时间里产生的热量等于控制 器在单位时间里吸收的热量，若两者达到动态平衡，则可以保持器件工作温度的 l o 稳定。 半导体器件的温度控制电路通过控制通过热电制冷器( t h e r m a le l e c t r o n i c c o o l e r ，t e c ) 的工作电流来控制温度。t e c 是利用半导体材料的珀耳帖效应制成 的微型致冷器，通以电流，它便会将热量从一面移向另一面；电流反向则会导致 相反的热流向。移走的热量的大小与通过的电流强弱有关。给t e c 通以合适的电流， 便可以达到温度控制的目的。 通过t e c 做温度控制的电路功能流程图如图2 2 所示： d e t e c t c i r c u i t p r e c i s i o n a m o l i f i e r c o m p e n a m o l i f i e r h i g h c u r r e n t t y p i c a lt e m p e r a t u r ec o n t r o ls c h e m a t i c 图2 2 温度控制电路功能流程图 半导体器件的温度由紧贴其上的具有负温度系数( n t c ) 的热敏电阻 ( t h e r m i s t o r ) 来监测。由于其阻值和温度具有一一对应的关系，温度的变换将 会反应为其阻值的变化。利用电阻分压，通过监测热敏电阻的电位来监测半导体 器件的工作温度；将此电压值与目标电压值进行比较，其差值的大小与正负，决 定t e c 驱动电流的数值大小和流动方向。这便是监测电路( d e t e c tc i r c u i t ) 的作 用。 精密放大电路( p r e c i s i o na m p l i f i e r ) 也称为误差放大电路( e r r o r a m p l i f i e r ) ，它将热敏电阻上的实际电压和目标电压之差值( 误差信号) 精确放大。 一个好的精密放大电路，应该具有可以放大微小压差的作用。补偿放大电路 ( c o m p e na m p lif ie r ) 通常为比例微分积分电路( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l ， p i d ) 电路。比例增益向误差信号提供瞬时响应；积分增益求出错误信号的积分， 并将错误减低到接近零的水平，积分增益还有助于过滤掉实测温度信号中的噪音； 微分增益使驱动依赖于实测温度的变化率，正确运用微分增益能缩短响应定位点 改变或其它干扰所需的稳定时间。通过设置p i d 电路的工作参数，可以设定温度 控制电路稳定的时间长度。其参数的设定与半导体器件的工作环境，散热条件等 有紧密的联系。同时，t e c 的工作效率，传导热量的能力也严重影响着p i d 参数的 设定。如果p i d 电路的阻尼系数过大，便可能导致电路产生阻尼振荡；阻尼系数 过小，会造成温度稳定时间过长，甚至不能完成温度的稳定。一个简单的p i d 电 路可以表示如图2 3 所示。 然而，在许多情况下，比例积分( p i ：p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l ，没有微分增益) 控 制策略也可以产生满足要求的结果，而且通常要比完全的p i d 控制器更容易调整 到稳定的运行状态，并获得符合要求的稳定时间。故在使用中，可以仅使用p i 电 路或简单的放大电路。 从补偿电路输出的电压信号通过驱动高效电流源( h i g hc u r r e n t ) 来获得t e c 驱动电流。由于t e c 工作时需要电流强度较高，可能会达到安培的量级，所以通 常选择输出功率较高的场效应管作为t e c 驱动电流源；并且设计为h - b r i d g e 结构， 降低单个场效应管输出功率，以降低器件本身的热效应。 北胡蕾 p 图2 3 简单p i d 电路及相关参数 2 3 电路设计中若干问题的研究 2 3 1 电源滤波电路 t e c 器件在工作时，其两端可承受的最高温差随着其工作电流纹波的增大而降 低，同时其制冷效率也会随之降低；激光器驱动部分，也对工作电流的纹波有较 高的要求。本文采用了有源晶体管滤波电路设计，其结构如图2 4 所示。此设计 的优点是只需要较小的电容便可以达到很好的滤波效果，平滑输出波形。图2 5 为普通的无源r c 滤波电路。 对于图2 4 ，2 5 两种设计分别有如下关系： v i n - v o u t = i r r + v 圭i c r f l ( 2 1 ) p i n - v o u t = i r i ( 2 2 ) 其中，为晶体管的直流放大倍数，其余符号意义如图所示。由于两种设计 等效，可以得到r i p = 冠。滤波电路的截止频率f = 1 1 2 7 r r c ，若使得两种设计的 1 2 滤波效果相同，只需rc l = r c 。可见，有源滤波电路所需的电容c 比一般r c 滤 波器所需电容少1 3 倍。 设晶体管的直流放大系数1 3 = 1 0 0 ，如果用一般r c 滤波器所需电容容量为 1 0 0 0l af ，如采用有源滤波设计，那么电容只需要l ol af 就满足要求了。 对于电源输出，除了要采取一定的滤波之外，还应该加入电容值较小的去耦 电容，消除电源可能在开关过程中产生的自激。 工 图2 4 有源滤波电路 2 3 2 目标温度的设定 r 1 图2 5 无源滤波电路 一个典型的误差取样电路如图2 6 所示。其中，辟为热敏电阻，其温度与激 光器工作温度相同；r r 为分压电阻；尺孵为温度设置电阻，称为匹配电阻。t e c 的工作电流由如图中的v s e t 和v d e t e c r 之差最终决定，其差值的正负决定了t e c 驱动 电流的方向；其大小决定了t e c 工作电流的大小。可认为t e c 的工作电流 i r e c = m ( r 一聊r ) ，m ( a v ) 为t e c 驱动电路的放大倍数。误差电压一聊r 越大，t e c 的工作电流越大，运输热量的能力便越强；当r = v d e 聊r 时，t e c 停止输运能量。 图2 6 误差取样电路 1 3 电路工作之前，先将r 的值设置为目标工作温度下辟的阻值。碍与温度 ( k e l v i n ，k ) 的对应关系可以通过s t e i n h a r t h a r t 方程得到： 1 t = a + b l n r + c ( 1 n r ) 3 ( 2 3 ) 然而，由于l i l 3 尺的存在，很难从目标温度t 解得热敏电阻碍的值，给实际操 作带来了困难。本节通过分段拟合的方式，得到了t 与砰的简单关系式，并计算 了通过拟合关系式与s t e i n h a r t 方程计算t 的误差范围。在极大地简化计算复杂 度的基础上，使得最大温度误差仅为0 0 3 。 具体分析拟合过程如下： 从热敏电阻生产商提供的测试资料上查得辟在三个工作温度下对应的阻值 r ( t = 2 9 8 1 5 k ) = 1 0 k ， r ( t = 2 7 8 1 5 k ) = 2 5 4 k ， r ( t = 3 1 8 1 5 k ) = 4 3 7 k ，( 2 4 ) 将式2 4 带入公式2 3 ，计算得到关系式中三个参数的值： a = 3 5 4 x 1 0 - 4 ，b = 3 6 7 l o 一4 ，c = - 4 1 8 1 0 - 7 ( 2 5 ) 则可以得到，温度t 与热敏电阻的对应关系： 1 t = 3 5 4 x 1 0 - 4 + 3 6 7 1 0 - 4 i n r + - 4 1 8 1 0 - 7 ( 1 n 尺1 1 3 ( 2 6 ) 图2 7 为温度t 与热敏电阻的关系曲线图。如图所示，随着温度的升高，热 敏电阻的阻值冗r 以e 指数规律递减。我们选取实验中经常用到的器件工作温度范 围( 乃鳓= 3 0 3 1 3 k ，死。= 2 9 4 2 8 k ) 进行分析。 图2 7 温度( k ) 与热敏电阻( o h m ) 关系曲线 根据曲线走向，首先选取一次拟合方式，设t l = u + v , r ，每隔1 0 0 h m 取一个点。 利用软件拟合，得到了关系式2 7 。图2 8 为在选取温度区间内的两种温度与热敏 电阻阻值关系曲线图。虚线为t 1 与r 关系曲线，实线为t 与r 关系曲线。 t 1 = 3 2 0 x1 0 2 - 2 1 9 x1 0 。3 r ( 2 7 ) 1 4 图2 8t l ( k ) & t ( k ) 与r ( o h m ) 关系曲线 取v a r y = t 1 一t ( k ) ，r 从8 k 取到1 2 k ，每隔l o o h m 取一个点，可以计算得到此种 拟合下的误差最大达到了0 3 9 k ，也即系统将会由于匹配电阻的选择而产生近0 4 k 的误差。图2 9 为v a r y 随r 变化曲线。 图2 9v a r y ( k ) 随r ( o h m ) 变化曲线 然而根据半导体器件的工作特性，此误差还不满足需求。采取相同方式进行 二次拟合，设互= u + v x r + w x r 2 。可以得到，t z 与热敏电阻的关系式2 8 。 互= 3 3 4 x 1 0 2 4 9 8 x 1 0 。x r + 1 3 9 x 1 0 。7x r 2 ( 2 8 ) 取v a r = t 2 一t ( k ) ，r 从8 k 取到1 2 k ，每隔l o o h m 取一个点，可以计算得到此种拟 合下的误差最大值仅为0 0 3 k 。图2 1 0 为v a r y 随r 变化曲线。 ， 厂 。l， 图2 1 0 v a r y ( k ) 随r ( o h m ) 变化曲线 1 5 综上所述，通过选取合适的拟合方式，在半导体器件工作温度允许误差范围 内极大地简化了运算复杂度。具有实验可行性。 2 3 3p w m 滤波电感的选择 在现行t e c 驱动电路设计中，都会加入脉宽调制放大电路( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p t t 哪! ) ，其功能是检测输入直流电压，与基准电压比较，进行放大， 输出电压的大小由高电平的占空比来确定。在p w m 信号的输出端接一个l c 回路， 也就是积分器，它可以对这个不同占空比的信号进行滤波，平滑滤掉开关脉冲波 形。由于t e c 需要驱动电流较高，相应地对滤波电感的承受电流的强度和可承受 的纹波要求也较高。选择合适的电感才能获得最高的输出效率【l6 】。 设d 为p w m 信号的占空比，它可以表示为： d = o u t 一彳v s ， ( 2 9 ) 其中磙，为p 1 | m 信号为高电平时的对地电位值，o u ta 为加在t e c 一端的对地 电位值。它们之间通过滤波电感相连，且近似认为p w m 信号的低电平为零。仅考 虑一个时钟周期，加在电感两端的电压可以表示为： 圪= 删一 f y 一d( o t d f 腩) 【一d( d 厶 t l 厶) ( 2 1 0 ) 对于电感，有屯= i lf v , ( t ) d t ，- i p a 得到一个周期内加在电感上的电流强度如 式2 1 1 ，2 1 2 所示。 i l ( 0 t 7 d 一) = 7t ( 一v s r d ) d t = (