DWDM系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)溫度控制電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞: 密集波分復(fù)用；波長(zhǎng)穩(wěn)定；熱電溫度控制

引言
近年來(lái)，DWDM(密集波分復(fù)用)技術(shù)不斷發(fā)展，為了盡可能地傳輸更多的信道，要求光源峰值波長(zhǎng)的間隔盡可能小，提高各信道光發(fā)射機(jī)的工作波長(zhǎng)穩(wěn)定性是極其必要的。而且，DWDM系統(tǒng)一般采用40×10G、 80×10G甚至更高的信道復(fù)用形式，系統(tǒng)中每個(gè)子架用到的光發(fā)射機(jī)越來(lái)越多，電路集成度以及散熱問(wèn)題也成為了激光器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。因此，在DWDM系統(tǒng)激光發(fā)射機(jī)溫度控制電路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度成為設(shè)計(jì)的核心。
本文提出了一種采用 ADI公司的ADN8830芯片進(jìn)行激光器管芯溫度控制的方法，它具有波長(zhǎng)控制精度高、電路體積小的優(yōu)點(diǎn)并且由于其功耗低，大大降低了系統(tǒng)功耗，緩解了系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。

熱電溫度控制原理
在DWDM系統(tǒng)中,對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性的要求十分嚴(yán)格。例如，對(duì)于采用0.8nm信道間隔的DWDM系統(tǒng)，一個(gè)0.4nm 的波長(zhǎng)變化就能把一個(gè)信道移到另一個(gè)信道上。在典型的系統(tǒng)中,光源波長(zhǎng)穩(wěn)定是通過(guò)控制激光器管芯溫度而實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)熱電制冷器(TEC)，管芯的溫度可以被穩(wěn)定在一個(gè)恒定的值上，普通的激光器波長(zhǎng)的溫度依賴性典型約為0.08nm/℃。
TEC控制器按輸出的工作模式可以分成線性模式和開關(guān)模式。傳統(tǒng)WDM的熱電溫度控制多采用線性模式的TEC控制器，雖然具有電流紋波小且容易設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)點(diǎn)，但功率效率低、波長(zhǎng)控制精度不高，電路集成度較低。
本文采用的ADN8830芯片是開關(guān)模式的單芯片TEC控制器，其原理框圖如圖1所示。它是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過(guò)負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻檢測(cè)附于TEC上的激光器管芯溫度并將其轉(zhuǎn)換為電壓值，與來(lái)自于DAC的模擬輸入溫度設(shè)置電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)經(jīng)由PWM(脈寬調(diào)制)控制器驅(qū)動(dòng)TEC來(lái)穩(wěn)定激光二極管的溫度。系統(tǒng)的反饋環(huán)路通過(guò)高穩(wěn)定性，低噪聲的PID(比例積分控制)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，通過(guò)調(diào)整PID參數(shù)可以改變系統(tǒng)響應(yīng)特性。
ADN8830單芯片TEC控制器的主要優(yōu)點(diǎn)：(1)控制精度高。采用高精度誤差放大器作為輸入級(jí)，它具有自校正、自穩(wěn)零、低漂移的特性，最大漂移電壓低于250mV，在典型應(yīng)用中，使目標(biāo)溫度誤差低于±0.01℃。(2)系統(tǒng)功耗低。在線性模式控制器中，一般采用推挽電路作為輸出級(jí)，其功率效率低；開關(guān)模式控制器采用MOSFET開關(guān)管，導(dǎo)通時(shí)電阻很小，大大降低了系統(tǒng)功耗。(3)集成度高。它采用5mm×5mm LFCSP封裝，所有的控制器件都集成到一顆芯片里。

圖1 ADN8830單片TEC控制器原理圖

性能測(cè)試結(jié)果分析
采用電吸收調(diào)制激光器、VSC7937調(diào)制驅(qū)動(dòng)器和ADN8830 TEC溫度控制器構(gòu)成光發(fā)射機(jī)，進(jìn)行了高低溫測(cè)試。
采用ADVANTEST Q8326波長(zhǎng)計(jì)，在環(huán)境溫度為室溫(26℃)、高溫(52.1℃)、低溫(-20℃)條件下，對(duì)光發(fā)射模塊波長(zhǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試。
溫度實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見表1所示。
測(cè)試結(jié)果表明，在環(huán)境溫度變化的過(guò)程中，模塊發(fā)射的光波長(zhǎng)基本穩(wěn)定不變，得到很好的鎖定。實(shí)驗(yàn)證明該控制方式具有很好的波長(zhǎng)穩(wěn)定能力。

圖2 改進(jìn)前直流信號(hào)波形

圖3 改進(jìn)后直流信號(hào)波形

圖4 傳輸前的眼圖

圖5 傳輸后的眼圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)
光發(fā)射模塊在無(wú)調(diào)制信號(hào)時(shí)，用TEK CSA8000示波器對(duì)發(fā)射機(jī)光信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖2所示，發(fā)現(xiàn)光信號(hào)中有很多噪聲，這勢(shì)必影響光發(fā)射機(jī)的眼圖質(zhì)量。分析光發(fā)射機(jī)印制板設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，由于采用開關(guān)模式溫度控制方法，激光器的偏置電流很容易受到ADN8830脈寬調(diào)制信號(hào)的干擾。
為了克服脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)其它信號(hào)的干擾，對(duì)電路原理和PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，除了ADN8830芯片采用低電壓模式供電以外，主要解決辦法是優(yōu)化電路板布局：(1)采用四層電路板設(shè)計(jì)，為了減小開關(guān)輸出電流對(duì)低噪聲模擬電流的干擾，將涉及PWM的電源、地與其它電源、地平面隔離。(2)使輸出級(jí)電流路徑最小，減小了高頻電流的寄生電感，從而減小電源、地彈跳。(3)PWM信號(hào)盡量遠(yuǎn)離激光器偏置輸入和調(diào)制輸入。經(jīng)過(guò)以上改進(jìn)，有效消除了光噪聲，如圖3所示。
對(duì)該發(fā)射機(jī)模塊加載速率10Gbps的偽隨機(jī)電信號(hào)進(jìn)行40公里傳輸實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了24小時(shí)無(wú)誤碼傳輸，傳輸前后的眼圖特性如圖4、圖5所示。

結(jié)語(yǔ)
通過(guò)本文中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除了ADN8830芯片中脈寬調(diào)制信號(hào)對(duì)其它模擬電路的干擾。利用該方法設(shè)計(jì)的密集波分復(fù)用光發(fā)射機(jī)光波長(zhǎng)控制精度高、模塊功耗低、集成度高，緩解了系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，成功地應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中?！?/P>

參考文獻(xiàn)
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