DWDM系統光發(fā)射機溫度控制電路的優(yōu)化設計

關(guān)鍵詞: 密集波分復用；波長(cháng)穩定；熱電溫度控制

引言
近年來(lái)，DWDM(密集波分復用)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(cháng)的間隔盡可能小，提高各信道光發(fā)射機的工作波長(cháng)穩定性是極其必要的。而且，DWDM系統一般采用40×10G、 80×10G甚至更高的信道復用形式，系統中每個(gè)子架用到的光發(fā)射機越來(lái)越多，電路集成度以及散熱問(wèn)題也成為了激光器設計的關(guān)鍵。因此，在DWDM系統激光發(fā)射機溫度控制電路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度成為設計的核心。
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(cháng)控制精度高、電路體積小的優(yōu)點(diǎn)并且由于其功耗低，大大降低了系統功耗，緩解了系統的散熱問(wèn)題。

熱電溫度控制原理
在DWDM系統中,對波長(cháng)穩定性的要求十分嚴格。例如，對于采用0.8nm信道間隔的DWDM系統，一個(gè)0.4nm 的波長(cháng)變化就能把一個(gè)信道移到另一個(gè)信道上。在典型的系統中,光源波長(cháng)穩定是通過(guò)控制激光器管芯溫度而實(shí)現的。通過(guò)熱電制冷器(TEC)，管芯的溫度可以被穩定在一個(gè)恒定的值上，普通的激光器波長(cháng)的溫度依賴(lài)性典型約為0.08nm/℃。
TEC控制器按輸出的工作模式可以分成線(xiàn)性模式和開(kāi)關(guān)模式。傳統WDM的熱電溫度控制多采用線(xiàn)性模式的TEC控制器，雖然具有電流紋波小且容易設計和制造的優(yōu)點(diǎn)，但功率效率低、波長(cháng)控制精度不高，電路集成度較低。
本文采用的ADN8830芯片是開(kāi)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，通過(guò)負溫度系數熱敏電阻檢測附于TEC上的激光器管芯溫度并將其轉換為電壓值，與來(lái)自于DAC的模擬輸入溫度設置電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號經(jīng)由PWM(脈寬調制)控制器驅動(dòng)TEC來(lái)穩定激光二極管的溫度。系統的反饋環(huán)路通過(guò)高穩定性，低噪聲的PID(比例積分控制)補償網(wǎng)絡(luò )構成，通過(guò)調整PID參數可以改變系統響應特性。
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，它具有自校正、自穩零、低漂移的特性，最大漂移電壓低于250mV，在典型應用中，使目標溫度誤差低于±0.01℃。(2)系統功耗低。在線(xiàn)性模式控制器中，一般采用推挽電路作為輸出級，其功率效率低；開(kāi)關(guān)模式控制器采用MOSFET開(kāi)關(guān)管，導通時(shí)電阻很小，大大降低了系統功耗。(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

性能測試結果分析
采用電吸收調制激光器、VSC7937調制驅動(dòng)器和ADN8830 TEC溫度控制器構成光發(fā)射機，進(jìn)行了高低溫測試。
采用ADVANTEST Q8326波長(cháng)計，在環(huán)境溫度為室溫(26℃)、高溫(52.1℃)、低溫(-20℃)條件下，對光發(fā)射模塊波長(cháng)穩定性進(jìn)行測試。
溫度實(shí)驗測試結果見(jiàn)表1所示。
測試結果表明，在環(huán)境溫度變化的過(guò)程中，模塊發(fā)射的光波長(cháng)基本穩定不變，得到很好的鎖定。實(shí)驗證明該控制方式具有很好的波長(cháng)穩定能力。

圖2 改進(jìn)前直流信號波形

圖3 改進(jìn)后直流信號波形

圖4 傳輸前的眼圖

圖5 傳輸后的眼圖

優(yōu)化設計
光發(fā)射模塊在無(wú)調制信號時(shí)，用TEK CSA8000示波器對發(fā)射機光信號進(jìn)行測試，測試結果如圖2所示，發(fā)現光信號中有很多噪聲，這勢必影響光發(fā)射機的眼圖質(zhì)量。分析光發(fā)射機印制板設計發(fā)現，由于采用開(kāi)關(guān)模式溫度控制方法，激光器的偏置電流很容易受到ADN8830脈寬調制信號的干擾。
為了克服脈寬調制信號對其它信號的干擾，對電路原理和PCB設計進(jìn)行了改進(jìn)。在優(yōu)化設計中，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)采用四層電路板設計，為了減小開(kāi)關(guān)輸出電流對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信號盡量遠離激光器偏置輸入和調制輸入。經(jīng)過(guò)以上改進(jìn)，有效消除了光噪聲，如圖3所示。
對該發(fā)射機模塊加載速率10Gbps的偽隨機電信號進(jìn)行40公里傳輸實(shí)驗，實(shí)現了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。

結語(yǔ)
通過(guò)本文中的優(yōu)化設計，消除了ADN8830芯片中脈寬調制信號對其它模擬電路的干擾。利用該方法設計的密集波分復用光發(fā)射機光波長(cháng)控制精度高、模塊功耗低、集成度高，緩解了系統的散熱問(wèn)題，成功地應用到實(shí)際系統中?！?/P>

參考文獻
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