DWDM系統光發射機溫度控制電路的優化設計

2020-12-08 電子產品世界

摘 要: 本文提出了一種在雷射發射機溫度控制電路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度的有效方法，給出了波長的熱電溫度控制原理及測試結果。

關鍵詞: 密集波分復用；波長穩定；熱電溫度控制

引言
近年來，DWDM(密集波分復用)技術不斷發展，為了儘可能地傳輸更多的信道，要求光源峰值波長的間隔儘可能小，提高各信道光發射機的工作波長穩定性是極其必要的。而且，DWDM系統一般採用40×10G、 80×10G甚至更高的信道復用形式，系統中每個子架用到的光發射機越來越多，電路集成度以及散熱問題也成為了雷射器設計的關鍵。因此，在DWDM系統雷射發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。
本文提出了一種採用 ADI公司的ADN8830晶片進行雷射器管芯溫度控制的方法，它具有波長控制精度高、電路體積小的優點並且由於其功耗低，大大降低了系統功耗，緩解了系統的散熱問題。

熱電溫度控制原理
在DWDM系統中,對波長穩定性的要求十分嚴格。例如，對於採用0.8nm信道間隔的DWDM系統，一個0.4nm 的波長變化就能把一個信道移到另一個信道上。在典型的系統中,光源波長穩定是通過控制雷射器管芯溫度而實現的。通過熱電製冷器(TEC)，管芯的溫度可以被穩定在一個恆定的值上，普通的雷射器波長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模式。傳統WDM的熱電溫度控制多採用線性模式的TEC控制器，雖然具有電流紋波小且容易設計和製造的優點，但功率效率低、波長控制精度不高，電路集成度較低。
本文採用的ADN8830晶片是開關模式的單晶片TEC控制器，其原理框圖如圖1所示。它是一個閉環控制系統，通過負溫度係數熱敏電阻檢測附於TEC上的雷射器管芯溫度並將其轉換為電壓值，與來自於DAC的模擬輸入溫度設置電壓進行比較，產生一個誤差信號經由PWM(脈寬調製)控制器驅動TEC來穩定雷射二極體的溫度。系統的反饋環路通過高穩定性，低噪聲的PID(比例積分控制)補償網絡構成，通過調整PID參數可以改變系統響應特性。
ADN8830單晶片TEC控制器的主要優點：(1)控制精度高。採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，最大漂移電壓低於250mV，在典型應用中，使目標溫度誤差低於±0.01℃。(2)系統功耗低。在線性模式控制器中，一般採用推挽電路作為輸出級，其功率效率低；開關模式控制器採用MOSFET開關管，導通時電阻很小，大大降低了系統功耗。(3)集成度高。它採用5mm×5mm LFCSP封裝，所有的控制器件都集成到一顆晶片裡。

圖1 ADN8830單片TEC控制器原理圖

性能測試結果分析
採用電吸收調製雷射器、VSC7937調製驅動器和ADN8830 TEC溫度控制器構成光發射機，進行了高低溫測試。
採用ADVANTEST Q8326波長計，在環境溫度為室溫(26℃)、高溫(52.1℃)、低溫(-20℃)條件下，對光發射模塊波長穩定性進行測試。
溫度實驗測試結果見表1所示。
測試結果表明，在環境溫度變化的過程中，模塊發射的光波長基本穩定不變，得到很好的鎖定。實驗證明該控制方式具有很好的波長穩定能力。

圖2 改進前直流信號波形

圖3 改進後直流信號波形

圖4 傳輸前的眼圖

圖5 傳輸後的眼圖

優化設計
光發射模塊在無調製信號時，用TEK CSA8000示波器對發射機光信號進行測試，測試結果如圖2所示，發現光信號中有很多噪聲，這勢必影響光發射機的眼圖質量。分析光發射機印製板設計發現，由於採用開關模式溫度控制方法，雷射器的偏置電流很容易受到ADN8830脈寬調製信號的幹擾。
為了克服脈寬調製信號對其它信號的幹擾，對電路原理和PCB設計進行了改進。在優化設計中，除了ADN8830晶片採用低電壓模式供電以外，主要解決辦法是優化電路板布局：(1)採用四層電路板設計，為了減小開關輸出電流對低噪聲模擬電流的幹擾，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信號儘量遠離雷射器偏置輸入和調製輸入。經過以上改進，有效消除了光噪聲，如圖3所示。
對該發射機模塊加載速率10Gbps的偽隨機電信號進行40公裡傳輸實驗，實現了24小時無誤碼傳輸，傳輸前後的眼圖特性如圖4、圖5所示。

結語
通過本文中的優化設計，消除了ADN8830晶片中脈寬調製信號對其它模擬電路的幹擾。利用該方法設計的密集波分復用光發射機光波長控制精度高、模塊功耗低、集成度高，緩解了系統的散熱問題，成功地應用到實際系統中。■

參考文獻
1 周炳琨，高以智.雷射原理(第4版).北京.國防工業出版社，2000.
2 江劍平.半導體雷射器.北京.電子工業出版社，2000.
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4 AD.ADN8830 Preliminary Technical Data,2000.

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