引言
21 世紀是一個信息化的社會，大量的信息傳送需要大容量的系統波分復用(WDM)技術。WDM 技術的實現使得光纖到戶已不再是遙不可及的夢想。WDM 系統不僅僅能使系統的容量成倍增長，而且可以利用波長完成路由和交換等功能。按照ITU－T 標準，各信道中心波長間隔Df 為100GHz (0.8nm)，全波窗口可以同時容納425 路波長信道，總傳輸容量可達4.25Tb/s以上。雖然WDM 網絡的帶寬可以滿足每個用戶的需求，但是系統的波長數目仍然大大少于實際的節點數目和用戶數目。這就使得不同地點的發射機向同一目的地以同一波長發送信號時，在很多節點的多個波長上的交換信號會發生沖突。解決上述問題的關鍵技術就是利用波長轉換技術。
本文所要闡述的波長轉換器主要基于DFB 激光器，將1310nm 的光信號轉換為1550nm的光信號。通過調節溫度改變并穩定激光器波長，使普通DFB 激光器達到DWDM 激光器的要求。
1 系統概述
波長轉換即為波長的再分配和再利用以解決交叉連接中的波長競爭，有效地進行路由選擇，降低網絡的阻塞率，從而提高網絡的靈活性和可擴展性，同時也有利于網絡的運行、管理和控制，以及通道的保護倒換。雖然全光交換網都已開始出現,但在波長轉換這一技術上，人們似乎還沒有完全找到一種全光的解決方案。這就必然涉及到O/E和E/O之間的轉換。
在光網絡體系發展的諸多關鍵中，首先是超大容量信息載入技術的實現，Tb/s 級信息比特量的傳輸將成為發展光網絡的起點，目前(2.5～10)Gb/s 的單信道傳輸容量是最經濟的選擇方案。Tb/s 級超大信息容量的傳輸必須采用復用技術。波長的精確度和高度的穩定性是DWDM 技術對光子源器件最重要、最基本的要求。
其對波長轉換器的基本要求是：轉換速度要快（至少對2.5Gb/s 的信息流能夠響應）；對光信息流的各種傳輸格式是透明的；有較寬的轉換范圍；對輸入信號光功率要求不太高；偏振敏感度小；啁啾噪聲低等。波長變換要求對偏振不敏感，不因傳輸中受環境影響引起的偏振態變化導致傳輸質量的下降。
本波長轉換器信號格式是調頻模擬信號。分為接收、發射和溫控3 個模塊，可以工作在－5ºC～＋65ºC 的環境溫度中。
2 模塊設計
2.1 接收模塊
接收模塊主要用于接收1310nm 波長的光信號，并將其可靠而又高效地轉換為發射模塊所需要的差分電壓信號。
光電探測器PTCM965 是一個同軸型高速銦鎵砷化合物(InGaAs)Pin/Tie 組件，用于將接收到的1310nm 波長光信號轉換成差分電壓信號并從DOUT+、DOUT-兩個引腳輸出。
Vitesse公司的VSC7961芯片是一個高速限幅放大器，具有對最高達3.125Gb/s的SONET/SDH和光通道器件進行信號損耗偵測、輸出偏移修正、輸出靜噪、低供電電流和快速的上升/下降時間等特點。VSC7961的輸入電壓為5mV～1200mV,其輸出（PECL）上升/下降時間為90ps～120ps。
圖1 接收模塊的電路設計
如圖1 所示，光通過PTCM965 轉換為電壓信號輸入到VSC7961 的正反相兩個輸入端，然后經過VSC7961 處理變為發射模塊所需要的電壓信號。在VSC7961 的TH 引腳上接上阻值為2K 的電阻R33,使VCS7961 的電壓限幅值設置為10mV,當過限時，將改變其LOS,LOS-引腳的狀態。依據廠家對SONET 的推薦值，在CZ1、CZ2 之間連接一個0.1μF 的電容，使內部的低頻濾波器工作頻率保證能對輸入偏移值的修正。
2.2 溫控模塊
為了穩定半導體激光器的發射功率和波長，我們采用TEC 對半導體激光器進行恒溫控制。這個溫控系統包括熱沉、TEC、散熱器和溫控電路等部分。熱沉包括一個用來監測溫度的負溫度系數的熱敏電阻。熱沉、TEC、散熱器構成溫控系統的機械部分。
溫控電路由專用的溫控芯片和外圍電路組成。由于DFB 激光器的兩個最主要的技術特點都是通過控制溫度來實現的，所以溫控系統顯得尤為重要。
2.2.1 熱電制冷器(TEC)的選擇
TEC 的選擇與溫控電路的設計必須要以熱流量為基礎。熱流量可以通過melcor 公司的一個專用軟件AZTEC 方便地計算出來。參數設置如圖2 所示，計算得到的熱功率為6.76W。熱功率與絕緣材料和厚度也很有關系。我們用的電壓為5V，所以TEC 上的壓降在3～4V 左右。考慮到貼片器件的承受能力，電流控制在2～4A。最后選擇melcor 公司的DT3-4。
圖2 熱流量的計算
引言
21 世紀是一個信息化的社會，大量的信息傳送需要大容量的系統波分復用(WDM)技術。WDM 技術的實現使得光纖到戶已不再是遙不可及的夢想。WDM 系統不僅僅能使系統的容量成倍增長，而且可以利用波長完成路由和交換等功能。按照ITU－T 標準，各信道中心波長間隔Df 為100GHz (0.8nm)，全波窗口可以同時容納425 路波長信道，總傳輸容量可達4.25Tb/s以上。雖然WDM 網絡的帶寬可以滿足每個用戶的需求，但是系統的波長數目仍然大大少于實際的節點數目和用戶數目。這就使得不同地點的發射機向同一目的地以同一波長發送信號時，在很多節點的多個波長上的交換信號會發生沖突。解決上述問題的關鍵技術就是利用波長轉換技術。
本文所要闡述的波長轉換器主要基于DFB 激光器，將1310nm 的光信號轉換為1550nm的光信號。通過調節溫度改變并穩定激光器波長，使普通DFB 激光器達到DWDM 激光器的要求。
1 系統概述
波長轉換即為波長的再分配和再利用以解決交叉連接中的波長競爭，有效地進行路由選擇，降低網絡的阻塞率，從而提高網絡的靈活性和可擴展性，同時也有利于網絡的運行、管理和控制，以及通道的保護倒換。雖然全光交換網都已開始出現,但在波長轉換這一技術上，人們似乎還沒有完全找到一種全光的解決方案。這就必然涉及到O/E和E/O之間的轉換。
在光網絡體系發展的諸多關鍵中，首先是超大容量信息載入技術的實現，Tb/s 級信息比特量的傳輸將成為發展光網絡的起點，目前(2.5～10)Gb/s 的單信道傳輸容量是最經濟的選擇方案。Tb/s 級超大信息容量的傳輸必須采用復用技術。波長的精確度和高度的穩定性是DWDM 技術對光子源器件最重要、最基本的要求。
其對波長轉換器的基本要求是：轉換速度要快（至少對2.5Gb/s 的信息流能夠響應）；對光信息流的各種傳輸格式是透明的；有較寬的轉換范圍；對輸入信號光功率要求不太高；偏振敏感度小；啁啾噪聲低等。波長變換要求對偏振不敏感，不因傳輸中受環境影響引起的偏振態變化導致傳輸質量的下降。
本波長轉換器信號格式是調頻模擬信號。分為接收、發射和溫控3 個模塊，可以工作在－5ºC～＋65ºC 的環境溫度中。
2 模塊設計
2.1 接收模塊
接收模塊主要用于接收1310nm 波長的光信號，并將其可靠而又高效地轉換為發射模塊所需要的差分電壓信號。
光電探測器PTCM965 是一個同軸型高速銦鎵砷化合物(InGaAs)Pin/Tie 組件，用于將接收到的1310nm 波長光信號轉換成差分電壓信號并從DOUT+、DOUT-兩個引腳輸出。
Vitesse公司的VSC7961芯片是一個高速限幅放大器，具有對最高達3.125Gb/s的SONET/SDH和光通道器件進行信號損耗偵測、輸出偏移修正、輸出靜噪、低供電電流和快速的上升/下降時間等特點。VSC7961的輸入電壓為5mV～1200mV,其輸出（PECL）上升/下降時間為90ps～120ps。
圖1 接收模塊的電路設計
如圖1 所示，光通過PTCM965 轉換為電壓信號輸入到VSC7961 的正反相兩個輸入端，然后經過VSC7961 處理變為發射模塊所需要的電壓信號。在VSC7961 的TH 引腳上接上阻值為2K 的電阻R33,使VCS7961 的電壓限幅值設置為10mV,當過限時，將改變其LOS,LOS-引腳的狀態。依據廠家對SONET 的推薦值，在CZ1、CZ2 之間連接一個0.1μF 的電容，使內部的低頻濾波器工作頻率保證能對輸入偏移值的修正。
2.2 溫控模塊
為了穩定半導體激光器的發射功率和波長，我們采用TEC 對半導體激光器進行恒溫控制。這個溫控系統包括熱沉、TEC、散熱器和溫控電路等部分。熱沉包括一個用來監測溫度的負溫度系數的熱敏電阻。熱沉、TEC、散熱器構成溫控系統的機械部分。
溫控電路由專用的溫控芯片和外圍電路組成。由于DFB 激光器的兩個最主要的技術特點都是通過控制溫度來實現的，所以溫控系統顯得尤為重要。
2.2.1 熱電制冷器(TEC)的選擇
TEC 的選擇與溫控電路的設計必須要以熱流量為基礎。熱流量可以通過melcor 公司的一個專用軟件AZTEC 方便地計算出來。參數設置如圖2 所示，計算得到的熱功率為6.76W。熱功率與絕緣材料和厚度也很有關系。我們用的電壓為5V，所以TEC 上的壓降在3～4V 左右。考慮到貼片器件的承受能力，電流控制在2～4A。最后選擇melcor 公司的DT3-4。
圖2 熱流量的計算
2.2.2 溫控驅動電路
溫控采用了linear 公司的LTC1923EGN 芯片。該芯片是一個脈寬調制器，特地為TEC器件單雙向的驅動電路研制，其典型的溫度設定精度可以達到0.1°C。LTC1923 采用開關方式通過控制圖3 所示的H 型橋電路來控制TEC 的制冷與制熱。當PA 和NA 開通的時候，PB和NB 關閉，電流正向流過TEC；反之，反向流過TEC。R75 為取樣電阻，取樣得到的差分電壓反饋給LTC1923。
如果TEC 的壓降為3.5～4V，電流為3.5~4A，則電流回路上其他器件的壓降總和為1~1.5V，電阻為0.25～0.4Ω。所以場效應對管的電阻和應該在0.15～0.3Ω 之間。所選擇的D15P05（P 管）和FRU3103（N 管，可以與R3303 互換）的參數如下：
圖3 H 型橋電路
R44 和R45 的作用是分壓，因為1923 芯片CS＋、CS-的電壓降最大為0.15V，也就是允許TEC 的電流為1.5A，超出將被限流。經過分壓，則允許的電流可提高到3.75A。
圖4 溫控基本電路
圖4 中畫了圓弧的區域是溫差信號輸入的反饋網絡。SDSYNOB 引腳必須接高電平，否則芯片將不工作。圖4 左上方的電路用來探測熱敏電阻RT1 阻值隨溫度的變化，并轉化為INA155UA 的電壓輸入值，用于反映溫度的變化。考慮到ADC 的誤差，傳感精度要做到0.1％，電壓的波動必須做到0.01％。一般的穩壓器件已經無能為力了。采用可以補償電壓的漂移，得到的數值只與熱敏電阻的阻值和R28 的溫度漂移有關。如果采用0.01％精度的熱穩定電阻就可以消除溫度漂移的影響。
另一方面，通過圖5 所示得預設定電壓電路，將預設定電壓與目標溫度一一對應，通過調節可變電阻VR2 來改變溫度設定值。其作為INA155UA 的基準比較電壓成為INA155UA的另一電壓輸入值。INA155UA 是一個放大器，通過懸空其RG1,RG2 腳，使其工作在10 倍的增益。當被測溫度與設定溫度不一致時，INA155UA 的2 個輸入引腳電壓值，其輸出信號將輸入到LTC1923 的誤差信號放大器輸入腳。
圖5 預設定電壓電路
2.3 發射模塊
圖6 激光器驅動電路
發射模塊包括DFB 激光器和激光器驅動電路。驅動激光器采用maxim 公司的MAX3869芯片，驅動電路按照MAX 公司的推薦電路設計。如圖6 所示，調試時，主要調節如下幾個電阻：
VR1 用來設定輸出平均功率；R13 用來設定最大調制電流；R14 用來設定最大偏置電流；R10 和激光器的電阻之和為25Ω 的時候，電路的性能最佳；R11 和C5 用來吸收反射回來的電流，可以改變這兩個元件的值使激光器輸出性能最佳；輸入信號采用直流耦合的方式， R1、R2、R8、R9 構成耦合匹配網絡。
3 結束語
通過波長轉換器的設計，使接收到的1310nm 波長的光信號轉化為波長控制精度高的1550nm 波長的光信號。整個波長轉換器模塊功耗低、集成度高，緩解了系統的散熱問題，與利用光收發模塊來實現波長轉換相比又降低了成本，能夠廣泛應用于DWDM 系統中。
參考文獻
1 Govind P.Agrawal.Fiber-optic communication system(2nd ed).New York.1997.
2 張宏.DWDM 系統光發射機溫度控制電路的優化設計.電子設計應用，2003.3 月
3 MAXIM,MAX3869 Evaluation Kit,2002
4 VITESSE, VSC7961 Data Sheet,2003(end)