DWDM系统光发射机温度控制电路的优化设计
摘要: 本文提出了一种在激光发射机温度控制电路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度的有效方法，给出了波长的热电温度控制原理及测试结果。
关键词: 密集波分复用；波长稳定；热电温度控制
引言
近年来，DWDM(密集波分复用)技术不断发展，为了尽可能地传输更多的信道，要求光源峰值波长的间隔尽可能小，提高各信道光发射机的工作波长稳定性是极其必要的。而且，DWDM系统一般采用40×10G、 80×10G甚至更高的信道复用形式，系统中每个子架用到的光发射机越来越多，电路集成度以及散热问题也成为了激光器设计的关键。因此，在DWDM系统激光发射机温度控制电路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度成为设计的核心。
本文提出了一种采用 ADI公司的ADN8830芯片进行激光器管芯温度控制的方法，它具有波长控制精度高、电路体积小的优点并且由于其功耗低，大大降低了系统功耗，缓解了系统的散热问题。
热电温度控制原理
在DWDM系统中,对波长稳定性的要求十分严格。例如，对于采用0.8nm信道间隔的DWDM系统，一个0.4nm 的波长变化就能把一个信道移到另一个信道上。在典型的系统中,光源波长稳定是通过控制激光器管芯温度而实现的。通过热电制冷器(TEC)，管芯的温度可以被稳定在一个恒定的值上，普通的激光器波长的温度依赖性典型约为0.08nm/℃。
TEC控制器按输出的工作模式可以分成线性模式和开关模式。传统WDM的热电温度控制多采用线性模式的TEC控制器，虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点，但功率效率低、波长控制精度不高，电路集成度较低。
本文采用的ADN8830芯片是开关模式的单芯片TEC控制器，其原理框图如图1所示。它是一个闭环控制系统，通过负温度系数热敏电阻检测附于TEC上的激光器管芯温度并将其转换为电压值，与来自于DAC的模拟输入温度设置电压进行比较，产生一个误差信号经由PWM(脉宽调制)控制器驱动TEC来稳定激光二极管的温度。系统的反馈环路通过高稳定性，低噪声的PID(比例积分控制)补偿网络构成，通过调整PID参数可以改变系统响应特性。
ADN8830单芯片TEC控制器的主要优点：(1)控制精度高。采用高精度误差放大器作为输入级，它具有自校正、自稳零、低漂移的特性，最大漂移电压低于250mV，在典型应用中，使目标温度误差低于±0.01℃。(2)系统功耗低。在线性模式控制器中，一般采用推挽电路作为输出级，其功率效率低；开关模式控制器采用MOSFET开关管，导通时电阻很小，大大降低了系统功耗。(3)集成度高。它采用5mm×5mm LFCSP封装，所有的控制器件都集成到一颗芯片里。
性能测试结果分析
采用电吸收调制激光器、VSC7937调制驱动器和ADN8830 TEC温度控制器构成光发射机，进行了高低温测试。
采用ADVANTEST Q8326波长计，在环境温度为室温(26℃)、高温(52.1℃)、低温(-20℃)条件下，对光发射模块波长稳定性进行测试。
温度实验测试结果见表1所示。
测试结果表明，在环境温度变化的过程中，模块发射的光波长基本稳定不变，得到很好的锁定。实验证明该控制方式具有很好的波长稳定能力。
优化设计
光发射模块在无调制信号时，用TEK CSA8000示波器对发射机光信号进行测试，测试结果如图2所示，发现光信号中有很多噪声，这势必影响光发射机的眼图质量。分析光发射机印制板设计发现，由于采用开关模式温度控制方法，激光器的偏置电流很容易受到ADN8830脉宽调制信号的干扰。
为了克服脉宽调制信号对其它信号的干扰，对电路原理和PCB设计进行了改进。在优化设计中，除了ADN8830芯片采用低电压模式供电以外，主要解决办法是优化电路板布局：(1)采用四层电路板设计，为了减小开关输出电流对低噪声模拟电流的干扰，将涉及PWM的电源、地与其它电源、地平面隔离。(2)使输出级电流路径最小，减小了高频电流的寄生电感，从而减小电源、地弹跳。(3)PWM信号尽量远离激光器偏置输入和调制输入。经过以上改进，有效消除了光噪声，如图3所示。
对该发射机模块加载速率10Gbps的伪随机电信号进行40公里传输实验，实现了24小时无误码传输，传输前后的眼图特性如图4、图5所示。
结语
通过本文中的优化设计，消除了ADN8830芯片中脉宽调制信号对其它模拟电路的干扰。利用该方法设计的密集波分复用光发射机光波长控制精度高、模块功耗低、集成度高，缓解了系统的散热问题，成功地应用到实际系统中。
关键词: 密集波分复用；波长稳定；热电温度控制
引言
近年来，DWDM(密集波分复用)技术不断发展，为了尽可能地传输更多的信道，要求光源峰值波长的间隔尽可能小，提高各信道光发射机的工作波长稳定性是极其必要的。而且，DWDM系统一般采用40×10G、 80×10G甚至更高的信道复用形式，系统中每个子架用到的光发射机越来越多，电路集成度以及散热问题也成为了激光器设计的关键。因此，在DWDM系统激光发射机温度控制电路中提高控制精度、降低功耗、增加集成度成为设计的核心。
本文提出了一种采用 ADI公司的ADN8830芯片进行激光器管芯温度控制的方法，它具有波长控制精度高、电路体积小的优点并且由于其功耗低，大大降低了系统功耗，缓解了系统的散热问题。
热电温度控制原理
在DWDM系统中,对波长稳定性的要求十分严格。例如，对于采用0.8nm信道间隔的DWDM系统，一个0.4nm 的波长变化就能把一个信道移到另一个信道上。在典型的系统中,光源波长稳定是通过控制激光器管芯温度而实现的。通过热电制冷器(TEC)，管芯的温度可以被稳定在一个恒定的值上，普通的激光器波长的温度依赖性典型约为0.08nm/℃。
TEC控制器按输出的工作模式可以分成线性模式和开关模式。传统WDM的热电温度控制多采用线性模式的TEC控制器，虽然具有电流纹波小且容易设计和制造的优点，但功率效率低、波长控制精度不高，电路集成度较低。
本文采用的ADN8830芯片是开关模式的单芯片TEC控制器，其原理框图如图1所示。它是一个闭环控制系统，通过负温度系数热敏电阻检测附于TEC上的激光器管芯温度并将其转换为电压值，与来自于DAC的模拟输入温度设置电压进行比较，产生一个误差信号经由PWM(脉宽调制)控制器驱动TEC来稳定激光二极管的温度。系统的反馈环路通过高稳定性，低噪声的PID(比例积分控制)补偿网络构成，通过调整PID参数可以改变系统响应特性。
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| 图1 ADN8830单片TEC控制器原理图 |
ADN8830单芯片TEC控制器的主要优点：(1)控制精度高。采用高精度误差放大器作为输入级，它具有自校正、自稳零、低漂移的特性，最大漂移电压低于250mV，在典型应用中，使目标温度误差低于±0.01℃。(2)系统功耗低。在线性模式控制器中，一般采用推挽电路作为输出级，其功率效率低；开关模式控制器采用MOSFET开关管，导通时电阻很小，大大降低了系统功耗。(3)集成度高。它采用5mm×5mm LFCSP封装，所有的控制器件都集成到一颗芯片里。
性能测试结果分析
采用电吸收调制激光器、VSC7937调制驱动器和ADN8830 TEC温度控制器构成光发射机，进行了高低温测试。
采用ADVANTEST Q8326波长计，在环境温度为室温(26℃)、高温(52.1℃)、低温(-20℃)条件下，对光发射模块波长稳定性进行测试。
温度实验测试结果见表1所示。
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测试结果表明，在环境温度变化的过程中，模块发射的光波长基本稳定不变，得到很好的锁定。实验证明该控制方式具有很好的波长稳定能力。
优化设计
光发射模块在无调制信号时，用TEK CSA8000示波器对发射机光信号进行测试，测试结果如图2所示，发现光信号中有很多噪声，这势必影响光发射机的眼图质量。分析光发射机印制板设计发现，由于采用开关模式温度控制方法，激光器的偏置电流很容易受到ADN8830脉宽调制信号的干扰。
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| 图2 改进前直流信号波形 |
为了克服脉宽调制信号对其它信号的干扰，对电路原理和PCB设计进行了改进。在优化设计中，除了ADN8830芯片采用低电压模式供电以外，主要解决办法是优化电路板布局：(1)采用四层电路板设计，为了减小开关输出电流对低噪声模拟电流的干扰，将涉及PWM的电源、地与其它电源、地平面隔离。(2)使输出级电流路径最小，减小了高频电流的寄生电感，从而减小电源、地弹跳。(3)PWM信号尽量远离激光器偏置输入和调制输入。经过以上改进，有效消除了光噪声，如图3所示。
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| 图3 改进后直流信号波形 |
对该发射机模块加载速率10Gbps的伪随机电信号进行40公里传输实验，实现了24小时无误码传输，传输前后的眼图特性如图4、图5所示。
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| 图4 传输前的眼图 |
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| 图5 传输后的眼图 |
结语
通过本文中的优化设计，消除了ADN8830芯片中脉宽调制信号对其它模拟电路的干扰。利用该方法设计的密集波分复用光发射机光波长控制精度高、模块功耗低、集成度高，缓解了系统的散热问题，成功地应用到实际系统中。
(编辑 Linda）