（光學專業(yè)論文）3ns+soa高速電控光開關的研制.pdf

摭塞窯適太堂亟堂僮j 幺窯蟲塞翅蓉 中文摘要 摘要：隨著光纖通信技術的發(fā)展，帶寬瓶頸越來越成為城域網(wǎng)的主要問題克服 電子瓶頸的方法是直接進行光信號處理，即建設全光網(wǎng)。光開關和光開關矩陣在 全光網(wǎng)中也起著非常重要的作用，主要應用于全光層的路由選擇、波長選擇、光 交叉連接及自愈保護等功能。隨著通信速率的飛速增長，對光開關的開關速度等 指標提出了更高的要求。由于s o a 具有功耗低、體積小和易集成等優(yōu)點，基于s o a 的各類干涉型器件在全光信號處理領域顯示出了很大的應用潛力。 本文設計并研制出了s o a 的直流驅動電路，用于實現(xiàn)本實驗室中雙環(huán)全光緩 存器中信號光與控制光的交叉相位調(diào)制。 本文設計并研制出了基于s o a 的高速電控光開關，開關速度在3 n s 以內(nèi)。提 出并解決了系統(tǒng)研制中的主要技術，并根據(jù)s o a 半導體二極管的等效模型，首次 建立了電感耦合驅動電路模型，提出了對于電感耦合相加電路提高速率的技術途 徑該理論結果得到了實驗驗證。本題提出的該模型及結論對基于半導體器件的 高速光電轉換電路設計有重要的指導意義 關鍵詞：光開關；半導體光放大器s o a 可編程邏輯器件；驅動電路；開關速度。 a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d 鋤f i b e rc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , b o t t l e - n e c ko f b a n d w d t ha n di n s t a b i l i t yo f t r a f f i ch a v et l i n l c di n t ot h em a i np r o b l e mo f n e t w o r k s t h ew a yt oo v e r c o m et h ep r o b l e mo ft h ee l e c t r i cb o t t l e - n e c ki sp r o c e s s i n g t h eo p t i c a ls i g n a ld i r e c t l y , t h a ti st os a y , t ob u i l da l l - o p t i c a ln e t w o r k o p t i c a ls w i t c ha n d o p t i c a ls w i t c hm a u i xp l a y 鋤i m p o r t a n tr o l ei nt h ea l l - o p t i c a ln e t w o r k t h e 3 , m a i n l y a p p l y t ot h es e l e c t i o no f r o u t i n ga n dt h ew a v e l e n g t h ，a n dt ot h ef u n c t i o no f o x ci t sw e l l 舔s e l f - r e p a r a t i o na n dp r o t e c t i o n w i t ht h er a p i di n c r e a s eo f c o m m u n i c a t i o n 伐峨i th a sa h i g h e r d e m a n d o n t h es w i t c h i n gs p e e d o f o p t i c a ls w i t c h s o a h a s t h e a d v a n t a g e s o f l o w r e q u i s i t ep o w e r , s m a l lv o l u m ea n de a s yi n t e g r a t i o n a sar e s u l t , m a n yk i n d so f i n t e r f e r o m e t e r sb a s e do ns o as h o wah i g h a p p l i c a t i o np o t e n t i a li nt h ef i e l do f a l l - o p t i c a ls i g n a lp r o c e s s i n g t h ep a p e rd e s i g n sa n dd e v e l o p st h ed 酶c tc u r r e n t c ) d r i v ec i r c u i to fs o at o r e a l i z et h ec r o s sp h a s em o d u l a t i o n ( x p m ) f o rd u a l l o o po p t i c a lb u f f e r ( d l o b ) i nt h e l a b t h ep a p e r d e s i g n sa n dd e v e l o p st h eh i g h s p e e do p t i c a ls w i t c hb a s e do ns o a ，w i t h t h es p e e dl e s st h a n3 n s a l s o , t h ep a p e rp r e s e n t sa n ds o l v e sm a i nk e yt e c h n o l o g yo f s y s t e mm a n u f a c t u r i n g f o rt h ef a s tt i m e ，a c c o r d i n gt ot h ee q u i v a l e n tm o d e lo fs o a s e m i c o n d u c t o rd i o d e , t h em o d e lo f i n d u c t a n c ec o u p l i n gd r i v ec i r c u i ti sp r o p o s e d ，w h i c h c a nh e l pt oe l l h a n c et h es p e e do fi n d u c t a n c ec o u p l i n gd r i v ec i r c u i tg r e a t l y t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw o v et h ec o r r c c 協(xié)e s so ft h i st h e o r y t h em o d e la n dc o n c l u s i o n s g i v e nb yt h i sp a p e rh a v ei m p o r t a n tg u i d a n c em e a n i n gt ot h ed e s i g no fh i g h - s p e e do e c o n v e r s i o ne l e c t r i cc i r c u i tb a s e do ns e m i c o n d u c t o r a p p l i a n c e s k e y w o r d s o p t i c a ls w i t c h ；s o a ；p l d ；d r i v ec i r c u i t ；s w i t c h i n gs p e e d 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解北京交通大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定。特 授權北京交通大學可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索， 并采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學校向國 家有關部門或機構送交論文的復印件和磁盤 ( 保密的學位論文在解密后適用本授權說明) 學位論文作者簽名： 簽字日期：年月日簽字日期：2 一，f 年，。月2 名 致謝 在本論文即將完成之際，我也要馬上告別碩士研究生這段令人終生難忘的歲 月，本論文的工作是在我的導師吳重慶教授的悉心指導下完成的，從論文的開題 到論文的最終定稿，每一個步驟無不凝聚著吳老師的心血和智慧，吳老師學識淵 博、治學嚴謹，吳老師胸懷坦蕩、淡泊名利，吳老師對我的諄諄教導和言傳身教 使我不僅在專業(yè)知識上得到了長足的進展，學到了許多科學的研究方法，更重要 的是學習到了寶貴的做人道理，這些都將使我終生受益在此衷心感謝三年來吳 老師對我的關心和指導。 盛新志教授、王智教授對于我的科研工作提供了寶貴的意見，在此表示衷心 的謝意。 李亞捷博士悉心指導我完成了實驗室的科研工作，在光開關的研制始終，李 亞捷師姐實時關心著過程中的每一個細節(jié)；同時在學習、工作和生活上給予了我 很大的支持和幫助；在撰寫論文期間，也提供了很多實質性的修改意見，在此向 李亞捷師姐表示衷心的感謝。 王擁軍博士在電路設計和調(diào)試方面都提供了很多建設性的建議和意見，這些 寶貴的建議和意見對我能夠按時完成科研任務起到了重要的作用，在此向王擁軍 博士表示衷心的謝意。 在實驗室工作期間，我衷心感謝付松年博士、程木博士、李政勇博士、魏斌 博士、田昌勇博士，他們嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、孜孜不倦的求是精神潛移默化的影響 了我，鞭策著我在未來的人生之路上要不斷進取；陳春楨、倪東、孫士杰、盛積 業(yè)、高華麗師兄師姐對我論文中的方案設計和電路設計的研究工作給予了熱情幫 助，在此向他們表達我的感激之情。感謝劉琦、李贊、姜楠、劉曉冬、王丹、黃 濤、劉衍飛，與他們兩年半朝夕相處的日子是我一生的精神財富；感謝王亞平、 趙爽、高凱強、彭鵬、楊雙收、趙陽、張建亮、郭偉青、李欣蓓師弟師妹們，在 與他們相處的一年里，我感受到了兄弟姐妹般的關懷，讓我沐浴在家庭般溫馨般 的環(huán)境中學習生活，感謝張立軍、余貺碌、趙瑞、孫廣娜、王雪、馮震等師弟師 妹在我撰寫論文期間給予的熱心幫助。 感謝我的摯友們和他們提供的兄弟般的友誼，這將是我終生的寶貴財富。 最后，感謝我的父母和弟弟，感謝父母對我的養(yǎng)育之恩、無私的愛、經(jīng)濟和 精神上的巨大付出。雖然在千里之外，卻一直默默地全心全力支持我、鼓勵我和 關心我，沒有父母和弟弟的理解和支持，我不可能在學校專心完成我的學業(yè)父 母和弟弟對我的愛，我會永遠銘記在心。 1 1 光開關 第一章引言 光開關與光開關陣列是光纖通信系統(tǒng)中重要的光器件，隨著光纖通信技術的 發(fā)展，特別是數(shù)據(jù)通信和密集波分復用( d w d m ) 系統(tǒng)的應用，復雜的網(wǎng)絡拓撲 對可靠、靈活的網(wǎng)絡控制了強烈的需求，網(wǎng)絡結構的動態(tài)優(yōu)化、路由選擇、保護 和自愈等網(wǎng)絡功能已成為關鍵，這一切都離不開光開關【l 】 目前，在光纖通信網(wǎng)中各種不同交換原理和實現(xiàn)技術的光開關被廣泛地提出 來不同原理和技術的光開關具有不同的特性，適用于不同的場合依據(jù)不同的 光開關原理，光開關可分為：電控光開關和光控光開關兩類。機械光開關、熱光 開關、電光開關、聲光開關等都屬于電控光開關 目前常用的光開關有以下幾種：m e m s 光開關、噴墨氣泡光開關、熱光效應 光開關、液晶光開關、全息光開關、聲光開關、液體光柵光開關、s o a 光開關等。 隨著新技術的發(fā)展，將有更多類型的光開關出現(xiàn)。 1 1 1 光開關的主要性能參數(shù) 開關速度：切換速度是衡量光開關性能的重要指標當從一個端口到另一個 端口的開關時間達到幾個m s 時，對因故障而重新選擇路由的時間已經(jīng)夠了。如對 s d f f s o n e t 來說，因故障而重新選路時，5 0 m s 的開關時間幾乎可以使上層感覺 不到。當開關時聞到達n s 量級時，可以支持光網(wǎng)絡的分組交換，這對于實現(xiàn)光通 信網(wǎng)是十分重要的。 損耗：當光信號通過光開關時，將伴隨著能量損耗。依據(jù)功率預算設計網(wǎng)絡 時，光開關及其級聯(lián)對網(wǎng)絡性能的影響很大損耗和干擾將影響到功率預算。光 開關損耗產(chǎn)生的原因主要有兩個：光纖和光開關端口耦合時的損耗和光開關自身 材料對光信號產(chǎn)生的損耗。一般來說，自由空間交換的光開關的損耗低于波導開 關的光開關。如液晶光開關和m e m s 光開關的損耗較低，大約1 2 d b 。而鈮酸鋰 和固體光開關的損耗較大，大約4 d b 左右。損耗特性影響到了光開關的級聯(lián)，艱 制了光開關的擴容能力。 可靠性：光開關要求具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在某些極端情況下，光開 關可能需要完成幾千幾萬次的頻繁動作。有些情況( 如保護倒換) ，光開關倒換的 次數(shù)可能很少，此時，保持光開關的狀態(tài)是更主要的因素如噴墨氣泡光開關。 如何保持其氣泡的狀態(tài)是需要考慮的問題 很多因素也會影響光開關的性能，如光開關之間的串擾、隔離度、消光比等 都是影響網(wǎng)絡性能的重要因素。 1 1 2 光開關的應用范圍 光開關是全光交換的關鍵器件，可以實現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、交 叉連接以及自愈保護功能。目前光開關主要應用在以下幾個方面【2 】： 光交叉連接( o x c ) ；在w d m 全光傳送網(wǎng)中，o x c 是設備的交換核心，它的 功用是將一個波分復用( w d m ) 系統(tǒng)輸出的波長插入到另一個w d m 系統(tǒng)中o x c 主要應用于骨干網(wǎng)，對不同子網(wǎng)的業(yè)務進行匯聚和交換。 實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動保護：光開關通常用于網(wǎng)絡的故障恢復，這種保護通常只需 要最簡單的i x 2 光開關 網(wǎng)絡監(jiān)視功能：使用簡單的i x n 光開關可以將多纖聯(lián)系起來。當需要監(jiān)視網(wǎng) 絡時，只需在遠端監(jiān)測點將多纖經(jīng)光開關連接到網(wǎng)絡監(jiān)視儀器上( 如o t o r ) ，通 過光開關的動作實現(xiàn)網(wǎng)絡在線監(jiān)測 光纖通信器件測試；通過i x n 光開關，可以通過監(jiān)測光開關的每個通道信號來 測試器件，使用光開關同時測試多個器件，從而簡化測試，提高效率 光分插復用( o a d m ) ：o a d m 是光網(wǎng)絡的關鍵設備之，通常用于環(huán)行的城域 網(wǎng)和骨干網(wǎng)，實現(xiàn)單個波長和多個波長從光路上自由上下實現(xiàn)o a d m 光信號上 下路的具體方式很多，但大多數(shù)情況下都應用了光開關，主要是2 2 光開關 1 2 典型光開關介紹 上一節(jié)中我們對光開關的分類，主要性能參數(shù)和應用范圍作了簡單的介紹。 就目前而言，光纖通信系統(tǒng)中應用比較成熟的是機械式光開關下面就幾種典型 的光開關作簡單的介紹1 3 】。 一、機械式光開關 目前應用得最為廣泛的是傳統(tǒng)的l x 2 和2 x 2 機械式光開關。其主要優(yōu)點是損 耗小，易于實現(xiàn)鎖定，缺點是開關時間為m s 量級，體積大，單個器件難以做成4 x 4 以上的開關陣列，只能通過級聯(lián)實現(xiàn)。近年來主要的研究方向集中于微電子機械 光開關( m e m s ) ，主要是利用移動光纖或者利用微鏡反射原理進行光交換的光開 關，它將光、電和機械集成在一片芯片，能透明的傳送不同速率、不同業(yè)務的協(xié) 2 議 二、波導型光開關 波導型光開關是近年來發(fā)展起來的一種光開關，它采用波導結構，主要利用 電光、熟光、聲光和磁光效應來進行控制，近幾年研究較多的主要是基于電光和 熱光效應最一般的介質波導是平面波導結構，它由襯底、薄膜層和覆蓋層組成， 由于其體積小，可用于大規(guī)模的o x c 器件中 三、液晶光開關 液晶光開關是根據(jù)其偏振特性來完成交換的，其工作狀態(tài)是基于對偏振的控 制，每一個開關元件包括兩個基本組件：液晶片和光柬方向器。液晶在電壓作用 下改變光的偏振方向，光束方向器則能把光束反射到由l c 片決定的光路徑( 有兩 個可選擇路徑) 。由于液晶的電光系數(shù)很高，使液晶材料成為很有效的光電材料 電控液晶光開關的交換速度可以達到亞微妙級，可以通過加熱液晶來提高速度， 但不可避免地會使設備功耗增加。 四、全息光開關 全息光開關是通過全息反射。在晶體內(nèi)部形成布拉格光柵。當加電時，布拉 格光柵把光反射到輸出端口；反之，光就直接通過晶體。利用這種技術可以很容 易的組成上千端口的光交換系統(tǒng)，同時它的開關速度很快，只需要幾個璐就可以 實現(xiàn)波長間的轉換，由于全息光開關沒有可移動器件，因此它的可靠性很高。表 1 - 1 列出了常見光開關的性能參數(shù) 表1 1 常用光開關參數(shù) 光開關類型損耗開關比串擾透過率開關速度功耗其他 ( 1 5 u r n ) m e m s 小很小 - 8 0 d b 極好 一1 0 u s 小 機械式光纖小* l t d , - 6 0 d b 極好 5 m s 小 開關 機械空間光 小 l t d , - 6 0 d b 一般 - - , 5 0 m s 小 p d l 開光 l 甜b 0 3 光開大一般一般好 m s 小 p m d 關 i i i v 族化合大小 - 4 0 d b 一般 叫i s 小可集成 物光開關 s i 基光開關較大小 - 2 0 d b 一般 山s 大可集成 3 ( s o i ) s i 0 2 基光開關較大 小 - 4 0 d b 一般 幾u s 大 可集成 s o a 門光開可忽小 - 4 0 d b 一般 n s 小有增益 關略 聚合物光開 大小 - 1 8 d b 一般 n s 大 關( y 分支) 1 3 光控光開關 電控光開關構成的開關系統(tǒng)都是電開關矩陣，這意味著輸入的控制光信號要 先變換成相應的電信號，才能對開關進行控制，不便于全光網(wǎng)使用。最具發(fā)展?jié)?力的還是光控光開關，使用光控光開關是全光網(wǎng)的發(fā)展方向，盡管在目前大多數(shù) 光控光開關還處于實驗室開發(fā)階段，相信不久將會生產(chǎn)出滿足核心光網(wǎng)絡所需交 換密度的全光開關?，F(xiàn)在光控光開關已經(jīng)提出了多種方案，其中比較成熟的有非 線性光學環(huán)路鏡n o l m 、t o a d 等。本節(jié)主要分析了光控光開關的結構和原理【4 】 一，基于半導體光放大器s o a 光開關 基于半導體光放大器s o a 的光開關有兩種基本結構，一種是利用它的增益飽 和特性，稱為s o a - x g m 型；另一種利用它的交叉相位調(diào)制特性，稱為s o a - x p m 型，在s o a - x g m 型中，當輸入信號光( 強光) 變化時，s o a 對連續(xù)光增益隨之變化， 從而改變輸出光的光平。這種邏輯門結構簡單，可達4 0 g b s 的速率，但缺點是消光 比較差，有自發(fā)輻射噪聲，信噪比較低，難于級聯(lián)。在s o a - x p m 型中，當輸入信 號光變化時，改變s o a 的折射率，從而改變兩個臂的相位差，經(jīng)干涉后改變輸出 光的光平。這種結構相對于前一種來說，消光比有所改善，可達1 5 d b ，但s o a 本身 的噪聲特性仍然比較大，噪聲指數(shù)可達8 - - 1 0 d b ，因與光纖耦合較難，凈增益相對 比e d f a 小，不利于多級級聯(lián)。在實際構成o x c 時，其輸入端和輸出端仍需另加兩 個e d f a ，因此將導致總體積增大。而且在s o a 中，x p m 與x g m 是同時存在的， 控制光在引起相位變化的同時，幅度也隨之變化，這將導致干涉效果不穩(wěn)定 二，非線性光纖環(huán)路鏡( n o l m ) 圖1 1 為n o l m 光開關的結構示意圖，它是根據(jù)光纖的s a g n a c - t 涉原理制成， 其中包括功率耦合比為5 0 ：5 0 的2 x 2 耦合器，連接耦合器兩臂的光纖環(huán)路，將控制脈 沖引入導出環(huán)路的波分復用( w d m ) 耦合器和偏振控制器( p c ) 。光纖環(huán)路作為克爾 介質，非線性作用( 交叉相位調(diào)制) 就在其中完成。如不加控制光，從圖中的n o l m 4 端口l 輸入信號光在端口3 、4 分成具有等強度的相反方向傳輸?shù)膬墒猓⒀毓饫w 環(huán)路繞行一周反射回l 端口。2 端口( n o l m 的輸出端) 完全沒有輸出，就像全反射 鏡一樣。如果通過波分復用( w d m ) 藕合器順時針方向引入控制光脈沖到光纖環(huán)路 中，由于交叉相位調(diào)制。與控制光同方向傳輸并在時域上相互重疊的那部分脈沖 信號光將經(jīng)歷更大的非線性相移。這樣導致兩個方向上脈沖信號光產(chǎn)生相位差， 從而使n o l m 輸出端有輸出，實現(xiàn)了開關操作。根據(jù)控制光與信號光波長與偏振 方向的關系，一般將n o l m 分為兩類：一是波長不同，偏振方向相同：二是波長 相同，偏振方向正交。前者結構簡單，開關速度快，開關能量低( s o u t c wv o l t a g e ” 圖2 - 7l r f 4 6 0 漏極特性曲線 一u拿s甚善il。6j n 使用漏電小、損耗小、吸附效應小的高質量產(chǎn)品；電路中在i c l 7 6 5 0 的o u t p u t 端接入濾波網(wǎng)絡，用來濾去i c l 7 6 5 0 模擬開關換向所帶來的斬波尖蜂噪聲，減小輸 出電壓中的過沖叫 2 3 2 溫控電路 半導體光放大器對溫度的變化是很敏感的，溫度的變化和器件的老化給半導 體光放大器帶來很大的影響，包括輸出光功率、輸出光波長、使用壽命等。溫控 電路的作用就是使半導體光放大器工作在恒定的溫度。 半導體光放大器利用熱電制冷器( 骶犯) 作為冷熱源。它的最大工作電流為 1 5 a ，一個t e c 是一個半導體p - n 結器件，利用帕爾貼( p e l t i e r ) 效應來制冷或加 熱。在t e c 兩端加上一個直流電壓就會產(chǎn)生一個直流電流，這會使t e c 的一個面發(fā) 熱，另外一個面制冷。把t e c 兩端的電壓反向也會導致冷熟面相反t e c 可以移去的 熱量與流過t e c 的電流值有關。當電流越大，移去的熱量越多，但這并非是一種線 性關系。因此，激光器的p n 結溫度可以通過控制流過t e c 兩端的電流方向和幅度 來控制。但是t e c 的電流一旦超過某個最大值，t e c 就不再制冷而只是會發(fā)熱了， 因此一個好的系統(tǒng)設計應該避免這種情況的發(fā)生i l “。 實驗中使用的半導體光放大器含有一個能夠檢測半導體光放大器結溫度的熱 敏電阻，其阻值在2 5 1 c 的情況下為1 0 k f l ( 而實際熱敏電阻的阻值并不是嚴格等于 產(chǎn)品說明書上所給的阻值，在實際應用之前，最好用測量工具測量一下) 熱敏電 阻檢測出溫度的變化，該信號經(jīng)過放大后，去控制制冷器的制冷電流。利用激光 器內(nèi)部的熱敏電阻構成反饋電路電橋的一臂，這樣可以檢測出激光器的結溫，從 而控制對應電路來實現(xiàn)實時監(jiān)測溫度變化，并相應的調(diào)整制冷電路中的電流。我 們采用達林頓管對管電路來提供制冷電流( 該器件最大可以提供1 5 a 的電流) ，而 對管的設計可以對制冷器提供兩個方向的電流控制。實驗系統(tǒng)中設計的溫度提取 - s v 圖2 - 8溫控電路 電路采用兩級減法器，可以控制溫度的變化范圍比較大為了能夠提供合適的制冷 電流我們對提取的溫度變化信號進行6 倍的放大( 實驗表明設計豹制冷電路是實 用的) 如圖2 - 8 所示，熱敏電阻r t 接在電橋的一個臂上，在設定的溫度下，電橋 的狀態(tài)應剛好處在使制冷器沒有電流流過，而當溫度升高或者降低時，制冷器開 始工作熱敏電阻具有負溫度系數(shù)，電橋狀態(tài)的變化自動控制制冷量的大小，從而 維持激光器的結穩(wěn)不高于設定的溫度 但是這種溫度控制電路只能使半導體光放大器工作在一個恒定的溫度，具體 s o a 的工作溫度是多少我們不得而知，因而不能把它精確的控制在萊一個溫度， 在電控光開關的設計方案中提出了一種新的溫控方案，可以把溫度精確的穩(wěn)定在 0 i 。c 以內(nèi)，具體請見第四章。 2 3 3 保護電路 保護電路主要包含電源慢啟動保護，過流保護、反向沖擊電流保護 電源慢啟動保護：在電路中，整體電路的所有器件一般都是共用一組電源。 為了防止接通電源時s o a 的電流瞬態(tài)過沖，電路中在上電部分采用r c 組成 i m s - 1 0 m s 的低通濾波器，在接通電源之后，電源部分約經(jīng)過l m s - 1 0 m s 之后，偏 置電流才達到穩(wěn)定值，防止了接通電源瞬間沖擊電流對半導體光放大器的損傷。 過流保護：s o a 的直流工作狀態(tài)可以通過調(diào)整通過s o a 的工作電流來調(diào)節(jié)， 但是注入s o a 的電流不能羞過3 0 0 m a ，如果超過這個上限，s o a 就會受到損傷 或者燒壞。所以必須要采取一定的保護措施強制使電流的變化限定在一個范圍內(nèi)， 這樣即使存在誤操作也是能夠避免對s o a 造成重大的損壞。 沖擊電流保護：s o a 在上電或者斷電的時候可能會受到?jīng)_擊電流或電壓的破 壞，我們在s o a 的正負極兩端并聯(lián)一只肖特基二極管，同時并聯(lián)了一個r c 串聯(lián) 電路，因為肖特基二極管的節(jié)電容小，反向恢復時問短，故不影響s o a 的工作。 當沖擊電流出現(xiàn)時，肖特基二極管迅速導通泄放，r c 串聯(lián)電路充放電，從而避免 s o a 受沖擊而損壞，起到了保護的作用。 另外，半導體二極管對瞬問電壓和電流非常敏感，同時人體感應的靜電電壓 很高，最高時達到2 萬伏，在處理時如果操作不當，極有可能擊穿二極管，為了 防止對器件造成永久性的損害和損傷，因此需要采取一定的防護措施。決不能在 二極管的周圍使用能夠提供瞬間能量的器具，比如電烙鐵和探測器。在使用激光 二極管時，必須使用或穿戴靜電手鐲或靜電釋放工具 2 4 直流驅動電路測試 半導體光放大器s o a 本身是非常昂貴的器件，在將s o a 安裝到我們的驅動電 路板上之前，我們必須對電路板進行嚴格的性能測試和實際工作環(huán)境等效模擬， 在確定電路板沒有任何問題后，才能將s o a 安裝到驅動電路板上 2 4 1 溫控電路測試 文章的前面已經(jīng)提到，為了使s o a 在工作時能夠處于一個比較穩(wěn)定的工作溫 度范圍內(nèi)，我們需要對其進行溫度控制 在室溫2 5 時，我們實際測得s o a 內(nèi)部的熱敏阻值為9 6 l 【q ，制冷器的 等效阻值經(jīng)我們實際測量，在2 4 跏3 2 n 2 間( 隨著輸入電流的不同而變化) ，因 此我們采用2 0 k q 的電位器模擬熱敏阻值，采用2 5 f l 的電阻模擬制冷器t e c 。我們 通過調(diào)節(jié)電位器得到不同的熱敏阻值，對應于制冷電流的輸出，如表2 - 2 所示( 以 下測試是在室溫2 5 時測得的數(shù)據(jù)) 。 表2 - 2溫控電路測試 熱敏阻值( k )致冷電流輸出( m a ) 9 6 02 9 5 25 0 9 4 1l o o 9 3 01 5 0 9 1 92 0 0 9 0 9 2 5 0 8 9 73 0 0 8 7 94 0 0 8 5 45 0 0 8 3 55 7 0 由上表可以看出，溫控電流的最大輸出為5 7 0 m a ，熱敏電阻阻值隨溫度變化 可以由以下關系表示：在某一溫度時熱敏電阻所具有的電阻值，等于其前一溫度 的電阻乘以系數(shù)o 9 7 。因此由實驗結果可以得知，當s o a 的內(nèi)部溫度由2 5 升到 2 c c 時，大約由1 5 0 m a 的致冷電流輸出。 當我們將s o a 上到驅動電路板上后，隨著工作電流的增大，致冷電流的最大 輸出沒有超過1 0 0 m a ，可以得知s o a 工作時的內(nèi)部溫度沒有超過2 6 。致冷電路 工作正常。 由于我們采用達林頓管提供致冷電流，在實際測試中我們發(fā)現(xiàn)，達林頓管基 1 4 級和發(fā)射級間有i 2 v 左右的壓降，這樣工作起來影響了溫控電路的敏感性和輸出 電流的大小。因此我們需要調(diào)節(jié)橋式電路參考臂的電阻，使得放大器的輸出電壓 在溫度變化之前有1 2 v 的輸出。保證溫控電路的敏感性和瞬時響應 2 4 2 沖擊電流保護 由于本驅動電路只是單純的直流驅動電流，所以不用考慮s o a 半導體二極管 的阻性和容性，因此在實際測試中我們采用1 0 q 的電阻模擬半導體二極管，圖2 - 9 和圖2 1 0 分別為未加保護電路和加保護電路后，上，斷電時在模擬電阻的兩端采集 到的波形。 圖2 - 9 未加保護電路時測到的沖擊電流 圖2 - 1 0加保護電路時測到的沖擊電流 從以上的測試波形可以看出，沖擊電流保護電路有效的避免了上電時沖擊電 流的產(chǎn)生，起到了保護的作用。 除此之外，我們還有對原有電路在真實模擬情況下進行烤機測試，每次保證 電路的工作時間在3 個小時以上持續(xù)測試一周左右，在整個烤機測試過程中， 一定要實時監(jiān)測電路的工作情況，保證驅動電路的穩(wěn)定工作以免以后在驅動電 路板上$ o a 后造成不必要的隱患。 2 5s o a 測試 半導體光放大器s o a 在雙環(huán)全光緩存器中起著非常重要的作用作為非線性 相移元件，s o a 一方面使信號光與控制光產(chǎn)生交叉相位調(diào)制( m ) ，在兩束沿不 同方向傳輸?shù)男盘柟庵g引入相移，這樣信號光才能在緩存器中緩存；此外，當 信號光通過s o a 時，它會對其產(chǎn)生功率放大，起到環(huán)路功率補償?shù)淖饔?，這樣信 號光就能在緩存器中緩存更長的時間。因此，半導體光放大器性能的好壞也是相 當重要的。為了全面了解s o a 的工作性能和特點，以便于應用于實際當中，我們 有必要對s o a 的進行測試，測試主要包括a s e 噪聲測試和放大性能測試。 2 5 1a s e 噪聲測試 半導體光放大器是一種基于受激輻射的相干光放大器，同時又存在著自發(fā)輻 射，自發(fā)輻射是一種固有的非相干輻射，是一種噪聲。輸入相干光通過光放大器 后得到了放大，同時也引入了自發(fā)輻射噪聲a s e ，因此，在研究半導體光放大器 的特性時，必須分析其噪聲特性。實驗系統(tǒng)圖如圖2 一l l 所示： 薯動t 贏咻 圖2 1 2a s e 輸出曲線圖 s o a 兩端口的自發(fā)輻射噪聲分輸入到兩個光功率計中進行測量。驅動電路通 過調(diào)節(jié)輸出不同的直流驅動電流測試中我們?nèi)◎寗与娏髟趏 2 0 0 m a 范圍內(nèi)，每 f 目隔1 0 m a 取一次值，s o a 的自發(fā)輻射噪聲a s e 與驅動電流i 的關系曲線如圖2 - 1 2 所示，數(shù)據(jù)如表2 - 3 所示。 表”s o a 的a s e 輸出 s o a 的自發(fā)輻射噪聲 驅動電流r n a左側輸出u w右側輸出u w o0 0 3 4 90 0 3 9 4 1 00 4 9 2 90 5 2 3 8 2 01 3 2 91 3 7 8 3 02 7 8 72 7 2 7 4 04 8 7 44 7 6 5 08 2 1 57 7 9 6 6 01 2 7 91 2 1 3 7 01 9 2 ll8 3 8 02 8 0 22 6 8 7 9 03 9 8 43 8 0 3 1 0 05 5 3 55 3 5 3 l l o7 4 2 37 1 5 2 1 2 09 8 4 39 6 0 9 1 3 01 2 81 2 5 1 4 0 1 6 3 31 6 1 7 1 5 02 0 6 12 0 3 2 1 6 02 5 4 32 5 2 6 1 7 0 3 1 0 63 0 9 1 8 03 7 5 33 7 5 7 1 9 04 4 7 54 4 8 4 2 5 2 直流信號光放大測試 在測量a s e 噪聲的同時，我們還需要了解s o a 對輸入光信號的放大作用。圖 2 - 1 3 為實驗系統(tǒng)測試框圖： 1 7 圖2 - 1 3實驗系統(tǒng)測試框圖 我們調(diào)節(jié)輸入的光波長為1 5 5 6 5 6 0 r i m ，輸入光光功率從o 5 m w - 2 m w 范圍內(nèi)， 每間隔0 2 5 m w 取值，表2 - 4 為分別測試在不同電流下的增益情況 袁2 4直流光信號增益 輸入光功率( m w ) o 5 00 7 51 0 0 1 2 51 5 01 7 52 0 0 s o a 驅動電流( m a ) 5 00 8 80 1 1 60 1 2 70 1 7 9 0 2 2 30 2 4 10 2 6 6 6 00 2 2 90 3 0 20 3 2 20 4 5 40 5 5 10 5 7 3 0 6 2 9 7 00 4 6 9 0 6 1 70 6 5 3o 8 81 0 41 0 9 l - 1 8 8 00 8 1 21 0 31 1 01 4 31 6 61 7 21 8 7 9 01 2 4l5 61 6 62 0 92 2 92 4 72 6 4 1 0 01 7 52 1 62 3 32 8 03 0 53 2 83 4 6 1 1 02 3 32 8 43 0 53 5 7 3 8 3 4 1 4 4 3 1 1 2 02 9 43 5 23 9 24 3 6 4 6 6 5 0 0 5 2 2 1 3 03 5 94 2 54 6 75 1 95 4 95 8 96 1 l 1 4 0 4 2 8 5 0 0 5 4 56 0 36 3 36 8 17 0 0 1 5 04 9 65 7 66 3 06 8 67 1 77 7 17 9 8 1 6 05 6 76 5 27 1 07 7 3 8 0 2 8 6 l8 8 6 1 7 06 3 97 3 07 8 98 5 78 8 49 5 19 7 6 1 8 07 0 9& 0 58 6 8 9 3 99 6 8 1 0 3 01 0 6 0 1 9 07 8 18 8 39 4 7l o 2 0 1 0 5 0 1 1 2 01 1 5 0 2 0 08 5 09 5 31 0 0 01 0 8 0l l - 2 01 2 1 01 2 4 0 增益飽和特性是s o a 的重要特性，當作為功率放大器時，希望有較寬的線性 放大區(qū)，即不易達到增益飽和；而作為非線性元件時，比如實現(xiàn)交叉增益調(diào)制、 交叉相位調(diào)制，要求工作于增益飽和區(qū)，希望具有較小的增益飽和功率。 圖2 1 4 給出了實驗中使用的s o a 工作電流在5 0 m a 2 0 0 m a 之間變化時的放 大特性曲線，曲線的斜率即為增益。通過曲線可以看出，s o a 對輸入光信號放大 0 4o 0 , 8 01 上1 輸入光功率，m w 圖2 1 4 s o a 贏流光信號放大曲線 是在輸入驅動電流為8 0 m a 時開始的。通過該曲線可以看出，當輸入光功率為定 值，s o a 的輸出光功率隨工作電流的增加而增加，即s o a 工作電流越大，信號光 所獲得的增益也越大。此外當s o a 工作電流為定值時，輸入光功率不斷增大時， 輸出光功率變化較慢，即隨之輸入光功率的增加s o a 的輸出光功率出現(xiàn)飽和 3 2 ，o 9 e 7 e s 4 3 2 1 毫毗，骨霄裝茁舞 第三章可編程邏輯器件 3 1 可編程邏輯器件的發(fā)展歷程 隨著微電子技術的發(fā)展，設計與制造集成電路的任務已不完全由半導體廠商 來獨立承擔。系統(tǒng)設計師們更愿意自己設計專用集成電路芯片，而且希望設計周 期盡可能短，最好是在實驗室里就能設計出合適的a s i c 芯片，并且能夠立即使用， 因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件，其中應用最廣泛的當屬現(xiàn)場可編程門陣列 ( f p g a ) 和復雜可編程邏輯器件( c p l d ) 目前廣泛應用的可編程邏輯器件無論是在結構、工藝、集成度方面，還是在功 能、速度和靈活性方面都有了很大的改進和提高?？删幊踢壿嬈骷呀?jīng)成為當今 世界上最富有吸引力的半導體器件，在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計中扮演著越來越重要的 角色 3 2i s p m a c h 4 0 0 0 系列c p l d 3 2 1 器件性能 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件是一種低功耗超快速的c p l d ，它以低動態(tài)功耗實現(xiàn) 了領先的速度性能，同時支持3 , 3 v 與2 5 v 之間的i o 標準。對于有限供電電源場合， 設計者在使用c p l d 設計和實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)時，最基本的也是最關心的是如何達到低 功耗，同時達到系統(tǒng)的可靠性1 1 3 】【1 4 1 。 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件可提供相當?shù)偷墓模捎玫凸牡姆且资赃壿媶?元等新技術使靜態(tài)電流降到l m a 。1 8 v 內(nèi)部電壓為該系列器件降低了動態(tài)功耗， 因此i s p m a c h 4 0 0 0 系列器件比同類器件的功耗要低得多。 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的結構為使用者提供了很寬的設計范圍，該系列有6 種不同的密度可供選擇，從3 2 至5 1 2 個宏單元，并有多種先進的封裝形式和i ，o 選擇，i o 的端數(shù)為3 0 - , 2 0 8 。 l s p m a c h 4 0 0 0 系列器件增強了系統(tǒng)集成能力，支持3 3 v ( 4 0 0 0 v 系列) 、2 5 v ( 4 0 0 0 b 系列) 和1 8 v ( 4 0 0 0 c 系列) 供電電壓，以及3 3 v 、2 5 v ，1 8 v 接口電 單元) o 似：厶。( 疵：) 4 0 33 22 54 0 03 0 ，3 2 4 4 4 8 - t q f p 2 b ，c ，、7 4 0 46 42 54 0 03 0 ，3 2 ，6 4 4 4 4 8 1 0 0 - t q f p 魄| c n 4 1 21 2 82 73 3 3 6 4 ，9 2 1 0 0 1 2 8 - t q f p 2 5 1 8 8 b ，( ：，v 3 3 4 2 5 2 5 63 o3 2 26 4 ，1 2 8 ，1 6 1 0 0 1 7 6 - t q f p , 6 _ b e 02 5 6 _ b g a 4 3 8 3 8 43 53 2 21 2 8 1 9 2l7 6 - t q f p 4 b | c n2 5 6 - b g a 4 5 1 2 b ，5 1 2 3 53 2 21 2 8 2 0 8 1 7 6 - t q f p c n2 5 6 b g a 壓。它還具有增強的i o 性能，如擺率控制、p c i 兼容、總線保持鎖存、上拉電阻、 下拉電阻、漏極開路輸出、熱插拔功能。表3 - l 為i s p m a c h4 0 0 0 b c n 系列器件 的主要性能。 3 2 2 基本結構 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的結構如圖3 - l 所示它由多個通用邏輯塊g l b 組 成，每個g l b 有3 6 個輸入、1 6 個宏單元。g l b 的互聯(lián)通過全局布線區(qū)g r p 來 一 翟 皇 2 圖3 - 1 i s p m a c h4 0 0 0 系列器件的結構圖 完成。輸出布線區(qū)把g l b 連接到含有多個i o 單元的i o 塊。器件中的i o 分成 兩個區(qū)，每個區(qū)有不同的供電電壓。支持多種標準，使設計者能在混合電壓環(huán)境 中實現(xiàn)設計 g l b 由可編程與陣列、邏輯分配器、1 6 個宏單元和一個g l b 時鐘發(fā)生器組 成。可編程與陣列有3 6 個輸入、8 3 個輸出乘積項。來自全局布線區(qū)的3 6 個輸入 用來在與陣列中構成7 2 根線。每根線都可以通過線與連接8 3 個輸出乘積項中的 任意一項。踟個邏輯乘積項的每一個都饋入邏輯分配器，余下的三個控制乘積項 饋入共享p t 時鐘和共享p t o e 。在送入宏單元之前，共享p t 時鐘和共享p t o e 初始信號可以選擇反向每5 個乘積項組成一個乘積項群( p r o d u c t t e r mc l u s t e r ) 第一個乘積項群為p t 0 g l b 中的每個宏單元都有一個乘積項群。 3 2 3 器件特點 1 低功耗 2 0 - 3 0 z a 的待機電流 4 0 - - 6 0 r o w 的功耗 2 超快速性能 引腳到引腳之間延時為3 5 1 2 6 5 m h z 的系統(tǒng)性能 3 易于設計 極佳的首次適配和再適配能力 4 個人全局時鐘 每個邏輯有3 6 個輸入 每個輸出多達幻個乘積項( p t ) o r p 用于引腳鎖定 密度遷移 靈活的控制、鎖定和輸出使能( 0 e ) 快速、s p e e d l o c k i n g t m ( 速度鎖定) 和寬p t 路徑 4 系統(tǒng)集成 3 3 v ( i s p m a c h 4 0 0 0 v ) 和1 8 的工作電壓( i s p m a c h 4 0 0 0 z ) 用于l v c o m s 3 3 v 接口的兼容5 v 的i o 車用溫度范圍：- 4 0 - 1 3 0 i e e e l 5 3 2 在系統(tǒng)可編程( j & 刪) i e e e l l 4 9 1 邊界掃描測試 漏極開路提供靈活的總線接口能力 可編程的上拉或者總線保持輸入 熱插拔性能 3 3 v p c i 兼容 可編程的輸出擺率 3 3 硬件描述語言 v h d l 和v e r i l o gh d l 是目前最流行的兩種硬件描述語言。其中v h d l 是1 9 8 5 年在美國國防部的支持下正式推出的它是目前世界上標準化程度最高的一種硬 件描述語言。1 9 8 7 年l e e e 將v h d l 采納為硬件描述語言標準( i 髓es t 脅1 0 7 6 ) 。 v h d l 是一種全方位的硬件描述語言，包括從系統(tǒng)到電路的所有設計層次。在描述 風格上v h d l 支持結構，數(shù)據(jù)和行為三種描述形式以及三種描述形式的混和描述方 法。因此v h d l 幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個至頂向下或至底向 上的電路設計過程都可以用v h d l 來完成【l ”。 v e r i l o gh d l 是出現(xiàn)最早的一種硬件描述語言。它的最大特點是支持混和模式 的描述，即描述的集成電路可以包括不同的抽象層次，行為層次和結構層次，并 且能用仿真程序做仿真。v e r i l o gh d l 把一個數(shù)字系統(tǒng)當作一組模塊來描述。每一 個模塊具有模塊的接口以及關于模塊i 勺容的描述。這些模塊用網(wǎng)絡互相連接，相 互通信。 相比較而言，v h d l 的復雜性等級要高一些，其它語言更加接近于硬件的概 念。v h d l 語言的應用領域最為廣泛，包括集成電路設計、印刷電路板設計和系 統(tǒng)設計等各個領域。在建模能力上，在低層次設計描述中( 門級和開關級) v h d l 對電氣模型和模擬電路模型的支持還很缺乏，但是在高層設計中( 系統(tǒng)級) ，v h d l 比其他語言顯得更加有力。v e r i l o gh d l 是專門為復雜數(shù)字系統(tǒng)的設計仿真而開發(fā) 的，本身就非常適合復雜數(shù)字路基電路和系統(tǒng)的仿真和綜合。