一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路

本发明涉及一种高速光交换机中光开关器件的高速驱动电路及其温度控制电路，属于光交换网络中高速光交换机领域。

背景技术：

1、与传统的波长交换网络相比，基于纳秒级高速光交换的光时隙网络具有高灵活性，波长资源利用率高，交换转发时延低等优势。实现光时隙交换网络的关键为支持纳秒级光路切换的快速光交换机。近年来提出的典型纳秒级光交换机的结构有2类：基于半导体光放大器soa：semiconductor optical amplifier所组成的光开关矩阵，和基于阵列波导光栅awgr：array waveguide router以及快速可调谐激光器的光交换结构。基于soa光开关矩阵的纳秒级光交换机可以在全光交换节点处进行交换转发，其灵活性更优于awgr光交换技术；且soa光交换技术中在收发端无需高速可调谐光源，其比awgr技术更具成本优势。

2、在soa光开关矩阵的设计实现中，光器件的驱动及温度控制至关重要，是保证soa光交换机能够正常工作的基础。首先，光交换机的网络控制终端一般为现场可编程门阵列fpga：field programmable gate array，其可以实现高速的数字处理，完成网络的规划及光路的路由计算，并据此在物理上配置光交换的光路切换。fpga一般输出的控制信号为电压信号，而soa所接受的驱动源为电流激励，因而在soa的驱动电路中，高频的电压开关信号到电流的转换是一个考虑要素。再者，soa对于光信号产生的功率增益与其所接受的电流大小成正比，而光交换机需要将各个端口在不同时隙下的输出光功率尽量保持一致，以使得端点处的接收机能够收到稳定功率的光信号，从而避免接收端功率均衡所产生的时延。最后，soa器件的性能对于温度的变化较为敏感，其输出光信号的消光比，光功率及信噪比均受温度变化所影响。在soa开始工作时，其温度会随着电流的注入而不断上升，有效的温度控制电路是保证soa能够稳定运行的关键。

技术实现思路

1、为了满足上述的soa光交换机正常工作所需的高速电压电流转换、动态可变电流驱动、及实时稳定温度控制相关的需求，本发明的目的是提供一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路，能够以纳秒级的转换速率将高频开关电压信号转换为相应的电流信号，能够根据输入光信号的功率值实现光开关器件soa的动态可变电流注入，能够根据soa的实时温度进行反馈并将soa的工作温度稳定于预设工作温度。

2、本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

3、本发明公开的一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路，主要由光功率监测模块、电流驱动模块和温度控制模块组成。光功率监测模块用于从输入光路中获取每个时隙之内进入光开关器件soa的光功率，还能够根据进入soa光功率的大小和所需输出光功率的大小确定驱动电流值，并将驱动电流值转化为数字信号提供给电流驱动模块，使电流驱动模块能够保持soa输出光功率的均衡。电流驱动模块用于接收来自网络控制端fpga的高速差分电压控制信号，并将高速差分电压控制信号转换为电流信号，通过电流信号控制光开关器件soa的开关和输出功率。温度控制模块利用帕尔贴效应(peltier effect)进行热控制。温度控制模块读取soa器件中温敏电阻的值，根据温敏电阻阻值，计算出soa中的当前温度，将计算出的soa中的当前温度与所设定的工作温度进行对比，得出温度差值并计算得出所需温控电流值，给以温控端口电流激励，以实现对soa的温度调控。

4、根据进入soa光功率的大小和所需输出光功率的大小以确定驱动电流的值，基于如下公式实现。

5、vout＝-ipd·rf   (1)

6、pc＝coe·vout   (2)

7、g＝pout-pc   (3)

8、g＝f(if)   (4)

9、其中：ipd为光子探测器pd的输出电流，vout为tia所输出的电压信号，pin为光功率检测模块的输出功率，其与tia的输出电压值成比例关系，乘积系数为coe。pout为所设定的输出功率，根据输入功率与所设定输出功率的差值，计算出soa应产生的增益g。由于soa的个体性能差异，不同soa所产生的增益g与注入电流if的映射关系略有不同，需要提前测试出各个soa的增益-电流关系表，将其存储于mcu中，mcu根据所需增益g查找出对应的soa注入电流iinj，再驱动压控电流源产生相应的电流值。

10、根据温敏电阻阻值，计算出soa中的当前温度，基于如下公式实现。

11、δt＝(tb-ta)＝u/(csb-csa)   (5)

12、q＝c·δt＝(pb-pa)·itec   (6)

13、itec＝c·δt/(pb-pa)   (7)

14、其中：tb为温控芯片所设定的soa工作温度，ta为soa的当前温度。soa设定工作温度与目前工作温度的差值δt可由soa温敏电阻两端的电压u，soa温敏电阻的热电系数csa，与温控芯片中热电材料的热电系数csb计算而得出。温控芯片所需从soa中带出的热量q与温度差值δt，soa温敏电阻的比热容c成比例关系。温控芯片所需注入给soa的温控电流itec则由所需调控热量q，soa温敏电阻的珀尔帖系数pa与温控芯片的珀尔帖系数pb计算得出。

15、光功率监测模块包括光子探测器pd(photo detector)、跨阻放大器tia(transimpedance amplifier)和一个模数转换器adc。光子探测器pd接收一部分的输入光信号，通过内部的光电子元器件将输入光信号转换为模拟电流信号。pd的输出被连接至跨阻放大器tia的输入，跨阻放大器tia将光子探测器pd输出的模拟电流信号转换为电压信号，并对电压信号放大至能够驱动模数转换器的电压信号。跨阻放大器tia所输出的模拟电压信号被输入至模数转换器adc，以对输入模拟电压值进行数字化得到电流驱动模块所需的数字信号，将该数字信号提供给电流驱动模块，使电流驱动模块能够保持soa输出光功率的均衡。

16、电流驱动模块包括一个微处理器mcu、数控电流源、差分电压接收芯片和高速电压电流转换芯片。微处理器mcu接收来自于功率监测模块的数字信号，通过计算得出所需提供给soa的电流值，并将计算后的电流值以数字信号的方式输出至数控电流源。数控电流源根据所接收的驱动信号，产生恒定大小的参考电流，并将参考电流输出至高速电流电压转换芯片。高速电流电压转换芯片用于接收来自网络控制端fpga的高速差分开关电压控制信号，将开关控制电压信号转换为同波形电流输出，输出电流的幅度与所接受的参考电流的值成线性关系，该电流信号将控制光开关器件soa的开关和输出功率。

17、温度控制模块利用soa自身的温敏电阻作为温度传感器，使用集成温控芯片来产生反馈电流激励，通过电流激励soa的温控端口，以实现对soa的温度调控。集成温控芯片的温度传感器端口与soa的温敏电阻端口相连，且soa的温控端口tec+与tec-端口与温控芯片的tec+与tec-端口直接相连。

18、本发明还公开的一种对高速光交换机中光开关器件进行驱动及温控的方法，基于所述本发明公开的一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路实现。所述一种对高速光交换机中光开关器件进行驱动及温控的方法，包括如下步骤：

19、步骤一：光功率监测模块中光子探测器pd接收一部分的输入光信号，通过内部的光电子元器件将输入光信号转换为模拟电流信号ipd。pd的输出被连接至跨阻放大器tia的输入，跨阻放大器tia将光子探测器pd输出的模拟电流信号根据公式(1)转换为电压信号，并对电压信号放大至能够驱动模数转换器的电压信号vout。跨阻放大器tia所输出的模拟电压信号被输入至模数转换器adc，以对输入模拟电压值进行数字化得到电流驱动模块所需的数字信号，并将数字信号送入电流驱动模块的mcu中，计算出当前入射光功率和所需提供的soa激励电流值。

20、步骤二：电流驱动模块中微处理器mcu接收来自于功率监测模块的数字信号，根据公式(2)计算出soa的当前入射功率pc，进而根据所设定的输出功率pout计算得出soa所需产生的增益g，通过mcu中所存储的soa的增益-电流关系表，查找得出需要注入soa中的电流if，并将计算后的电流值以数字信号的方式输出至数控电流源。数控电流源根据所接收的驱动信号，产生所需参考电流if，并将参考电流输出至高速电流电压转换芯片。高速电流电压转换芯片将来自于网络&交换机控制端fpga的开关控制信号接收为单端电压信号vctrl，并将开关控制电压信号转换为电流输出，输出电流的幅度id与数控电流源所输出的直流电流if成线性关系，该电流信号将控制光开关器件soa的开关和输出功率。

21、步骤三：温度控制模块利用soa自身的温敏电阻rt作为温度传感器，soa设定工作温度与目前工作温度的差值δt可由soa温敏电阻两端的电压u，soa温敏电阻的热电系数csa，与温控芯片中热电材料的热电系数csb利用公式(5)计算而得出。soa的温控端口tec+与tec-端口分别与温控芯片的tec+与tec-端口直接相连，利用温控电流itec对soa进行温度调控。温控芯片所需从soa中带出的热量q与温度差值δt，soa温敏电阻的比热容c成比例关系。温控芯片所需注入给soa的温控电流itec则由所需调控热量q，soa温敏电阻的珀尔帖系数pa与温控芯片的珀尔帖系数pb计算得出。温控芯片根据利用公式(6)和(7)，计算出温控电流itec，并以此输出至soa，以稳定soa正常工作的温度。

22、有益效果：

23、1、本发明公开的一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路，对于光开关器件soa的驱动电路，通过对输入光功率进行监测，在每个时刻计算得出当前应提供的soa驱动电流，并利用数控电流源输出适当的参考电流，为接收端提供功率稳定的输入光信号，使得soa所输出的光功率实现动态均衡。

24、2、本发明公开的一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路，对于光开关器件soa的驱动电路，通过接收网络和交换机管理端的高速控制信号，并对其进行低时延的电压电流信号转换，实现以电流激励驱动soa的高速控制。

25、3、本发明公开的一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路，对于光开关器件soa的温度控制电路，通过对soa中温敏电阻进行监测，并将其与设定工作温度进行比较，实时反馈适当的温控电流给soa，实现soa的稳定工作温度。

26、4、本发明公开的一种高速光交换机中光开关器件的驱动及温控电路，通过高速电流驱动光开关器件，使光开关器件能够以纳秒级的切换速度进行光路重配，实现纳秒级的光交换。