【技术领域】
本发明涉及可调谐模块技术领域，特别是涉及一种波长可调谐模块。
背景技术：
目前，密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplexing，简写为：dwdm)系统中，波长种类繁多，这就需要各种不同波长的光模块作为光源。为了保证通信系统的可靠性和稳定性，每只光模块都需要至少一只相同波长的模块备份，这带来了资源利用率低、模块管理复杂、光网络节点灵活性差以及网络建设成本高等问题。
21世纪以来，由于因特网业务的爆炸式增长，世界对网络带宽的需求日益增加。作为信息承载和传输的光纤通信网络发展呈现两个明显的趋势；其中之一就是发展动态、具有可重构功能的光网络成为业界的共识。在网络中，通过可重构的光分插复用器(reconfigurableopticaladd-dropmultiplexer，简写为：roadm)，在光网络中的任意节点可以加载/下载任意波长，这样避免了使用光-电-光的中继方式进行光交换，同时使得用户可以在网络中的任一端口对任一波长进行配置，为网络运营提供了许多便利。因此，在可重构光网路的端口处，使用可调谐模块能够实现波长路由功能，大大节约了网络运营成本。
随着半导体激光器的发展，可调谐的半导体激光器以及对应的可调模块应运而生。单片集成分布式布拉格反射(distributedbraggreflector，简写为：dbr)型可调谐半导体激光器凭借其较快的波长切换速度和较宽的波长调谐范围，一直被认为是下一代光网络的关键器件之一。它能为可重构光网络提供自动波长配置、波长转换和波长路由功能，从而大大提高网络的灵活性和带宽利用率。
现有的可调模块实现了小型化封装，传统做法是针对其控制单元专门开发一款小型化专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简写为：asic)芯片，该芯片集成了mcu、driver、激光器驱动4-3、apd升压电路4-2等功能，以此来满足模块小型化封装要求。综上所述，现有的可调谐模块设计复杂，开发周期长、成本高，并不适用模块批量生产。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是现有的可调谐模块设计复杂，开发周期长、成本高，并不适用模块批量生产。
本发明采用如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种波长可调模块，包括外壳1、rosa2和tosa3，波长可调模块还包括pcb主板4和pcb子板5，具体的：
pcb主板4上设置有微控制器4-1、apd升压电路4-2、激光器驱动4-3、金手指4-4、激光器电流芯片4-5和电源芯片4-6；
pcb主板4上设置有接口与所述rosa2和tosa3的数据和供电端口相连；
pcb子板5包括tec驱动电路5-1和电压转换芯片5-4；
pcb主板4与pcb子板5通过插针或者软排线完成两者之间供电通道，以及信号通道的对应连接。
优选的，pcb主板4上各组件的设置具体包括：
微控制器4-1和apd升压电路4-2设置于pcb主板4的正面；
激光器驱动4-3、激光器电流芯片4-5、电源芯片4-6设置于pcb主板4的反面。
优选的，所述pcb主板4上设置有接口与所述rosa2和tosa3的数据和供电端口相连，具体包括：
pcb主板4上用于与tosa完成信号传输的端口布局在pcb主板4的正面；
pcb主板4上用于与tosa完成供电连接的端口布局在pcb主板4的反面。
优选的，pcb子板5上各组件的设置具体包括：
tec驱动电路5-1设置在pcb子板5反面上，并且，激光器驱动的供电电路设置在所述pcb子板5正面上。
优选的，pcb主板4和pcb子板5上分别设置有至少1个2针连接器4-8和1个多针连接器4-9进行连接；其中，所述2针连接器4-8用于完成pcb子板5上的电源供电，所述多针连接器4-9用于完成tec驱动电路5-1与pcb主板4中的微控制器4-1之间的数据信号的传输。
优选的，pcb主板4和pcb子板5呈l型，其中l型pcb主板4中长臂端面用于连接rosa，其中l型pcb主板4的短臂表面用于连接tosa；
其中，多针连接器4-9设置在l型pcb主板4的长臂侧边，所述2针连接器4-8设置在l型pcb主板4短臂端面；所述电源芯片4-6和apd升压芯片4-3设置在l型pcb主板4的长臂端面侧，所述微控制器4-1和激光器驱动4-3设置在靠近短臂底部侧。
优选的，在所述激光器具体为取样光栅分布布拉格反射激光器时，激光器电流芯片4-5具体采用max5112芯片，并且用倒装焊方式设置于tosa管壳的陶瓷部分；其中，max5112芯片采用fbg封装，tosa管壳的黑色陶瓷部分设计有电气连接，直接将max5112芯片和tosa的激光器管脚进行连接。
优选的，所述微控制器4-1具体为renesas51116adlf；所述apd升压电路4-2具体为508lggp芯片实现；所述激光器驱动4-3具体为gn2044s芯片实现；所述tec驱动芯片5-1具体为adn8833。
优选的，所述gn2044s的tx_outn、tx_ounp的差分信号别通过耦合电容将单级射频型号变为双级信号在与vbais_n、vbais_p的直流分量进行叠加到mzm调制器4-10的p、n级。
优选的，所述外壳1为sfp、sfp+或者qsfp。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过采用双层电路板的设计，通过优化布局的方式来实现模块小型化封装要求，以此来规避专门开发asic芯片所带来的昂贵的开发费用以及较长的研发周期。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的一种波长可调谐模块的设计框图；
图2为本发明实施实例提供的一种波长可调谐模块的结构主视图；
图3为本发明实施实例提供的一种波长可调谐模块的pcb主板俯视图；
图4为本发明实施实例提供的一种波长可调谐模块的pcb主板仰视图；
图5为本发明实施实例提供的一种波长可调谐模块的pcb子板仰视图；
图6为本发明实施实例提供的一种波长可调谐模块的pcb子板俯视图；
图7为本发明实施实例提供的一种温度控制芯片a8033静态工作电路示意图；
图8为本发明实施实例提供的一种波长锁定电路设计框图；
图9为本发明实施实例提供的一种偏置电路设计框图；
图10为本发明实施实例提供的一种apd升压电路设计框图；
图11为本发明实施实例提供的一种升压芯片外围电路示意图；
图12为本发明实施实例提供的一种单端ea驱动电路示意图；
图13为发明实施实例提供的一种双臂mam驱动电路示意图；
附图中的数字代号含义如下：
1、外壳；2、rosa；3、tosa；4、pcb主板；4-1、微控制器；4-2、apd控制电路；4-3、激光器驱动；4-4、金手指；4-5、激光器电流芯片；4-6、电源芯片；4-7、运放；4-8、2针连接器；4-9、多针连接器；4-10、mz控制电路；5、pcb子板；5-1、tec驱动芯片；5-2、ad；5-3、运放；5-4、激光器tec驱动电路；5-5、运放。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明涉及一种波长可调谐模块的设计，该波长可调谐光收发一体模块，由于pcb本身面积的局限性，一块pcb板不足以满足模块功能要求,硬件部分电路分为2个pcb板，其中，大板被定义为pcb主板4，小板被定义为pcb子板5。pcb主板4主要包括金手指4-4，激光器驱动4-3，apd升压电路4-2，mcu4-1，mz调制器4-10，pcb子板5主要包括高精度ad5-2，tec及电流驱动5-1。2块pcb通过插针连接器相连。其具体的硬件框架图如图1所示：
本发明模块除两块pcb外，还包含一个发射器件(transmitteropticalsubassembly，简写为：tosa)和一个接收器件(receiveropticalsubassembly，简写为：rosa)。其对应的主控芯片分布在pcb上，通过走线与发射器件和接收器件的金手指4-4部分相连，其具体的结构图如图2所示：
本发明中还采用了1块renesas51116adlf精密模拟微控制器，完成模块的控制需求。其微控制器采用32位risc架构，具有可编程的41.78mhzpll，内建精密片内振荡器。该微控制器自带e2dataflash，8通道dac，12通道adc，8kbsram，12pin可复用gpio。自带两条可配置为主机或者从机的i2c总线，spi，以及多个可编程逻辑输入输出引脚。相对与其他方案，该微控制器4-1具有功耗小，尺寸小的特征，有利于模块小型化布局。
具体的该带微控制器为64pinwflga封装，尺寸为5*5mm,而一般64pin的微控制器4-1的封装尺寸为9*9mm,其功耗也比单微控制器(例如：oki4195芯片)高2倍左右。
此外，一般的sfp+模块均是给ea调制器提供偏压控制，通常ea激光器为单端驱动。微控制器通过控制控制激光器的设置值从而控制tosa出光的调制电流、均衡、预加重、crossing等值。通过外围电路来控制tosa的ea电压来实现发射端电光通路。而本发明中所涉及的模块采用的双臂马赫曾德尔电光调制器(mach-zehndermodulator，简写为mzm)
相对于ea调制器，mzm调制器4-10具有更高的调制带宽和更好的啁啾效应，而双臂mzm调制比单臂mzm调制具有更高的调制幅度，可提高tosa器件的射频特性。因此，本发明所涉及的调制电路均是根据双臂mzm调制器4-10专门设计。接下来，则用具体实施例阐述如何实现本发明技术方案。
实施例1:
如图1-图6所示，本发明实施例1提供了一种波长可调模块，包括外壳1、rosa2和tosa3，波长可调模块还包括pcb主板4和pcb子板5，具体的：
pcb主板4上设置有微控制器4-1、apd升压电路4-2、激光器驱动4-3、金手指4-4、激光器电流芯片4-5和电源芯片4-6；
pcb主板4上设置有接口与所述rosa2和tosa3的数据和供电端口相连；
例如：所述rosa可以为apd-tia结构。tia内置于rosa内部,apd(内置于rosa中)速率为10g/bs。
pcb子板5包括tec驱动电路5-1和电压转换芯片5-4；
pcb主板4与pcb子板5通过插针或者软排线完成两者之间供电通道，以及信号通道的对应连接。
其中，所述外壳1为sfp、sfp+或者qsfp，除此以外还可以是其它未罗列进来的类似封装结构。
如图1所示，其中，激光器驱动4-3串连在金手指4-4和mz控制电路4-10(优选方案中增配的器件)之间并为tosa提供激光器驱动信号；而所述微控制器4-1连接金手指4-4并通过插针连接器(例如2针连接器4-8和多针连接器4-9)与子板中的高精度ad(其为优选结构，相应功能可以由单片机来实现，但是，近距离设置高精度ad可以进一步提高模数转换准确度)和tec驱动电路相连，其中，电路驱动用于tosa提供静态工作电流，而高精度ad用于将tosa中背光探测器的模拟信号转换为单片机能够读取的数字信号；电源芯片4-6连接金手指4-4，并为母板和子板上各芯片提供工作电压。
本发明实施例通过采用双层电路板的设计，通过优化布局的方式来实现模块小型化封装要求，以此来规避专门开发asic芯片所带来的昂贵的开发费用以及较长的研发周期。
本发明实施例1中位于pcb主板4上的各芯片、电路或者组件具有多种布局方式，但是为了减小tosa、rosa器件间的光电串扰，存在一种优选的实现方案，具体的，微控制器4-1和apd升压电路4-2设置于pcb主板4的正面；激光器驱动4-3、激光器电流芯片4-5、电源芯片4-6设置于pcb主板4的反面。
为了减小tosa中信号端口和供电端口之间的电串扰，结合本发明实施例，还存在一种扩展实现方案，其中，所述pcb主板4上设置有接口与所述rosa2和tosa3的数据和供电端口相连，具体包括：
pcb主板4上用于与tosa完成信号传输的端口布局在pcb主板4的正面；pcb主板4上用于与tosa完成供电连接的端口布局在pcb主板4的反面。
在本发明实施例实现过程中，进一步考虑到在设计上将激光器tec驱动芯片单独放在子板上，而非控制tosa和rosa的主板上，可以了更好地散热，防止器件间的热串扰。因此，结合本发明实施例还存在一种优选的实现方案，其中，tec驱动电路5-1设置在pcb子板5反面上，并且，激光器驱动的供电电路设置在所述pcb子板5正面上。
在本发明实施例中，对于pcb主板4和pcb子板5的连接方式提供了一种优选的方案，具体的：pcb主板4和pcb子板5上分别设置有至少1个2针连接器4-8和1个多针连接器4-9进行连接；其中，所述2针连接器4-8用于完成pcb子板5上的电源供电，所述多针连接器4-9用于完成tec驱动电路5-1与pcb主板4中的微控制器4-1之间的数据信号的传输，例如有两个端口对应主板单片机与子板电流驱动、tec控制驱动的i2c通信接口，一个是产生时钟信号，一个是产生数据信号，具体是电流驱动通信还是tec控制驱动通信由单片机通过内部寄存器内部地址分配来选择。其他八个端口多为连接端口，在此不一一赘述。其中，所述2针连接器4-8和10针连接器通过焊接方式固定于通孔内。
在本发明实施例中，对于pcb主板4和pcb子板5的形状来说，也提供了一种最优的解决方案，参考图5中对于l型pcb子板5的长臂和短臂的标注，具体的，pcb主板4和pcb子板5呈l型，其中l型pcb主板4中长臂端面用于连接rosa，其中l型pcb主板4的短臂表面用于连接tosa；
其中，多针连接器4-9设置在l型pcb主板4的长臂侧边，所述2针连接器4-8设置在l型pcb主板4短臂端面；所述电源芯片4-6和apd升压芯片4-3设置在l型pcb主板4的长臂端面侧，所述微控制器4-1和激光器驱动4-3设置在靠近短臂底部侧。这种布局多针连接器4-9和2针连接器4-8的方式，也能够保证信号通道尽可能小的收到电传输通道的影响，尤其是在电传输通道中涉及不同电压值的传输情况。
另外，在所述激光器具体为取样光栅分布布拉格反射激光器(sampledgratingdistributedbraggreflector，简写为：sgdbr)时，还对于本发明实施例主体架构所涉及的相关芯片，提供了一组由已知芯片组件的可行的解决方案，具体的：激光器电流芯片4-5具体采用max5112芯片，并且用倒装焊方式设置于tosa管壳的陶瓷部分；其中，max5112芯片采用fbg封装，tosa管壳的黑色陶瓷部分设计有电气连接，直接将max5112芯片和tosa的激光器管脚进行连接。
依据上述芯片组合，所述微控制器4-1也可以具体为renesas51116adlf；所述apd升压电路4-2具体为508lggp芯片实现；所述激光器驱动4-3也可以具体为gn2044s芯片实现；所述tec驱动芯片5-1也可以具体为adn8833。
在上述组合中，所述gn2044s的tx_outn、tx_ounp的差分信号别通过耦合电容将单级射频型号变为双级信号在与vbais_n、vbais_p的直流分量进行叠加到mzm调制器4-10的p、n级。
实施例2：
在阐述了实施例1中的主体架构后，本发明实施例将从主体架构构成的各功能着手，阐述本发明实施例如何通过各功能保证可调谐模块的工作，并进一步的提出相应的改进思路。
如图3所示，为本发明的主板正面示意图，主板呈”l”型，包含一个微控制器4-1(renesas51116adlf)，一个运放4-7，一个508lggp的升压芯片4-2，其中微控制器4-1和运放位于“l”型的长边，升压芯片位于”l”型的短边。图4所示，为主板的背面，包含一个激光器驱动gn2044s(即4-3)，一个电源芯片4-6，一个电流型驱动max5112芯片(即4-5)，金手指4-4、2针连接器4-8和10针连接器4-9。在设计中，为了减小tosa、rosa器件间的光电串扰，将控制apd升压电路的508lggp芯片和控制tosa器件的驱动gn2044s分别放置于pcb板的正，反两面。进一步，为了减小封装尺寸，将控制激光器sg-dbr结构中各段电流的max5112芯片用倒装焊方式放置于tosa管壳的黑色陶瓷部分，max5112芯片采用fbg封装。管壳的黑色陶瓷部分设计有电气连接，直接将max5112芯片和tosa芯片的各管脚进行连接。图5所示，为架板的正面示意图，包含一个tec驱动芯片、一个高精度ad。图6所示，为两个运放和一个dc_dc3.3v转1.8v芯片，为gn2044s提供电源。设计上将激光器tec驱动芯片单独放在架板上，而非控制tosa和rosa的主板上，是为了更好地散热，防止器件间的热串扰。架板上分别开了一排2个和一排10个的金属通孔，内部铺铜填充。主板的反面和架板的反面通过1个2针连接器4-8和1个10针连接器4-9进行连接，2针连接器4-8和10针连接器4-9通过焊接方式固定于通孔内。
如图7所示，本发明波长锁定功能部分主要包括3个部分，由温度控制芯片a8033(即tec驱动电路5-1的具体表现形式)来完成：温度控制电路、ld偏置电流控制电路和锁波电路。其中温度控制电路中，当改变与热敏电阻对应的电阻值时，r1(数字电位器)和r2(见图10)组成的桥路发生变化，通过仪表放大器形成差分电压，差分电压经过比例—积分—微分pid控制电路(通常可以通过微控制器4-1的编程实现，相应pid运算实现为现有技术，在此不再赘述)后将电压送到驱动器，通过驱动器输出一定的电压给tec,tec根据流过的电流的方向，对ld进行制冷器加热，使ld温度稳定在所要求的值。ld的温控系统必须满足控制精度高，温度稳定性好等要求，而且它必须是双向控制的，以适应外界温度变化和ld工作条件的不确定性。adn8833是一种可以驱动制冷器从而稳定激光器或无源器件温度的单片集成芯片，用于通讯设备中。其主要依靠一只具有负温度系数的热敏电阻来感应被控对象的温度，被控对象与tec粘在一起的。目标温度的设定是依靠一个来自数模转换器或外界的电压分配器产生的模拟电压。整个控制环是通过一个高稳定低噪声的pid补偿放大器来实现的。
如图8所示，adn8833是制冷器tec的控制器，用于设置并稳定半导体激光器的温度。在tempset端输入电压，该电压对应于目标温度，被控对象的温度通过热敏电阻测量，将测量到的电压值送入到adn8833，根据需要不断修正芯片中反馈环的工作状态，设定tec的工作电流，使得激光器的温度在最短时间内回到目标温度。为了使得该控制器能够更有效地工作，芯片内提供一个精确的输入放大环节，用于准确地计算激光器的实际温度和目标温度之间的差值，并得到优化，使tec产生较高的输出电流。由于电流改变比较大，该芯片的温控效率高，能够在很短的时间内完成制冷和制热。在外围控制电路中通过电阻组成平衡电桥，连接到adn833的输入端，输入端是已个由精密运放组成的误差放大器。对应的电阻经过分压后输入到该运放的正、负端，即thermin和tempset端。当温度发生变化时，电阻的阻值发生变化。thermin的输入电压变化，而tempset的电压是固定的，在这两个端子间会产生一个跟温度变化成正比例的修正电压。为了保持半导体激光器出射波长和出射功率的稳定性，首先要对该误差电压进行精确地测量，芯片的输入环节是一个能够自修正和自调零的精密运放，这使得adn8833最后能够将温度稳定在0.01℃，即知道通过温度控制反馈环能将修正电压消除为止。当温度已经锁定到目标温度时，芯片的templock将输出高电平，发光二极管d2亮。在adn8833的输出端，驱动tec工作的是两套场效应对管，当制冷器处于制冷工作状态时，场效应管1同时导通，电流在tec中正向流过；而当制冷器处于制热工作状态时，场效应管2同时导通，电流在tec由反向流过。在制冷或制热过程中，场效应管1是一直导通的，而场效应管2是时开时关的，从而产生一个脉冲欢度调制的方波信号，来驱动tec工作。因为tec上的波动电压是一个关于电感上的波动电流、l-c滤波器的截止频率和滤波电容的等效串联阻抗的函数。其中的pid调节补偿有微控制器4-1完成。
图9所示,锁波电路的主要作用是在外界温度发生变化时，给偏置电流控制电路提供反馈，通过改变偏置电流的大小来保持波长稳定。为了实现波长锁定功能必须对外部和内部温度进行控制，其温度保d使持恒定，同时也要对其偏置点的电流进行严格控制。由于波长对温度变化比较敏感，因此对温度控制的精度要求比较高。但当外界温度急剧变化时，精度无法得到保障。这时，就需要一个补偿电路来保证波长的稳定。温度的改变会导致ld内部功率监控电流ipmon和波长监控电流ietalon发生变化，同时他们的比值也相应发生改变，通过差分放大器将他们的差分电压传递给pi电路，输出一变化电压vdiff,我们将vdiff加入温度控制电路来补偿温度变化引起的的ld内部温度的微小变化。
图10所示，偏置电路测的控制在该电路中起着微调波长的作用。具体是通过通过微控制器4-1调节电位器两端电压，经放大使得电位器两端电压和放大器输出端的电压相等。由比例-积分(pi)电路、三极管、固定电阻以及仪表放大器组成的闭环控制。由于电位器的电压发生变化，则pi电路两端输入端的电压不等，这时pi电路的输出电压也相应发生改变，通过三极管的电流放大，电流流向固定电阻，使得固定电阻两端电压也产生相应变化，经过仪表放大器将反馈结果传递。
图11所示，本发明的可调谐光模块的工作电压为3.3v，而apd所需要的工作电压高达几十伏。为了保证apd的正常工作，就需要设计一个apd高压电路为apd提供一个高的偏压，保证apdrosa在整个温度范围内获得最佳的灵敏度。本发明中的apd高压电路由升压电路、倍压电路和温度补偿三部分组成，本发明中的升压芯片采用的是508lggpn376，通过dc/dc转换器之后，apd可以获得20～30v的高压，从而满足要求。温度补偿部分通道单片机采样rosa内部热敏电阻上的电压数值，软件pid实现。
图12所示，为现有技术中oki4195芯片驱动ea激光器的单端驱动示意图，4195芯片的tx_outn脚经过耦合电容后将单级射频信号变为双级信号在与isnk的直流分量进行叠加到ea调制器，tx_outp脚经过滤波电容直接到地。
图13所示，为本发明专利的调制器控制电路(即激光器驱动4-3的一种具体表现)。本控制电路选用的是semtech2044s芯片，相对于2044系列其他型号芯片，s系列是具有更有的封装尺寸4*4mm，对比与oki4195芯片，2044s还集成了双cdr在芯片内部，为模块的小型化布局节省了空间。在电路实现方面，tx_outn、tx_ounp的差分信号别人通过耦合电容将单级射频型号变为双级信号在与vbais_n、vbais_p的直流分量进行叠加到mzm调制器4-10的p、n级。为了扩大mzm调制器4-10偏置电压的范围，将vbais_n、vbais_p接到微控制器4-1的da口，通过微控制器4-1控制电压调节范围。同时，相比于现有技术的单端信号走线方式，本发明实施例采用的是差分信号走线方式，它具有更强的抗干扰能力，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两根线上，而对于接收端而言只关心两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。差分走线还能有效的抑制emi(电磁干扰)，具有更高的时序定位精度。由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不是像单端信号依靠两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差。同时本发明实施例通过在射频匹配网络和直流匹配网络均增加了一个磁珠，提高了mzm的调制特性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。