［劉斌 鐘昌錦 付益 李廣寧 李沼云］

1 引言

光開關(guān)（OSW）和光電探測(cè)器器（PD）在光網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要角色。PD利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)制成的一種光探測(cè)器件。所謂光電效應(yīng)，是指由輻射引起被照射材料電導(dǎo)率改變的一種物理現(xiàn)象。它能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，OSW作為光分插復(fù)用設(shè)備、光交叉連接設(shè)備和光路由器中的關(guān)鍵器件，可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)在同一通道中的通斷、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換和光信號(hào)在不同通道間轉(zhuǎn)換的作用，對(duì)解決目前復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的波長(zhǎng)爭(zhēng)用、提高波長(zhǎng)重用率、進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)靈活配置具有重要意義。

磁光開關(guān)（OSW）具有低功率消耗、穩(wěn)定可靠、工藝簡(jiǎn)單、開關(guān)速度快（幾十微妙）、無移動(dòng)等優(yōu)勢(shì)，利用法拉第旋光效應(yīng)的光開關(guān)。所謂磁光效應(yīng)是指線偏振光在磁性介質(zhì)中傳播時(shí)，受到磁場(chǎng)作業(yè)，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的一種物理現(xiàn)象。而集成了PD的1×2磁光開關(guān)，既可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)的切換功能，又可以完成PD的功率監(jiān)控，非常適應(yīng)于光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控與傳感系統(tǒng)中。

2 電路與光路設(shè)計(jì)

兼具PD功能的1×2磁光開關(guān)通過微處理器MSP430控制MC33886芯片、I/V轉(zhuǎn)接及量程切換完成電路控制。MC33886芯片由微處理器MSP430觸發(fā)控制，控制IN1和IN2端的不同高低電平搭配可以得出所需的脈沖電流形式，通過該脈沖來驅(qū)動(dòng)控制磁光開關(guān)工作。由于光纖中輸入光信號(hào)很弱，從nW級(jí)到mW級(jí)，需要微處理器MSP430控制PD讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換及量程切換。轉(zhuǎn)換及切換電路主要由一個(gè)8路模擬開關(guān)MAX4638和一個(gè)低功耗低噪聲單電源雙路運(yùn)放OPA2344組成。

兼具PD功能的1×2磁光開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)、主路和被路任意切換等功能。光信號(hào)通過99∶1的光分路器，將輸入光的1%的進(jìn)行功率檢測(cè)，輸入光的99%接入1×2磁光開關(guān)的輸入端。其光路設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 光路設(shè)計(jì)圖

3 微處理器

本設(shè)計(jì)選用德州儀器公司的MSP430系列的微處理器，它是一種16位超低功耗、自帶DAC模塊的信號(hào)處理器，具體特點(diǎn)如下。

（1）超強(qiáng)的處理能力

MSP430系列單片機(jī)采用了精簡(jiǎn)指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令，大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算，還有高效的查表處理指令，有較高的處理速度，在8 MHz晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125 ns。

（2）系統(tǒng)工作穩(wěn)定

上電復(fù)位后，首先由DCO_CLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振時(shí)間及穩(wěn)定時(shí)間，然后軟件可以設(shè)置寄存器的控制位來確定系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器用做CPU時(shí)鐘MCLK時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作。

（3）豐富的片上外圍模塊

MSP430 單片機(jī)的各系列成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A、定時(shí)器B、串口0和1、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、I2C總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA）、端口P1-P6、基本定時(shí)器等一些外圍模塊的不同組合。

（4）方便高效的開發(fā)環(huán)境

目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型3種類型的器件，這些器件的開發(fā)手段不同。對(duì)于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器開發(fā)成功之后再燒寫芯片；對(duì)于FLASH型則有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，因?yàn)槠骷瑑?nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先下載程序到FLASH內(nèi)，再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式只需要一臺(tái)PC機(jī)和一個(gè)JTAG調(diào)試器，不需要仿真器和編程器，開發(fā)語言為匯編語言和C語言。

（5）多種時(shí)鐘模塊

MSP430單片機(jī)有3種時(shí)鐘源可以選擇提供給ACLK、SMCLK、MCLK。其中DCO為單片機(jī)內(nèi)部提供，并具有鎖相環(huán)，為系統(tǒng)提供一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘源，LFXT1提供給外圍設(shè)備32 768 Hz的時(shí)鐘，LFXT2可以提供高達(dá)8 MHz的時(shí)鐘供單片機(jī)運(yùn)行使用，當(dāng)XTALT2沒有提供時(shí)，系統(tǒng)依靠DCO運(yùn)行，整個(gè)時(shí)鐘配置可以通過DCOCTL、BCSCTL1，BCSCTL2和SR等控制寄存器中相應(yīng)的位來選擇和控制以滿足用戶對(duì)系統(tǒng)的要求。

（6）低電壓、低功耗

MSP430單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8～3.6V電壓。因而可使其在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流在200～400 μ A左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的低功耗只有0.1 μ A。

（7）適應(yīng)工業(yè)級(jí)運(yùn)行環(huán)境

MSP430器件均為工業(yè)級(jí)的，工作溫度為-40℃～+85℃，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品適合用于工業(yè)環(huán)境下。

MSP430家族陣容很強(qiáng)大，有X1XX、X3XX、X4XX等系列，本設(shè)計(jì)所選擇的芯片MSP430F169功耗超低，非常適合功率要求低的場(chǎng)合，并且體積小，使用靈活，速度高，性價(jià)比高，內(nèi)部自帶的12位A/D和DMA控制單元可以分別為系統(tǒng)采樣電路和數(shù)據(jù)傳輸部分采用，使得系統(tǒng)的硬件電路更加集成化、小型化。MSP430單片機(jī)引腳圖如圖2所示。

圖2 MSP430單片機(jī)引腳圖

4 光分路器

光分路器又稱分光器，是光纖鏈路中重要的無源器件之一，是具有多個(gè)輸入端和多個(gè)輸出端的光纖匯接器件。光分路器按分光原理可以分為熔融拉錐型和平面波導(dǎo)型（PLC型）兩種。熔融拉錐型產(chǎn)品是將兩根或多根光纖進(jìn)行側(cè)面熔接而成；平面波導(dǎo)型是微光學(xué)元件型產(chǎn)品，采用光刻技術(shù)，在介質(zhì)或半導(dǎo)體基板上形成光波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)分支分配功能。這兩種型式的分光原理類似，它們通過改變光纖間的消逝場(chǎng)相互耦合（耦合度，耦合長(zhǎng)度）以及改變光纖纖半徑來實(shí)現(xiàn)不同大小分支量，反之也可以將多路光信號(hào)合為一路信號(hào)，也稱合成器。

設(shè)計(jì)選用平面波導(dǎo)型（PLC型）原理，Y分支波導(dǎo)的功率分配是基于圖3所示的模式變化，當(dāng)入射模從輸入波導(dǎo)到達(dá)分支尖角時(shí)由于波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)而分開，便沿著對(duì)稱分支波導(dǎo)傳輸實(shí)現(xiàn)功率分配功能。

圖3 Y分支波導(dǎo)結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計(jì)選用了分光比1:99的光分路器。分光比定義了光分路器各輸出端口的輸出功率比值，在系統(tǒng)應(yīng)用中，分光比的確是根據(jù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)光節(jié)點(diǎn)所需的光功率的多少，確定合適的分光比（平均分配的除外），光分路器的分光比與傳輸光的波長(zhǎng)有關(guān)。

5 PIN探測(cè)器

PIN結(jié)構(gòu)的探測(cè)器本質(zhì)是一個(gè)反向偏置的半導(dǎo)體二極管，與普通光電二極管不同之處是在重?fù)诫s的p區(qū)和n區(qū)之間夾有一層本征層。本征層的引入增加了光在探測(cè)器內(nèi)的光程，從而提高了光的吸收。圖4表示了PIN光探測(cè)器的原理結(jié)構(gòu)。正常工作時(shí)，探測(cè)器一般要加反向偏壓。當(dāng)入射光的能量小于InP禁帶寬度時(shí)，入射光就會(huì)透過InP帽層進(jìn)入In0.53 Ga0.47As吸收層。如果吸收層的禁帶寬度E小于入射光（1.0～1.6 μm波段）的能量，則吸收層中的價(jià)帶電子會(huì)吸收光子能量而躍遷到導(dǎo)帶形成電子-空穴對(duì)。因?yàn)橥饧臃聪螂妷旱淖饔茫臻g電荷區(qū)會(huì)存在很強(qiáng)的電場(chǎng)，電子-空穴對(duì)會(huì)受電場(chǎng)的作用而分別被掃向n區(qū)和p區(qū)電極，在外電路中形成光電流，從而實(shí)現(xiàn)光到電的轉(zhuǎn)換。

圖4 InP/InGaAs PIN工作原理圖

光電探測(cè)器的響應(yīng)度表征了探測(cè)器將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力。若a為材料的吸收系數(shù)，Rf為人射面的反射率，ω為吸收層的厚度，則響應(yīng)度R可表示為

由公式（1）可見，可通過引入合適的增透膜和設(shè)計(jì)合適的耗盡層寬度方法優(yōu)化探測(cè)器的材料和 結(jié)構(gòu)來提高器件的響應(yīng)度。

6 1×2磁光開關(guān)

磁光開關(guān)（Magneto-optic Switch）是本文研究的對(duì)象。磁光開關(guān)利用了法拉第（Faraday）磁致旋光效應(yīng)。法拉第效應(yīng)又稱為磁光效應(yīng)，是指某些物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，能使通過它的平面偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)。利用這一特性，磁光開關(guān)實(shí)現(xiàn)全光通信所必需的全光切換功能。

如圖5所示，入射光矢量旋轉(zhuǎn)的角度β與沿著光傳播方向作用在非磁性物質(zhì)上的磁感強(qiáng)度B及光在磁場(chǎng)中所通過的物質(zhì)長(zhǎng)度d成正比，即

圖5 法拉第磁光效應(yīng)圖

其中，V是費(fèi)爾德（Verdet）常數(shù)，它與波長(zhǎng)有關(guān)，且非常接近該材料的吸收諧振，故不同的波長(zhǎng)應(yīng)選取不同的材料。大多數(shù)物質(zhì)的V值都很小，近些年出現(xiàn)了一些極強(qiáng)磁致旋光能力的新型材料，這些材料屬于鐵磁性物質(zhì)，線偏振光通過在磁場(chǎng)中被磁化的材料時(shí)，振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。當(dāng)磁化強(qiáng)度未達(dá)到飽和時(shí)，振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)角度θ目與磁化強(qiáng)度M及通過的距離d成正比。

以上公式中M0是飽和磁化強(qiáng)度，F(xiàn)為法拉第旋光系數(shù)，表示磁化強(qiáng)度達(dá)到飽和后振動(dòng)面每通過單位距離所轉(zhuǎn)過的角度。強(qiáng)磁性金屬合金及金屬化臺(tái)物（如Fe，Co及Ni）有極高的F值，但同時(shí)吸收系數(shù)a的值也非常大；強(qiáng)磁性化合物由于一般存在a極小的波長(zhǎng)區(qū)域，使得它具有很高的旋光性能指數(shù)，同時(shí)，磁致旋光的方向只與磁場(chǎng)的方向有關(guān)，而與光的傳播方向無關(guān)，光束往返通過磁致旋光物質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度往同一方向累加。

7 性能測(cè)試對(duì)比

將PD中光功率與日本橫河（YOKOGAWA）公司光功率測(cè)試系統(tǒng)（型號(hào)WT130）進(jìn)行實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)試并對(duì)比，波長(zhǎng)是1 550 nm，數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比

通過以上數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比，算出該P(yáng)D探測(cè)光功率值誤差范圍在0.2 dB以內(nèi)。

8 結(jié)束語

集成了PD功能的1×2磁光開關(guān)，利用1:99的光分路器進(jìn)行分光、PD探測(cè)器進(jìn)行高精確度光功率監(jiān)測(cè)、1×2磁光開關(guān)進(jìn)行高速光路切換，具有很高的商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。