王 鵬

（江蘇奧雷光電有限公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

1 引言

隨著密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技術(shù)的發(fā)展，光通信系統(tǒng)中傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)可達(dá)到數(shù)十甚至上百納米，為了簡(jiǎn)化光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和降低系統(tǒng)成本，波長(zhǎng)可調(diào)光引擎應(yīng)運(yùn)而生［1］。波長(zhǎng)可調(diào)光引擎的核心是波長(zhǎng)可調(diào)激光器，而激光器可以通過(guò)控制其工作電流、工作溫度、布儒斯特角、光柵周期等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)［2-3］。由于其具有很多優(yōu)點(diǎn)，在很多領(lǐng)域都有應(yīng)用，比如光纖通信、醫(yī)療、激光應(yīng)用等［4-5］。本文中的光引擎是通過(guò)控制激光器工作溫度的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)可調(diào)。該光引擎的發(fā)射通道數(shù)為6 個(gè)，每個(gè)通道可調(diào)6 個(gè)波長(zhǎng)（1 540.54—1 544.54 nm），光功率≥10 dBm，具有高速率，多通道，環(huán)境適應(yīng)性等特點(diǎn)。

2 波長(zhǎng)可調(diào)光引擎的工作原理

波長(zhǎng)可調(diào)光引擎工作原理如圖1 所示，其電路由單片機(jī)、激光器和半導(dǎo)體制冷器三部分組成。單片機(jī)可以對(duì)激光器和半導(dǎo)體制冷器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，例如控制激光器的輸入電流，使激光器發(fā)出的光符合設(shè)計(jì)要求；半導(dǎo)體制冷器通過(guò)控制激光器工作溫度，使激光芯片的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)可調(diào)；單片機(jī)也負(fù)責(zé)和外部設(shè)備通信，處理外部設(shè)備發(fā)出的指令。

圖1 光源光引擎工作原理框圖

3 波長(zhǎng)可調(diào)光引擎的布置方案

3.1 結(jié)構(gòu)方案

波長(zhǎng)可調(diào)光引擎由MPO（Multi-fiber Push On）適配器、組合印制板、光學(xué)元件、光引擎基板、MT（Mechanical Transfer）光纖組件組成，如圖2 所示。MPO 適配器裝在MT 光纖組件一端，連接MPO 跳線。組合印制板由兩塊板組成：PCB（Printed Circuit Board）大板和PCB小板通過(guò)排針、排母連接，PCB小板安裝在光引擎基板上。光引擎基板上布置有光學(xué)元件，如半導(dǎo)體制冷器、光芯片、透鏡。PCB 大板一端有金手指，插入供電口后，外部設(shè)備的電流經(jīng)PCB大板上的金手指流入，再經(jīng)PCB 板上的布線流到排針、排母。因?yàn)镻CB小板通過(guò)排針、排母和PCB大板連接，所以PCB大板上的電流能流到PCB 小板上。然后PCB 小板就可以為光引擎基板上的光學(xué)元件提供電流。光引擎基板上放置有6 個(gè)TEC（thermo electric cooler）、6 個(gè)激光器、12 個(gè)光透鏡和一個(gè)6 通道的光纖組件，其中6 個(gè)TEC 和6 個(gè)激光器的電流都由PCB 小板提供。1 個(gè)TEC、1個(gè)激光器、2個(gè)光透鏡和1個(gè)通道的光纖就構(gòu)成了一個(gè)光通道。

圖2 光源光引擎結(jié)構(gòu)

3.2 電路方案

波長(zhǎng)可調(diào)光引擎的控制電路主要包括三顆控制芯片和兩顆激光器驅(qū)動(dòng)芯片，其中每顆控制芯片控制兩個(gè)半導(dǎo)體激光器，每顆驅(qū)動(dòng)芯片控制3 個(gè)激光器。半導(dǎo)體制冷器的溫度經(jīng)熱敏電阻采樣后反饋給控制芯片，控制芯片通過(guò)控制半導(dǎo)體制冷器的供電電流，保持其溫度穩(wěn)定。激光器的電流由激光器驅(qū)動(dòng)芯片控制，保證其出光功率的穩(wěn)定。

組合印制板分為PCB 大板和PCB 小板，兩塊PCB硬板通過(guò)小型排針和排母連接。PCB 板上設(shè)計(jì)有穿孔，使PCB硬板板熱容加大、熱阻減小，增強(qiáng)了PCB硬板的散熱能力，加大了光引擎的高溫工作窗口。

PCB硬板選用普通FR4（Fire Retardant 4）板材，采用1.5 盎司鋪銅增加銅厚和載流能力，保證光引擎的大功率和散熱要求；光引擎小板加工工藝采用了鎳鈀金工藝，提高打線邦定的可靠性，保證產(chǎn)品性能的同時(shí)提高生產(chǎn)成品率。

3.3 光路方案

波長(zhǎng)可調(diào)光引擎有6 條光路，每條光路包括1 個(gè)激光器、2 個(gè)透鏡和1 個(gè)半導(dǎo)體制冷器，6 條光路共用一個(gè)6 路光纖陣列，如圖3 所示。其中靠近激光器的透鏡是準(zhǔn)直透鏡，作用是將激光器發(fā)出的光變成平行光；遠(yuǎn)離激光器的透鏡是匯聚透鏡，作用是將平行光匯聚。平行光路對(duì)光學(xué)元件的位移不敏感，因此能提高光路穩(wěn)定性。每個(gè)激光器底部都布置有半導(dǎo)體制冷器，可控制激光器的工作溫度，保證激光器工作在一個(gè)穩(wěn)定的溫度。

圖3 芯片及光路結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 散熱方案

波長(zhǎng)可調(diào)光引擎的主要功能是實(shí)現(xiàn)6路大功率光發(fā)射。和普通光引擎相比，激光器的直流工作電流高達(dá)300 mA，共6路的大功率激光器帶來(lái)的功耗和熱耗均遠(yuǎn)超過(guò)普通光引擎。這對(duì)結(jié)構(gòu)布局與散熱技術(shù)提出了更高的要求。芯片的波長(zhǎng)控制需通過(guò)半導(dǎo)體制冷器控溫調(diào)節(jié)，因此半導(dǎo)體制冷器的負(fù)載和外圍結(jié)構(gòu)的散熱直接關(guān)系到光引擎能否正常工作。在光引擎設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理布局不同功耗的半導(dǎo)體制冷器位置，并利用Icepak軟件進(jìn)行模擬仿真，有效降低了芯片的工作溫度，如圖4所示。

圖4 TEC 功率和熱量分布圖

3.5 軟件方案

波長(zhǎng)可調(diào)光引擎軟件設(shè)計(jì)主要是對(duì)硬件電路中的三顆控制芯片進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以便精確控制激光器驅(qū)動(dòng)芯片的輸入電流以及半導(dǎo)體制冷器的工作溫度。具體設(shè)計(jì)方式是讓一顆控制芯片通過(guò)1路總線和外部設(shè)備通信，剩余兩顆控制芯片通過(guò)另外2 路總線和激光器驅(qū)動(dòng)芯片以及半導(dǎo)體制冷器通信。激光器驅(qū)動(dòng)芯片控制輸入激光器的電流大小，半導(dǎo)體制冷器的工作溫度直接受控制芯片控制，原理是通過(guò)熱敏電阻采集激光器的溫度，然后反饋到控制芯片，控制芯片根據(jù)設(shè)定值來(lái)調(diào)整半導(dǎo)體制冷器的溫度，保證激光器工作在設(shè)定的溫度。

4 測(cè)試驗(yàn)證

4.1 技術(shù)性能測(cè)試項(xiàng)目

本產(chǎn)品的性能測(cè)試項(xiàng)目主要包括產(chǎn)品光功率、波長(zhǎng)、邊摸抑制比等。公司現(xiàn)有測(cè)試設(shè)備包括光功率計(jì)、光譜儀、直流穩(wěn)壓電源和配套專用的測(cè)試板，可完全滿足以上測(cè)試項(xiàng)目要求。

4.2 主要工藝過(guò)程驗(yàn)證

（1）貼片：所謂貼片就是將光學(xué)元件涂上光學(xué)膠后貼在光引擎基板上，貼片后的光學(xué)元件需具備抵抗一定推力而不發(fā)生位移的能力，以保證光路的穩(wěn)定性。檢測(cè)貼片效果的方法是對(duì)貼片后的光學(xué)元件進(jìn)行推力測(cè)量，一般要求光學(xué)元件能抵抗的推力大于600 g?？梢允褂猛屏τ?jì)去推光學(xué)元件，記錄下光學(xué)元件發(fā)生位移時(shí)推力計(jì)上的推力。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，LD（Laser Diode）的推力滿足大于600 g的要求，如圖5所示。

圖5 推力試驗(yàn)圖

（2）金絲鍵合：金絲鍵合是用一根很細(xì)的金線來(lái)連接光學(xué)元件和PCB板上的焊盤，這樣PCB上的電流就能通過(guò)這根金線對(duì)光學(xué)元件提供電流。金絲鍵合的好壞影響供電性能，因此要求鍵合后的金絲能承受一定的拉力，一般要求金絲的拉力大于5 g。可以使用精度高的拉力計(jì)去拉金絲，記錄下金絲被拉動(dòng)時(shí)拉力計(jì)上的數(shù)值。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，金絲的拉力滿足要求，如圖6所示。

圖6 拉力測(cè)試圖

（3）耦合：耦合是指通過(guò)移動(dòng)光學(xué)元件（激光器、透鏡和光纖）之間的相對(duì)位置，使激光器發(fā)出的光能被光纖很好的接收到，并達(dá)到一定的光功率。這需要在耦合過(guò)程中隨時(shí)監(jiān)控光功率，保證最終產(chǎn)品的光功率達(dá)到要求。可以使用光功率計(jì)去監(jiān)控耦合的光功率。

（4）光譜調(diào)試：光譜調(diào)試是指把激光器發(fā)出的光調(diào)試成所需要的波長(zhǎng)。通過(guò)軟件參數(shù)設(shè)置，控制制冷器的工作溫度，使激光器工作在特定的溫度下，在保證光功率不小于10 dBm的情況下，使每個(gè)通道可以發(fā)出所需要的6個(gè)波長(zhǎng)的光?？梢允褂霉庾V儀測(cè)試激光器發(fā)出的光的波長(zhǎng)，如圖7所示。

圖7 光譜測(cè)試圖

4.3 測(cè)試數(shù)據(jù)

本文共測(cè)試了5個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)光引擎，其TEC工作溫度、波長(zhǎng)和輸出光功率數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，隨著制冷器的溫度升高，激光器發(fā)出的光的波長(zhǎng)也逐漸變長(zhǎng)，且特定的波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)特定的溫度。每個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)光引擎可分別實(shí)現(xiàn)6路光信號(hào)發(fā)射，輸出光功率在10 dBm以上，波長(zhǎng)在1 540.54 nm～1 544.54 nm之間，波長(zhǎng)間隔0.8 nm，改變TEC的溫度，就能使每個(gè)通道可實(shí)現(xiàn)6個(gè)波長(zhǎng)切換。

表1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

本文從波長(zhǎng)可調(diào)光引擎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光路設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)等五個(gè)方面來(lái)分析，闡述了其工作原理和技術(shù)特性。利用激光器發(fā)出的光的波長(zhǎng)受溫度影響的特性，通過(guò)半導(dǎo)體制冷器控制激光器的工作溫度，實(shí)現(xiàn)了激光器工作溫度的可控。然后通過(guò)控制激光器的工作溫度，使其工作波長(zhǎng)可調(diào)。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，該光引擎工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。