電光晶體光開關(guān)的控制及驅(qū)動電路研制

樊彥恩 吳彭生 武 帥

摘 要：光開關(guān)是光交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的核心器件，用于控制光信號的切換。文章設(shè)計并實現(xiàn)了電光晶體光開關(guān)的控制和高壓驅(qū)動電路。經(jīng)過測試，此設(shè)計滿足了光交換網(wǎng)絡(luò)工作所需要的切換時間以及電平延遲時間。

關(guān)鍵詞：光開關(guān)；光交換網(wǎng)絡(luò)；切換時間

引言

隨著光通信的迅猛發(fā)展，全光網(wǎng)絡(luò)離我們越來越近。這也使得應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)中的各種光無源器件越來越受到重視。光開關(guān)是一種具有一個或多個可選擇的傳輸端口，可對光傳輸線路或集成光路中的光信號進行相互轉(zhuǎn)換或邏輯操作的器件，是全光交換的關(guān)鍵器件，可以實現(xiàn)全光層的路由選擇、波長選擇、交叉連接等。除了光開關(guān)本身的設(shè)計原理與結(jié)構(gòu)外，其控制和驅(qū)動電路的高電壓輸出和切換時間已成為光開關(guān)發(fā)展的瓶頸。對鈮酸鋰光開關(guān)而言，其驅(qū)動電壓可達到350V-420V左右。驅(qū)動電路設(shè)計的難點不僅要輸出高電壓，還要為光開關(guān)提供較高的輸出峰值電流。否則，高壓驅(qū)動信號的上升以及下降沿就會惡化，光開關(guān)的切換時間就會下降。

1 控制電路的設(shè)計

控制電路的主要作用是將計算機輸出的RS232串行控制信號解碼轉(zhuǎn)換成TTL并行輸出信號，然后輸入到光開關(guān)驅(qū)動電路的驅(qū)動級。在這里，為了以后光開關(guān)陣列的擴展，我們預(yù)留了另外7個控制光開關(guān)陣列的TTL并行輸出口，如圖1所示。

2 光開關(guān)驅(qū)動電路的設(shè)計

光開關(guān)是一種容性負載，把光開關(guān)驅(qū)動到一種狀態(tài)相當(dāng)于給電容充電，而使光開關(guān)恢復(fù)到默認狀態(tài)相當(dāng)于給電容放電。由于光開關(guān)切換速度比較快，所產(chǎn)生的上升和下降時間均要求在500ns左右，這就要求電容的充放電時間較短。因此，電光晶體光開關(guān)高壓輸出驅(qū)動級電路采用MOS管級聯(lián)結(jié)構(gòu)。高壓輸出驅(qū)動級電路是TTL信號接口，要求有較低的輸入電容，較少的傳輸延時和較快的開關(guān)速度。同時，該級也要求有較高的輸出峰值電流，從而可以使驅(qū)動信號有更快的上升和下降時間。綜合上述要求，高壓輸出驅(qū)動級采用ANALOG DEVICES公司的一款高速MOS管驅(qū)動芯片——ADuM5230。ADuM5230是ADI推出的隔離半橋門級驅(qū)動器，采用icoupler技術(shù)可在同一芯片內(nèi)提供兩個獨立的高低壓隔離通道和一個150mW的DC-DC隔離電源。其DC-DC高壓側(cè)輸出電壓不僅可以給ADuM5230的高壓隔離側(cè)供電，而且可以給后端的緩沖電路供電。該芯片的輸出信號具有比較快的上升（25ns）和下降時間（10ns），可以很好的滿足驅(qū)動級的要求。

級聯(lián)MOS管采用ZVN0545G，具有較小的輸入電容和導(dǎo)通電阻，較大的耐壓范圍（VDSS=450v），較快的切換速度（tr=7ns，tf=10ns），確保了峰值電流的快速泄放，提高了高壓驅(qū)動信號的切換速度。由于光開關(guān)驅(qū)動電壓較大，可能出現(xiàn)MOS管柵極和源極之間的電壓VGS大于規(guī)定的20V電壓。而ADuM5230的VOA管腳和GNDISO管腳將MOS管的VGS鉗位到了18V，確保了MOS管不會受到損害。如圖2所示。

光開關(guān)高壓驅(qū)動電路的設(shè)計難點在于升高壓的電荷泵電路設(shè)計，如圖3所示。SW控制MOS管的導(dǎo)通，此時，C50-2為0電位。假設(shè)此時C38-1的電位為V0，則C50-1的電位為V0-Vd，C45-2的電位為V0。其中，Vd為二極管的正向壓降。當(dāng)SW控制MOS管關(guān)閉，L2上產(chǎn)生反向電動勢VL，和電源電壓12V疊加在一起（VL+12=V0），使得C50-2的電位變?yōu)閂0+Vd。由于C50兩端壓差不能突變（SW控制MOS管導(dǎo)通時，C50兩端壓差為V0-Vd），此時，C50-1端電壓變?yōu)閂0+Vd+V0-Vd=2V0，C45-1端電位為2V0-Vd。SW控制MOS管導(dǎo)通，C50-2電位為0，C50-1電位為V0-Vd，C46-2電位為V0-Vd，此時C45-1端電壓傳遞給C46-1，2V0-2Vd，使得C46兩端壓差變?yōu)閂0-Vd.當(dāng)SW控制MOS管關(guān)閉，C46-2電位變?yōu)?V0，C46-1端電位變?yōu)?V0+V0-Vd=3V0-Vd，C46-1再將電壓傳遞給C44，這樣以此類推，實現(xiàn)了電壓的升高。通過調(diào)整電路參數(shù)，該光開關(guān)驅(qū)動電路的電壓可以達到450V以上，滿足光開關(guān)正常工作要求。

圖3 升高壓電路原理圖

3 性能測試

圖4 測試原理框圖

為驗證光開關(guān)控制及驅(qū)動電路是否正常工作，設(shè)計以下測試方案進行指標驗證，如圖4所示。可調(diào)半導(dǎo)體激光器（Santec TSL-510，LD）輸出波長為1550nm，光功率為3dBm的直流光，經(jīng)過光開關(guān)后進入光電探測器（THORLABS，DET01CFC），最后接入示波器（TEKTRONIX，DPO2024B）觀察波形。計算機（PC）通過串口RS232輸出控制信號，經(jīng)光開關(guān)控制電路解碼輸出TTL電平，然后進入光開關(guān)高壓驅(qū)動電路驅(qū)動級，控制高壓的輸出，最終驅(qū)動光開關(guān)切換。其上升沿及下降沿占用的時間即為光開關(guān)切換時間。

本項目使用的光開關(guān)為Agiltron公司的一款電光晶體光開關(guān)，NS系列的2×2光開關(guān)，其切換速度可達納秒量級。通過調(diào)整升高壓電路的參數(shù)，確定光開關(guān)的驅(qū)動電壓為388V。測試結(jié)果如圖5，圖6所示。電光晶體光開關(guān)的上升時間為236ns，下降時間為160ns。可見，經(jīng)過控制及驅(qū)動電路的驅(qū)動，光開關(guān)不僅可以正常切換，并且切換時間滿足工程項目指標要求。

圖5 上升沿波形

圖6 下降沿波形

4 結(jié)束語

文章給出了一種電光晶體光開關(guān)控制及驅(qū)動電路的設(shè)計方案，并實現(xiàn)了電路方案的調(diào)試以及實驗測試。測試結(jié)果表明，該光開關(guān)控制及驅(qū)動電路可以正?？刂坪万?qū)動電光晶體光開關(guān)的切換，切換時間為236ns，上升以及下降沿陡峭，波形平整，滿足工程實踐需要。

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作者簡介：樊彥恩（1985，7-），女，河北石家莊，碩士學(xué)歷，助理工程師，研究方向：光電子學(xué)。