一种针对多波长阵列激光器超快波长切换的控制系统

1.本发明属于光电通信技术领域，具体涉及一种针对多波长阵列激光器超快波长切换的控制系统。


背景技术：

2.云网络流量预计每年增加一倍以上，并且对于延时的要求越来越高。目前这种趋势与电交换机可能无法继续按照网络摩尔定律继续发展不一致。传统数据中心基于以太网交换机和光模块的交换网络有着高功耗、高成本、高延时、强依赖coms工艺的严重负担，越来越无法满足云数据中心和超级计算发展的需求。目前来说，光电开关(ocs)是克服这一问题的一个有力选择，它消除了在网络核心中对于昂贵和耗电的收发器的需要。特别是基于可调谐激光器和阵列波导光栅路由器的光开关，由于使用了无源交换核心，增加了容错性，减少了管理开销，是很有前景的技术路线。这样的osc网络可以提供高带宽，低网络延迟和高效、可扩展的数据中心网络。
3.目前现有成熟应用的可调谐激光器主要包括外腔激光器(ecl)，分布反馈式(dfb)激光器，分布布拉格(dbr)激光器和垂直腔面发射激光器。外腔式激光器受限于其机械调谐的波长调谐方式，调谐速度较慢；基于dfb激光器的可调谐光源通道数有限且其热调谐速度慢；dbr型的激光器由于游标效应导致模式稳定性低；而垂直腔面发射激光器单模性能不够好，功率较低。以上技术都无法满足针对数据中心光交换中通道间纳秒量级切换，低功耗和波长稳定性的要求。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种针对多波长阵列激光器超快波长切换的控制系统。
5.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种针对多波长阵列激光器超快波长切换的控制系统，包括控制信号产生模块、高速开关压控电流源模块、温度控制模块和多波长阵列激光器模块；
7.所述控制信号产生模块分别与高速开关压控电流源模块和温度控制模块电连接，且多波长阵列激光器模块分别与高速开关压控电流源模块和温度控制模块电连接；
8.所述控制信号产生模块，用于接受上位机指令并产生多波长阵列激光器模块中每一个通道单波长激光器的工作电流、开关时间、通道间切换顺序和工作温度的控制信号；
9.所述高速开关压控电流源模块，用于接收并处理控制信号产生模块产生的工作电流、开关时间和通道间切换顺序的控制信号，为多波长阵列激光器模块中每一个通道单波长激光器提供可控制的工作电流和通道开关信号；
10.所述温度控制模块，用于接收并处理控制信号产生模块产生的工作温度的控制信号，将多波长阵列激光器的工作温度维持在设定值，保证波长输出稳定；
11.所述多波长阵列激光器模块包括多个串并联的单波长激光器，用于根据高速开关
压控电流源模块提供的工作电流和通道开关信号进行多波长间高速切换。
12.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
13.上述的控制信号产生模块使用mcu和fpga搭配作为主控芯片；
14.所述mcu与上位机之间进行串口通讯，接收多波长阵列激光器模块中每一个通道单波长激光器的工作电流、开关时间，通道间切换顺序和工作温度控制的设定值并进行初步处理后传递给fpga；
15.所述fpga将工作电流、开关时间和通道间切换顺序的控制信号发送至多路高速开关压控电流源模块，将工作温度的控制信号发送至温度控制模块。
16.上述的多波长阵列激光器模块中的每一个单波长激光器均设有一个高速开关压控电流源模块对其进行驱动；
17.所述高速开关压控电流源模块包括dac单元、开关信号处理模块、稳流驱动电路模块；
18.所述dac单元前级和控制信号产生模块电连接，后级和稳流驱动电路模块电连接；
19.所述开关信号处理模块前级和控制信号产生模块电连接，后级与稳流驱动电流模块电连接；
20.所述稳流驱动电路模块前级接受来自dac单元转换的模拟电压信号和开关信号处理模块的开关信号，后级与多波长阵列激光器模块电连接。
21.上述的dac单元采用低速12位多通道电压输出dac。
22.上述的开关信号处理模块包括电阻r8、r12、r13，电容c2，比较器a3和spst开关s1；
23.所述电阻r12两端与比较器a3的 in和-in端和控制信号产生模块相连；
24.所述电阻r13两端分别与比较器a3的输出引脚q和spst开关s1的控制引脚相连；
25.所述电阻r8两端分别和稳流驱动电路模块，spst开关s1相连；
26.所述电容c2一端与电阻r13和spst开关s1的控制引脚连接，另一端与电气地(gnd)相连；
27.所述spst开关s1的一端与电阻r8连接，另一端与r9、r11和多波长阵列激光器模块的某个通道单波长激光器相连。
28.上述的稳流驱动电路模块包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11，电容c1，电感l1，运放a1、a2，三极管q1；
29.所述电阻r1的一端与运算放大器a1的正相输入端连接，另一端与gnd相连；
30.所述连接运算放大器a1的输出端连接电阻r2、电阻r4、电容c1的一端；
31.所述电阻r4、电容c1的另一端，以及电阻r5的一端连接运算放大器a1的负相输入端；
32.所述电阻r2的另一端连接三极管q1的基极b；
33.所述三极管q1的集电极c连接电阻r3的一端，发射极e连接电感l1的一端；
34.所述电阻r3的另一端连接电源vcc；
35.所述电感l1的另一端连接电阻r7、r8和r9的一端；
36.所述电阻r7的另一端连接电阻r6的一端和运算放大器a2的正相输入端；
37.所述电阻r6的另一端连接gnd；
38.所述运算放大器a2的负相输入端连接电阻r10、电阻r11的一端；
39.所述电阻r10的另一端连接电阻r5的另一端和运算放大器a2的输出端；
40.所述电阻r11的另一端连接电阻r9的另一端和多波长阵列激光器模块。
41.当轮到某一通道单波长激光器被点亮时，剩余所有通道对应的高速开关压控电流源模块从控制信号产生模块获得关闭信号，经过开关信号处理模块处理后，spst开关s1获得低电平的开关信号并关闭，限流电阻和单波长激光器串联，此时注入电流为透明电流，剩余所有通道单波长激光器熄灭；
42.只有与轮到打开的单波长激光器对应的高速开关压控电流源模块的spst开关s1被打开，并联电阻被引入，与单波长激光器串联的电阻值变小，此时注入电流为工作电流，该单波长激光器被点亮；
43.依次选择打开的单波长激光器即可实现波长高速调谐。
44.上述的温度控制模块包括pid控制电路和tec驱动电路；
45.所述pid控制电路前级和控制信号产生模块和多波长阵列激光器模块封装内的热敏电阻电连接，后级和tec驱动电路电连接；
46.所述tec驱动电路前级和pid控制电路电连接，后级和多波长阵列激光器模块内部封装的tec电连接；
47.上述的多波长阵列激光器模块包括tec单元、热敏电阻单元和单片集成2*8dfb激光器；
48.所述tec利用帕尔贴效应制成，通过控制流经tec的电流方向和大小，可以实现加热和制冷的功能；
49.所述热敏电阻单元，用于根据其所处环境温度改变自身阻值；
50.所述单片集成2*8dfb激光器包括呈2*8结构串并联排布的16通道单波长dfb激光器ld1-ld16，即16个通道激光器两个一组，8组呈并联结构，组内为串联结构；
51.且每一个单波长dfb激光器均在内部光栅处引入π相移结构以提升单波长激光器的单模特征；
52.所述16通道单波长激光器ld1-ld16通过平面光波导分路器进行无源合波，并耦合进光纤出光。
53.本发明具有以下有益效果：
54.1、本发明在同一时间内16通道激光器只有其中一个通道会被提供工作电流，此时该通道激光器会受激辐射发光，其余通道全部被加载透明电流，以保证被加载工作电流时可以快速响应，其中激光器的响应速度对于透明电流的要求并不高，无需强制靠近阈值电流以获取极限响应速度。
55.本发明通道的选择和切换顺序可以人为设定或者由算法优化设定。相对于背景技术中提及的方案，本发明逐个点亮单波长激光器的方法使得任意两通道之间切换的时间跨度基本保持一致，具有较高的稳定性和灵活性。
56.2、本发明通过温度控制模块实现工作时的波长稳定，并且可以通道调整工作温度实现所有通道波长的整体调整，配合高速开关压控电流源模块对于单个通道激光器工作电流的调整。
57.本发明可以使每一个通道激光器在切换时的中心波长处于itu-t标准下wdm规定的通道波长误差范围内且保持长期稳定。
58.3、本发明针对多波长阵列dfb激光器的调谐形式设计，为多波长阵列激光器中每一个通道单波长激光器配置一个高速开关压控电流源模块，不同于使用高速dac的方案，本发明使用低速dac搭配可变负载的方案，低速dac仅仅需要稳定提供一定精度的参考电压，利用高速模拟开关和限流电阻、并联电阻对的配合实现负载可变，进而实现驱动电流在工作电流和负载电流之间高速变化。
59.本发明消除了高速dac无法长时间提供稳定参考电压的弊端，仅仅对限流电阻和并联电阻对的电阻值精度有一定的要求。最终可实现多通道之间依次快速稳定的切换，通道间切换时间处于纳秒量级且可以使任意一个单波长激光器持续长时间稳定工作。在进一步扩展多波长阵列激光器芯片结构和优化电路设计后可以进一步扩展通道数量和通道间切换的速度。
附图说明
60.图1为本发明系统的模块连接流程示意图；
61.图2为本发明的单片集成的2*8dfb激光器结构图；
62.图3为本发明的高速开关压控恒流源电路原理图；
63.图4为本发明的任意两通道驱动电流切换时间图；
64.图5为本发明的串联或并联两通道单波长激光器波长切换时间图；
65.图6为本发明的温度控制模块设计框图。
具体实施方式
66.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
67.如图1所示，为本发明针对多波长阵列激光器超快波长切换的控制系统的模块连接示意图，包括控制信号产生模块、高速开关压控电流源模块、温度控制模块和多波长阵列激光器模块；
68.所述控制信号产生模块分别与高速开关压控电流源模块和温度控制模块电连接，且多波长阵列激光器模块分别与高速开关压控电流源模块和温度控制模块电连接；
69.所述控制信号产生模块，用于接受上位机指令并产生多波长阵列激光器模块中每一个通道单波长激光器的工作电流、开关时间、通道间切换顺序和工作温度的控制信号；
70.所述高速开关压控电流源模块，用于接收并处理控制信号产生模块产生的工作电流、开关时间和通道间切换顺序的控制信号，为多波长阵列激光器模块中每一个通道单波长激光器提供可控制的工作电流和通道开关信号；
71.所述温度控制模块，用于接收并处理控制信号产生模块产生的工作温度的控制信号，将多波长阵列激光器的工作温度维持在设定值，保证波长输出稳定；
72.所述多波长阵列激光器模块包括多个串并联的单波长激光器，用于根据高速开关压控电流源模块提供的工作电流和通道开关信号进行多波长间高速切换。
73.实施例中，所述多波长阵列激光器模块包括tec单元、热敏电阻单元和单片集成2*8dfb激光器；
74.所述tec是利用帕尔贴效应制成的用于精密温度控制的器件，通过控制流经tec的电流方向和大小，可以实现加热和制冷的功能；
75.所述热敏电阻单元，用于根据其所处环境温度改变自身阻值；
76.所述单片集成2*8dfb激光器包括呈2*8结构串并联排布的16通道单波长dfb激光器ld1-ld16，即16个通道激光器两个一组，8组呈并联结构，组内为串联结构；
77.且每一个单波长dfb激光器均在内部光栅处引入π相移结构以提升单波长激光器的单模特征；
78.所述16通道单波长激光器ld1-ld16通过平面光波导分路器(plc)进行无源合波，并耦合进光纤出光。
79.如图2所示，为本发明的单片集成的2*8dfb激光器结构图，该多波长阵列激光器把16个单波长激光器ld1-ld16全都单片集成到同一块光芯片上，并且呈两通道串联(处于同一根脊波导上)，8通道并联的结构。最后16个单波长激光器的出光通过plc耦合到光纤中。与背景技术中提到的可调谐激光器不同，在本发明中，后级器件需要什么样的中心波长，则打开相应的单波长激光器，同时关闭其他所有通道，从而实现波长调谐。温度和电流调谐只是用来对中心波长进行微调，设定之后则不需要再进行改变。与此同时，调谐范围则与多波长阵列激光器的通道数目相关。
80.对于任何一个通道的单波长激光器，当其处于工作状态时被加载工作电流，处于非工作状态时被加载透明电流(透明电流小于激光器本身的阈值电流，并不能让该激光器激射发光，但是可以提高激光器的开关响应速度并且抵消材料本身对于光的吸收损耗)。配合相应的控制系统，可以实现各通道间纳秒量级切换并且保证激光器单模和中心波长稳定。
81.实施例中，所述控制信号产生模块使用mcu和fpga搭配作为主控芯片；
82.所述mcu与上位机之间进行串口通讯，接收多波长阵列激光器模块中每一个通道单波长激光器的工作电流、开关时间，通道间切换顺序和工作温度控制的设定值并进行初步处理后传递给fpga，该系统中无需用到高速fpga。
83.所述fpga对指令信号进行处理并将工作电流、开关时间和通道间切换顺序的控制信号发送至多路高速开关压控电流源模块，将工作温度的控制信号发送至温度控制模块。
84.首先，包含每一个通道的工作电流、开关时间、切换顺序和温度的控制信息从上位机通过串口通信传递给mcu，并进行了初步的处理；
85.其中温度控制信息被送到mcu的片上dac转换成模拟电压信号给到温度控制模块，其余信息通过本地总线被传递到fpga内部的寄存器存储。
86.后续利用fpga高速并行计算的能力。
87.针对所述多波长阵列模块中的单片集成2*8dfb激光器芯片和调谐原理，每一个单波长激光器都要进行单独的开关和工作电流控制。
88.为了获得多达16个电流控制信号和高速开关信号，鉴于fpga上的单端高速i/o口的数目不够，于是选用16对低压差分信号(lvds)i/o口用来产生开关信号。用普通i/o控制4个4路并行dac芯片产生了16路可以单独控制的模拟电压信号用来控制16通道激光器的工作电流值。
89.实施例中，所述多波长阵列激光器模块中的每一个单波长激光器均设有一个高速开关压控电流源模块对其进行驱动；
90.所述高速开关压控电流源模块包括dac单元、开关信号处理模块、稳流驱动电路模
块；
91.所述dac单元前级和控制信号产生模块的fpga电连接，后级和稳流驱动电路模块电连接；
92.所述开关信号处理模块前级和控制信号产生模块的fpga电连接，后级与稳流驱动电流模块电连接；
93.所述稳流驱动电路模块前级接受来自dac单元转换的模拟电压信号和开关信号处理模块的开关信号，后级与多波长阵列激光器模块电连接。
94.如图3所示，为本发明的高速开关压控电流源模块电路设计图。
95.实施例中，所述dac单元采用普通商用低速12位多通道电压输出dac，在该系统中仅作为电压参考出现，无需高速dac提供高速变化电压信号。
96.实施例中，所述开关信号处理模块包括电阻r8、r12、r13，电容c2，比较器a3和单刀单掷(spst)开关s1；
97.所述电阻r12两端与比较器a3的 in和-in端和控制信号产生模块fpga的lvds引脚相连；
98.所述电阻r13两端分别与比较器a3的输出引脚q和spst开关s1的控制引脚相连；
99.所述电阻r8两端分别和稳流驱动电路模块的电阻r7、r9,电感l1，spst开关s1相连；
100.所述电容c2一端与电阻r13和spst开关s1的控制引脚连接，另一端与电气地(gnd)相连；
101.所述spst开关s1的一端与电阻r8连接，另一端与r9、r11和多波长阵列激光器模块的某个通道单波长激光器相连。
102.实施例中，所述稳流驱动电路模块包括电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11，电容c1，电感l1，运放a1、a2，三极管q1；
103.所述电阻r1的一端与运算放大器a1的正相输入端连接，另一端与gnd相连；
104.所述连接运算放大器a1的输出端连接电阻r2、电阻r4、电容c1的一端；
105.所述电阻r4、电容c1的另一端，以及电阻r5的一端连接运算放大器a1的负相输入端；
106.所述电阻r2的另一端连接三极管q1的基极b；
107.所述三极管q1的集电极c连接电阻r3的一端，发射极e连接电感l1的一端；
108.所述电阻r3的另一端连接电源vcc；
109.所述电感l1的另一端连接电阻r7、r8和r9的一端；
110.所述电阻r7的另一端连接电阻r6的一端和运算放大器a2的正相输入端；
111.所述电阻r6的另一端连接gnd；
112.所述运算放大器a2的负相输入端连接电阻r10、电阻r11的一端；
113.所述电阻r10的另一端连接电阻r5的另一端和运算放大器a2的输出端；
114.所述电阻r11的另一端连接电阻r9的另一端和多波长阵列激光器模块。
115.每一通道单波长激光器对应一个高速开关压控电流源电路。
116.结合图3，电路主体是由运算放大器a1、a2，三极管q1，比较器a3和模拟spst开关s1组成的。
117.所述比较器a3的正相输入端和反相输入端接收来自控制信号产生模块中fpga产生的16对lvds信号中的一对，通过比较将差分信号转换为切换时上升沿和下降沿更陡的开关信号，与此同时增加开关信号幅值使其能够驱动后端的模拟spst开关s1。
118.比较器a3输出端的电阻r13和电容c2负责对高速切换的信号波形进行滤波和整形。
119.所述运算放大器a1和三极管q1组成压控电流源，三极管q1的发射极e电流会受到运算放大器正相输入端的电压控制。此模拟电压来自受fpga控制的dac单元。
120.所述运算放大器a2采样限流电阻r9(s1断开时)或者限流电阻r9和r8并联之后电阻(s1合并时)两端的电压，并将其反馈回运算放大器a1的反相输入端组成一个负反馈电路用来保证该电流源在高速切换时的电流稳定性。
121.所述模拟spst开关s1的断开和闭合决定是否给限流电阻引入并联电阻。
122.当s1断开时，电流源的输出电流由q1发射极e经过电感l1之后通过限流电阻r9最终被输送多波长阵列激光器模块中的某一个单波长激光器；
123.当s1闭合时，输出电流会先经过限流电阻r9和电阻r8的并联电阻再被输出到单波长激光器。
124.针对单波长激光器工作时的等效电阻，对电阻对r8和r9选取合适的电阻值。则可以满足单波长激光器在两种状态下的所需电流。
125.实施例中，当轮到某一通道单波长激光器被点亮时，剩余所有通道对应的高速开关压控电流源模块从控制信号产生模块中fpga的lvds引脚获得关闭信号，经过开关信号处理模块处理后，spst开关s1获得低电平的开关信号并关闭，限流电阻和单波长激光器串联，此时注入电流为透明电流，剩余所有通道单波长激光器熄灭；
126.只有与轮到打开的单波长激光器对应的高速开关压控电流源模块的spst开关s1被打开，并联电阻被引入，与单波长激光器串联的电阻值变小，此时注入电流为工作电流，该单波长激光器被点亮；
127.依次选择打开的单波长激光器即可实现波长高速调谐。
128.如图4所示为当两通道切换时，提供给两个通道单波长激光器ld1和ld3的电流信号波形图，可以看到两个单波长激光器在被依次注入工作电流，并且两通道驱动电流切换时间处于纳秒量级且切换之后电流保持稳定。
129.与现有的激光器驱动芯片相比，基于该方案的高速开关压控电流源电路在保证切换速度的同时还可以根据后续器件的要求，让任一个单通道激光器工作任意长的时间。与此同时，所述高速开关压控电流源电路采用的直流通路和交流通路合在一起的方案，可以大大简化电路构成。通过依次打开，关闭不同通道的激光器，可以获得不同波长间切换的示意图，如图5所示，可以看到无论是串联结构还是并联结构的两通道激光器，通道间切换的时间都在纳秒量级，并且切换之后能够保证波长和功率的稳定。
130.在激光器工作时，为了可以达到整体微调所有通道的中心波长，并且保证中心波长的稳定和延长激光器的使用寿命，需要能够对于激光器的工作温度进行精确，稳定的控制。因此在系统中加入了温度控制模块。温度控制模块设计框图如图6所示。温度控制模块包括pid控制电路和tec驱动电路；所述pid控制电路前级和控制信号产生模块和多波长阵列激光器模块封装内的热敏电阻电连接，后级和tec驱动电路电连接；所述tec驱动电路前
级和pid控制电路电连接，后级和多波长阵列激光器模块内部封装的tec电连接。
131.首先控制信号产生模块产生一个人为设定的模拟电压值，该电压值即为我们设定的温度值。于此同时，多波长阵列激光器模块内部温度变化会导致热敏电阻的阻值发生变化，于是其两端的电压值也会发生变化。热敏电阻两端的模拟电压值和上述人为设定的模拟电压值通过pid控制电路进行比较，并且输出一个差值信号给到tec驱动电路，根据差值信号，tec驱动电路给到封装内部的tec单元相应的电流方向和电流值。通过高频率的采样和比较，将单片集成2*8dfb激光器芯片的工作温度维持在设定值。
132.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。