一種波長可調光引擎的設計

王 鵬

（江蘇奧雷光電有限公司，江蘇鎮江 212000）

1 引言

隨著密集波分復用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技術的發展，光通信系統中傳輸的波長可達到數十甚至上百納米，為了簡化光通信系統結構和降低系統成本，波長可調光引擎應運而生［1］。波長可調光引擎的核心是波長可調激光器，而激光器可以通過控制其工作電流、工作溫度、布儒斯特角、光柵周期等手段來實現對波長的調節［2-3］。由于其具有很多優點，在很多領域都有應用，比如光纖通信、醫療、激光應用等［4-5］。本文中的光引擎是通過控制激光器工作溫度的方式來實現波長可調。該光引擎的發射通道數為6 個，每個通道可調6 個波長（1 540.54—1 544.54 nm），光功率≥10 dBm，具有高速率，多通道，環境適應性等特點。

2 波長可調光引擎的工作原理

波長可調光引擎工作原理如圖1 所示，其電路由單片機、激光器和半導體制冷器三部分組成。單片機可以對激光器和半導體制冷器的工作狀態進行控制，例如控制激光器的輸入電流，使激光器發出的光符合設計要求；半導體制冷器通過控制激光器工作溫度，使激光芯片的波長實現可調；單片機也負責和外部設備通信，處理外部設備發出的指令。

圖1 光源光引擎工作原理框圖

3 波長可調光引擎的布置方案

3.1 結構方案

波長可調光引擎由MPO（Multi-fiber Push On）適配器、組合印制板、光學元件、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元件，如半導體制冷器、光芯片、透鏡。PCB 大板一端有金手指，插入供電口后，外部設備的電流經PCB大板上的金手指流入，再經PCB 板上的布線流到排針、排母。因為PCB小板通過排針、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元件提供電流。光引擎基板上放置有6 個TEC（thermo electric cooler）、6 個激光器、12 個光透鏡和一個6 通道的光纖組件，其中6 個TEC 和6 個激光器的電流都由PCB 小板提供。1 個TEC、1個激光器、2個光透鏡和1個通道的光纖就構成了一個光通道。

圖2 光源光引擎結構

3.2 電路方案

波長可調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動芯片，其中每顆控制芯片控制兩個半導體激光器，每顆驅動芯片控制3 個激光器。半導體制冷器的溫度經熱敏電阻采樣后反饋給控制芯片，控制芯片通過控制半導體制冷器的供電電流，保持其溫度穩定。激光器的電流由激光器驅動芯片控制，保證其出光功率的穩定。

組合印制板分為PCB 大板和PCB 小板，兩塊PCB硬板通過小型排針和排母連接。PCB 板上設計有穿孔，使PCB硬板板熱容加大、熱阻減小，增強了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，保證產品性能的同時提高生產成品率。

3.3 光路方案

波長可調光引擎有6 條光路，每條光路包括1 個激光器、2 個透鏡和1 個半導體制冷器，6 條光路共用一個6 路光纖陣列，如圖3 所示。其中靠近激光器的透鏡是準直透鏡，作用是將激光器發出的光變成平行光；遠離激光器的透鏡是匯聚透鏡，作用是將平行光匯聚。平行光路對光學元件的位移不敏感，因此能提高光路穩定性。每個激光器底部都布置有半導體制冷器，可控制激光器的工作溫度，保證激光器工作在一個穩定的溫度。

圖3 芯片及光路結構示意圖

3.4 散熱方案

波長可調光引擎的主要功能是實現6路大功率光發射。和普通光引擎相比，激光器的直流工作電流高達300 mA，共6路的大功率激光器帶來的功耗和熱耗均遠超過普通光引擎。這對結構布局與散熱技術提出了更高的要求。芯片的波長控制需通過半導體制冷器控溫調節，因此半導體制冷器的負載和外圍結構的散熱直接關系到光引擎能否正常工作。在光引擎設計中，通過合理布局不同功耗的半導體制冷器位置，并利用Icepak軟件進行模擬仿真，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

波長可調光引擎軟件設計主要是對硬件電路中的三顆控制芯片進行程序設計，以便精確控制激光器驅動芯片的輸入電流以及半導體制冷器的工作溫度。具體設計方式是讓一顆控制芯片通過1路總線和外部設備通信，剩余兩顆控制芯片通過另外2 路總線和激光器驅動芯片以及半導體制冷器通信。激光器驅動芯片控制輸入激光器的電流大小，半導體制冷器的工作溫度直接受控制芯片控制，原理是通過熱敏電阻采集激光器的溫度，然后反饋到控制芯片，控制芯片根據設定值來調整半導體制冷器的溫度，保證激光器工作在設定的溫度。

4 測試驗證

4.1 技術性能測試項目

本產品的性能測試項目主要包括產品光功率、波長、邊摸抑制比等。公司現有測試設備包括光功率計、光譜儀、直流穩壓電源和配套專用的測試板，可完全滿足以上測試項目要求。

4.2 主要工藝過程驗證

（1）貼片：所謂貼片就是將光學元件涂上光學膠后貼在光引擎基板上，貼片后的光學元件需具備抵抗一定推力而不發生位移的能力，以保證光路的穩定性。檢測貼片效果的方法是對貼片后的光學元件進行推力測量，一般要求光學元件能抵抗的推力大于600 g。可以使用推力計去推光學元件，記錄下光學元件發生位移時推力計上的推力。通過實驗，LD（Laser Diode）的推力滿足大于600 g的要求，如圖5所示。

圖5 推力試驗圖

（2）金絲鍵合：金絲鍵合是用一根很細的金線來連接光學元件和PCB板上的焊盤，這樣PCB上的電流就能通過這根金線對光學元件提供電流。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去拉金絲，記錄下金絲被拉動時拉力計上的數值。通過實驗，金絲的拉力滿足要求，如圖6所示。

圖6 拉力測試圖

（3）耦合：耦合是指通過移動光學元件（激光器、透鏡和光纖）之間的相對位置，使激光器發出的光能被光纖很好的接收到，并達到一定的光功率。這需要在耦合過程中隨時監控光功率，保證最終產品的光功率達到要求。可以使用光功率計去監控耦合的光功率。

（4）光譜調試：光譜調試是指把激光器發出的光調試成所需要的波長。通過軟件參數設置，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，使每個通道可以發出所需要的6個波長的光。可以使用光譜儀測試激光器發出的光的波長，如圖7所示。

圖7 光譜測試圖

4.3 測試數據

本文共測試了5個波長可調光引擎，其TEC工作溫度、波長和輸出光功率數據如表1所示。由表1可知，隨著制冷器的溫度升高，激光器發出的光的波長也逐漸變長，且特定的波長，對應特定的溫度。每個波長可調光引擎可分別實現6路光信號發射，輸出光功率在10 dBm以上，波長在1 540.54 nm～1 544.54 nm之間，波長間隔0.8 nm，改變TEC的溫度，就能使每個通道可實現6個波長切換。

表1 關鍵技術指標測試數據表

5 結論

本文從波長可調光引擎的結構設計、光路設計、電路設計、軟件設計和散熱設計等五個方面來分析，闡述了其工作原理和技術特性。利用激光器發出的光的波長受溫度影響的特性，通過半導體制冷器控制激光器的工作溫度，實現了激光器工作溫度的可控。然后通過控制激光器的工作溫度，使其工作波長可調。從測試結果來看，該光引擎工作正常，符合設計要求。