电光晶体光开关的控制及驱动电路研制

樊彦恩 吴彭生 武 帅

摘 要：光开关是光交换网络系统中的核心器件，用于控制光信号的切换。文章设计并实现了电光晶体光开关的控制和高压驱动电路。经过测试，此设计满足了光交换网络工作所需要的切换时间以及电平延迟时间。

关键词：光开关；光交换网络；切换时间

引言

随着光通信的迅猛发展，全光网络离我们越来越近。这也使得应用于光网络中的各种光无源器件越来越受到重视。光开关是一种具有一个或多个可选择的传输端口，可对光传输线路或集成光路中的光信号进行相互转换或逻辑操作的器件，是全光交换的关键器件，可以实现全光层的路由选择、波长选择、交叉连接等。除了光开关本身的设计原理与结构外，其控制和驱动电路的高电压输出和切换时间已成为光开关发展的瓶颈。对铌酸锂光开关而言，其驱动电压可达到350V-420V左右。驱动电路设计的难点不仅要输出高电压，还要为光开关提供较高的输出峰值电流。否则，高压驱动信号的上升以及下降沿就会恶化，光开关的切换时间就会下降。

1 控制电路的设计

控制电路的主要作用是将计算机输出的RS232串行控制信号解码转换成TTL并行输出信号，然后输入到光开关驱动电路的驱动级。在这里，为了以后光开关阵列的扩展，我们预留了另外7个控制光开关阵列的TTL并行输出口，如图1所示。

2 光开关驱动电路的设计

光开关是一种容性负载，把光开关驱动到一种状态相当于给电容充电，而使光开关恢复到默认状态相当于给电容放电。由于光开关切换速度比较快，所产生的上升和下降时间均要求在500ns左右，这就要求电容的充放电时间较短。因此，電光晶体光开关高压输出驱动级电路采用MOS管级联结构。高压输出驱动级电路是TTL信号接口，要求有较低的输入电容，较少的传输延时和较快的开关速度。同时，该级也要求有较高的输出峰值电流，从而可以使驱动信号有更快的上升和下降时间。综合上述要求，高压输出驱动级采用ANALOG DEVICES公司的一款高速MOS管驱动芯片——ADuM5230。ADuM5230是ADI推出的隔离半桥门级驱动器，采用icoupler技术可在同一芯片内提供两个独立的高低压隔离通道和一个150mW的DC-DC隔离电源。其DC-DC高压侧输出电压不仅可以给ADuM5230的高压隔离侧供电，而且可以给后端的缓冲电路供电。该芯片的输出信号具有比较快的上升（25ns）和下降时间（10ns），可以很好的满足驱动级的要求。

级联MOS管采用ZVN0545G，具有较小的输入电容和导通电阻，较大的耐压范围（VDSS=450v），较快的切换速度（tr=7ns，tf=10ns），确保了峰值电流的快速泄放，提高了高压驱动信号的切换速度。由于光开关驱动电压较大，可能出现MOS管栅极和源极之间的电压VGS大于规定的20V电压。而ADuM5230的VOA管脚和GNDISO管脚将MOS管的VGS钳位到了18V，确保了MOS管不会受到损害。如图2所示。

光开关高压驱动电路的设计难点在于升高压的电荷泵电路设计，如图3所示。SW控制MOS管的导通，此时，C50-2为0电位。假设此时C38-1的电位为V0，则C50-1的电位为V0-Vd，C45-2的电位为V0。其中，Vd为二极管的正向压降。当SW控制MOS管关闭，L2上产生反向电动势VL，和电源电压12V叠加在一起（VL+12=V0），使得C50-2的电位变为V0+Vd。由于C50两端压差不能突变（SW控制MOS管导通时，C50两端压差为V0-Vd），此时，C50-1端电压变为V0+Vd+V0-Vd=2V0，C45-1端电位为2V0-Vd。SW控制MOS管导通，C50-2电位为0，C50-1电位为V0-Vd，C46-2电位为V0-Vd，此时C45-1端电压传递给C46-1，2V0-2Vd，使得C46两端压差变为V0-Vd.当SW控制MOS管关闭，C46-2电位变为2V0，C46-1端电位变为2V0+V0-Vd=3V0-Vd，C46-1再将电压传递给C44，这样以此类推，实现了电压的升高。通过调整电路参数，该光开关驱动电路的电压可以达到450V以上，满足光开关正常工作要求。

图3 升高压电路原理图

3 性能测试

图4 测试原理框图

为验证光开关控制及驱动电路是否正常工作，设计以下测试方案进行指标验证，如图4所示。可调半导体激光器（Santec TSL-510，LD）输出波长为1550nm，光功率为3dBm的直流光，经过光开关后进入光电探测器（THORLABS，DET01CFC），最后接入示波器（TEKTRONIX，DPO2024B）观察波形。计算机（PC）通过串口RS232输出控制信号，经光开关控制电路解码输出TTL电平，然后进入光开关高压驱动电路驱动级，控制高压的输出，最终驱动光开关切换。其上升沿及下降沿占用的时间即为光开关切换时间。

本项目使用的光开关为Agiltron公司的一款电光晶体光开关，NS系列的2×2光开关，其切换速度可达纳秒量级。通过调整升高压电路的参数，确定光开关的驱动电压为388V。测试结果如图5，图6所示。电光晶体光开关的上升时间为236ns，下降时间为160ns。可见，经过控制及驱动电路的驱动，光开关不仅可以正常切换，并且切换时间满足工程项目指标要求。

图5 上升沿波形

图6 下降沿波形

4 结束语

文章给出了一种电光晶体光开关控制及驱动电路的设计方案，并实现了电路方案的调试以及实验测试。测试结果表明，该光开关控制及驱动电路可以正常控制和驱动电光晶体光开关的切换，切换时间为236ns，上升以及下降沿陡峭，波形平整，满足工程实践需要。

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作者简介：樊彦恩（1985，7-），女，河北石家庄，硕士学历，助理工程师，研究方向：光电子学。