一种波长可调光引擎的设计

王 鹏

（江苏奥雷光电有限公司，江苏镇江 212000）

1 引言

随着密集波分复用（Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM）技术的发展，光通信系统中传输的波长可达到数十甚至上百纳米，为了简化光通信系统结构和降低系统成本，波长可调光引擎应运而生［1］。波长可调光引擎的核心是波长可调激光器，而激光器可以通过控制其工作电流、工作温度、布儒斯特角、光栅周期等手段来实现对波长的调节［2-3］。由于其具有很多优点，在很多领域都有应用，比如光纤通信、医疗、激光应用等［4-5］。本文中的光引擎是通过控制激光器工作温度的方式来实现波长可调。该光引擎的发射通道数为6 个，每个通道可调6 个波长（1 540.54—1 544.54 nm），光功率≥10 dBm，具有高速率，多通道，环境适应性等特点。

2 波长可调光引擎的工作原理

波长可调光引擎工作原理如图1 所示，其电路由单片机、激光器和半导体制冷器三部分组成。单片机可以对激光器和半导体制冷器的工作状态进行控制，例如控制激光器的输入电流，使激光器发出的光符合设计要求；半导体制冷器通过控制激光器工作温度，使激光芯片的波长实现可调；单片机也负责和外部设备通信，处理外部设备发出的指令。

图1 光源光引擎工作原理框图

3 波长可调光引擎的布置方案

3.1 结构方案

波长可调光引擎由MPO（Multi-fiber Push On）适配器、组合印制板、光学元件、光引擎基板、MT（Mechanical Transfer）光纤组件组成，如图2 所示。MPO 适配器装在MT 光纤组件一端，连接MPO 跳线。组合印制板由两块板组成：PCB（Printed Circuit Board）大板和PCB小板通过排针、排母连接，PCB小板安装在光引擎基板上。光引擎基板上布置有光学元件，如半导体制冷器、光芯片、透镜。PCB 大板一端有金手指，插入供电口后，外部设备的电流经PCB大板上的金手指流入，再经PCB 板上的布线流到排针、排母。因为PCB小板通过排针、排母和PCB大板连接，所以PCB大板上的电流能流到PCB 小板上。然后PCB 小板就可以为光引擎基板上的光学元件提供电流。光引擎基板上放置有6 个TEC（thermo electric cooler）、6 个激光器、12 个光透镜和一个6 通道的光纤组件，其中6 个TEC 和6 个激光器的电流都由PCB 小板提供。1 个TEC、1个激光器、2个光透镜和1个通道的光纤就构成了一个光通道。

图2 光源光引擎结构

3.2 电路方案

波长可调光引擎的控制电路主要包括三颗控制芯片和两颗激光器驱动芯片，其中每颗控制芯片控制两个半导体激光器，每颗驱动芯片控制3 个激光器。半导体制冷器的温度经热敏电阻采样后反馈给控制芯片，控制芯片通过控制半导体制冷器的供电电流，保持其温度稳定。激光器的电流由激光器驱动芯片控制，保证其出光功率的稳定。

组合印制板分为PCB 大板和PCB 小板，两块PCB硬板通过小型排针和排母连接。PCB 板上设计有穿孔，使PCB硬板板热容加大、热阻减小，增强了PCB硬板的散热能力，加大了光引擎的高温工作窗口。

PCB硬板选用普通FR4（Fire Retardant 4）板材，采用1.5 盎司铺铜增加铜厚和载流能力，保证光引擎的大功率和散热要求；光引擎小板加工工艺采用了镍钯金工艺，提高打线邦定的可靠性，保证产品性能的同时提高生产成品率。

3.3 光路方案

波长可调光引擎有6 条光路，每条光路包括1 个激光器、2 个透镜和1 个半导体制冷器，6 条光路共用一个6 路光纤阵列，如图3 所示。其中靠近激光器的透镜是准直透镜，作用是将激光器发出的光变成平行光；远离激光器的透镜是汇聚透镜，作用是将平行光汇聚。平行光路对光学元件的位移不敏感，因此能提高光路稳定性。每个激光器底部都布置有半导体制冷器，可控制激光器的工作温度，保证激光器工作在一个稳定的温度。

图3 芯片及光路结构示意图

3.4 散热方案

波长可调光引擎的主要功能是实现6路大功率光发射。和普通光引擎相比，激光器的直流工作电流高达300 mA，共6路的大功率激光器带来的功耗和热耗均远超过普通光引擎。这对结构布局与散热技术提出了更高的要求。芯片的波长控制需通过半导体制冷器控温调节，因此半导体制冷器的负载和外围结构的散热直接关系到光引擎能否正常工作。在光引擎设计中，通过合理布局不同功耗的半导体制冷器位置，并利用Icepak软件进行模拟仿真，有效降低了芯片的工作温度，如图4所示。

图4 TEC 功率和热量分布图

3.5 软件方案

波长可调光引擎软件设计主要是对硬件电路中的三颗控制芯片进行程序设计，以便精确控制激光器驱动芯片的输入电流以及半导体制冷器的工作温度。具体设计方式是让一颗控制芯片通过1路总线和外部设备通信，剩余两颗控制芯片通过另外2 路总线和激光器驱动芯片以及半导体制冷器通信。激光器驱动芯片控制输入激光器的电流大小，半导体制冷器的工作温度直接受控制芯片控制，原理是通过热敏电阻采集激光器的温度，然后反馈到控制芯片，控制芯片根据设定值来调整半导体制冷器的温度，保证激光器工作在设定的温度。

4 测试验证

4.1 技术性能测试项目

本产品的性能测试项目主要包括产品光功率、波长、边摸抑制比等。公司现有测试设备包括光功率计、光谱仪、直流稳压电源和配套专用的测试板，可完全满足以上测试项目要求。

4.2 主要工艺过程验证

（1）贴片：所谓贴片就是将光学元件涂上光学胶后贴在光引擎基板上，贴片后的光学元件需具备抵抗一定推力而不发生位移的能力，以保证光路的稳定性。检测贴片效果的方法是对贴片后的光学元件进行推力测量，一般要求光学元件能抵抗的推力大于600 g。可以使用推力计去推光学元件，记录下光学元件发生位移时推力计上的推力。通过实验，LD（Laser Diode）的推力满足大于600 g的要求，如图5所示。

图5 推力试验图

（2）金丝键合：金丝键合是用一根很细的金线来连接光学元件和PCB板上的焊盘，这样PCB上的电流就能通过这根金线对光学元件提供电流。金丝键合的好坏影响供电性能，因此要求键合后的金丝能承受一定的拉力，一般要求金丝的拉力大于5 g。可以使用精度高的拉力计去拉金丝，记录下金丝被拉动时拉力计上的数值。通过实验，金丝的拉力满足要求，如图6所示。

图6 拉力测试图

（3）耦合：耦合是指通过移动光学元件（激光器、透镜和光纤）之间的相对位置，使激光器发出的光能被光纤很好的接收到，并达到一定的光功率。这需要在耦合过程中随时监控光功率，保证最终产品的光功率达到要求。可以使用光功率计去监控耦合的光功率。

（4）光谱调试：光谱调试是指把激光器发出的光调试成所需要的波长。通过软件参数设置，控制制冷器的工作温度，使激光器工作在特定的温度下，在保证光功率不小于10 dBm的情况下，使每个通道可以发出所需要的6个波长的光。可以使用光谱仪测试激光器发出的光的波长，如图7所示。

图7 光谱测试图

4.3 测试数据

本文共测试了5个波长可调光引擎，其TEC工作温度、波长和输出光功率数据如表1所示。由表1可知，随着制冷器的温度升高，激光器发出的光的波长也逐渐变长，且特定的波长，对应特定的温度。每个波长可调光引擎可分别实现6路光信号发射，输出光功率在10 dBm以上，波长在1 540.54 nm～1 544.54 nm之间，波长间隔0.8 nm，改变TEC的温度，就能使每个通道可实现6个波长切换。

表1 关键技术指标测试数据表

5 结论

本文从波长可调光引擎的结构设计、光路设计、电路设计、软件设计和散热设计等五个方面来分析，阐述了其工作原理和技术特性。利用激光器发出的光的波长受温度影响的特性，通过半导体制冷器控制激光器的工作温度，实现了激光器工作温度的可控。然后通过控制激光器的工作温度，使其工作波长可调。从测试结果来看，该光引擎工作正常，符合设计要求。