兼具PD功能的1×2磁光开关的设计*

2021-04-27刘斌钟昌锦付益李广宁李沼云

广东通信技术 2021年4期

［刘斌钟昌锦付益李广宁李沼云］

1 引言

光开关（OSW）和光电探测器器（PD）在光网络中扮演着重要角色。PD利用半导体材料的光电效应制成的一种光探测器件。所谓光电效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。它能把光信号转换为电信号，OSW作为光分插复用设备、光交叉连接设备和光路由器中的关键器件，可实现光信号在同一通道中的通断、波长转换和光信号在不同通道间转换的作用，对解决目前复杂网络中的波长争用、提高波长重用率、进行网络灵活配置具有重要意义。

磁光开关（OSW）具有低功率消耗、稳定可靠、工艺简单、开关速度快（几十微妙）、无移动等优势，利用法拉第旋光效应的光开关。所谓磁光效应是指线偏振光在磁性介质中传播时，受到磁场作业，其偏振面发生旋转的一种物理现象。而集成了PD的1×2磁光开关，既可以实现开关的切换功能，又可以完成PD的功率监控，非常适应于光网络监控与传感系统中。

2 电路与光路设计

兼具PD功能的1×2磁光开关通过微处理器MSP430控制MC33886芯片、I/V转接及量程切换完成电路控制。MC33886芯片由微处理器MSP430触发控制，控制IN1和IN2端的不同高低电平搭配可以得出所需的脉冲电流形式，通过该脉冲来驱动控制磁光开关工作。由于光纤中输入光信号很弱，从nW级到mW级，需要微处理器MSP430控制PD读取的数据进行I/V转换及量程切换。转换及切换电路主要由一个8路模拟开关MAX4638和一个低功耗低噪声单电源双路运放OPA2344组成。

兼具PD功能的1×2磁光开关实现对输入的光信号进行探测、主路和被路任意切换等功能。光信号通过99∶1的光分路器，将输入光的1%的进行功率检测，输入光的99%接入1×2磁光开关的输入端。其光路设计图如图1所示。

图1 光路设计图

3 微处理器

本设计选用德州仪器公司的MSP430系列的微处理器，它是一种16位超低功耗、自带DAC模块的信号处理器，具体特点如下。

（1）超强的处理能力

MSP430系列单片机采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令，大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算，还有高效的查表处理指令，有较高的处理速度，在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。

（2）系统工作稳定

上电复位后，首先由DCO_CLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振时间及稳定时间，然后软件可以设置寄存器的控制位来确定系统时钟频率。如果晶体振荡器用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作。

（3）丰富的片上外围模块

MSP430 单片机的各系列成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A、定时器B、串口0和1、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I2C总线直接数据存取（DMA）、端口P1-P6、基本定时器等一些外围模块的不同组合。

（4）方便高效的开发环境

目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型3种类型的器件，这些器件的开发手段不同。对于OPT型和ROM型的器件是使用仿真器开发成功之后再烧写芯片；对于FLASH型则有十分方便的开发调试环境，因为器件片内有JTAG调试接口，还有可电擦写的FLASH存储器，因此采用先下载程序到FLASH内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由JTAG接口读取片内信息供设计者调试使用的方法进行开发。这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，不需要仿真器和编程器，开发语言为汇编语言和C语言。

（5）多种时钟模块

MSP430单片机有3种时钟源可以选择提供给ACLK、SMCLK、MCLK。其中DCO为单片机内部提供，并具有锁相环，为系统提供一个内部时钟源，LFXT1提供给外围设备32 768 Hz的时钟，LFXT2可以提供高达8 MHz的时钟供单片机运行使用，当XTALT2没有提供时，系统依靠DCO运行，整个时钟配置可以通过DCOCTL、BCSCTL1，BCSCTL2和SR等控制寄存器中相应的位来选择和控制以满足用户对系统的要求。

（6）低电压、低功耗

MSP430单片机的电源电压采用的是1.8～3.6V电压。因而可使其在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流在200～400 μ A左右，时钟关断模式的低功耗只有0.1 μ A。

（7）适应工业级运行环境

MSP430器件均为工业级的，工作温度为-40℃～+85℃，所设计的产品适合用于工业环境下。

MSP430家族阵容很强大，有X1XX、X3XX、X4XX等系列，本设计所选择的芯片MSP430F169功耗超低，非常适合功率要求低的场合，并且体积小，使用灵活，速度高，性价比高，内部自带的12位A/D和DMA控制单元可以分别为系统采样电路和数据传输部分采用，使得系统的硬件电路更加集成化、小型化。MSP430单片机引脚图如图2所示。

图2 MSP430单片机引脚图

4 光分路器

光分路器又称分光器，是光纤链路中重要的无源器件之一，是具有多个输入端和多个输出端的光纤汇接器件。光分路器按分光原理可以分为熔融拉锥型和平面波导型（PLC型）两种。熔融拉锥型产品是将两根或多根光纤进行侧面熔接而成；平面波导型是微光学元件型产品，采用光刻技术，在介质或半导体基板上形成光波导，实现分支分配功能。这两种型式的分光原理类似，它们通过改变光纤间的消逝场相互耦合（耦合度，耦合长度）以及改变光纤纤半径来实现不同大小分支量，反之也可以将多路光信号合为一路信号，也称合成器。

设计选用平面波导型（PLC型）原理，Y分支波导的功率分配是基于图3所示的模式变化，当入射模从输入波导到达分支尖角时由于波导的几何结构而分开，便沿着对称分支波导传输实现功率分配功能。

图3 Y分支波导结构示意图

设计选用了分光比1:99的光分路器。分光比定义了光分路器各输出端口的输出功率比值，在系统应用中，分光比的确是根据实现系统光节点所需的光功率的多少，确定合适的分光比（平均分配的除外），光分路器的分光比与传输光的波长有关。

5 PIN探测器

PIN结构的探测器本质是一个反向偏置的半导体二极管，与普通光电二极管不同之处是在重掺杂的p区和n区之间夹有一层本征层。本征层的引入增加了光在探测器内的光程，从而提高了光的吸收。图4表示了PIN光探测器的原理结构。正常工作时，探测器一般要加反向偏压。当入射光的能量小于InP禁带宽度时，入射光就会透过InP帽层进入In0.53 Ga0.47As吸收层。如果吸收层的禁带宽度E小于入射光（1.0～1.6 μm波段）的能量，则吸收层中的价带电子会吸收光子能量而跃迁到导带形成电子-空穴对。因为外加反向电压的作用，空间电荷区会存在很强的电场，电子-空穴对会受电场的作用而分别被扫向n区和p区电极，在外电路中形成光电流，从而实现光到电的转换。

图4 InP/InGaAs PIN工作原理图

光电探测器的响应度表征了探测器将入射光信号转换为电信号的能力。若a为材料的吸收系数，Rf为人射面的反射率，ω为吸收层的厚度，则响应度R可表示为

由公式（1）可见，可通过引入合适的增透膜和设计合适的耗尽层宽度方法优化探测器的材料和结构来提高器件的响应度。

6 1×2磁光开关

磁光开关（Magneto-optic Switch）是本文研究的对象。磁光开关利用了法拉第（Faraday）磁致旋光效应。法拉第效应又称为磁光效应，是指某些物质在外磁场的作用下，能使通过它的平面偏振光的偏振方向发生旋转。利用这一特性，磁光开关实现全光通信所必需的全光切换功能。

如图5所示，入射光矢量旋转的角度β与沿着光传播方向作用在非磁性物质上的磁感强度B及光在磁场中所通过的物质长度d成正比，即

图5 法拉第磁光效应图

其中，V是费尔德（Verdet）常数，它与波长有关，且非常接近该材料的吸收谐振，故不同的波长应选取不同的材料。大多数物质的V值都很小，近些年出现了一些极强磁致旋光能力的新型材料，这些材料属于铁磁性物质，线偏振光通过在磁场中被磁化的材料时，振动面会发生旋转。当磁化强度未达到饱和时，振动面旋转角度θ目与磁化强度M及通过的距离d成正比。

以上公式中M0是饱和磁化强度，F为法拉第旋光系数，表示磁化强度达到饱和后振动面每通过单位距离所转过的角度。强磁性金属合金及金属化台物（如Fe，Co及Ni）有极高的F值，但同时吸收系数a的值也非常大；强磁性化合物由于一般存在a极小的波长区域，使得它具有很高的旋光性能指数，同时，磁致旋光的方向只与磁场的方向有关，而与光的传播方向无关，光束往返通过磁致旋光物质时，旋转角度往同一方向累加。