一种光开关阵列驱动控制电路设计方法.pdf
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1、第 37 卷第 2 期2023 年 6 月西昌学院学报(自然科学版)Journal of Xichang University(Natural Science Edition)Vol.37,No.2Jun.,2023一种光开关阵列驱动控制电路设计方法徐艳霞,徐济成,汪海威(安徽中澳科技职业学院信息工程与艺术设计系,安徽 合肥 230041)摘 要:针对数据中心光交换阵列切换慢、延时大的技术问题,提出了一种大规模光开光阵列驱动控制电路设计方法。在介绍大规模光开关阵列驱动控制电路原理的基础上,先设计出单路高速、幅度可调光开关控制电路,进而设计了2 000路光开关阵列驱动控制电路,并给出了主要芯片的
2、选型依据,最后通过实验验证了设计的正确性。通过创造性地使用2个数字电位器和1个高速开关,实现了高电平和低电平均可调节的驱动控制电路设计,为光开关阵列驱动控制电路的设计提供了参考和借鉴。关键词:光开关;光通信;光交换阵列;驱动控制电路中图分类号:F0-4;G642 文献标志码:A 文章编号:16731891(2023)02006105A Design Method of Drive and Control Circuit for Optical Switch ArrayXU Yanxia,XU Jicheng,WANG Haiwei(Department of Information Engin
3、eering and Art Design,Anhui Zhong-Ao Institute of Technology,Hefei,Anhui 230041,China)Abstract:Aiming at the technical problems of slow switching and large delay of optical switching array in data center,a design method of drive and control circuit for large-scale optical switching array is proposed
4、.On the basis of introducing the principle of large-scale optical switch array drive and control circuit,a single high speed,amplitude adjustable optical switch control circuit is designed first,and then 2 000 optical switch array drive and control circuits are designed,and then the selection basis
5、of main chips is given.Finally,the correctness of this design is verified through experiments.By creatively using two digital potentiometers and one high-speed switch,the drive control circuit design with adjustable high level and low power average is realized,which provides a reference for the desi
6、gn of the drive and control circuit of the optical switch array.Keywords:optical switch;optical communication;optical switching array;drive and control circuit0 引言高速光开关是光交换系统中最基本和最核心的部件,未来全光交换要满足高速大容量和低时延交换的要求,快速切换的光开关必不可少1。以光开关为基本单元构成光开关矩阵,在全光通信网络中广泛应用,除了光开关矩阵本身的设计原理与结构外,其控制和驱动电路也是影响光开关矩阵性能的重要因素2。控
7、制和驱动电路的作用是根据路由信息来控制开关单元的动作从而实现开关功能,控制和驱动电路也影响开关的速度、功耗等特性3。李运涛等3介绍了不同形式光开关的控制和驱动电路,包括微机电光开关、电光开关、热光开关等,但并未给出光开关阵列驱动控制的设计方法;钟昌锦等4、李显尧等5介绍了光开关阵列的构成及工作原理,但同样未提供光开关阵列驱动控制电路的设计方法。本文使用2个数字电位器和1个高速开关,提出了一种高电平和低电平均可调节的大规模光开关阵列驱动控制电路设计方法,基于现场可编程门阵列(FPGA)控制技术,设计了单路高速、幅度可调光开关控制电路。在此基础上,设计了2 000路光开关阵列驱动控制电路,核心指标
8、上升沿和下降沿的设计目标值均小于2 ns,而在实践中达到了驱动doi:10.16104/j.issn.16731891.2023.02.010收稿日期:2022-10-13基金项目:安徽省高等学校自然科学研究项目(KJ2021A1508);安徽省高等学校质量工程项目产教融合实训基地(2021cjrh023);安徽省高等学校质量工程项目课程思政示范课程(2020szsfkc0528)。作者简介:徐艳霞(1984),女,湖北荆州人,讲师,硕士,主要研究方向:工业互联网应用的教学与科研。西昌学院学报(自然科学版)第 37 卷脉冲上升沿和下降沿均小于1 ns的技术指标。本文所提出的光开关阵列驱动控制电
9、路设计方法,无论对于数据中心海量数据光路由的快速切换控制,还是对于高速数据低延时传输都具有重要的意义。1 光开关阵列驱动控制电路原理本文提出的光开关阵列驱动控制电路包括输入单元、控制电路和输出接口3部分(图1)。输入单元的主要功能有2个:一是接收上位机的控制指令并通过控制接口送给控制电路;二是实时显示n(n 2)路光开关阵列中不同通道的工作状态。输出接口对外输出控制电路产生的控制信号。本文重点介绍控制电路的原理。控制电路的主要功能是产生大规模、快速切换、幅度可调节的光开关驱动控制信号,其原理是电压基准产生幅度固定的电压信号(不小于控制信号的高电平),电压基准的输出与数字电位器相连,数字电位器与
10、固定电阻一起构成分压电阻网络,数字电位器的电阻值 Rt1受 FPGA 控制信号控制,即FPGA控制信号不同,串联在分压电阻网络中的电阻值Rt1不同(电阻最小为0),因电压基准是固定值,从而分压电阻网络可以通过FPGA的控制信号产生幅度可调的高电平信号 VH=VrR1/(Rt1+R1)。当数字电位器的电阻为0时,高电平取得最大值,其数值等于基准电压。同理,电压基准与固定电阻 R2连接,固定电阻R2与数字电位器Rt2一起构成分压电阻网络,数字电位器Rt2的电阻值同样受FPGA控制信号控制,即FPGA控制信号不同,串联在分压电阻网络中的电阻值Rt2不同,最小阻值为0,即接地,因电压基准是固定值,从而
11、分压电阻网络可以通过FPGA 的控制信号产生幅度可调的低电平,VL=Vr Rt2/(Rt2+R2)。当数字电位器的电阻为0时,低电平取得最小值0。高速开关通过FPGA实现开通或关断(二选一),开通时输出幅度可调的高电平信号,切换至关断时,输出幅度可调的低电平信号,在高电平与低电平之间不断切换时,会产生幅度可调的控制信号。高速开关的输出与驱动放大器连接,用于对控制信号进行放大,提高带负载的能力。图1大规模光开关阵列驱动控制电路原理62第 2 期徐艳霞,徐济成,汪海威:一种光开关阵列驱动控制电路设计方法2 设计与实现2.1 单路高速光开关控制电路的设计在数据中心广泛使用硅基光开关,开关控制时间从几
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