在電信業陷于低迷的今天，那些主要的大廠商都采取了觀望態度，而一些非常年輕的公司卻在努力奮斗以走出困境，使他們在從事大多數前沿光器件的開發活動。器件物理學和材料學領域內新的研究成果成為開發這些器件的要害。真正的挑戰在光學領域：如何彎曲光線，如何交換光線，如何在特定波長產生相干光，如何在光纖中復用信道并以最低的損耗進行長距離的傳輸。

    然而，假如沒有輔助電子器件，光學器件將毫無用處。下一代的光器件如動態大范圍可調激光器就需要復雜的電子器件。電子器件主要用來控制器件的性能，例如：噪聲、電流回路的帶寬、電壓激勵的線性度、溫度控制的精度以及總的死循環控制規則等。設計這類電子器件需要把握與光學領域完全不同的技巧。光器件廠商要想在光技術領域內提供完整的解決方案，就必須將前沿光學與嵌入式電子控制技術結合起來。

    先進的光器件一般很難實現“即插即用”，而且在技術和接口上也缺少相應的工業標準來降低復雜度。這意味著光學領域內每一次新的發現都需要設計新的、獨特的電子控制系統。　

    高級控制的需求

    光器件需要多級控制。最簡單的形式就是一個反饋組件驅動一個控制組件。然而，在大多數應用中，為了補償老化效應和非線性效應，這種簡單控制方案不能滿足穩定性要求。

    例如，在光交叉連接器中，要求光器件能夠治理任意輸入端到輸出端的光交換。器件必須確保光強不超過規定的界限，從而保證必要的穩定性和可靠性。在這個簡單的例子中，同時存在著4種控制環路（圖1），分別是：可以測量整個波長反饋并提供器件治理的外部環路、光強控制環路、保證穩定性的內部電流環路以及溫度控制環路。由此可見，一個光器件中就存在著4種控制信號。那么如何決定反饋的優先權呢，或者哪一種性能更重要呢？此外，還需要考慮許多動態因素：

    短期穩定性：在產生小的變化或環境干擾時，系統需要多長時間來穩定輸出。

    長期穩定性：由于光器件或電器件的老化，系統性能如何隨時間改變。

    可靠性：在可接受的性能范圍內，系統可以運轉多長時間。

    大信號動態響應：在出現階躍變化或大的環境干擾時，系統可以做出多快的響應。

    圖1

    為了正常工作，有些器件可能需要4個控制環。工程師如何治理這個系統

    一般說來，成熟的單入單出（SISO）控制技術，例如比例、積分、微分（PID）或比例、積分（PI）技術可以作為“控制構件”，再結合新的結構如級聯環路就可以得到所需的死循環響應系統。在典型的級聯系統中，內部的控制環路響應最快，可以用來“線性化”某些低電平狀態變量，例如Bragg光柵所需的電流。外部的控制環路通常較慢，可以用來控制狀態變量。假如設計正確，這種級聯死循環控制結構可以帶給系統優良的小信號和大信號響應、高度的可靠性以及優良的長期穩定性，并且易于檢測。在某些情況下，系統的狀態變量很難分解開，這時采取級聯SISO環就不可行。這種情況就需要采取多入多出（MIMO）或多入單出（MISO）控制結構。這種結構用經典的方法很難進行設計和分析，需要采用復雜狀態空間設計方法來獲得所需的死循環性能。大多數的光器件需要采用MIMO或MISO控制結構。

    控制的實現

    一旦確定了控制結構，在硬件上可以用幾種方式來實現（圖2）。

    圖2

    圖中假設光器件的物理接口是模擬的，嵌入式單片系統假設預置模塊和處理器內核的再利用是與應用軟件結合在一起的。

    仿真PCB。在印刷電路板（PCB）上要實現仿真控制，采用現成的電路是開發原型及早期生產系統最輕易、最簡單的方法。由于光器件的物理接口是模擬的，最自然的想法就是開發全套模擬系統。對單個控制環路以及多個獨立的環路而言，采用仿真控制最直接，并且可以立即實現。優點包括：簡單的PID設計、成本低、操作迅捷、開發周期短，尤其適合小規模應用。缺點則是對模擬漂移和溫度波動敏感。全模擬系統很難實現高級控制及軟件可編程。

    數字PCB。數字系統最吸引人的地方就是可編程性。對光器件而言，采用數字PCB非常適宜，因為它可以為功能器件提供先進的控制方案。此外，對一些孤立的全光系統而言，它還可以將控制功能與信息功能結合在一起。

    為了支持城域網（MAN）中的高速業務配給，光分插復用器（OADM）要能夠實現動態重配置。通過網絡遠程控制重配置命令，而OADM的狀態與實時信息則由嵌入式網絡服務器提供給中心機房。在這種情況下，數字電子器件具有多重功能，它有效結合了器件控制和網絡治理等功能。這些額外的軟件特性可以使系統的安裝、服務以及技術支持更輕易治理。

    當然采用數字方式也有缺點：數字系統的開發通常比全模擬系統的開發昂貴得多，并且需要好的固件工程師。而且預設的數字采樣率對性能好壞的影響很大，并且數字方案需要更大的印刷板尺寸。

    帶有外部電流環路的定制FPGA。當光器件廠商從開發器件原型過渡到用早期生產系統進行全面生產時，目標就變成了降低生產費用、減小器件尺寸。這種中等規模的應用非常適合用FPGA來進行設計。

    FPGA系統可以實現非常多的功能。并且具有由軟件控制的電子系統所固有的優點——在高速運行時能夠對系統進行適當的調節——與純模擬系統很類似。

    FPGA的并行處理特性非常適合某些應用，而且以FPGA為基礎進行開發的另一優點就是軟件和硬件都為真正的嵌入式單片系統（SoC）做好了預備。根據廠商的情況以及所采用的方案，將FPGA和外部電流環路結合在一起可以實現低成本開發。

    因此，基于FPGA的系統具有支持控制定制、提供單芯片解決方案、可集成進第三方知識產權、保護專用控制方法等優點，此外，還能很方便地添加各種所需的功能。但是缺點則是開發過程十分昂貴，需要寄存器傳輸級（RTL）程序設計工程師，而且數字采樣率的預設也十分重要，此外，還需要數據庫并能訪問RTL模塊。

    基于SoC的定制IC解決方案。一旦供貨商的產量達到每年50,000塊，要降低成本和提高性能就必須把電子器件做成單片系統。核心問題在于重新利用已有的設計——利用多個廠商的知識產權，以一種高效的、低成本的方法來解決問題。

    像RISC和DSP這類內核知識產權比較清楚，有較多的優點。這種內核通常不用修改就可以重新利用，有時還配套了高效的仿真模型。重要的是，要同時得到這些內核的足夠的定時、仿真和物理布局工具。一般說來，在接受了固件原型后才進行軟件開發和集成是非常昂貴的。這種方法會延長產品進入市場的時間。而且軟件/硬件集成時出現任何問題都會延長設計的周期，有時這種延遲會非常長。因此需要進行硬件和軟件的聯合開發，這樣在縮減工程開發時間的同時還可以驗證系統結構和實時軟件性能。

    可以看出，SoC方案能夠支持先進的控制和軟件可編程性。非凡在大規模應用時，SoC可以實現尺寸最小、產品成本最低、速度快，同時還能保護所用的控制方法。不過另一方面，SoC的開發是最昂貴的。它們需要非常穩定的光學設計，而且預設的數字采樣率也是十分要害的。　

    需要更強大的控制

    光交叉連接器（OXC）可以為長距離傳輸提供全部光纖的交換，但十分復雜。在這種方案中，OXC每次只交換一路而且不能識別光信號所采用的格式。隨著系統的發展，交換時間變得越來越重要，對交換穩定性及動態響應的要求也越來越苛刻，而且需要穩定的死循環控制。

    隨著光學子系統和光器件先進性和復雜性的提高，開發成本低且能實現高效控制的電子器件將會越來越重要。

    作者：JohnD.Brennan,Cadence Design Systems