CN101017955A - 大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法 - Google Patents
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Abstract
一种大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，其特征在于：适时监测激光器组中的各泵浦激光器的热沉温度和驱动电流，累积记录激光器的工作时间，通过计算累积工作时间与该时间段的寿命因子之积的总和，估计激光器的使用寿命；根据使用寿命均衡和热沉温度均衡的原则调整功率分配，适当降低寿命估计值偏高激光器的驱动功率，适当增加寿命估计值偏低激光器的驱动功率，较高热沉温度的激光器被设定较低功率工作，使不同驱动功率或不同热沉温度的无制冷泵浦激光器在相对较长的累积工作时间内能够平衡调整，达到均衡使用，使多只激光器的老化程度趋于相同。
Description
技术领域
本发明涉及一种泵浦激光器组的驱动控制电路实现方法，具体地说，涉及一种用于包层泵浦光纤放大器时无制冷大功率泵浦激光器组的状态监控和协调工作方法。
背景技术
随着接入网FTTH的不断推进，对大功率光纤放大器的需求正日益增长。新近的高功率光纤放大器采用多模双包层泵浦技术，放大器采用镱/铒共掺双包层光纤为增益介质，将泵浦光输入至横截面数百倍至数千倍于单模光纤的多模双包层光纤之中，因此，在同样的输入光密度下，多模包层泵浦可以允许数百倍至数千倍于单模泵浦的泵浦光输入，从而容易实现光纤放大器的大功率或超大功率输出。由于高功率光纤放大器很容易实现+30dBm以上输出功率，因此在同等条件下至少相当于4-5台常规的饱和输出功率为+23dBm EDFA产品。单台高功率光纤放大器至少支持1000-1300位用户，而其成本只相于当采用常规EDFA产品的60％～70％，并且具有输出功率高、安装尺寸小和维护成本低等诸多优点，因而在大规模的FTTH应用中具有很好的市场前景。
泵浦激光器的驱动控制技术是大功率光纤放大器的一项关键技术。由于需要的泵浦光功率很高，包层泵浦光纤放大器采用若干只泵浦激光器，且每只泵浦激光器的功率均在数瓦以上。由于功率较大，通常的制冷管芯温度控制方法实现起来十分麻烦，而采用无制冷激光器和风冷的方式则具有整机功耗小，成本低廉的优点。但是另一方面，使用无制冷激光器和风冷工作方式对环境适应性较差，例如，激光器工作中历经不同的温度环境时，其老化率是不同的，由于温度环境变化难以预测，因而难以准确把握激光器的使用状况，对于多泵组合结构来说，如不能控制各激光器的使用状况，容易导致个别激光器过度使用，造成过早失效，从而使整个泵浦激光器组无法继续工作。
发明内容
本发明的目的是针对高功率光放大器无制冷泵浦激光器组的驱动及控制问题，提供一种大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，通过适时监测和激光器寿命控制的方法，使无制冷大功率泵浦激光器实现均衡工作的模式，保证泵浦激光器组长时间可靠工作。
本发明的技术方案是： 一种大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，其特征在于：
适时监测激光器组中的各泵浦激光器的热沉温度和驱动电流，累积记录激光器的工作时间，通过计算累积工作时间与该时间段的寿命因子之积的总和，估计激光器的使用寿命；
寿命因子决定于驱动功率和热沉温度平均值；
其中ki或k(Wi，Ti)为第i段计时单元内的寿命因子，主要由驱动功率wi和热沉温度Ti决定；Δt为累加计时单元时间，其长短的选取以不忽略可能发生的各种温度变化过程，又不过大增加控制器负担为原则；
根据使用寿命均衡和热沉温度均衡时原则调整功率分配，适当降低寿命估计值偏高激光器的驱动功率，适当增加寿命估计值偏低激光器的驱动功率，较高热沉温度的激光器被设定较低功率工作，使不同驱动功率或不同热沉温度的无制冷泵浦激光器在相对较长的累积工作时间内能够平衡调整，达到均衡使用，使多只激光器的老化程度趋于相同。
如上所述的大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，其特征在于：通过累加计时器记录激光器的工作时间，累加计时器在激光器工作时启动，激光器关断时停止。
如上所述的大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，其特征在于：在泵浦激光器的热沉温度超出设计标准时发出关断预告警，提供处理选择方案，超出延时未处理则可直接关断泵浦激光器；达到设计寿命后，降低光输出功率设置以确保光输出功率的稳定性，同时发出更换请求和激光器寿命告警；在有激光器或驱动电路意外失效情况下，根据剩余激光器的寿命状况分析，自动调整光输出功率设置，发出某激光器或驱动模块失效告警，并提示此状态下的输出光功率水平。
如上所述的激光器组的驱动及保护方法，其特征在于：在大功率光纤放大器中通过输入端和输出端的光纤耦合器和PIN管监测输入和输出的光功率，通过微控制器完成光放大器输入及输出光功率监测，实现基于稳定输出光功率水平的驱动控制；微控制器还将完成泵浦激光器组多点温度和驱动电流采样，各激光器工作时间累积记录和工作寿命估计，当前激光器使用状况分析等，从而实现基于各泵浦激光器均衡协调机制的驱动控制。
本发明的工作原理还可以做如下描述：
1、在大功率光纤放大器中通过输入端和输出端的光纤耦合器和PIN管监测输入和输出的光功率；通过温度和电流检测方法监测各泵浦激光器的热沉温度和驱动电流，激光器组可能有多个激光器，由于分布位置和驱动功率的不同，对应的热沉温度和驱动电流也会不同；通过累加计时方法记录泵浦激光器的累积工作时间，累加计时与泵浦激光器的开关状态同步；
2、根据光输出功率检测值与设置额定输出功率的比较决定泵浦激光器组所需的总驱动功率；对于各种因素导致的功率变化要求尽快作出反应，因此这一反馈控制要求高速完成。
3、根据激光器使用寿命均衡和热沉温度均衡的原则分配各泵浦激光器的工作功率。在激光器使用寿命不同的情况下，过分使用的激光器将被分配较少的驱动功率以减缓消耗，剩余寿命较长的激光器被分配较大的驱动功率，原则是不超过热沉温度限制；在激光器使用寿命基本相同的情况下，驱动功率分配以达到各激光器热沉温度相同为原则。无论是基于使用寿命还是的温度均衡的原则，之前必须分析各激光器寿命状态，分配功率之后均要检测热沉温度的变化，因此，功率分配是一个略缓的过程。
4、根据累加计时和时段温度测试估计泵浦激光器的累积使用寿命。
其中ti或Δt为累加计时单元时间间隔，k0或k(W0，T0)为设计使用条件的寿命因子，W0和T0分别为设计使用功率和设计使用温度，k(W0，T0)可设置为1。
其中ki或k(Wi，Ti)为第i段计时单元内的寿命因子，主要由驱动功率wi和热沉温度Ti决定。
归一化以后，得到：
其中m为实际的累加计时单元总数。
使用寿命估计是不断累积完成的，采取的方法是累加计时，激光器驱动电流和热沉温度检测，定期更新寿命估计值的方法，相对而言是一个缓慢的过程，但对异常状态如超出设计的温度上限，泵浦激光器的开关等将随时更改寿命估计的进程。
5、在环境情况(主要是温度)超出设计标准时发出关断预告警，提供处理选择方案，超出延时未处理则可直接关断泵浦激光器。
6、达到设计寿命后，控制器自动降低光输出功率设置以确保光输出功率的稳定性，同时发出更换请求和激光器寿命告警；
7、在有激光器或驱动电路意外失效情况下，根据剩余激光器的寿命状况分析，自动调整光输出功率设置，发出某激光器或驱动模块失效告警，并提示此状态下的输出光功率水平。
8、所有信号监测，累积计时，数据分析，驱动设置和状态告警等功能依靠微控制器完成。光放大器功率稳定控制采用一个快速反馈环路，主要完成补偿泵浦功率不足或减少多余泵浦光功率任务，使光放大器输出功率能尽快达到设定值；基于激光器寿命估计和热沉温度所进行的功率分配调整采用中速反馈环路；激光器组的寿命估计采用低速环路，完成时间累积，温度平均值估算和寿命分析，分析结果提供功率分配控制器参照。
本发明具有以下优点和积极效果：
①根据累积记录均衡驱动各激光器，延长激光器组整体寿命
②记录激光器使用历史，提供激光器寿命估计和早期告警提示
③自动关断保护功能，当环境温度超标或因种种原因导致热沉温度超出危险警戒值的时间超出限度，或激光器驱动电流超标，将自动关断对应激光器的驱动
④出现个别激光器或其驱动电路非正常失效情况下，能保证剩余激光器工作在安全模式，在不损坏剩余激光器的前提下提供尽可能满意的输出质量
附图说明
图1-多激光器泵浦双包层光纤放大器结构
图2-泵浦激光器组的结构
图3-半导体激光器老化趋势
图4-激光器热沉温度～时间记录
图5-基于寿命和热沉温度均衡控制的多激光器热沉温度～时间曲线
图6-温度加权的寿命累积记录
图7-无制冷泵浦激光器组的驱动控制流程
其中：
1-双包层增益光纤
2-光纤合波器
3-光隔离器
4-隔离器
5-泵浦激光器组及其驱动器
5-1-1：泵浦激光器；5-1-2：激光器管芯温度操测器；5-1-3：激光器驱动电流；5-1-4：激光器驱动电路；5-1-5：激光器驱动电流信号；5-1-6：激光器管芯温度信号
5-2-1：泵浦激光器；5-2-2：激光器管芯温度探测器；5-2-3：激光器驱动电流；5-2-4：激光器驱动电路；5-2-5：激光器驱动电流信号；5-2-6：激光器管芯温度信号
5-3-1：泵浦激光器；5-3-2：激光器管芯温度探测器；5-3-3：激光器驱动电流；5-3-4：激光器驱动电路；5-3-5：激光器驱动电流信号；5-3-6：激光器管芯温度信号
5-4-1：泵浦激光器；5-4-2：激光器管芯温度探测器；5-4-3：激光器驱动电流；5-4-4：激光器驱动电路；5-4-5：激光器驱动电流信号；5-4-6：激光器管芯温度信号
6-光纤耦合器
7-光纤耦合器
8-光检测器
9-光检测器
10-采样检测及总控制器
11-使用初期激光器P～I曲线
12-使用中期激光器P～I曲线
13-使用末期激光器P～I曲线
14-泵浦激光器设计使用的温度～时间曲线
15-泵浦激光器实际使用的温度～时间曲线
16，17-基于使用寿命均衡控制的两泵浦激光器温度～时间曲线
18-泵浦激光器设计使用寿命
19-浦激光器实际使用寿命
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明。
包层泵浦高功率光纤放大器构成如图-1所示，主要有双包层增益光纤1，光纤合波器2，光隔离器3、4，泵浦激光器组及其驱动器5，光纤耦合器6、7，光检测器8、9和采样检测及总控制器10几部分。输出功率的大小及其稳定性是功率放大器的主要技术指标，包层泵浦高功率光纤放大器通过对输出端光检测器的采样比较来控制泵浦激光器组的驱动设置，实现输出功率的稳定。
泵浦激光器组5由若干个泵浦激光器组成，泵浦激光器采用无制冷封装。其整体结构见图-2。在工作情况下，控制器首先根据输出设定值分配各激光器功率，再根据输出端光检测器的采样与设定值的比较决定各激光器需要调整的功率。
众所周知，半导体激光器的输出光功率与驱动电流的关系是随温度和使用时间而变化的，其典型P~I曲线如图-3所示。在光放大器使用过程中，通常会要求泵浦激光器的输出功率维持在一定值，当热沉温度增加或使用时间增加都会导致同样光输出功率情况下驱动电流的增加。纯粹由使用时间增加导致的驱动电流增加就是老化，是不可恢复的变化；短时间较高热沉温度导致的驱动电流增加在温度下降后能一定程度恢复，但是较高热沉温度下长工作是一种加速老化过程，因此实际使用寿命会由于环境因素的复杂而与单纯的使用时间或设计寿命明显不同，见图-4。针对多激光器协同工作，尤其是采用无制冷泵浦激光器的情况，必须防止个别激光器的过度使用和过早失效。
采用的办法是：1，适时监测泵浦激光器热沉温度和驱动电流，累积记录激光器的工作时间，通过计算累积工作时间与该时间段的寿命因子(决定于驱动功率和热沉温度平均值)之积的总和，估计激光器的使用寿命。2，在工作过程中，通过一个快速的反馈环路，控制器首先根据输出端光检测器的采样与设定值的比较和当前的激光器的使用寿命状况分配功率，以便迅速适应输出功率的要求。3，在输出端光功率稳定的情况下，根据使用寿命均衡和热沉温度均衡的原则，进一步调整功率分配，通常这是一个略缓的过程。
图-5是两只无制冷泵浦激光器的实际工作温度与时间的关系，在其中I和II两个阶段，两激光器交替采用不同驱动功率(热沉温度)，图中T0为设计的工作温度；III阶段对应一种环境温度升高过程，IV阶段之后，较高热沉温度的激光器在阶段V被设定较低功率(较低热沉温度)工作，VI阶段再次根据寿命均衡和热沉温度均衡的原则调整。通过这种控制原理，使不同驱动功率或不同热沉温度的无制冷泵浦激光器在相对较长的累积工作时间内能够平衡调整，达到均衡使用，使多只激光器的老化程度趋于相同。
激光器使用寿命估计根据：
其中ki或k(wi，Ti)为第i段计时单元内的寿命因子，主要由驱动功率wi和热沉温度Ti决定。Δt为累加计时单元时间，其长短的选取以不忽略可能发生的各种温度变化过程，又不过大增加控制器负担为原则，例如Δt可以选取1分钟～1小时之间。
图-6是基于这一方法给出的激光器使用寿命估计，其中纵轴为寿命因子，k0＝1表明在设计的驱动功率和工作温度下，寿命因子为1，实际工作情况下，寿命因子可能大于1或小于1；图中直方图面积总和即为激光器寿命估计，归一化处理可除以激光器的设计寿命(图中虚线面积)。通过这一方法也可随时查询激光器的使用寿命情况。
图-7给出了一种基于适时监测和使用寿命控制的无制冷泵浦激光器组的驱动控制流程，其中没有包括激光器失效后处理的部分。
与各种异常情况相关的紧急处理均由控制器根据特定物理量的阈值比较来判断和处理，并可通过控制器的通讯接口通告整个系统。
Claims (4)
1、一种大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，其特征在于：
适时监测激光器组中的各泵浦激光器的热沉温度和驱动电流，累积记录激光器的工作时间，通过计算累积工作时间与该时间段的寿命因子之积的总和，估计激光器的使用寿命；
寿命因子决定于驱动功率和熟沉温度平均值；
其中ki或k(Wi，Ti)为第i段计时单元内的寿命因子，主要由驱动功率Wi和热沉温度Ti决定；Δt为累加计时单元时间，其长短的选取以不忽略可能发生的各种温度变化过程，又不过大增加控制器负担为原则；
根据使用寿命均衡和热沉温度均衡的原则调整功率分配，适当降低寿命估计值偏高激光器的驱动功率，适当增加寿命估计值偏低激光器的驱动功率，较高热沉温度的激光器被设定较低功率工作，使不同驱动功率或不同热沉温度的无制冷泵浦激光器在相对较长的累积工作时间内能够平衡调整，达到均衡使用，使多只激光器的老化程度趋于相同。
2、按权利要求1所述的大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，其特征在于：通过累加计时器记录激光器的工作时间，累加计时器在激光器工作时启动，激光器关断时停止。
3、按权利要求1所述的大功率泵浦激光器组的驱动及控制保护方法，其特征在于：在泵浦激光器的热沉温度超出设计标准时发出关断预告警，提供处理选择方案，超出延时未处理则可直接关断泵浦激光器；达到设计寿命后，降低光输出功率设置以确保光输出功率的稳定性，同时发出更换请求和激光器寿命告警；在有激光器或驱动电路意外失效情况下，根据剩余激光器的寿命状况分析，自动调整光输出功率设置，发出某激光器或驱动模块失效告警，并提示此状态下的输出光功率水平。
4、按权利要求1所述的激光器组的驱动及保护方法，其特征在于：在大功率光纤放大器中，通过输入端和输出端的光纤耦合器和PIN管监测输入和输出的光功率，通过微控制器完成光放大器输入及输出光功率监测，实现低输入光功率的泵浦驱动保护和基于稳定输出光功率水平的驱动控制(APC)；微控制器还将完成泵浦激光器组多点温度和驱动电流采样，各激光器工作时间累积记录和工作寿命估计，当前激光器使用状况分析等，从而实现基于各泵浦激光器均衡协调机制的驱动控制。
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