CN102017469B - 用于控制来自脉冲式激光器的光输出功率的方法和设备 - Google Patents

用于控制来自脉冲式激光器的光输出功率的方法和设备 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于无源光网络(PON)中的光网络终端。所述光网络终端包括用于从外部设备接收数据分组的数据端口和用于将所述数据分组转换为数据链路帧的处理器。另外，所述光网络终端包括被配置为存储时分多路复用方案的存储器，所述时分多路复用方案用于确定被分配给PON中的多个网络节点的每个的时隙以用于传输上游光信号。提供了光收发器，用于将数据链路帧转换为上游光信号并且在上游TDMA(时分多址)信道上向光线路终端(OLT)发送所述光信号。光收发器包括用于产生光信号的脉冲式激光二极管和用于利用偏置信号和调制偏置信号来偏置激光二极管的脉冲式激光器驱动器。

Description

用于控制来自脉冲式激光器的光输出功率的方法和设备
技术领域
本发明一般地涉及在诸如无源光网络(PON)之类的通信网络中使用的脉冲式激光二极管，并且特别地涉及用于控制由所述脉冲式激光二极管所产生的光输出功率的反馈控制电路。
背景技术
激光二极管一般用于经由光纤网发送数据信息。为了达到更高速数据率，激光二极管可以利用驱动电流来偏置，因此它处于‘ON’并且至少生成最小的光输出。当二极管被偏置时，所述二极管可以利用附加电流来驱动，使得二极管的光输出随时间在两个功率输出电平之间改变。二极管的一个功率输出电平可以表示逻辑低或0，而所述二极管的另一功率输出电平可以表示逻辑高或1。消光比是被应用于在逻辑1光功率电平和逻辑0光功率电平之间dB关系的项。
与连续式激光器对比，脉冲式激光器只在选择的间隔期间生成输出。应当理解，脉冲式发送器本来是关闭的并且不发送光信号，直到接收到脉冲式输入信号。与常规发送器的输出的光信号的恒定传输相比，脉冲式发送器只在接收到输入信号时操作。应当理解，输入信号可以是各种长度的数据，其中一些信号可以短达10微秒，例如在DOCSIS脉冲信号的情况下。在千兆PON(GPON)中，最小脉冲时间是32ns，包括前同步码、定界符和数据。每一脉冲的最小数据量是1字节(6.4ns)。
激光器输出功率由通过激光器的电流量来设置。典型情况下，偏置电流被应用来使激光器达到其阈值，然后添加调制电流以便利用基带数字信号来对激光器进行幅度调制。在调制电流和激光器输出功率之间的关系通常被称为“斜度效率”。随着温度增加，激光阈值增加并且斜度效率减小。随着温度减小，激光阈值减小并且斜度效率增加。随着激光器老化，激光阈值增加并且斜度效率减小。激光器老化与在较高温度下的操作十分类似。
为了补偿温度波动和老化，许多激光器驱动器控制电路使用模拟控制回路来保持来自激光器的恒定平均输出功率。功率监视器光电二极管感测激光器的输出功率以便反馈给驱动器控制电路。特别地，功率监视器光电二极管一般从激光器的后腔面接收输出功率的一部分并且产生与来自所述激光器的前腔面的输出功率成比例的电流。把激光器的前腔面与纤芯对准以便创建信号输出路径。
激光器驱动器控制电路可以包括模拟回路，用于把光电二极管电流与基准电流值相比较。根据该比较，驱动器控制电路调整偏置电流以便减小在光电二极管电流和基准电流之间的误差。在一些电路中，作为替代方式，光电二极管电流被施加到电阻器以便生成用于指示激光器的输出功率的监视器电压。然后驱动器控制电路把监视器电压与基准电压相比较并且控制激光器驱动电流以便减小误差。
使用的模拟控制回路可以是开环或闭环电路。在开环电路中，温度指数查找表用于偏置和调制电流。实现此方法的一个障碍是产生查找表本身，这是一个费时的过程。另外，通常通过按照激光器的规格把激光器功率设置为最大允许值然后随时间使激光器出故障来解决激光器老化的问题。不幸地，这增加了提前使激光器老化的效应。
闭环控制电路通常比开环电路更好地解决温度波动和激光器老化。闭环控制电路可以使用单闭环或双闭环。在单环控制电路中，使用光电二极管作为监视器在每一脉冲期间测量平均功率电平。然后调整偏置电流以便保持来自光电二极管的恒定电流。一般使用温度指数查找表来调整调制电流。不幸地，此技术并不是一个保持高消光比同时没有严重眼图失真风险的有效方式。
在双闭环控制电路中，调整偏置电流直到达到所想要的逻辑电平0并且调整调制电流以便把在每一脉冲期间的平均发送功率保持在所想要的电平。虽然在原则上双闭环控制电路提供了最好的响应，但是这可能难于实现，特别是在使用非常高的消光比时。这是因为高消光比要求非常低的逻辑0功率电平，在一些情况下小于10微瓦，这可能十分难于测量。为了确保准确测量0功率电平，一般必须测量延长的0串。
发明内容
依照本发明的一个方面，提供了一种用于无源光网络(PON)中的光网络终端。光网络终端包括用于从外部设备接收数据分组的数据端口和用于把所述数据分组转换为数据链路帧的处理器。另外，光网络终端包括被配置为存储时分多路复用方案的存储器，所述时分多路复用方案用于确定被分配给PON中的多个网络节点的每个的时隙以用于传输上游光信号。提供了光收发器，用于把数据链路帧转换为上游光信号并且在上游TDMA(时分多址)信道上向光线路终端(OLT)发送所述光信号。光收发器包括用于产生光信号的脉冲式激光二极管和用于利用偏置信号和调制偏置信号来偏置激光二极管的脉冲式激光器驱动器。激光器驱动器包括双闭环反馈控制电路。双闭环反馈控制电路被配置为在从存储器中存储的时分多路复用方案所确定的时隙期间测量并调整来自激光二极管的逻辑0输出功率电平。
依照本发明的另一方面，双闭环反馈控制电路可以进一步被配置为在PON中的多个网络节点的每个没有发送上游光信号时的空闲时段期间测量并调整来自激光二极管的逻辑0输出功率电平。
依照本发明的另一方面，双闭环反馈控制电路可以被进一步配置为在脉冲式激光器正产生上游光信号的TDMA时隙期间测量并调整来自所述脉冲式激光器的脉冲的平均发送功率电平。
依照本发明的另一方面，提供了一种用于校准由脉冲式激光器产生的至少一个光功率电平的方法。所述方法包括当光通信网络中的多个网络节点的每个没有发送上游光信号时测量来自在所述网络节点中使用的脉冲式激光器的逻辑0输出功率电平。将来自脉冲式激光器的测量的逻辑0输出功率电平与第一目标功率电平相比较并且调整被施加到脉冲式激光器的偏置电流以达到第一目标功率电平。
依照本发明的另一方面，所述方法可以进一步包括：在光通信网络的正常业务操作期间测量来自脉冲式激光器的脉冲的平均发送功率电平；将来自所述脉冲式激光器的测量的平均发送功率电平与第二目标功率电平相比较；并且调整被施加到所述脉冲式激光器的调制电流以达到所述第二目标功率电平。
依照本发明的另一方面，每个网络节点可以被配置为在不同的TDMA(时分多址)时隙期间发送上游光信号，并且逻辑0输出功率电平可以在其余可用的TDMA时隙期间被测量。
附图说明
图1示出了可以使用脉冲式激光器的光通信网络的实例。
图2为了图示下游和上游数据传输，示出了可以使用脉冲式激光器的光通信网络的更详细的实例。
图3是脉冲式激光器驱动器的框图。
图4示出了由在脉冲式激光器驱动器中使用的双闭环反馈控制布置执行的方法的一个实例。
具体实施方式
图1示出了可以使用脉冲式激光器的光通信网络的实例。虽然为了说明性目的而示出无源光网络(PON)10，不过本领域技术人员应当认识到，所述网络可以是其中可以使用脉冲式激光器的任何类型。PON10包括通过光分配网络(ODN)连接到多个光网络终端(ONT)16的光线路终端(OLT)12。ODN 14包括至少一个无源分光器，用于对下游通信来说分离在多个ONT 16之间的光数据脉冲。
对于上游通信量来说使用广播机制要求避免数据冲突的方案。用于管理上游通信量的一个技术使用TDMA(时分多址)协议，其中向每个ONT 16保证专用的传输时隙。在TDMA方案中，所有ONT被时间同步并且每个ONT只在其分配的时隙期间发送数据。由OLT 12从ONT 16接收的上游数据被处理并转送到其在PON之前所打算的目的地。
在初始化期间，OLT 12分配用于确定时分多路复用(TDM)传输方案的映射(map)，其中每个ONT 16被分配一个或多个上游信道(例如，时隙)，在此期间ONT 16可以向OLT 12上游唯一地发送光数据脉冲。每个ONT 16还可以被分配一个或多个下游信道(例如，时隙)，在此期间OLT 12发送被指向相应ONT 16的数据分组。
在各种标准中描述了包括宽带PON(BPON)和千兆PON(GPON)的PON技术，诸如国际电信联盟(ITU)规范ITU-T G.983.1，题目为“Broadband Optical Access Systems Based on Passive Optical Networks(PON)”，在此将其内容引用以供参考。在国际电信联盟规范ITU-TG.984.1到984.6中描述了G-PON标准，其也通过引用加以结合。
现在将参考图2描述从OLT 12到ONT 161-16k的传输的下游通信量。OLT 12中的分组处理器101处理从外部节点或ONT 161-16k接收的数据分组并且把所述分组发送到TDMA PON介质访问控制(MAC)处理器102。TDMA PON MAC处理器102依照例如在GPON和EPON标准中定义的规则向光收发器103发送数据链路帧，诸如具有逻辑链路标识符(LLID)或光网络单元(ONU)ID的TDMA PON帧。光收发器103将电信号转换为光信号并且把所述光信号发送到用作ODN的分离器14。分离器14把每个光信号分离为k个光信号并且把这k个光信号发送到ONT 161-16k。ONT 161-16k中的光收发器121将光信号转换为电信号并且把所述电信号发送到TDMA PON MAC处理器122。TDMA PON MAC处理器122从电信号中提取数据以便恢复从OLT 12发送的数据链路帧(例如，TDMA PON帧)。TDMA PON MAC处理器122将恢复的数据链路帧转换为诸如以太网分组之类的数据分组并且把所述分组发送到诸如网桥123之类的目的端口。网桥123向目的订户设备发送分组。
现在将描述从ONT 161-16k发送到OLT 12的上游信号。ONT161-16k的目的端口(例如，网桥)123向TDMA PON MAC处理器122发送从订户设备接收的以太网分组。TDMA PON MAC处理器122将以太网分组转换为数据链路帧(例如，TDMA PON帧)。在OLT 12的控制下，数据链路帧被发送到光收发器121。光收发器121将电信号转换为光信号并且在被分配给每个ONT 161-16k的时间间隔期间发送所述光信号。可以通过参考在存储器124中存储的时分多路复用传输方案来确定适当的时间间隔。这种信号传输方法被称为脉冲式。分离器14对从k个ONT接收的信号进行多路复用并且将多路复用的信号发送到OLT 12的光收发器103。光收发器103从光信号中提取数据并且把提取的数据发送到TDMA PON MAC处理器102。TDMA PON MAC处理器102处理帧并且把处理的帧发送到分组处理器101。分组处理器101处理从TDMAPON MAC处理器102接收的分组并且把处理的分组发送到目的端口。
光收发器121每一个均包括脉冲式激光器，以在它们各自的被分配的时间间隔期间发送光信号。图3是脉冲式激光器驱动器的框图。如所示，控制系统410产生数据信号412和偏置信号414，用于分别驱动调制电流控制电路545和偏置电流控制电路595。这些电路的组合可以用来控制由脉冲式激光二极管405产生的光输出，所述电路可以包括软件、处理器设备、存储设备和相关电路。由二极管405产生的光输出可以被耦合到光纤425，所述光纤425进而被耦合到在图1中所示出的ODN 14。监视光电二极管430从激光二极管405的后腔面接收光。光电二极管将光转换为电信号以便反馈到控制系统410。例如在美国专利号6,738,401和7,031,357中示出了偏置电流控制电路595和驱动调制电流控制电路545的代表性实例，在此将其全部通过引用加以结合。
控制系统410可以用作双闭环控制电路中的控制器。如先前所解释，在双闭环控制电路中，调整偏置(即DC)电流直到达到想要的逻辑0输出功率电平(即，对应于逻辑0的激光二极管的光输出功率)并且调整调制(即AC)电流以便把在每一脉冲期间的平均发送功率保持在想要的电平。依照这种方式，可以消除光输出功率中的变化，这些变化可能是起因于如温度波动和激光器老化之类的情况。如先前所提及，使用光电二极管430获得逻辑0输出功率电平的准确校准测量由于常常涉及的低光功率电平而可能是有问题的。
在这里描述的双闭环控制电路的操作之前，关于激光器特性，只需要三个可易于使用的数据项。首先，需要监视器光电二极管响应度。监视器光电二极管响应度表示在来自激光二极管405的前腔面的光输出和响应于接收到来自激光二极管405的后腔面的光输出由光电二极管430产生的电流之间的关系。监视器光电二极管响应度可以由两个附加项补充，所述附加项用于表示所述监视器光电二极管响应度随温度变化的偏离程度。高温跟踪误差是用于指示在光输出功率和来自光电二极管的电流之间的关系在高温下的偏离程度的校正因子。类似地，低温跟踪误差是用于指示在光输出功率和来自光电二极管的电流之间的关系在低温下的偏离程度的校正因子。这三个激光器特性数据可以被存储在与控制系统410相关联的存储器420中。
可以通过在PON 10中的每个ONT 16没有发送任何光信号时的任何空闲时段(例如，时隙)期间发送一串0来实现逻辑0功率电平的测量。依照这种方式，可以在不妨碍到OLT 12的上游传输的情况下执行测量。可以通过检查被分配给所有ONT的上述TDMA传输方案映射来确定用于执行0功率电平测量的可用时隙。可用的时隙可以是如此的时隙，即，该时隙是仅仅未使用的或者明显地为激光器控制和校准而保留。
除在没有一个ONT正在发送的时隙期间测量逻辑0功率电平之外，还可以在收发器的启动或初始化期间测量逻辑0功率电平。
由于当产生逻辑0时由激光二极管405所发射的相对较低的功率电平，当测量逻辑0电平时可能必须增加光电二极管430的增益。在完成测量之后，光电二极管的增益可以返回到其正常的较低电平。
光电二极管430根据从激光二极管405的后腔面接收的0功率电平光信号来产生电信号。控制系统410接收电信号并且把它与所想要的电信号值相比较。根据在存储器420中存储的监视器光电二极管响应度数据来确定所想要的电信号值，其对应于所想要的逻辑0功率电平。基于测量的电信号值和监视器光电二极管响应度数据，控制系统410使偏置电流控制电路595根据需要调整被施加到激光二极管405偏置以便达到所想要的来自激光二极管405的逻辑0光输出值。可以通过可用的低温或高温跟踪误差数据适当地修改所使用的监视器光电二极管响应度数据。
由于使用双闭环控制电路，所以可能需要调整调制电流以便将来自激光二极管405的在每一脉冲期间的平均发送功率保持在想要的电平。此调整可以在PON处于其正常业务操作状态时实现。特别地，在任何特定的ONT正发送数据时的时隙期间，光电二极管430测量来自激光二极管405的平均发送功率。根据测量的功率电平，与特定的ONT相关联的控制系统410使调制电流控制电路545根据需要调整被施加到激光二极管405的调制偏置以便实现来自激光二极管405的想要的平均发送功率。
图4示出了由在脉冲式激光器驱动器中使用的双闭环反馈控制布置执行的方法的一个实例。所述方法在通信网络的特定网络节点中的控制布置访问传输方案映射时的步骤440开始，以便确定所述通信网络中多个网络节点中的每个没有发送上游光信号时的空闲时段，所述传输方案映射可用于所述网络中的每个网络节点。当空闲时段来到时，在步骤445的控制布置导致增加了监视光电二极管的增益响应。另外，在步骤450，控制布置还指示脉冲式激光二极管在空闲时段期间发送光测试信号。光测试信号包括连续的逻辑0比特。接下来，在步骤455从监视光电二极管接收电信号。所述电信号由光电二极管响应于从脉冲式激光二极管的后腔面接收的光功率产生。在步骤460，访问光电二极管响应度曲线以便根据从光电二极管接收的电信号值来确定测量的逻辑0输出功率电平。在步骤465将来自脉冲式激光器的测量的逻辑0输出功率电平与第一目标功率电平相比较，并且在步骤470调整被施加到脉冲式激光器的偏置电流以便达到第一目标功率电平。
当脉冲式激光器在其正常操作期间正产生数据脉冲时，所述方法继续。如果光电二极管的增益尚未被减小，那么在步骤475它被指示减小增益。接下来，在步骤480中，从监视光电二极管中接收与由激光二极管在脉冲期间产生的平均发送功率相对应的电信号。在步骤485，再次访问光电二极管响应度曲线以便基于从光电二极管接收的电信号的值来确定平均发送功率。在步骤490将来自脉冲式激光器的测量的平均发送功率与第一目标功率电平相比较，并且在步骤495调整被施加到脉冲式激光器的调制偏置电流以便达到表示想要的平均发送功率的第二目标功率电平。
包括但不局限于结合图4给出的上述过程可以在通用的多功能或专用处理器中实现。这种处理器将执行汇编、编译或机器级指令以便执行该过程。那些指令可以由本领域技术人员按照以上给出的描述来编写并且在计算机可读介质上存储或发送。还可以使用源代码或任何其它已知的计算机辅助设计工具来创建该指令。计算机可读介质可以是能够携带那些指令的任何介质，并且包括CD-ROM、DVD、磁光盘或其它光盘、带、硅存储器(例如，可拆卸的、不可拆卸的、易失或非易失性的)、分组化或非分组化的有线线路或无线传输信号。
已经描述了用于以高精度校准在光网络终端中使用的脉冲式激光器的逻辑0和逻辑1功率电平的方法和设备。依照这种方式，来自脉冲式激光器的光输出值可以保持在它们想要的电平，由此避免了可能由诸如温度变化和激光器老化之类的多个因素所导致的波动。当光网络终端在操作中时，可以在空闲时段期间方便地执行校准处理。结果可以执行高精度的校准测量，即便在高消光比的情况下。

Claims (12)

1.一种用于校准由脉冲式激光器产生的至少一个光功率电平的方法，所述方法包括：
当光通信网络中的多个网络节点的每个没有发送上游光信号时，测量来自在网络节点中使用的脉冲式激光器的逻辑0输出功率电平；
将来自所述脉冲式激光器的测量的逻辑0输出功率电平与第一目标功率电平相比较；
调整被施加到所述脉冲式激光器的偏置电流以达到所述第一目标功率电平；以及
在所述光通信网络中的所述多个网络节点的每个没有发送上游光信号时的空闲时段期间，调整来自激光二极管的逻辑0输出功率电平，
其中，测量来自所述脉冲式激光器的逻辑0输出功率电平包括从光电二极管接收电信号，所述电信号响应于从所述脉冲式激光器的后腔面接收的光功率而产生，并且其中，所述方法进一步包括：当测量所述逻辑0输出功率电平时，增加所述光电二极管的增益。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
在光通信网络的正常业务操作期间测量来自所述脉冲式激光器的脉冲的平均发送功率电平；
将来自所述脉冲式激光器的测量的平均发送功率电平与第二目标功率电平相比较；以及
调整被施加到所述脉冲式激光器的调制电流以达到所述第二目标功率电平。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述光通信网络是无源光网络(PON)。
4.如权利要求1所述的方法，其中，至少一个所述网络节点是光网络终端(ONT)。
5.如权利要求2所述的方法，其中，所述多个网络节点中的每个都没有发送上游光信号的时间是空闲时段。
6.如权利要求5所述的方法，其中，每个所述网络节点被配置为在不同的TDMA(时分多址)时隙期间发送上游光信号并且所述空闲时段对应于其余可用的TDMA时隙。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在包括所述脉冲式激光器的所述网络节点被配置为发送上游光信号的TDMA时隙期间测量所述平均发送功率电平。
8.如权利要求1所述的方法，其中，将所述脉冲式激光器的测量的逻辑0输出功率电平与第一目标功率电平相比较包括检查光电二极管响应度曲线以基于从所述光电二极管接收的所述电信号的值来确定测量的逻辑0输出功率电平。
9.一种用于无源光网络(PON)中的光网络终端，包括：
数据端口，用于从外部设备接收数据分组；
处理器，用于将所述数据分组转换为数据链路帧；
存储器，被配置为存储时分多路复用方案，所述时分多路复用方案用于确定被分配给所述PON中的多个网络节点的每个的时隙以用于传输上游光信号；
光收发器，用于将所述数据链路帧转换为上游光信号并且在上游TDMA(时分多址)信道上向光线路终端(OLT)发送所述光信号，其中所述光收发器包括：
脉冲式激光二极管，适于产生所述光信号；和
脉冲式激光器驱动器，适于利用偏置信号和调制偏置信号来偏置所述激光二极管，所述激光器驱动器包括双闭环反馈控制电路，所述双闭环反馈控制电路被配置为在从所述存储器中存储的所述时分多路复用方案确定的时隙期间测量并调整来自所述激光二极管的逻辑0输出功率电平，
其中所述双闭环反馈控制电路进一步被配置为在所述PON中的所述多个网络节点的每个没有发送上游光信号时的空闲时段期间测量并调整来自所述激光二极管的逻辑0输出功率电平，
其中所述双闭环反馈控制电路进一步包括光电二极管，用于测量来自所述激光二极管的后腔面的第一光输出功率电平，所述第一光输出功率电平与从所述激光二极管的前腔面耦合到光纤中的第二光输出功率电平成比例，以及
其中，当测量来自所述激光二极管的所述逻辑0输出功率电平时，增加所述光电二极管的增益。
10.如权利要求9所述的光网络终端，其中所述双闭环反馈控制电路进一步被配置为在所述脉冲式激光器正产生上游光信号的TDMA(时分多址)时隙期间测量并调整来自所述脉冲式激光器的脉冲的平均发送功率电平。
11.如权利要求9所述的光网络终端，其中所述双闭环反馈控制电路进一步被配置为通过调整所述偏置信号来调整所述逻辑0输出功率电平。
12.如权利要求9所述的光网络终端，其中所述双闭环反馈控制电路进一步包括：
第二存储器，被配置为存储激光器特性数据，所述激光器特性数据表示在来自所述激光二极管的后腔面的所述第一光输出功率电平和从所述激光二极管的前腔面耦合到所述光纤中的所述第二光输出功率电平之间的比例。
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