CN102624458B

CN102624458B - 一种突发模式激光驱动器输出功率控制方法

Info

Publication number: CN102624458B
Application number: CN201210063199.3A
Authority: CN
Inventors: 林叶; 朱恩; 顾皋蔚; 张望伟; 叶宁
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: CN102624458A

Abstract

本发明提出一种自动控制突发模式激光驱动器输出功率的方法，以及实现该方法的具体实施方式。在突发模式激光驱动器系统中加入峰值提取、谷值提取和均值提取三种电路；突发形式的光功率监测电流信号由跨导放大器转换成电压信号，分别提取出该电压信号的峰值、谷值和均值，加以保持并定期复位更新；利用低成本的模-数转换电路将峰值、谷值和均值电压信号转换为对应的数字值；微控制器将峰值的数字值减去谷值的数字值，所得差值与预设参考值相比较；将光功率均值的数字值和预设参考值相比较；根据比较结果，通过数-模转换电路分别调整激光驱动器调制电路和偏置电路的控制电压，实现功率的自动控制，并且达到最优化的消光比。

Description

一种突发模式激光驱动器输出功率控制方法

技术领域

本发明涉及无源光网络系统中，光网络单元设备突发模式激光驱动器输出功率的自动控制方法，以及实现该方法的具体实施方式。

背景技术

光纤到户是接入网的发展趋势。以太网无源光网络集合了以太网与无源光网络两方面的优势，是目前实现光纤到户的热门技术^[1]。

以太网无源光网络系统的基本结构体现为一个点到多点网络^[1-2]。其中，在下行方向，光缆终端设备发出的数据包经过一级或多级无源光分路器，以广播的方式同时传送至多个光网络单元。在上行方向，各个光网络单元发出的数据包经过无源的光耦合器汇聚，共享同一根光纤，上行传至光缆终端设备。为了避免来自不同光网络单元的光信号同时传输产生冲突，在上行方向以太网无源光网络系统采用时分复用的机制。为了实现时分复用，各个光网络单元的激光驱动器芯片具有突发工作的机制，即：在指定的突发使能周期中迅速开启激光器，发射上行光脉冲；当使能周期结束时，能够迅速禁能，完全地关断激光器的输出，从而避免对其他光网络单元的上行数据产生干扰。

对于光发射机及其核心器件激光驱动器而言，发射激光信号的自动功率控制机制是十分重要的。传统的连续模式激光驱动器通常使用平均功率控制方法^[3]，利用与激光器封装在一起的光检测器产生的监测电流，使用集成运算放大器等器件构成一个负反馈环路，实现输出功率的自动控制。但是，无源光网络系统的光网络单元是以突发的形式工作的，激光二级管仅在短暂的使能周期内点亮；大部分的时间为禁能周期，激光器上没有光功率输出，而相应的监测电流基本为零。由于禁能周期远远长于使能周期，传统的连续模式下的自动功率控制方法不适合突发模式的光网络单元发射机。

在另一方面，光发射机的消光比也是一个非常重要的指标。消光比定义为数字脉冲光发射机发射全“0”时光功率P₀和全“1”时光功率P₁之比，可用EXT表示，定义公式为：EXT=10log(P₁/P₀)(dB)。消光比的不足容易引起码元误判等一系列问题。根据以太网无源光网络现有的相关国际标准，上行链路使用较长的波长（如1260-1280nm）^[2]，鉴于目前1000nm以上波长的垂直共振腔表面放射型激光器尚不成熟，光网络单元突发模式光发射机需要选用分布式反馈激光器为激光源。而分布式反馈激光器有一个相对较高的阈值电流，典型值在10mA左右。这就要求激光驱动器首先需要对激光器提供10mA左右的直流预偏置电流，在此基础上叠加更大的脉冲调制电流对激光器进行调制，这样才能获得最佳的消光比。在这种情况下，光发射机的消光比同时取决于偏置电流和脉冲调制电流，使得在自动功率控制的同时兼顾优化消光比变得较为复杂。

为了实现突发模式下的自动功率控制，目前存在几种方法：

1.发射机端不监测输出功率和消光比，而是由接收机端检测，并通过光纤通信链路借助某种协议机制告知发射机。发射机据此调节输出的光功率和消光比^[4]。

该方法存在的问题是：需要对相关通讯协议进行约定；需要制定统一的国际标准；如果没有统一的国际标准、或现有国际标准中并未就相关机制做出约定的情况下，可能影响到组网设备之间的兼容性。

2.利用模-数转换电路对监测电流高速连续采样，并利用微控制器对采样结果进行数据分析，作为功率控制的依据^[4]。

该方法存在的问题是：对于突发模式发射机来说，激光器仅仅在使能周期内发光，此时有有效的监测电流产生。但是使能周期的长度仅有数微秒。因此，大部分时间监测电流为零，必须在短时间内捕获到有效的监测电流值。这对模-数转换电路的采样/转换速率以及微控制器的处理速度均提出了较高要求。若选用低成本模-数转换电路，其采样/转换速率不够高，则控制效果不甚理想；但若选用高性能的模-数转换电路，则会增加系统的整体成本。

3.加入采样保持电路单元，利用采样保持电路单元采样光检测器产生的监测电流，并进行保持^[5]。在此基础上，可再使用模-数转换电路单元转换成数字信号，利用微控制器对采样结果进行数据分析并进行调节。由于存在采样保持电路单元，监控电流值可以保持较长时间，因此可以使用较低成本、较低采样/转换速率的模-数转换电路。

该方法存在的问题是：采样保持的对象是监测电流的瞬时值。由于采样的时刻具有不确定性，被采样并保持的监测电流值不一定能准确地反映光发射机实际的发射功率。由于数字脉冲光发射机发射的光脉冲为非归零码随机序列，光检测器（光电二极管）产生的监测电流值可能会随着随机数据“0”和数据“1”比例的不同而产生一定的幅度波动变化。随机地、简单地在某一瞬时进行采样，有可能会采样到随机数据“0”较多时的监控电流值，该值并不能准确地反映光发射机实际的平均发射功率。如果将该值视作一段较长时间内恒定不变的输出功率参考值，可能会导致很大误差。

此外，本方法仅能监测偏置电流和脉冲调制电流的综合叠加效果，并不能分别体现出偏置电流和脉冲调制电流对于光发射机输出功率的影响，不利于占空比的优化。

[1]Tanaka Keiji,Agata Akira,Horiuchi Yukio.IEEE802.3av10G-EPON standardization and itsresearch and development status.Journal of Lightwave Technology,2010,28(4):651-661.

[2]IEEE802.3av10G-EPON Task Force.IEEE 802.3av^TNCarrier sense multiple access withcollision detection(CSMA/CD)access method and physical layer specification,Amendment1:physical layer specifications and management parameters for 10Gb/spassive optical networks.New York:The Institute of Electrical and Electronics Engineers,Inc.,2009.

[3]王志功.光纤通信集成电路设计.北京:高等教育出版社,2003.280-281.

[4]Youngil Park,Chunghwan Lim,and Inkwun Jung.ONU Power Equalization of Ethernet PONSystems.IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,2004,16(8):1984-1986

[5]Maxim Integrated Products.MAX3643datasheet.

http://datasheets.maxim-ic.com/cn/ds/MAX3643_cn.pdf

发明内容

技术问题：本发明主要解决的技术问题是，提出一种有效方法，以相对较低的成本实现突发模式激光驱动器输出功率的自动控制，同时使输出的光脉冲有最优化的消光比。

技术方案：本发明是一种自动控制突发模式激光驱动器输出功率的方法，该方法包含如下步骤：

步骤1.使用跨导放大器将光检测器产生的监测电流转换成相应的监测电压；

步骤2.对突发使能周期内监测电压的峰值、谷值和均值分别进行提取；

步骤3.突发模式光发射机系统中的峰值提取、谷值提取和均值提取及相应的保持电路由突发使能信号控制，当进入突发使能周期时，分别获得本周期内监测电压的峰值、谷值和均值；当进入突发禁能周期后，将三种电压值存储保持；

步骤4.当新的突发使能周期开始时，根据突发使能信号的控制，复位信号生成电路产生一组复位脉冲信号，将前一周期的峰值和谷值电压复位，并提取新的峰值和谷值；

步骤5.模-数转换电路将峰值、谷值和均值电压信号分别转换为相应的峰值、谷值和均值电压数字值；微控制器根据这些数字值，判断突发模式激光驱动器当前的输出功率，并进行调节；

步骤6.微控制器通过数-模转换电路，分别生成激光驱动器调制电路和偏置电路的控制电压，并通过上述两种控制电压，调节激光驱动器输出的偏置电流强度和调制电路电流强度。

其中，步骤5中，模-数转换电路将峰值、谷值和均值电压信号分别转换为相应的峰值、谷值和均值电压数字值；微控制器根据这些数字值，判断突发模式激光驱动器当前的输出功率，并进行调节；判断与调节的具体方法包含如下步骤：

步骤5.1当系统通电初始化时，首先用预先设定好的一组初始值设定调制电流与偏置电流；

步骤5.2光发射机经历突发使能周期之后，峰值提取、谷值提取和均值提取电路获取了相应的光输出功率峰值、谷值和均值电压，并保持为恒定的直流电压输出；

步骤5.3峰值、谷值和均值电压信号由模-数转换电路转换为对应的数字值；

步骤5.4微控制器首先将峰值对应的数字值减去与谷值对应的数字值，所得差值与预先设定好的参考值相比较；

步骤5.5若上述峰值与谷值所对应的数字值相减的差值比参考值大，则降低数-模转换电路输出的调制电路控制电压，从而减小调制电流；若上述差值比参考值小，则提高数-模转换电路输出的调制电路控制电压，从而增加调制电流；若差值在指定范围内，则不作调整；

步骤5.6再将光功率均值的数字值和预先设定好的参考值相比较；若光功率均值的数字值比参考值小，则提高数-模转换电路输出的偏置电路控制电压，从而增加静态偏置电流；若大于参考值，则降低数-模转换电路输出的偏置电路控制电压，从而减小静态偏置电流；然后再将光功率均值和预先设定好的参考值相比较一次，若仍然大于参考值，则降低控制数-模转换电路输出的调制电路控制电压，从而减小调制电流；若光功率均值的数字值在指定范围内，则不作调整；

步骤5.7经过上述流程的调制之后，微控制器延时等待下一个检测周期；

步骤5.8当下一个检测周期到来时，重复上述5.2-5.7步骤。

有益效果：

1.仅借助突发模式光发射机自身内部的闭环控制系统，实现输出功率的自动控制。不需要借助接收机端的配合。

2.该方法可以使用较低成本、较低采样/转换速率的模-数/数-模转换电路实现，降低器件成本。

3.同时保持突发使能时期内监测电流的峰值、谷值和均值三种指标，根据这三种指标控制光发射机的发射功率。避免了采样保持随机的瞬时值所可能造成的不确定性，能更加准确地反映光发射机实际的发射功率。

4.被存储保持的监测电流峰值和谷值能够按照一定周期定时复位，使用新提取的峰值和谷值取代，避免了误差的长期积累。

5.在保证能发射机发射功率符合要求的基础上，还能充分考虑到激光驱动器输出的偏置电流和脉冲调制电流分别对于输出功率的影响，对偏置电流和调制电流分别进行调节，使输出的非归零码光脉冲具有最佳的消光比。

附图说明

图1是本发明所提出的功率控制方法在突发模式激光驱动器中具体实施方式的系统框图。

图2是微控制器控制输出功率及信号消光比的具体算法流程图

具体实施方式

为了解决上述技术问题，达到自动控制激光驱动器输出功率、并优化输出光脉冲消光比的目的，本发明提出如下方法：

使用跨导放大器将光检测器（光电二极管）产生的监测电流信号转换成相应的监测电压信号。在突发模式光发射机系统中，加入峰值提取、谷值提取和均值提取及相应的保持电路。

根据突发使能信号的控制，当进入突发使能周期时，上述三种提取电路分别获得的监测电压的峰值、谷值和均值；当进入突发禁能周期后，对三种电压值存储保持。

当新的突发使能周期开始时，复位信号生成电路根据突发使能信号的控制，生成一组复位脉冲信号，该复位脉冲信号可以令前一周期的峰值和谷值电压信号复位，并以提取新的峰值和谷值信号。

模-数转换电路将峰值、谷值和均值电压信号分别转换为相应的数字值。微控制器根据均值电压数字值，判断输出光功率的平均值是否满足要求；通过峰值电压数字值与谷值电压数字值，判断输出光脉冲的消光比是否满足要求。

根据上述判断，微控制器通过数-模转换电路，分别生成激光驱动器调制电路和偏置电路的控制电压，并通过调制电路和偏置电路的控制电压调节激光驱动器输出的偏置电流强度和调制电路电流强度。

下面结合附图和以及具体的实施方式对本发明做进一步说明。

如图1所示，为了实施本发明所提出的方法，突发模式激光驱动器系统包括如下模块：

突发模式激光器调制电路；

突发模式激光器偏置电路；

跨导放大器；

峰值提取与保持电路；

谷值提取与保持电路；

均值提取与保持电路；

复位信号生成电路。

其中，突发模式激光器调制电路根据激光驱动器输入的非归零码数据信号，为激光器提供脉冲调制电流，使激光器发射包含相应数据信息的光脉冲。该调制电流电流的大小可以通过外部控制电压调节。调制电流可以在突发使能信号控制下快速地开启/关断。

突发模式激光器偏置电路为激光器提供静态的直流预偏置电流，使激光器达到能够产生光功率输出的最小电流要求。该预偏置电流的大小可以通过外部控制电压调节。预偏置电流也可以在突发使能信号控制下快速地开启/关断。

调制电流和偏置电流同时在突发使能信号控制下快速地开启/关断，从而使光发射机具备突发的特性。

光检测器是和激光二极管封装在一起的光电二极管，其阴极与电源相连接，阳极与跨导放大器的输入端相连接。当激光二极管有光功率输出时，光检测器产生与输出光功率所对应的监测电流信号。

光检测器产生的监测电流信号输入跨导放大器，跨导放大器将该监测电流信号转换成相应的监测电压信号。该电压信号分别输入峰值提取、谷值提取和均值提取及保持电路。

根据突发使能信号的控制，当进入突发使能周期时，上述三种提取电路分别获得监测电压的峰值、谷值和均值。在具体实施过程中，峰值和谷值的提取通常在1微秒的突发使能周期内完成。当进入突发禁能周期后，对峰值、谷值和均值三种电压信号存储保持。通常，存储保持的时间不小于125微秒。

由于只有更高的峰值/更低的谷值才能覆盖之前存储保持的峰值/谷值，但是如果新的突发使能周期内，峰值始终小于之前周期的峰值，或者谷值始终大于之前周期的谷值，则峰值和谷值提取及保持电路所输出的电压信号将不能如实反映当前突发使能周期实际的峰值和谷值水平。因此，在新的突发使能周期到来时，需要对上一周期的峰值和谷值复位。系统中具有一组复位信号生成电路，根据突发使能信号生成复位信号脉冲。当新的突发使能周期开始时，该复位脉冲信号可以令前一周期的峰值和谷值电压信号复位，并提取新的峰值和谷值信号。

提取出的峰值、谷值和均值电压信号由模-数转换电路分别转换为相应的数字值，作为微控制器调整偏置电流和调制电流幅度的依据。如图2所示，具体实施步骤如下：

1.当系统通电初始化时，首先用预先设定好的一组初始值设定调制电流与偏置电流。该初始值根据设备的实际工作条件确定，预先存储于微控制器的存储器中。

2.光发射机经历突发使能周期之后，峰值提取、谷值提取和均值提取电路获取了相应的光输出功率峰值、谷值和均值，并保持为恒定的电压信号输出。

3.峰值、谷值和均值电压信号输入模-数转换电路，并由模-数转换电路转换为对应的数字值。

4.微控制器首先用峰值的数字值减去谷值的数字值，将所得的差值与预先设定好的参考值相比较。该参考值根据设备的实际工作条件确定，预先存储于微控制器的存储器中。

5.若上述峰值与谷值所对应的数字值相减的差值比参考值大，则微控制器将控制数-模转换电路输出较低的调制电路控制电压，从而减小调制电流；若上述差值比参考值小，则微控制器将控制数-模转换电路输出较高的调制电路控制电压，从而增加调制电流；若差值在指定范围内，则不作调整。调制电路控制电压的最小调整幅度由数-模转换电路的分辨率决定。若电源电压为1.8V，数-模转换电路的分辨率为8位，则最小的调整幅度为±0.007V。

6.再将光功率均值的数字值和预先设定好的参考值相比较；若光功率均值的数字值比参考值小，则提高数-模转换电路输出的偏置电路控制电压，从而增加静态偏置电流；若大于参考值，则降低数-模转换电路输出的偏置电路控制电压，从而减小静态偏置电流；然后再将光功率均值和预先设定好的参考值相比较一次，若仍然大于参考值，则降低控制数-模转换电路输出的调制电路控制电压，从而适当减小调制电流；若光功率均值的数字值在指定范围内，则不作调整。偏置电路控制电压的最小调整幅度也是由数-模转换电路的分辨率决定。若电源电压为1.8V，数-模转换电路的分辨率为8位，则最小的调整幅度为±0.007V。

7.经过上述流程的调节之后，微控制器延时一段时间，等待下一个检测周期。在具体实施过程中，通常每个周期的时间间隔不大于125微秒。

8.当下一个检测周期到来时，重复上述2-7步骤。

Claims

1.一种自动控制突发模式激光驱动器输出功率的方法，其特征在于该方法包含如下步骤：

2.根据权利要求1所述的自动控制突发模式激光驱动器输出功率的方法，其特征在于，步骤5中，模-数转换电路将峰值、谷值和均值电压信号分别转换为相应的峰值、谷值和均值电压数字值；微控制器根据这些数字值，判断突发模式激光驱动器当前的输出功率，并进行调节；判断与调节的具体方法包含如下步骤：

步骤5.2光发射机经历突发使能周期之后，峰值提取、谷值提取和均值提取电路获取了相应的光输出功率峰值、谷值和均值电压信号，并保持为恒定的直流电压信号输出；

步骤5.4微控制器首先用峰值的数字值减去谷值的数字值，将所得的差值与预先设定好的参考值相比较；

步骤5.7经过上述流程的调节之后，微控制器延时等待下一个检测周期；

步骤5.8当下一个检测周期到来时，重复上述5.2-5.7步骤。