CN102722211A - 一种激光器快速自动功率控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤通信领域的激光器快速自动功率控制方法，及相应的装置。其特征在于，该方法包括了一个初始化步骤、一个功率判定步骤和一个缩进计算步骤，其中缩进计算步骤对激光器的工作电流进行调整，每一次调整的调整量为前一次的一半，使激光器光输出功率快速逼近参考值。本发明采用缩进计算的方式和装置，对工作电流的目标范围进行缩进调整，可以在短时间内将激光器光输出功率调整到需要的值，响应速度快，步骤简洁。

Description

一种激光器快速自动功率控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用于光纤通信的激光器控制方法及装置，具体是一种激光器的快速自动功率控制方法和相应的装置。

背景技术

光纤通信用到的激光器是其核心部件，该激光器将电信号转化为光信号进行传输；目前半导体材料的激光器在不同的环境温度下，其发光特性呈显明显的非线性特征；另一方面，随着使用时间的延长，激光器本身具有衰减，其发光效率发生变化。若需要保证传输信号的完整性，维持高速的传输速度，必须对激光器的光功率进行检测和监控，并及时调整其输入功率，使光功率输出稳定。

因此，用于驱动激光器的控制系统，必须在两方面保证激光器的功率控制性能：一是限制激光器的最大功率，避免损坏；二是在短时间中可以快速稳定。

发明内容

鉴于以上对激光器控制系统的要求，本发明提出一种激光器快速自动功率控制方法及装置，其技术方案如下：

一种激光器快速自动功率控制方法，它包括以下步骤：

1)初始化步骤：为激光器工作的偏置电流设定一个最大值，并以这个值的一半作为初始值；

2)在上述步骤以后，进入一个功率判定的步骤：该步骤内容包括将所述激光器的光输出与一个参考状态相比较，并且根据比较结果完成可重复的缩进计算的操作，使所述激光器的光输出逐步逼近所述参考状态；

其中，所述缩进计算包括：

a)若激光器光输出大于参考状态的值，则将所述工作电流减去一个目标范围值，该目标范围值起始设定为所述工作电流初始值的一半；

b)若激光器光输出小于参考状态的值，则将所述工作电流加上所述目标范围值；

c)在上述a)或b)步骤以后，将所述目标范围值缩减为其自身的一半。

作为本方法技术方案的一些优选者，可以作如下的改进：

一较佳实施例中，所述2)和3)步骤的循环时间等间隔，与一个时钟信号同步。

一较佳实施例中，所述功率判定的步骤中，采用背光二极管检测所述激光器部分的光输出，并转化为一个电压信号；另有一参考电压，与所述电压信号相比较，该比较的结果作为所述激光器光输出大于或者小于某参考值的表征。

一较佳实施例中，所述工作电流的初始值为所述激光器安全工作偏置电流上限的一半。

一较佳实施例中，所述步骤2)执行的次数被监控，若该次数超过一预设的额定次数时，所述步骤2)在已有的状态中将不再被执行，直到主动解除此状态。

一较佳实施例中，所述工作电流、初始电流、目标范围采用多位二进制数字实现和操作。

作为实现本方法技术方案相关的装置，可以是如下的方案：

一种激光器快速自动功率控制装置，它包括：

一驱动模块，该驱动模块与激光器连接，并具有一驱动输入端；

一监控模块，具有一判定输出端，和可检测所述激光器光输出的元器件；以及

一缩进计算器，该缩进计算器具有一驱动输出端，与所述驱动输入端连接；另有一判定输入端，和所述判定输出端连接；同时该缩进计算器还具有一初始输入端。

该装置的技术方案也有一些优选者，分别作了如下的改进：

一较佳实施例中，所述监控模块包括一背光二极管和并联的一采样电阻与一滤波电容，所述背光二极管正极与所述采样电阻和滤波电容连接处作为一采样输出端，所述采样输出端连接一比较器负端；所述比较器正端连接一参考电压；该比较器的输出端作为所述判定输出端与所述缩进计算器连接。

一较佳实施例中，所述缩进计算器的结构包括：

第一、第二边沿触发器(42、44)和第一、第二边沿触发器阵列(41、43)，四者都具有触发器输出端、时钟端和复位端，其中时钟端和复位端全部同类相连；所述第一、第二边沿触发器(42、44)都具有数据端；所述第一、第二边沿触发器阵列(41、43)具有八位数据端；

第一、第二与门(45、46)，所述与门都具有两个输入端；二与门其中一个输入端连通作为所述缩进计算器的使能端；一第一反向器(47)，其输入端接第二与门(46)的另一输入端，输出端接第一与门(45)的另一输入端；所述第一反向器(47)输入端作为所述判定输入端；

所述第一与门(45)的输出端，与所述第一边沿触发器(42)和第一边沿触发器阵列(41)的使能端连通；所述第二与门(46)的输出端，与所述第二边沿触发器(44)和第二边沿触发器阵列(43)的使能端连通；

一选择器阵列(40)，具有一A端、一B端、一切换端和一选择输出端；其中所述A、B端均包括八位；所述A端连接所述第一边沿触发器阵列(41)的触发器输出端；所述B端作为所述缩进计算器的所述初始输入端；

一第一与门阵列(48)，具有两个输入端和一个输出端，该与门阵列的输入端均包括八位；其中一个输入端与所述第二边沿触发器阵列(43)的触发器输出端连接；另一个输入端全部与所述第二边沿触发器(44)的触发器输出端连接；

一八位加法器(49)，具有八位的两个输入端和一个输出端；该输出端作为所述缩进计算器的驱动输出端，同时与所述第一、第二边沿触发器阵列的八位数据端连通。

一较佳实施例中，所述八位选择器包括8个选择器单元，所述选择器单元包括：

第三和第四与门(61、62)，第二反向器(63)和第一或门(64)，所述第三与门(61)的一个输入端作为所述A端的一位，所述第四与门(62)的一个输入端作为所述B端的一位；所述第二反向器(63)其输入端接所述第三与门(61)的另一输入端，其输入端接所述第四与门(62)的另一输入端；

所述第三、第四与门(61、62)的输出端与所述第一或门(64)的两个输入端分别连通；

所述第二反向器(63)的输入端作为所述切换端；所述第一或门(64)的输入端作为所述选择器选择输出端的一位。

本发明带来的有益效果是：

1.采用缩进计算的方式(装置)对工作电流的目标范围进行缩进调整，可以在短时间内将激光器光输出功率调整到需要的值，响应速度快，步骤简洁；

2.预设电流值为激光器安全工作的最大电流，保证激光器功率调整期间不会超过该值，可靠性高，设置简单。

3.对调整次数进行监控并记录，可控制激光器电流调整的精度，同时更方便外部控制的介入，易扩充多种功能。

4.八位数字时钟的设定使激光器在八个时钟周期就可以达到快速稳定，同时其精度也能符合要求。

附图说明

以下结合附图实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明方法实施例一流程图；

图2是本发明方法实施例二流程图；

图3是本发明装置实施例三框图；

图4是本发明装置实施例四框图；

图5是图4实施例中缩进计算器32的线路图；

图6是图5线路图中边沿触发器42的线路图；

图7是图5线路图中选择器阵列40的一个单元示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本发明方法实施例一流程图；系统一开始以后就进入一个赋值步骤1，该赋值步骤设定了一个常量BIAS，以及两个变量Rn和Ia；其中常量BIAS是预设好的激光器最大电流值，而Rn是一个浮动的“目标范围”值；Ia是激光器的实际驱动电流值。在该赋值步骤1中，变量Ia，Rn被赋予最大电流值的一半：

$\mathrm{Ia}=\frac{\mathrm{BIAS}}{2}$

$\mathrm{Rn}=\frac{\mathrm{BIAS}}{2}$

来到下一步是输出步骤2，激光器在该步骤2中以Ia为驱动电流工作。

接下来是目标缩减步骤3；该步骤3将Rn值缩减为现有值的一半，即以下赋值语句：

$\mathrm{Rn}=\frac{\mathrm{Rn}}{2}$

在下来是功率判定步骤4。该步骤判断激光器输出的光功率是否超过一个参考值，若否，则进入增电流的步骤5；若是，则进入减电流步骤6：

若进入增电流步骤5，则对Ia作以下处理：

Ia＝Ia+Rn

若进入减电流步骤6，则对Ia作以下处理：

Ia＝Ia-Rn

当增电流步骤5或减电流步骤6完成后，再次回到输出步骤2，将Ia的新值用以驱动激光器，从而按照流程反复循环。

我们可以如下描述该实施例：开始先使激光器工作在最大电流的一半，然后再判断激光器光功率是否超过参考值；不论超过与否，总要对现有的驱动电流进行调整，每个周期调整的目标范围，为上一次的一半，而该目标范围以最大电流的1/4为初始进行调整，之后是一个等比数列，1/8、1/16、1/32…，该调整就是一种缩进计算功能的实现，该缩进计算以1/2为因子，在每一个周期中，Ia值具有以下特点：

$\mathrm{Ia}=\frac{\mathrm{BIAS}}{2}+\underset{1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{\mathrm{CMP}-1}{\left(\frac{1}{2}\right)}^N\frac{\mathrm{BIAS}}{2}$

其中N是循环完成的次数，CMP是具体每一次光功率超标(即超过参考值)的判定值，取值只有0和1，分别表示LD实际光功率超过/未超过预设光功率。

第N次循环完成时，把每一次的CMP值分别填入，累加即可得Ia值。可见，周期循环次数越多，其精度越高。在可接受的范围内，如果周期间隔很短，则启动以后，激光器会在短时间内达到稳定。

实施例二：

如图2，本发明方法实施例二流程图。该实施例中，赋值步骤11、输出步骤12、目标缩减步骤13、功率判定步骤14、增电流步骤15和减电流步骤16与实施例一中的对应步骤相同。

所不同的是，在增、减电流步骤15、16之后具有一个调整判定步骤17，该步骤具有一个变量N，监视流程的循环次数，即增、减电流的次数，也即对激光器驱动电流的调整次数。若调整判断步骤17实际上设定并约束了激光器驱动电流的精度；当设定的次数还未达到时，系统仍然如实施例一运行，判断并调整激光器驱动电流；若设定的次数达到，则流程将返回，不再作电流调整。该调整判定步骤17的引入还有一个重要的意义，就是可以对激光器的功率自动控制引入一个可中断的机制，方便外部的控制步骤引入，以扩充更多的功能。

本实施例二中，循环周期为数字同步时钟，并且N设定为8。在8个时钟周期完成时，系统返回，完成一次调整流程。

实施例三：

如图3，是本发明装置实施例三框图。缩进计算器22通过CMP端连接监视模块21，同时通过Dout端连接驱动模块23；驱动模块23具有Drv端连接并驱动激光器LD。

缩进计算器22还具有一个初始输入端int和一个使能端EN。

实际工作中，缩进计算器将来自int端的最大电流值BIAS载入，在Dout端输出数字电流信号后，驱动模块23转化为实际模拟电流值驱动LD发光。监视模块21实时监控LD的光功率输出并通过CMP反馈功率判定的信号：

第一次循环，缩进计算器22通过Dout端输出第一个Dout的值Dout1＝BIAS/2，并确定一个初始范围值BIAS/2。然后通过驱动模块23驱动激光器LD；同时监控模块21判断LD的光输出情况，通过CMP反馈信号至缩进计算器22--若LD已超过预设的光功率，则CMP端为0，目标光功率的电流值在0--BIAS/2范围内，缩进计算器22将Dout值缩减为一半至BIAS/4；若LD未超过预设光功率，则CMP端为1，目标光功率的电流值在BIAS/2--BIAS范围内，缩进计算器22完成以下输出，用以驱动激光器LD：

${\mathrm{Dout}}_2=(\mathrm{BIAS}+\frac{{\mathrm{Dout}}_1}{2})/2=\frac{3}{4}\mathrm{BIAS}$

我们假设LD未超过预设光功率。若完成以上内容，就进入下一循环；缩进计算器22将范围值再缩减为BIAS/4，同时监控模块21再判断LD的光输出，通过CMP端反馈至缩进计算器22--若此时LD光功率值超过预设值，则CMP端为0，目标光功率的电流值在BIAS/2-BIAS*3/4范围内，缩进计算器22就完成以下输出：

${\mathrm{Dout}}_3=({\mathrm{Dout}}_1+{\mathrm{Dout}}_2)/2=\frac{5}{8}\mathrm{BIAS}$

若此时LD光功率值为超过预设值，则CMP端为1，目标光功率的电流值在BIAS*3/4--BIAS范围内，缩进计算器33完成以下输出：

${\mathrm{Dout}}_3=(\mathrm{BIAS}+{\mathrm{Dout}}_2)/2=\frac{7}{8}\mathrm{BIAS}$

按照以上的逻辑，以此类推，反复循环，每一次循环的目标范围都调整为原来的一半，逐步逼近，使激光器LD的光功率无限靠近预设光功率值。本例中，每一个周期采用CLK端的同步时钟控制，设定其8个时钟即完成LD的驱动调整，并认为，此8个周期达到的LD光功率精度，在可接受的范围内已经合格。

实施例四：

如图4，是本发明装置实施例四框图。在本例中缩进计算器32、驱动模块33均与实施例三中相应的部件类似，只是监控模块31采用背光二极管检测激光器LD光功率。其原理是背光二极管PD接收自激光器LD的部分光功率采样，将这个采样通过一个采样电阻R和滤波电容C转化为一个电压参量值，输入比较器34的负端；比较器34正端接入一个恒定电压值APCset。

激光器LD的光功率与其驱动电流正相关，PD接收的光功率与其转化的光电流也正相关，所以，采样电阻R两端的电压值就表征了激光器LD的光功率，通过与参考电压APCset比较，在比较器34输出端CMP即可得到激光器LD光功率是否超标的反馈信号。该反馈信号通过CMP端控制缩进计算器32完成电流调整，该电流调整的步骤同实施例三。

图5是图4实施例中缩进计算器31的线路图；其中，较粗的黑色实线代表八位数据线，相应地，边沿触发器42和44就分别对应阵列的形式41和43。CMP端的信号连同EN端通过一个反向器47、两个与门45、46控制边沿触发器及其阵列形式41、42、43和44。而八位数据通过Din端进入选择器阵列40。该选择器阵列40受S端的控制，选通其A或B端的八位二进制数据。当需要载入Din端的初始数据时选通B入口，当系统正在循环工作时选通A入口。通过4个边沿触发器及其阵列41-44、与门阵列48和八位加法器49，在时钟信号端CLK的步进下完成缩进计算的操作并从Dout端输出。

所有的边沿触发器及其阵列，其时钟端CLK、复位端RST均连通同步。

图5中边沿触发器41的线路图见图6。该边沿触发器包括了可控传输门59、四个反向器51、52、53、54和两个二输入端与非门55、56。

图7是图5线路图中选择器阵列40的一个单元示意图，该选择器单元包括两个二输入端与门61、62，一个反向器63和一个二输入端或门64。其逻辑真值关系是：

S＝1，Y＝A；

S＝0，Y＝B；

即通过S的值控制Y端选通输出A或B。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，比如变量的选择、赋值的顺序、目标范围缩小的时机、光功率监控装置的实现、缩进计算器的电路结构等等，都可以作一些显而易见的更改，但仍然不脱离以1/2为因子进行缩进计算并输出的精神。故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (10)

1.一种激光器快速自动功率控制方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)初始化步骤：为激光器工作的偏置电流设定一个最大值，并以这个值的一半作为初始值；

2)在上述步骤以后，进入一个功率判定的步骤：该步骤内容包括将所述激光器的光输出与一个参考状态相比较，并且根据比较结果完成可重复的缩进计算的操作，使所述激光器的光输出逐步逼近所述参考状态；

其中，所述缩进计算包括：

a)若激光器光输出大于参考状态的值，则将所述工作电流减去一个目标范围值，该目标范围值起始设定为所述工作电流初始值的一半；

b)若激光器光输出小于参考状态的值，则将所述工作电流加上所述目标范围值；

c)在上述a)或b)步骤以后，将所述目标范围值缩减为其自身的一半。

2.根据权利要求1所述的一种激光器快速自动功率控制方法，其特征在于：所述2)和3)步骤的循环时间等间隔，与一个时钟信号同步。

3.根据权利要求1所述的一种激光器快速自动功率控制方法，其特征在于：所述功率判定的步骤中，采用背光二极管检测所述激光器部分的光输出，并转化为一个电压信号；另有一参考电压，与所述电压信号相比较，该比较的结果作为所述激光器光输出大于或者小于某参考值的表征。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种激光器快速自动功率控制方法，其特征在于：所述工作电流的初始值为所述激光器安全工作偏置电流上限的一半。

5.根据权利要求4所述的一种激光器快速自动功率控制方法，其特征在于：所述步骤2)执行的次数被监控，若该次数超过一预设的额定次数时，所述步骤2)在已有的状态中将不再被执行，直到主动解除此状态。

6.根据权利要求5所述的一种激光器快速自动功率控制方法，其特征在于：所述工作电流、初始电流、目标范围采用多位二进制数字实现和操作。

7.一种激光器快速自动功率控制装置，其特征在于：它包括：

一驱动模块，该驱动模块与激光器连接，并具有一驱动输入端；

一监控模块，具有一判定输出端，和可检测所述激光器光输出的元器件；以及

一缩进计算器，该缩进计算器具有一驱动输出端，与所述驱动输入端连接；另有一判定输入端，和所述判定输出端连接；同时该缩进计算器还具有一初始输入端。

8.根据权利要求7所述的一种激光器快速自动功率控制装置，其特征在于：所述监控模块包括一背光二极管和并联的一采样电阻与一滤波电容，所述背光二极管正极与所述采样电阻和滤波电容连接处作为一采样输出端，所述采样输出端连接一比较器负端；所述比较器正端连接一参考电压；该比较器的输出端作为所述判定输出端与所述缩进计算器连接。

9.根据权利要求8所述的一种激光器快速自动功率控制装置，其特征在于：所述缩进计算器的结构包括：

第一、第二边沿触发器(42、44)和第一、第二边沿触发器阵列(41、43)，四者都具有触发器输出端、时钟端和复位端，其中时钟端和复位端全部同类相连；所述第一、第二边沿触发器(42、44)都具有数据端；所述第一、第二边沿触发器阵列(41、43)具有八位数据端；

第一、第二与门(45、46)，所述与门都具有两个输入端；二与门其中一个输入端连通作为所述缩进计算器的使能端；一第一反向器(47)，其输入端接第二与门(46)的另一输入端，输出端接第一与门(45)的另一输入端；所述第一反向器(47)输入端作为所述判定输入端；

所述第一与门(45)的输出端，与所述第一边沿触发器(42)和第一边沿触发器阵列(41)的使能端连通；所述第二与门(46)的输出端，与所述第二边沿触发器(44)和第二边沿触发器阵列(43)的使能端连通；

一选择器阵列(40)，具有一A端、一B端、一切换端和一选择输出端；其中所述A、B端均包括八位；所述A端连接所述第一边沿触发器阵列(41)的触发器输出端；所述B端作为所述缩进计算器的所述初始输入端；

一第一与门阵列(48)，具有两个输入端和一个输出端，该与门阵列的输入端均包括八位；其中一个输入端与所述第二边沿触发器阵列(43)的触发器输出端连接；另一个输入端全部与所述第二边沿触发器(44)的触发器输出端连接；

一八位加法器(49)，具有八位的两个输入端和一个输出端；该输出端作为所述缩进计算器的驱动输出端，同时与所述第一、第二边沿触发器阵列的八位数据端连通。

10.根据权利要求9所述的一种激光器快速自动功率控制装置，其特征在于：所述八位选择器包括8个选择器单元，所述选择器单元包括：

第三和第四与门(61、62)，第二反向器(63)和第一或门(64)，所述第三与门(61)的一个输入端作为所述A端的一位，所述第四与门(62)的一个输入端作为所述B端的一位；所述第二反向器(63)其输入端接所述第三与门(61)的另一输入端，其输入端接所述第四与门(62)的另一输入端；

所述第三、第四与门(61、62)的输出端与所述第一或门(64)的两个输入端分别连通；

所述第二反向器(63)的输入端作为所述切换端；所述第一或门(64)的输入端作为所述选择器选择输出端的一位。

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