CN105068355B - 一种单级多泵光纤放大器的控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级多泵光纤放大器的控制系统和控制方法。针对单级多泵放大器的特性，在要求高增益高功率输出的情况下，传统的控制方案无法能够兼顾光学噪声指数和瞬态特性，本发明通过采用980nm和1480nm中心波长泵浦激光器混搭的结构并结合特有的基于这种混搭机构的控制办法来实现光信号的放大，加上泵浦激光器驱动电流分配方案和特有的瞬态抑制方案来提高模块的光学噪声指数和瞬态特性，以此来保证光放大器的核心性能。本发明能够保证了光学噪声，又优化了光学瞬态性能，这是传统控制技术所不能达到的。通过大量的实验验证发现，利用本方案能够保证良好的光学噪声指数的前提下，光学瞬态性能提高达到50%，大大提升了整个模块的性能和产品竞争力。

Description

一种单级多泵光纤放大器的控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及光纤放大器控制技术领域，尤其涉及一种单级多泵光纤放大器的控制系统和控制方法。

背景技术

随着光通信行业的不断发展，光纤放大器作为光传输中的一种重要部件，其相关性能也必须不断提升，对放大器模块的功率输出和增益要求也在提高。为了使光纤放大器能够有更大功率输出和更大的增益，在单泵浦能力有限的情况下，只能增加其泵浦数量，基于产品成本的考虑，这种多泵浦（>=2）光学结构的方案一般是采用980nm泵浦和1480nm泵浦混合利用的方案。理论上，980nm泵浦保证模块的噪声指数，1480nm泵浦保证模块的功率输出和增益。但是如何有效的控制这两种泵浦来保证良好的噪声指数的前提下功率输出又比较大，并且在这样的控制方法下其动态性能又能够保障甚至提升，正是需要解决的技术难题。

当前传统的单级单泵一般都是采用简单的闭环控制技术，例如单纯简单的PID技术，它能够满足模块的基本功能需求，这种控制技术只能满足常规功能需求的应用，对于日益增长的性能需求形成了一定的瓶颈。例如在面对不断增大的放大器功率输出指标，放大器模块必须采用更多的泵浦激光器来实现这一目标，增加激光器数目虽然能够解决功率输出问题，但是会给模块带来其他问题，噪声指数和瞬态性能的恶化表现得最为突出。并且针对单级多泵浦的结构目前还未发现针对性的技术方案，如果只是采用传统的控制技术，那么放大器的诸多性能都无法得到保证，特别是上文提到的噪声指数和瞬态性能两点。

发明内容

本发明正是基于以上技术难题，提供一种单级多泵光纤放大器的控制系统和控制方法，本发明克服了传统光纤放大器在大增益和大输出光功率时的技术难题，并针对单级多泵光纤放大器结构提出了一种特有的控制方法和控制系统，通过采用980nm和1480nm中心波长泵浦激光器的混搭结构来实现光信号的放大，加上泵浦激光器驱动电流分配方案和特有的瞬态抑制方案来提高光纤放大器的光学噪声指数和瞬态特性，以此来保证光放大器的核心性能。

本发明采用的技术方案如下：

一种单级多泵光纤放大器的控制系统，所述系统包括：用于测量光纤放大器输入端所输入的光功率的PD1、用于将测量的输入端光功率值进行快速模数转换的FADC1、用于测量光纤放大器输出端所输出的光功率的PD2、用于将测量的输出端光功率值进行快速模数转换的FADC2、用于获取前馈控制因子的前馈控制因子模块、用于快速响应输入光带来的输出光变化控制的前馈控制器、用于当瞬态发生时对反馈控制的实时调整以此保证动态性能的瞬态抑制模块、用于保证输出光功率的稳定的反馈控制器、用于合理分配驱动电流给泵浦激光器的驱动电流分配模块、泵1驱动器、泵2驱动器、泵1激光器及泵2激光器；

其中，所述前馈控制器分别与前馈控制因子模块、FADC1相连实现光纤放大器系统前馈控制功能；所述瞬态抑制模块分别与FADC1、反馈控制器相连实现了反馈控制量的修正以实现瞬态抑制功能；所述PD2通过FADC2与反馈控控制器相连完成反馈控制功能；所述前馈控制器和瞬态抑制模块通过加法器与驱动电流分配模块1相连，根据预置的多泵浦驱动电流分配方法，将总驱动电流通过驱动电流分配模块分配给泵1驱动器、泵2驱动器，从而实现泵1驱动器驱动对应的泵1激光器、泵2驱动器驱动对应的泵2激光器。

其中，所述泵1激光器的中心波长为980nm，所述泵2激光器的中心波长为1480nm。

采用上述所述一种单级多泵光纤放大器的控制系统的控制方法，包括：

步骤S1、测量光纤放大器输入端所输入的待放大光功率采样值X；

步骤S2、根据预先获得的反馈控制器的输出结果PID，前馈控制因子K₁、B₁以及反馈控制因子K₂、B₂，利用核心控制公式为：Y=K₁*X+B₁+(K₂*X+B₂)*PID，获得待分配给多泵激光器的总驱动电流值Y；

步骤S3、根据多泵浦驱动电流分配方法：将总驱动电流值Y首先分配给中心波长为980nm的泵1激光器，当其达到最大电流时再将剩余部分分配给中心波长为1480nm的泵2激光器，且泵2激光器始终保持有一个最小驱动电流。

其中，对于所述核心控制公式中，前馈控制因子K₁、B₁的获得方法如下：

步骤S1、将泵2驱动电流设为0，在不同输入端功率下，改变泵1驱动电流，使得输出端功率达到期望功率，再根据PD1的采样结果和输出端功率多点线性拟合得到泵1因子K_p1、B_p1；

步骤S2、利用公式X_point=(C_max-B_p1)/K_p1计算得到泵1达到最大工作电流时输入端的输入光采样值X_point, 其中，C_max为泵1激光器的最大工作电流；

步骤S3、设置泵1激光器电流为C_max，改变泵2驱动电流使得输出端功率接近最大期望输出光功率，直到输出端功率与最大期望输出光功率两者偏差绝对值小于0.5dB，记录下此时泵2驱动电流C_temp和输入光采样值X_temp；

步骤S4、线性拟合（X_point，C_max）和（X_temp，（C_max+C_temp））得到泵2因子K_p2、B_p2；

步骤S5、前馈控制因子模块的判断原则为：当当前实际输入光功率采样值X_input<X_point时，K₁=K_p1,B₁=B_p1;否则，K₁=K_p2,B₁=B_p2。其中，对于所述核心控制公式中，反馈控制因子K₂、B₂的获得方法如下：

步骤S6、根据已确定的K₁、B₁，设置反馈控制因子K₂=0，B₂=1，测试光纤放大器的光学瞬态性能，并记录测试结果；

步骤S7、改变反馈控制因子K₂的大小，测试光学瞬态值，当光学瞬态性能最佳时，记录此时的K₂、B₂即为最佳反馈控制因子。

有益效果：

本发明所述的一种单级多泵光纤放大器的控制系统和控制方法，针对单级多泵放大器的特性，在要求高增益高功率输出的情况下，传统的控制方案无法能够兼顾光学噪声指数和瞬态特性，而本发明能够解决大增益大输出光功率的光放大器带来的技术问题，即保证了光学噪声，又优化了光学瞬态性能，这是传统控制技术所不能达到的。通过大量的实验验证发现，利用本方案能够保证良好的光学噪声指数的前提下，光学瞬态性能提高达到50%，大大提升了整个模块的性能和产品竞争力。另外，本发明是基于现有的结构提出的技术方案，并未额外增加任何器件，无成本增加，但是又能达到理想的预期效果。

附图说明

图1是本发明具体实施例提供的一种单级2泵光纤放大器系统的光学结构简图。

图2是本发明具体实施例提供的一种单级多泵光纤放大器的控制系统的结构简图。

图3是本发明具体实施例提供的一种单级多泵光纤放大器的控制方法的流程图。

图中各模块功能说明：

Input：输入信号光，即放大前信号光；

Output：输出信号光，即放大后信号光；

PD1：输入光功率探测器；

PD2：输出光功率探测器；

泵1：一般为980nm泵浦激光器；

泵2：一般为1480nm泵浦激光器；

FADC1：输入光功率快速模数转换器；

FADC2：输出光功率快速模数转换器。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对发明技术方案进行详细说明。

首先介绍光纤放大器系统，如下：

图1是本发明具体实施例提供的一种单级2泵光纤放大器系统的光学结构简图。如图1所示，以掺铒光纤放大器EDFA为例：PD1为输入光功率探测器，用来探测Input端光功率大小，泵1、泵2为EDFA两个泵浦源，PD2为输出光探测器，用于探测Output端光功率。放大器模块的光学基本原理为，通过对其输入和输出的监测，使得放大器模块输出期望功率，从而达到所需增益。基于光学特性，由于980nm泵浦放大的光具有良好的光学噪声指数，1480nm泵浦放大的光具有良好的功率放大效率，但会产生相对较大的光学噪声。所以要想得到大输出功率而又具有良好的光学噪声，在光学结构一般采用两者混搭的结构。本发明专利正是针对这样的光学结构提出了一种特有的控制方案：通过对泵1、泵2的合理控制方案，得到期望功率输出，并且能够保证模块相关核心技术指标，主要指光学噪声指数和瞬态指标，并在业内具有一定优势。

图2是本发明具体实施例提供的一种单级多泵光纤放大器的控制系统的结构简图。如图2所示，本发明所述的一种单级多泵光纤放大器的控制系统，所述系统包括：用于测量光纤放大器输入端所输入的光功率的PD1、用于将测量的输入端光功率值进行快速模数转换的FADC1、用于测量光纤放大器输出端所输出的光功率的PD2、用于将测量的输出端光功率值进行快速模数转换的FADC2、用于获取前馈控制因子的前馈控制因子模块、用于快速响应输入光带来的输出光变化控制的前馈控制器、用于当瞬态发生时对反馈控制的实时调整以此保证动态性能的瞬态抑制模块、用于保证输出光功率的稳定的反馈控制器、用于合理分配驱动电流给泵浦激光器的驱动电流分配模块、泵1驱动器、泵2驱动器、泵1激光器及泵2激光器；

其中，所述前馈控制器分别与前馈控制因子模块、FADC1相连实现光纤放大器系统前馈控制功能；所述瞬态抑制模块分别与FADC1、反馈控制器相连实现了反馈控制量的修正以实现瞬态抑制功能；所述PD2通过FADC2与反馈控控制器相连完成反馈控制功能；所述前馈控制器和瞬态抑制模块通过加法器与驱动电流分配模块1相连，根据预置的多泵浦驱动电流分配方法，将总驱动电流通过驱动电流分配模块分配给泵1驱动器、泵2驱动器，从而实现泵1驱动器驱动对应的泵1激光器、泵2驱动器驱动对应的泵2激光器。

本发明所述的一种单级多泵光纤放大器的控制系统，针对单级多泵放大器的特性，能够解决大增益大输出光功率的光放大器带来的技术问题，即保证了光学噪声，又优化了光学瞬态性能，这是传统控制技术所不能达到的。通过大量的实验验证发现，利用本方案能够保证良好的光学噪声指数的前提下，光学瞬态性能提高达到50%，大大提升了整个模块的性能和产品竞争力。而且，仅从硬件组成上来看，本系统是基于现有结构，并未增加额外器件，没有增加产品成本，为产品竞争增加优势。

本控制系统中的前馈控制器完成系统的前馈控制功能是通过FADC1的变化实时完成泵浦驱动电流的初步调节，调整公式为K₁*X+B₁，其中，X为对应输入光功率的采样值，K₁、B₁为前馈控制因子，前馈控制因子又是由前馈控制因子模块获得；瞬态抑制模块主要是通过对反馈控制器的修正来实现的，核心控制公式为(K₂*X+B₂)*PID，其中，K₂、B₂为反馈控制因子，下文会详细介绍获得办法，X为对应输入光功率的采样值，PID为反馈控制器的输出结果。前馈控制器和瞬态抑制模块再通过加法器与驱动电流分配模块相连，其将两者相加结果输入到驱动电流分配模块中，然后将驱动电流合理分配给泵1驱动器和泵2驱动器并最终完成对泵1激光器和泵2激光器的驱动，从而放大信号光。

本系统中的驱动电流分配模块对驱动电流的分配原则为：当加法器计算的计算结果小于泵1驱动电流达到允许的最大值时，泵1驱动电流等于加法器的计算结果，泵2驱动电流为其最小稳定输出电流；当加法器计算的结果大于泵1驱动电流达到允许的最大值时，泵1驱动电流为其最大工作电流，泵2驱动电流为其最小稳定输出电流与（加法器计算结果-泵1最大工作电流）之和。可见，泵1拥有被优先驱动的原则，并且泵2始终保持一个最小稳定输出电流，这样做的目的是为了防止在控制中泵1和泵2处于临界点，即驱动电流分配模块的待分配的电流处于泵1最大工作电流附近时，不会导致输出功率在临界点时抖动。在本方案中，泵2最小稳定输出电流大约50mA。

针对图2中的瞬态抑制模块说明其基本原理为：

在光学系统中，当瞬态发生时（输入光瞬间发生变化），由于反馈控制往往会有一定的滞后，造成瞬态性能不佳，当放大器的输入信号光突然发生变化时输出光会形成过大的过冲或者欠冲，这对光通信系统非常不利，而增加传统的前馈控制器可以一定程度抑制瞬态恶化，因为它可以在输入光发生变化的瞬间就对泵浦激光器做出调整，但在大光功率输出放大器中瞬态会遇到一定瓶颈，因为在不同输入情况下反馈控制量所占总体控制量比例不一样，而此差别又无法完全用前馈来弥补。本发明中的瞬态抑制模块就是针对性的解决了这一问题，它能够很好的根据输入光的变化迅速对反馈量做出相应调整，防止放大器产生过大的过冲和欠冲，从而达到改善瞬态性能的目的。

在所述控制系统中，所述泵1激光器的中心波长为980nm，所述泵2激光器的中心波长为1480nm。

图3是本发明具体实施例提供的一种单级多泵光纤放大器的控制方法的流程图。如图3所示，本发明所述的采用上述所述一种单级多泵光纤放大器的控制系统的控制方法，包括：

步骤S1、测量光纤放大器输入端所输入的待放大光功率采样值X；

步骤S2、根据预先获得的反馈控制器的输出结果PID，前馈控制因子K₁、B₁以及反馈控制因子K₂、B₂，利用核心控制公式为：Y=K₁*X+B₁+(K₂*X+B₂)*PID，获得待分配给多泵激光器的总驱动电流值Y；

步骤S3、根据多泵浦驱动电流分配方法：将总驱动电流值Y首先分配给中心波长为980nm的泵1激光器，当其达到最大电流时再将剩余部分分配给中心波长为1480nm的泵2激光器，且泵2激光器始终保持有一个最小驱动电流。

本发明所述的控制方法是基于传统的前馈和反馈技术并结合实际环境提出的适用单级多泵光纤放大器的技术方案。该方法所基于的核心控制公式为：Y=K₁*X+B₁+(K₂*X+B₂)*PID，其中参数K₁、B₁为前馈控制因子，K₂、B₂为反馈控制因子，PID是指反馈控制器的输出结果，X为输入光探测功率（图1中Input端信号光功率探测ADC值）。Y为控制系统总输出量（图2中输送给驱动电流分配模块的对象），系统控制思路为待放大输入光由Input端进入，通过对其功率的探测得到X变量，按上述公式可计算得到待分配的总驱动电流值Y，再通过特有的分配方式将Y分配给980nm和1480nm泵浦驱动器，驱动对应泵浦激光器，最终达到对光信号放大目的。

基于驱动电流分配模块，其驱动电流分配方法的基本思路为：传统的控制方案并没有针对单级多泵浦提出具体方案，本发明所述驱动电流分配模块主要是基于光学噪声指数的考量。EDFA模块主要是通过泵浦激光器对源信号光进行泵浦放大的，激光器一般采用980nm和1480nm中心波长的泵浦激光器。980nm泵浦激光器放大的信号具有良好的噪声，但局于放大输出功率的限制，大功率要求输出的放大器必须采用1480nm泵浦激光器进行放大，但是1480nm泵浦放大后信号噪声指数不佳。故系统中采用先驱动980nm泵浦激光器，若其驱动电流达到最大时还未得到模块期望输出功率，再驱动1480nm中心波长泵浦激光器，直至达到模块期望输出功率。这样980nm泵浦激光器一直保证有比较大的输出，从而来确保良好的噪声指数。另外，需要说明的是，由于1480nm泵浦激光器在低于最小稳定驱动电流时输出功率会不稳，这样会影响本系统临界点，即当驱动电流分配模块待分配的总电流等于泵1最大工作电流附近时的稳定性，故1480nm泵浦激光器需一直保持有一个最小稳定输出。

需要说明的是，控制系统中的所有参数因子，包括前馈控制因子K₁、B₁，反馈控制因子K₂、B₂，均是根据实际情况采用定标加上相关计算的方式来实现的，以此来保证性能的最佳。

如下为前馈控制因子K₁、B₁和反馈控制因子K₂、B₂的详细获得方法：

对于所述核心控制公式中，前馈控制因子K₁、B₁的获得方法如下：

步骤S1、将泵2驱动电流设为0，在不同输入端功率下，改变泵1驱动电流，使得输出端功率达到期望功率，再根据PD1的采样结果和输出端功率多点线性拟合得到泵1因子K_p1、B_p1；

步骤S2、利用公式X_point=(C_max-B_p1)/K_p1计算得到泵1达到最大工作电流时输入端的输入光采样值X_point, 其中，C_max为泵1激光器的最大工作电流；

步骤S3、设置泵1激光器电流为C_max，改变泵2驱动电流使得输出端功率接近最大期望输出光功率，直到输出端功率与最大期望输出光功率两者偏差绝对值小于0.5dB，记录下此时泵2驱动电流C_temp和输入光采样值X_temp；

通过改变泵2驱动电流的大小，使得系统输出功率（图1中Output端功率）达到最大期望输出功率，最大期望功率是一个目标值。要记录的值是达到这个最大值时的泵2驱动电流C_temp和此时输入光探测（图1中Input）采样值X_temp。

步骤S4、线性拟合（X_point，C_max）和（X_temp，（C_max+C_temp））得到泵2因子K_p2、B_p2；

步骤S5、前馈控制因子模块的判断原则为：当当前实际输入光功率采样值X_Input<X_point（步骤S2计算所得）时，K₁=K_p1,B₁=B_p1;否则，K₁=K_p2,B₁=B_p2。对于所述核心控制公式中，反馈控制因子K₂、B₂的获得方法如下：

步骤S6、根据已确定的K₁、B₁，设置反馈控制因子K₂=0，B₂=1，测试光纤放大器的光学瞬态性能，并记录测试结果；

当前馈控制因子K₁、B₁获取完成后，将前馈控制因子写入系统，让前馈控制器工作在上述因子下。

步骤S7、改变反馈控制因子K₂的大小，测试光学瞬态值，当光学瞬态性能最佳时，记录此时的K₂、B₂即为最佳反馈控制因子。

需要说明的是，K_p1、B_p1为自定义变量，这两个变量是为了最后得到核心公式：Y=K₁*X+B₁+(K₂*X+B₂)*PID中变量K₁、B₁做准备的，为前馈控制器第一阶段因子。K_p2、B_p2也是自定义因子，也是为了得到K₁、B₁做准备的，为前馈控制器第二阶段因子，这是由于本系统控制分为两个阶段，泵1单独工作阶段（总驱动电流值Y小于泵1最大工作电流时）和泵1、泵2一起工作阶段（总驱动电流值Y大于泵1最大工作电流时），为了达到最好的工作效果，所以需要K₁、B₁也需要分情况而定。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种单级多泵光纤放大器的控制系统，包括用于测量光纤放大器输入端所输入的光功率的PD1(输入光功率探测器)、用于测量光纤放大器输出端所输出的光功率的PD2(输出光功率探测器)、泵1驱动器、泵2驱动器、泵1激光器及泵2激光器，其特征在于，所述系统还包括：用于将测量的输入端光功率值进行快速模数转换的FADC1(输入光功率快速模数转换器)、用于将测量的输出端光功率值进行快速模数转换的FADC2(输出光功率快速模数转换器)、用于获取前馈控制因子的前馈控制因子模块、用于快速响应输入光带来的输出光变化控制的前馈控制器、用于当瞬态发生时对反馈控制的实时调整以此保证动态性能的瞬态抑制模块、用于保证输出光功率的稳定的反馈控制器、用于合理分配驱动电流给泵浦激光器的驱动电流分配模块；

其中，所述前馈控制器分别与前馈控制因子模块、FADC1相连实现光纤放大器系统前馈控制功能；所述瞬态抑制模块分别与FADC1、反馈控制器相连实现了反馈控制量的修正以实现瞬态抑制功能；所述PD2通过FADC2与反馈控控制器相连完成反馈控制功能；所述前馈控制器和瞬态抑制模块通过加法器与驱动电流分配模块1相连，根据预置的多泵浦驱动电流分配方法，将总驱动电流通过驱动电流分配模块分配给泵1驱动器、泵2驱动器，从而实现泵1驱动器驱动对应的泵1激光器、泵2驱动器驱动对应的泵2激光器。

2.根据权利要求1所述的一种单级多泵光纤放大器的控制系统，其特征在于，所述泵1激光器的中心波长为980nm，所述泵2激光器的中心波长为1480nm。

3.采用权利要求1所述一种单级多泵光纤放大器的控制系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤S1、测量光纤放大器输入端所输入的待放大光功率采样值X；

步骤S2、根据预先获得的反馈控制器的输出结果PID，前馈控制因子K₁、B₁以及反馈控制因子K₂、B₂，利用核心控制公式为：Y＝K₁*X+B₁+(K₂*X+B₂)*PID，获得待分配给多泵激光器的总驱动电流值Y；

步骤S3、根据多泵浦驱动电流分配方法：将总驱动电流值Y首先分配给中心波长为980nm的泵1激光器，当其达到最大电流时再将剩余部分分配给中心波长为1480nm的泵2激光器，且泵2激光器始终保持有一个最小驱动电流。

4.根据权利要求3所述的一种单级多泵光纤放大器的控制系统的控制方法，其特征在于，对于所述核心控制公式中，前馈控制因子K₁、B₁的获得方法如下：

步骤S1、将泵2驱动电流设为0，在不同输入端功率下，改变泵1驱动电流，使得输出端功率达到期望功率，再根据PD1的采样结果和输出端功率多点线性拟合得到泵1因子K_p1、B_p1；

步骤S2、利用公式X_point＝(C_max-B_p1)/K_p1计算得到泵1达到最大工作电流时输入端的输入光采样值X_point,其中，C_max为泵1激光器的最大工作电流；

步骤S3、设置泵1激光器电流为C_max，改变泵2驱动电流使得输出端功率接近最大期望输出光功率，直到输出端功率与最大期望输出光功率两者偏差绝对值小于0.5dB，记录下此时泵2驱动电流C_temp和输入光采样值X_temp；

步骤S4、线性拟合(X_point，C_max)和(X_temp，(C_max+C_temp))得到泵2因子K_p2、B_p2；

步骤S5、前馈控制因子模块的判断原则为：当当前实际输入光功率采样值X_input<X_point时，K₁＝K_p1,B₁＝B_p1；否则，K₁＝K_p2,B₁＝B_p2。

5.根据权利要求4所述的一种单级多泵光纤放大器的控制系统的控制方法，其特征在于，对于所述核心控制公式中，反馈控制因子K₂、B₂的获得方法如下：

步骤S6、根据已确定的K₁、B₁，设置反馈控制因子K₂＝0，B₂＝1，测试光纤放大器的光学瞬态性能，并记录测试结果；

步骤S7、改变反馈控制因子K₂的大小，测试光学瞬态值，当光学瞬态性能最佳时，记录此时的K₂、B₂即为最佳反馈控制因子。