CN106684703B - Twdm onu波长控制方法及其系统与关断深度控制电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种TWDM ONU波长控制方法及其系统与关断深度控制电路，其中，所述方法包括：通过硬件PID（8）的闭环控制使TEC（6）的当前温度快速稳定于目标温度；在驱动光发射组件（3）的突发驱动器（5）待机和工作时，关断深度控制电路（11）工作，通过关断深度控制电路（11）给光发射组件（3）提供输入，使所述光发射组件（3）发射不会影响其它ONU正常工作的光，所发的光使光发射组件（3）产生预热，所述预热使光发射组件（3）从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。本发明能够很好的达到控制激光器的波长漂移范围，从而实现GPON系统的波分复用和时分复用的目的。

Description

TWDM ONU波长控制方法及其系统与关断深度控制电路
技术领域
本发明涉及通信工程领域，具体涉及TWDM ONU在窄带系统上应用的波长控制方法及其系统和控制电路。
背景技术
TWDM ONU（时分波分复用光网络单元）是NGPON（下一代无源光网络）的技术难点，主要是DWDM FILTER（密多分复用滤波器）对每一个波长通道的带宽限制都很窄，比如每个通道DWDM FILTER在DWDM通带的中心波长±80pm以内，如果是普通ONU，在随着系统信号BEN控制下，模块的激光器随时在发光和不发光之间不停的切换，导致激光器温度随时都处于变化的过程，而激光器温度是与波长对应的关系，通常情况下，激光器温度每升高1℃，激光器的波长将增大0.1nm，温度每降低1℃，激光器的波长将降低0.1nm，所以波长控制将非常困难。现有技术使当前温度达到目标温度是通过软件PID调节，软件PID调节采样慢、响应慢，不能精确的调节温度，导致波长偏差超出DWDM通带范围。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种使每一个波长都能在DWDM FILTER通带以内工作的TWDM ONU波长控制方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种TWDM ONU在窄带系统上应用的波长控制方法，包括：
通过硬件PID的闭环控制使TEC的当前温度快速稳定于目标温度；
在驱动光发射组件的突发驱动器待机和工作时，关断深度控制电路工作，通过关断深度控制电路给光发射组件提供输入，使所述光发射组件发射不会影响其它ONU正常工作的光，所发的光使光发射组件产生预热，所述预热使光发射组件从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。其中所述关断深度控制电路在本发明实施例中采用NMOS，本领域技术人员很容易想到在其它实施例中可以采用温度漂移性能良好的其它器件，如也可采用NPN三极管去控制，或者采用具有类似功能的复合管。
优选的，所述关断深度控制电路包括NMOS，关断深度控制电路给光发射组件提供的输入为流经NMOS漏源极的电流，受所述NMOS的栅极控制，所述NMOS的栅极受MCU控制。
优选的，对所述NMOS的栅极控制电压做查找表，以MCU的核温为索引，去补偿环境温度引起的关断深度控制电路输入电流的变化。
优选的，所述硬件PID依次与H桥控制器、H桥、TEC连接，MCU设置的目标温度对应的电压与从光发射组件采样回来的温度对应的电压之差输入硬件PID，然后经H桥控制器转换为控制信号从而控制H桥，使TEC加热或制冷，光发射组件形成新的温度，如此循环，实现闭环控制。
优选的，对MCU设置到硬件PID的目标温度做温度查找表。
优选的，在驱动光发射组件的突发驱动器待机时，关断深度控制电路提供的输入使光发射组件的光功率维持在-33dBm到-30dBm之间。
本发明还提供一种TWDM ONU在窄带系统上应用的波长控制系统，包括MCU，光发射组件，与MCU连接的驱动所述光发射组件的突发驱动器，TEC，与MCU连接的TEC驱动器，其特征在于，所述TEC驱动器采用硬件PID对TEC的温度进行闭环控制，波长控制系统还包括与MCU连接的关断深度控制电路，在驱动光发射组件的突发驱动器待机和工作时，关断深度控制电路工作，所述关断深度控制电路给光发射组件提供输入，使所述光发射组件发射不会影响其它ONU正常工作的光，所发的光使光发射组件产生预热，所述预热使光发射组件从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。
优选的，所述关断深度控制电路包括NMOS，关断深度控制电路给光发射组件提供的输入为流经NMOS漏源极的电流，受所述NMOS的栅极控制，所述NMOS的栅极受MCU DAC控制。
优选的，对所述NMOS的栅极控制电压做查找表，以MCU的核温为索引，去补偿环境温度引起的关断深度控制电路输入电流的变化。
优选的，所述硬件PID依次与H桥控制器、H桥、TEC连接，MCU设置的目标温度对应的电压与从光发射组件采样回来的温度对应的电压之差输入硬件PID，然后经H桥控制器转换为控制信号从而控制H桥，使TEC加热或制冷，光发射组件形成新的温度，直到达到设置的目标温度，如此循环，实现闭环控制。
优选的，对MCU设置到硬件PID的目标温度做温度查找表。
本发明还提供一种关断深度控制电路，所述关断深度控制电路包括NMOS，关断深度控制电路给光发射组件提供的输入为流经NMOS漏源极的电流，受所述NMOS的栅极控制，所述NMOS的栅极受MCU控制，在驱动光发射组件的突发驱动器待机和工作时，关断深度控制电路工作，所述关断深度控制电路给光发射组件提供输入，使所述光发射组件发射不会影响其它ONU正常工作的光，所发的光使光发射组件从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。
优选的，对所述NMOS的栅极控制电压做查找表，以MCU的核温为索引，去补偿环境温度引起的关断深度控制电路输入电流的变化。
优选的，在驱动光发射组件的突发驱动器待机时，关断深度控制电路工作提供的输入使光发射组件的光功率维持在-33dBm到-30dBm之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过硬件PID对激光器TEC电路的驱动控制技术，提高了系统的响应，降低了激光器的波长漂移。通过关断深度电路在突发驱动器待机时，可以让激光器有一个预热，让波长漂移更小。通过硬件PID TEC Driver和关断深度控制电路共工作用，可以让普通DFB（分布式反馈激光器）用于本系统。本发明的每一个ONU都能工作在多个DWDM波长上,比如四个波长，每个波长间隔0.8nm，每一个波长通过DWDM FILTER后，和OLT通信时，ONU Tx端波长都能在DWDM FILTER通带以内工作，波长不会漂移出DWDM FILTER的通道带外。能够很好的达到控制激光器的波长漂移范围，从而实现GPON系统的波分复用和时分复用的目的。
附图说明
图1是本系统的结构框图。
图2 图2是其中一实施例的电路示意图。
图3是图2所示电路的TEC驱动电路图。
图4是本发明关断深度控制电路一种实施方式的电路示意图。
附图标记说明：MCU 1，Bosa 2，光发射组件3，光接收组件4，突发驱动器5，TEC 6，TEC驱动器7，硬件PID 8，H桥9，H桥控制器10，关断深度控制电路11，NMOS 12。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本系统的结构框图，图2是其中一实施例的电路示意图，图3是图2所示电路的TEC驱动电路图。如图1、图2结合图3所示，本发明的TWDM ONU在窄带系统上应用的波长控制系统包括MCU 1，光发射接收组件（Bosa ）2，与MCU 1连接的驱动Bosa 2的突发驱动器（burst driver）5，所述Bosa 2包括光发射组件3、光接收组件4以及用于加热或冷却光发射组件3的TEC（半导体致冷器）6，其中光发射组件3在本实施例中为半导体激光器。本系统还包括驱动所述TEC 6的TEC驱动器7，采用硬件PID 8对TEC 6的温度进行闭环控制。具体来说，所述TEC驱动器7包括依次连接的硬件PID 8、控制H桥9电流通路的H桥控制器10以及H桥9，所述H桥控制器10用于将MCU 1产生的下述PWM信号转换为控制信号，控制H桥9施加在TEC6两端的电压方向。MCU 1与TEC驱动器7连接，给TEC 6设定目标温度R(t)，所述目标温度R(t)对应的电压为PWM波形式，C(t)是采样当前半导体激光器芯片的温度对应的电压，E(t)=R(t)-C(t)是当前温度误差对应的电压，误差经硬件PID 8调节，输出新的控制量给H桥控制器10从而控制H桥9电流的方向和大小，使TEC 6加热或制冷，半导体激光器形成新的温度C(t+1)，如此循环，实现闭环控制。现有PID采用软件实现，采样慢，响应慢，不能精确的调节温度，导致波长偏差超出DWDM通带范围；本发明采用硬件PID 8，通过调试比例电路，积分电路，微分电路三者参数，让激光器的TEC 6芯片在环境温度为-10℃~60℃条件下，都能锁定波长。
由于环境温度变化，MCU 1设置到硬件PID 8的目标温度对应的波长会改变，因为为了波长全温都很稳定，需要对MCU 1设置到硬件PID 8的目标温度做温度查找表。
研究发现采用硬件PID 8还不能完全消除波长偏差超出DWDM通带范围的问题，因为Bosa 2发射的光包有长有短，通常通过发射占空比为99%的长光包对每个通道进行测试，如果其波长等于每个通道的中心波长即认为符合要求，但是对于占空比为1%的短光包，由于发光时间短，温度不及发射占空比为99%的长光包时的温度，由背景技术可知，温度每降低1℃，激光器的波长将降低0.1nm，因此对于占空比为1%的短光包其波长很可能偏移出中心波长的-80pm外，因此需要提高短光包的波长使之位于中心波长的-80pm以内。
图4是本发明关断深度控制电路一种实施方式的电路示意图。如图4所示，本发明还包括与光发射组件3连接的关断深度控制电路11，所谓关断深度控制电路11，即驱动光发射组件3的突发驱动器5待机和工作时对光发射组件3提供输入的电路，其输入使光发射组件3发射很微弱的光，但下游设备检测不出，不会影响其它ONU的正常工作，所发的光会给光发射组件一个预热，所述预热使光发射组件3从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。
具体来说，所述关断深度控制电路11包括NMOS 12，关断深度控制电路11给光发射组件3提供的输入为流经NMOS 12漏源极的电流I2，受所述NMOS 12的栅极G控制，所述NMOS12的栅极G受MCU 1控制。本发明的关断深度控制电路11采用温漂特性良好的NMOS 12，在突发驱动器5工作时，即，使突发驱动器5驱动光发射组件3发光的使能端口BEN ON时，关断深度控制电路11工作，激光器在发光瞬间，偏置电流Ibias注入，所述Ibias等于突发驱动器5产生的驱动电流I1与关断深度控制电路11提供的输入电流I2之和。激光器通过突发驱动器5和所述关断深度控制电路11的驱动正常发光。由于关断深度控制电路提供给光组件的电流相比突发驱动器提供的大电流来说，基本可以忽略，所以此时的偏置电流Ibias基本等于突发驱动器5的驱动电流I1。在突发驱动器5待机时，即，使突发驱动器5驱动光发射组件3发光的使能端口BEN OFF时，突发驱动器5不再提供驱动电流I1，但关断深度控制电路一直在工作，由MCU 1控制该NMOS 12的栅极G对NMOS 12的漏源极电阻Rds进行控制，进而控制通过NMOS 12漏源极的电流I2的大小，也就控制了通过激光器的偏置电流Ibias的大小，让激光器此时可以发一个很小的光（＜-30dBm，此时不会影响正常信号通信的信噪比），激光器发光就会发热，也就是对激光器增加了一个预热状态。该预热提高了发射短光包时的温度，使得占空比为1%的短光包的波长增加，进而保证发射的短光包的波长都位于每个通道的中心波长的±80pm以内；同时该预热也会使占空比为99%的长光包波长会增加，偏离每个通道的中心波长，因为通过关断深度控制电路11发射的不影响其它ONU正常工作的光产生的热量有限，所以不会使占空比为99%的长光包偏离出每个通道的中心波长±80pm以外。
由于激光器在突发驱动器5关闭的时候的激光器的阈值电流Ith会随环境温度而改变，因此全温要保持激光器在突发驱动器5关闭的时候都维持在光功率-33dBm到-30dBm之间，因此需要对Mos管的栅极G控制电压做查找表（LUT），以MCU 1的核温为索引，去补偿环境温度引起的控制偏置电流Ibias电流的变化。
本发明还提供一种TWDM ONU在窄带系统上应用的波长控制方法，包括：通过硬件PID 8的闭环控制使TEC 6的当前温度快速稳定于目标温度；在驱动光发射组件3的突发驱动器5工作时，关断深度控制电路11工作，通过关断深度控制电路11给光发射组件3提供输入，使所述光发射组件3发射不会影响下游设备正常工作的光，所发的光使光发射组件3产生预热，所述预热使光发射组件3从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。在驱动光发射组件3的突发驱动器5待机时，关断深度控制电路11工作提供的输入使光发射组件3的光功率维持在-33dBm到-30dBm之间。实验发现，越接近-30dBm，模块在系统工作时的波长漂移越小，但是不能将关断深度＞-30dBm，这样会引起系统的信噪比降低。
综上所述，本发明通过硬件PID对激光器TEC电路的驱动控制技术，提高了系统的响应，降低了激光器的波长漂移。通过关断深度电路在突发驱动器待机时，可以让激光器有一个预热，让波长漂移更小。通过硬件PID TEC Driver和关断深度控制电路共工作用，可以让普通DFB（分布式反馈激光器）用于本系统。本发明的每一个ONU都能工作在多个DWDM波长上,比如四个波长，每个波长间隔0.8nm，每一个波长通过DWDM FILTER后，和OLT（光线路终端）通信时，ONU Tx端波长都能在DWDM FILTER通带以内工作，波长不会漂移出DWDM FILTER的通道带外。能够很好的达到控制激光器的波长漂移范围，从而实现GPON系统的波分复用和时分复用的目的。

Claims (14)

1.TWDM ONU波长控制方法，其特征在于，所述波长控制方法包括：
通过硬件PID（8）的闭环控制使TEC（6）的当前温度快速稳定于目标温度；
在驱动光发射组件（3）的突发驱动器（5）待机和工作时，关断深度控制电路（11）工作，通过关断深度控制电路（11）给光发射组件（3）提供输入，使所述光发射组件（3）发射不会影响其它ONU正常工作的光，所发的光使光发射组件（3）产生预热，所述预热使光发射组件（3）从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。
2.如权利要求1所述的TWDM ONU波长控制方法，其特征在于，所述关断深度控制电路（11）包括NMOS（12），关断深度控制电路（11）给光发射组件（3）提供的输入为流经NMOS（12）漏源极的电流，受所述NMOS（12）的栅极控制，所述NMOS（12）的栅极受MCU（1）控制。
3.如权利要求2所述的TWDM ONU波长控制方法，其特征在于，对所述NMOS（12）的栅极控制电压做查找表，以MCU（1）的核温为索引，去补偿环境温度引起的关断深度控制电路（11）输入电流的变化。
4.如权利要求1－3任一项所述的TWDM ONU波长控制方法，其特征在于，所述硬件PID（8）依次与H桥控制器（10）、H桥（9）、TEC（6）连接，MCU（1）设置的目标温度对应的电压与从光发射组件（3）采样回来的温度对应的电压之差输入硬件PID （8），然后经H桥控制器（10）转换为控制信号从而控制H桥（9），使TEC（6）加热或制冷，光发射组件（3）形成新的温度，如此循环，实现闭环控制。
5.如权利要求4所述的TWDM ONU波长控制方法，其特征在于，对MCU（1）设置到硬件PID（8）的目标温度做温度查找表。
6.如权利要求5所述的TWDM ONU波长控制方法，其特征在于，在驱动光发射组件（3）的突发驱动器（5）待机时，关断深度控制电路（11）工作提供的输入使光发射组件（3）的光功率维持在-33dBm到-30dBm之间。
7.一种TWDM ONU波长控制系统，包括MCU（1），光发射组件（3），与MCU（1）连接的驱动所述光发射组件（3）的突发驱动器（5），TEC（6），与MCU（1）连接的TEC驱动器（7），其特征在于，所述TEC驱动器（7）采用硬件PID（8）对TEC（6）的温度进行闭环控制，波长控制系统还包括与MCU（1）连接的关断深度控制电路（11），在驱动光发射组件（3）的突发驱动器待机和工作时，关断深度控制电路（11）工作，所述关断深度控制电路（11）给光发射组件（3）提供输入，使所述光发射组件（3）发射不会影响其它ONU正常工作的光，所发的光使光发射组件（3）产生预热，所述预热使光发射组件（3）从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。
8.如权利要求7所述的TWDM ONU波长控制系统，其特征在于，所述关断深度控制电路（11）包括NMOS（12），关断深度控制电路（11）给光发射组件（3）提供的输入为流经NMOS（12）漏源极的电流，受所述NMOS（12）的栅极控制，所述NMOS（12）的栅极受MCU（1）控制。
9.如权利要求8所述的TWDM ONU波长控制系统，其特征在于，对所述NMOS（12）的栅极控制电压做查找表，以MCU（1）的核温为索引，去补偿环境温度引起的关断深度控制电路（11）输入电流的变化。
10.如权利要求7-9任一项所述的TWDM ONU波长控制系统，其特征在于，所述TEC驱动器（7）包括H桥（9）以及H桥控制器（10），所述硬件PID （8）依次与H桥控制器（10）、H桥（9）、TEC（6）连接，MCU （1）设置的目标温度对应的电压与从光发射组件（3）采样回来的温度对应的电压之差输入硬件PID（8），然后经H桥控制器（10）转换为控制信号从而控制H桥（9），使TEC（6）加热或制冷，光发射组件（3）形成新的温度，如此循环，实现闭环控制。
11.如权利要求7-9任一项所述的TWDM ONU波长控制系统，其特征在于，对MCU（1）设置到硬件PID（8）的目标温度做温度查找表。
12.一种关断深度控制电路，其特征在于，所述关断深度控制电路（11）包括NMOS（12），关断深度控制电路（11）给光发射组件（3）提供的输入为流经NMOS（12）漏源极的电流，受所述NMOS（14）的栅极控制，所述NMOS（12）的栅极受MCU（1）控制，在驱动光发射组件（3）的突发驱动器（5）待机和工作时，关断深度控制电路（11）工作，所述关断深度控制电路（11）给光发射组件（3）提供输入，使所述光发射组件（3）发射不会影响其它ONU正常工作的光，所发的光使光发射组件（3）产生预热，所述预热使光发射组件（3）从不发光到发光工作时能迅速将发出的光稳定到系统每个通道要求的带宽内。
13.如权利要求12所述的关断深度控制电路，其特征在于，对所述NMOS（12）的栅极控制电压做查找表，以MCU（1）的核温为索引，去补偿环境温度引起的关断深度控制电路（11）输入电流的变化。
14.如权利要求12或13所述的关断深度控制电路，其特征在于，在驱动光发射组件（3）的突发驱动器（5）待机时，关断深度控制电路（11）工作提供的输入使光发射组件（3）的光功率维持在-33dBm到-30dBm之间。
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