CN108390722B - 功率输出非线性edfa的控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种功率输出非线性EDFA的控制电路，包括：输入光功率检测单元、输出光功率检测单元、功率给定偏置单元、非线性运算单元、PID控制单元、泵浦驱动单元；功率给定偏置单元的输出和输入光功率检测单元输出的输入光功率检测信号作为非线性运算单元的输入参数，通过非线性运算单元调整，使非线性运算单元的输出按照要求进行非线性变化；再将非线性运算单元输出的控制信号接到PID控制单元的控制给定端，输出光功率检测单元输出的输出光功率检测信号接PID控制单元的控制反馈端，PID控制单元的输出用来作为泵浦驱动单元的控制信号。

Description

功率输出非线性EDFA的控制电路

技术领域

本发明涉及现代光传输网中的EDFA(掺铒光纤放大器)，尤其是一种功率输出非线性EDFA的控制电路。

背景技术

光纤放大器是光传输中的关键器件，其广泛应用于光骨干通信网、城域网、有线电视、监控等领域。光纤放大器包括掺杂光纤放大器、光纤非线性效应放大器等，其中掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Amplifier—EDFA)利用掺铒光纤对光信号直接进行放大，具有增益高、噪声低、功率大、工作频带宽、偏振无关、信道串扰小、对传输码率与格式及系统升级透明等优点，是大容量长距离光纤传输网络中的理想光放大器。

随着现代通讯快速发展，新一代的光传输网传输系统的应用，对光放大器(EDFA)的要求越来越高。EDFA控制有AGC(恒增益控制)、APC(恒功率控制)、ACC(恒泵浦电流控制)、APPC(恒泵浦功率控制)等。

但以上控制方式不能满足功率输出非线性控制的需要。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种功率输出非线性EDFA的控制电路，实现了EDFA功率输出的非线性的变化，采用模拟电路实现，无需软件设计，调试简单具有优良的瞬态响应。本发明采用的技术方案是：

一种功率输出非线性EDFA的控制电路，包括：

输入光功率检测单元、输出光功率检测单元、功率给定偏置单元、非线性运算单元、PID控制单元、泵浦驱动单元；

功率给定偏置单元和输入光功率检测单元接非线性运算单元，非线性运算单元和输出光功率检测单元接PID控制单元，PID控制单元接泵浦驱动单元；

功率给定偏置单元的输出和输入光功率检测单元输出的输入光功率检测信号作为非线性运算单元的输入参数，通过非线性运算单元调整，使非线性运算单元的输出按照要求进行非线性变化；再将非线性运算单元输出的控制信号接到PID控制单元的控制给定端，输出光功率检测单元输出的输出光功率检测信号接PID控制单元的控制反馈端，PID控制单元的输出用来作为泵浦驱动单元的控制信号。

具体地，功率给定偏置单元包括运算放大器U1、电阻R1、可变电阻RP2；运算放大器U1的同相输入端接参考电压Vref，运算放大器U1的输出端接反相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端通过可变电阻RP2接地，并输出偏置电压Power_Setting。

具体地，非线性运算单元包括运算放大器U2、U3，电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7，可变电阻RP1，二极管VD1；

电阻R2的一端接参考电压Vref，另一端接电阻R3的一端和可变电阻RP1的一端，可变电阻RP1的另一端接地；电阻R3的另一端接运算放大器U2的同相输入端；运算放大器U2的输出端接二极管VD1的阴极，二极管VD1的阳极接运算放大器U2的反相输入端和电阻R7的一端，以及电阻R5的一端；电阻R7的另一端接输入光功率检测信号InputPower_J，电阻R5的另一端接运算放大器U3的反相输入端，并通过电阻R6接运算放大器U3的输出端；电阻R4的一端接功率给定偏置单元的输出即偏置电压Power_Setting，另一端接运算放大器U3的同相输入端；运算放大器U3的输出端输出控制信号Control_Signal。

具体地，PID控制单元包括运算放大器U4、U5、U6，电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18，电容C1、C2，二极管VD2；

电阻R9的一端作为PID控制单元的控制反馈端，接输出光功率检测信号OutputPower_J，电阻R8的一端作为PID控制单元的控制信号端，接非线性运算单元输出的控制信号Control_Signal，并连接电阻R12一端，电阻R15一端；

电阻R8的另一端接运算放大器U4的同相输入端，电阻R9的另一端接运算放大器U4的反相输入端和电阻R10的一端，电阻R10的另一端通过电容C1接运算放大器U4的输出端和电阻R18的一端，电阻R18的另一端接二极管VD2的阴极，并输出驱动信号Pump_Drv至泵浦驱动单元；电阻R12的另一端接运算放大器U5的反相输入端和电容C2一端、电阻R13一端；运算放大器U5的同相输入端通过电阻R11接地；电容C2和电阻R13的另一端接运算放大器U5的输出端和电阻R14的一端；电阻R14的另一端接电阻R15的另一端、电阻R17的一端和运算放大器U6的反相输入端，运算放大器U6的同相输入端通过电阻R16接地；电阻R17的另一端接运算放大器U6的输出端和二极管VD2的阳极。

本发明的优点在于：本发明提出的控制电路，不同于传统意义上的四种控制模式，实现了EDFA功率输出的非线性的变化，采用模拟电路实现，无需软件设计，调试简单具有优良的瞬态响应。

附图说明

图1为本发明的掺铒光纤放大器结构示意图。

图2为本发明的EDFA输出功率非线性变化示意图。

图3为本发明的原理框图。

图4为本发明的功率给定偏置单元原理图。

图5为本发明的非线性运算单元原理图。

图6为本发明的PID控制单元原理图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

EDFA(掺铒光纤放大器)的典型结构如图1所示，包括：输入分光器、输入光功率检测单元、输入隔离器、耦合器、泵浦激光器、掺铒光纤、输出隔离器、输出分光器、输出光功率检测单元；

输入分光器的输入端接输入光信号，主输出端接输入隔离器的一端，次输出端接输入光功率检测单元；输入隔离器的另一端和泵浦激光器的输出端接耦合器；耦合器的输出端通过掺铒光纤接输出隔离器一端，输出隔离器另一端接输出分光器输入端；输出分光器的主输出端得到输出光信号，次输出端接输出光功率检测单元；

根据现场使用要求提出性能的要求，获得EDFA的输出光功率随输入光功率的变化的对应关系，如下表所示输入光信号功率(Pin)和输出光信号功率(Pout)，单位(mW)：

Pin	0.001	0.0016	0.0025	0.004	0.0063	0.01	0.0158	0.0251	0.0398	0.0631	0.1259	0.3162
													Pout	0.568	0.388	0.288	0.228	0.208	0.2	0.1995	0.1995	0.1995	0.1995	0.1995	0.1995

从表中数据可以看到，随着输入光功率的增加，输出光功率呈非线性变化，如图2所示；

从输入光功率检测单元可得到输入光功率检测信号，从输出光功率检测单元可得到输出光功率检测信号；

本发明提出一种功率输出非线性EDFA的控制电路(一下简称控制电路)，输入光功率检测信号和输出光功率检测信号经过该控制电路来控制泵浦激光器，达到调整输出光功率大小的目的。

如图3所示，该控制电路包括：输入光功率检测单元、输出光功率检测单元、功率给定偏置单元、非线性运算单元、PID控制单元、泵浦驱动单元；

功率给定偏置单元和输入光功率检测单元接非线性运算单元，非线性运算单元和输出光功率检测单元接PID控制单元，PID控制单元接泵浦驱动单元；

功率给定偏置单元的输出和输入光功率检测单元输出的输入光功率检测信号作为非线性运算单元的输入参数，通过非线性运算单元调整，使非线性运算单元的输出按照要求进行非线性变化；再将非线性运算单元输出的控制信号接到PID控制单元的控制给定端，输出光功率检测单元输出的输出光功率检测信号接PID控制单元的控制反馈端，PID控制单元的输出用来作为泵浦驱动单元的控制信号，实现了输出光功率输出呈非线性变化的系统性能要求；

如图4所示，功率给定偏置单元包括运算放大器U1、电阻R1、可变电阻RP2；运算放大器U1的同相输入端接参考电压Vref，运算放大器U1的输出端接反相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端通过可变电阻RP2接地，并输出偏置电压Power_Setting；

参考电压Vref来自精密稳压源，通过调节可变电阻RP2，改变偏置电压Power_Setting的电压值，达到调节功率给定偏置电压的目的。

如图5所示，非线性运算单元包括运算放大器U2、U3，电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7，可变电阻RP1，二极管VD1；电阻R2的一端接参考电压Vref，另一端接电阻R3的一端和可变电阻RP1的一端，可变电阻RP1的另一端接地；电阻R3的另一端接运算放大器U2的同相输入端；运算放大器U2的输出端接二极管VD1的阴极，二极管VD1的阳极接运算放大器U2的反相输入端和电阻R7的一端，以及电阻R5的一端；电阻R7的另一端接输入光功率检测信号InputPower_J，电阻R5的另一端接运算放大器U3的反相输入端，并通过电阻R6接运算放大器U3的输出端；电阻R4的一端接功率给定偏置单元的输出即偏置电压Power_Setting，另一端接运算放大器U3的同相输入端；运算放大器U3的输出端输出控制信号Control_Signal。

电阻R2和可变电阻RP1连接的节点上电压为Nonlinearity_Setting；当输入光功率检测信号InputPower_J小于电压Nonlinearity_Setting时，该输入光功率检测信号InputPower_J和偏置电压Power_Setting信号经过运算后输出控制信号Control_Signal；当输入光功率检测信号InputPower_J大于电压Nonlinearity_Setting时，电压Nonlinearity_Setting和偏置电压Power_Setting信号经过运算后输出控制信号Control_Signal；使控制信号Control_Signal随着输入光功率的变化产生非线性的变化；

如图6所示，PID控制单元包括运算放大器U4、U5、U6，电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18，电容C1、C2，二极管VD2；

电阻R9的一端作为PID控制单元的控制反馈端，接输出光功率检测信号OutputPower_J，电阻R8的一端作为PID控制单元的控制信号端，接非线性运算单元输出的控制信号Control_Signal，并连接电阻R12一端，电阻R15一端；

电阻R8的另一端接运算放大器U4的同相输入端，电阻R9的另一端接运算放大器U4的反相输入端和电阻R10的一端，电阻R10的另一端通过电容C1接运算放大器U4的输出端和电阻R18的一端，电阻R18的另一端接二极管VD2的阴极，并输出驱动信号Pump_Drv至泵浦驱动单元；电阻R12的另一端接运算放大器U5的反相输入端和电容C2一端、电阻R13一端；运算放大器U5的同相输入端通过电阻R11接地；电容C2和电阻R13的另一端接运算放大器U5的输出端和电阻R14的一端；电阻R14的另一端接电阻R15的另一端、电阻R17的一端和运算放大器U6的反相输入端，运算放大器U6的同相输入端通过电阻R16接地；电阻R17的另一端接运算放大器U6的输出端和二极管VD2的阳极。

该PID控制单元主要由运算放大器U4与其外围元件形成比例积分环节，控制信号Control_Signal和输出光功率检测信号OutputPower_J作为比例积分电路的输入信号，可以通过调节电阻R10来调节比例系数，调节电容C1来调节积分系数；

运算放大器U5和U6以及两者的外围元件构成微分器；由于积分和微分是互为逆运算，U5为积分器，U6为反相加法器，控制信号Control_Signal经过运算放大器U5后再和控制信号Control_Signal的原始信号求和，在电阻R14和R15连接点处求和后的信号再进入运算放大器U6，从而完成了对输入信号的微分运算；PID控制单元输出的驱动信号Pump_Drv发送至泵浦驱动单元；

泵浦驱动单元主要起到驱动信号的放大作用，这部分不是本发明的重点，介绍从略。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种功率输出非线性EDFA的控制电路，其特征在于，包括：

输入光功率检测单元、输出光功率检测单元、功率给定偏置单元、非线性运算单元、PID控制单元、泵浦驱动单元；

功率给定偏置单元和输入光功率检测单元接非线性运算单元，非线性运算单元和输出光功率检测单元接PID控制单元，PID控制单元接泵浦驱动单元；

功率给定偏置单元的输出和输入光功率检测单元输出的输入光功率检测信号作为非线性运算单元的输入参数，通过非线性运算单元调整，使非线性运算单元的输出按照要求进行非线性变化；再将非线性运算单元输出的控制信号接到PID控制单元的控制给定端，输出光功率检测单元输出的输出光功率检测信号接PID控制单元的控制反馈端，PID控制单元的输出用来作为泵浦驱动单元的控制信号；

功率给定偏置单元包括运算放大器U1、电阻R1、可变电阻RP2；运算放大器U1的同相输入端接参考电压Vref，运算放大器U1的输出端接反相输入端和电阻R1的一端，电阻R1的另一端通过可变电阻RP2接地，并输出偏置电压Power_Setting；

非线性运算单元包括运算放大器U2、U3，电阻R2、R3、R4、R5、R6、R7，可变电阻RP1，二极管VD1；

电阻R2的一端接参考电压Vref，另一端接电阻R3的一端和可变电阻RP1的一端，可变电阻RP1的另一端接地；电阻R3的另一端接运算放大器U2的同相输入端；运算放大器U2的输出端接二极管VD1的阴极，二极管VD1的阳极接运算放大器U2的反相输入端和电阻R7的一端，以及电阻R5的一端；电阻R7的另一端接输入光功率检测信号InputPower_J，电阻R5的另一端接运算放大器U3的反相输入端，并通过电阻R6接运算放大器U3的输出端；电阻R4的一端接功率给定偏置单元的输出即偏置电压Power_Setting，另一端接运算放大器U3的同相输入端；运算放大器U3的输出端输出控制信号Control_Signal；

PID控制单元包括运算放大器U4、U5、U6，电阻R8、R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18，电容C1、C2，二极管VD2；

电阻R9的一端作为PID控制单元的控制反馈端，接输出光功率检测信号OutputPower_J，电阻R8的一端作为PID控制单元的控制信号端，接非线性运算单元输出的控制信号Control_Signal，并连接电阻R12一端，电阻R15一端；

电阻R8的另一端接运算放大器U4的同相输入端，电阻R9的另一端接运算放大器U4的反相输入端和电阻R10的一端，电阻R10的另一端通过电容C1接运算放大器U4的输出端和电阻R18的一端，电阻R18的另一端接二极管VD2的阴极，并输出驱动信号Pump_Drv至泵浦驱动单元；电阻R12的另一端接运算放大器U5的反相输入端和电容C2一端、电阻R13一端；运算放大器U5的同相输入端通过电阻R11接地；电容C2和电阻R13的另一端接运算放大器U5的输出端和电阻R14的一端；电阻R14的另一端接电阻R15的另一端、电阻R17的一端和运算放大器U6的反相输入端，运算放大器U6的同相输入端通过电阻R16接地；电阻R17的另一端接运算放大器U6的输出端和二极管VD2的阳极。