CN1153433A - 波分复用光纤通信波长控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

波分复用光纤通信波长控制方法和系统，属于光纤通信技术领域。本发明对光纤通信中波长的稳定控制采用一种全新方法，即直接从检测光纤通信系统中合波器输出光功率提取控制信息，配以单片机及波长控制插件装置等，实时方便、可靠的自动控制调整波长。该种方法充分利用原有通信系统设备，维护简单、装置体积小，成本低、智能性强、可控性及扩展性好，可靠稳定、适于推广应用。

Description

波分复用光纤通信波长控制方法和系统

本发明属于光纤通信技术领域。

当今通信技术的发展和通信信息量的急速增长，对现有及未来的通信系统提出了更高的要求，波分复用(WDM)光纤通信系统正以其大容量，透明性，灵活性和低成本等优点引起人们越来越大的兴趣。WDM技术(如图1所示)，其特征是在一根光纤中，同时传输多个波长，并且每个波长携带的数字信号的码率可以与单波长系统相比拟，从而提高了总码率，达到扩容的目的。由于多个波长的存在，与单路系统相比，波长控制就显得更加重要。为使它们之间不发生干扰，两两波长之间必须保持一定的间隔，各波长也必须分别保持一定的稳定性，一旦系统的波长产生较大的漂移，甚至几个信道互相干扰，无法分辨，将导致整个WDM系统的误码率，稳定性的大幅度下降，引起系统性能的大幅度恶化。

正是由于波长控制技术在WDM系统中具有很大的重要性，人们提出了许多的波长控制方案，对于使用分立激光器的波分复用系统，现有以下一些波长控制方案：

(1)采用光谱分析仪作为波长标准，用它实际测得波长值，与设定的标准值进行比较，用控制激光器温度的方法来调整激光器的实际波长，使之与设定波长吻合。(2)采用分光器件(如单色仪、光栅等)，使激光器波长值转化为位移量，再由机械传动机构带动PIN管测得位移量并转化为波长，与标准值相比较，获得误差量，发命令给执行机构消除此误差。(3)采用超腔，通过改变腔长锁定波长，把波长转化为特定的电压值，再与标准值比较，获得误差，进行控制，在这里首先要稳定地控制腔本身的温度及其它特性。(4)采用其它方法，如光栅，波长计，或者通过外腔稳定波长等等。

原有的技术虽然可以满足波长控制的要求，但其中大部分方法体积较大，价格较昂贵，硬件结构复杂，功耗较大，有些长期工作稳定性差，无法做成插卡插入标准机架中，不适宜实用化系统；或者有的系统虽然用昂贵的设备实现了很高的精度，但在实际系统中并不需要如此高的精度，造成不必要的投资浪费。频率稳定这个环节的制约影响了整个光纤通信波分复用技术的实用化进程。因此，设计经济、简单、实用的稳频系统是很必要的。

本发明在对波长的误差检测和自动控制调节的方法上采用了一种与现有技术完全不同的新方法--总功率监测法。该方法通过直接检测光纤通信系统中合波器输出的总光功率变化来提取系统各路波长信息，辅以智能软件算法对波分复用光通信系统的各复用波长进行稳定性控制的实用化控制系统，其装置体积小、成本低、稳定、可靠，适用于实际使用。

用光栅合波器进行合波的WDM系统，它固定了特定的一组通带及其中心波长，激光器的输出光的波长落在其中之一时，才能被耦合进合波器的输出光纤中，并且与中心波长越接近，其耦合效率越高，表现在合波器的输出功率越大，接收端才能更好的恢复信号。反之，若波长漂移不加限制，则系统性能大大下降。因此，可以用合波器作为波长标准，直接测定合波器的输出功率，当输出功率保持最大时，即激光器输出光的波长与合波器通带的中心波长一致。又因为合波器所确定的这组波长的大小和间隔是由它的结构所决定的，是一组非常稳定的量，随环境变化相对而言非常小，大约一摄氏度0.01nm，所以若每个激光器的输出光通过合波器后，输出总功率保持最大，则表明波长间隔也是符合要求的。因此，在对系统特性深入分析的基础上，改变了现有技术中需要把波分复用的各个波长一个一个分开来分别检测、比较、监控的环节，而只需通过对总功率变化趋势的仔细分析，从中充分提取信息，配以有效的智能控制和算法，就能够实现对波分复用系统的波长稳定性控制。

本发明的具体工作过程及其原理见图2，叙述如下：

各个激光器11输出波长λ1、λ2、…λn，各路波长经光栅合波器合成一路后传输，总功率P，在合波器10后，我们接入一个耦合器16，耦合出一部分光进行波长控制。耦合出的信号光功率为Po(P与Po之比是常数)被PIN管9或APD管检测，经过放大电路，光电流信号转化为电压信号Vo，经低通滤波，送入8098单片机系统4的A/D端口5，经过A/D转换、数字滤波，变为数字量Do，Do与Po之比是一个常数，而P与Po之比也是常数，因此Do的大小反映了通过合波器后总的光信号总功率Po。得到的Do值与初始设定的功率值相比较，如果差值在设定的阈值范围内，表明总功率的变化不大，波长稳定。如果新的总功率值小于设定的值，并且差值超过了阈值范围，则表明系统的总功率下降，某些激光器出现了波长漂移。这时，启动控制算法，一路一路进行控制。具体对每一路，是通过改变该路激光器11的控温器12的目标温度，激光器的输出光的波长是温度的函数，温度改变引起该路波长改变，通过合波器后的该路光功率就改变。从而也引起总功率改变。先对其中一路进行温度控制，直至总功率控到最大。再用同样的算法控制下一路，所有路都控制过一遍后，重新回到起点，更新初始设定值，继续监视总光功率的波动。控制算法能够自动寻找最大值，最终在最大值附近微小范围内波动。

这种方法的主要特点是大胆地用总功率即所有路的功率和作为指示参数，进行单路的控制。这是由于激光器控温器的温度稳定不变时，环境温度变化和其它因素造成的波长变化是个慢过程，能够观察到的总的光功率变小，即波长偏移，是个长时间积累的过程，而控制是在相对短的时间内进行。因此，在控制期间，由于一次只改变一路激光器的控温器，其余各路的控温器的温度值没有发生改变，所以，可以假设，其余各路的光功率在这样短的控制时间内是恒定的。而被控的一路，由于控温器的温度值发生改变，激光器热沉温度发生变化，导致激光器的波长发生变化，从而使该路的输出光经合波器后的功率发生变化，可见，在控制期间，这样一个短的时间内，总功率的变化，仅仅反映了被控路的光功率的变化。

为增强灵活性，基于单片机的波长控制系统可以与微机通信。通过微机，可以改变每次升温或降温的步长，改变控制的路，改变各种阈值；通过单片机系统，微机可以和控温器12进行通信：可以得到控温器的各种状态；根据控温器的当前状态，人工或通过程序自动调整控温器的PID参数，使之达到最佳。

波长控制系统以波长控制插件为主体来实现监测和控制功能，如图4所示，其电路图如图3所示。电路由控制部分，通信部分，光检测部分，A/D转换部分，信息存储部分等组成。该装置的输入、输出插口为：A插口17，与控温器通信；B插口18，与上位机通信，交换监控信息；C插口19，合波器光输入。

下面再对控制算法作一下说明：

对于一个完整的监控系统，不仅有波长控制，还有其它量的监控。实际上，波长控制系统是监控系统的一部分，通过和其它的监控模块通信，它能获得更多的参量，从而改善波长控制的性能。在光纤通信系统中，每个激光器都有背光检测，用这个参量，就可以推算出激光器发射光功率的大小，也就能知道所有激光器发射光功率的和。波长控制系统得到这个信息，用透过合波器的平均光功率和它的比值作为参量，用这一参量就可以补偿激光器发射光功率的变化引起的噪声。本发明中，采用了以上思路。而且，由于利用了背光检测，在出现某一路关闭时，也不会对波长控制有很大影响，背光检测可以告诉波长控制系统哪一路已经无光，波长控制系统就不会再去控制这路。

另一些同样方法也用于了控制算法。每次控制时，都要对波长进行一次随机扰动，从而判断控温的方向。这一扰动如果作用于波长偏离的一路，可能造成偏上加偏。系统对这个问题的解决方法首先是控制扰动的步长大小，使初始扰动是一个微扰，其次是尽量对波长的变化方向进行估计，使这一微扰方向正确的概率变高，第一，记录长时间波长的变化情况，用这些数据对新的波长变化进行线性预测；第二，波长的变化与许多因素有关，利用其它监控设备提供的某些因素的变化情况，用理论分析或经验公式等手段进行处理，就能通过这些因素的变化判断波长的变化，微扰的方向按判断结果进行，正确的概率有提高。同时通过步长自适应控制，使精度更高。

总之，本装置的主要优点是成本低，体积小，功耗低，结构简单，可靠性较高，不必配置特定频率标准，维护简单，全部为商用器件，适合批量生产，智能性强，可控性及扩展性好。可以做成插卡，插入标准机架运行。

本发明的实施例，根据图3的电路原理图，做成图4所示波长控制插件装置，配合在我实验室的8路240公里波分复用光纤通信实验系统中试用，实现了良好的波长控制功能。

说明书附图：

图1波分复用系统示意图

图2波长控制系统原理

1-微机

2-串行口

3-RS-232扩展串行口

4-8098单片机系统

5-A/D转换

6-8098单片机通信口

7-RAM

8-ROM

9-PIN

10-合波器

11-激光器

12-激光器的控温器

13-RS-422串行口

14-背光检测

15-和波长变化有关的参量

16-耦合器

图3波长控制插件装置各部分电路图

图4用于8路240公里光纤波分复用实验系统的波长控制装置的外观图

图4波长控制插件装置实施例

17-A插口，与控温器通信

18-B插口，与上位机通信，交换监控信息

19-C插口，合波器光输入

Claims (6)

1、一种波分复用光纤通信波长控制方法包括波长发送、误差检测和调节控制过程，其特征在于：误差检测方式是多个激光器输出的不同波长同时进入合波器(10)后，在利用背光检测保证设定波长的各激光器输出功率稳定时，采用测定合波器(10)的输出光功率作为指示参数，监控波长变化。

2、据权利要求1所述的波分复用光纤通信波长控制方法，其特征在于：当合波器(10)输出光功率小于某设定光功率初值，且差值超过阈值范围时，启用控制算法-总功率监测法，依次进行单路控制，每次只控制一路激光器的控温器，调节一路波长，直至总功率达到最大值。

3、据权利要求1或2所述的波分复用光纤通信波长控制方法，其特征在于：自动控制调节手段采用基于单片机系统的波长控制插件装置，通过该装置和微机间的通信达到波长控制系统与整个波分复用光纤通信系统的监控系统相互联系，随时互相提取信息，通过智能算法预测变化，优化调整控制过程。

4、一种波分复用光纤通信波长控制系统，它包括信号源、误差检测和调节控制等装置，其特征在于：

(1)信号源为激光器(11)；

(2)误差检测为多个激光器输出波长同时进入合波器(10)之后，由耦合

器(16)耦合出部分输出光束通过PIN管(9)或APD管检测其功率。

5、据权利要求4所述的波分复用光纤通信波长控制系统，其特征在于：自动控制装置由单片机系统(4)、控温器(12)、背光检测(14)和微机(1)组成，基于单片机的控制系统通过与控温器的通信控制控温器(12)的温度升、降方向及步长，实时调节控制激光器波长。

6、据权利要求4或5所述的波分复用光纤通信波长控制系统，其特征在于：

(1)通过波长控制插件实现波长控制以及与控温器和其它监控系统的通信；

(2)波长控制插件装置电路由控制部分、通信部分、光检测部分、A/D转换部分信息存储部分等组成；

(3)波长控制插件装置的输入、输出插口为：A插口，与控温器通信、B插口，与上位机通信，交换监控信息、C插口，合波器光输入。

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