CN1555139A - 光发射机输出光功率及消光比的控制方法及其控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种光发射机输出光功率及消光比的控制方法及其控制电路，属于光通信控制。它采用APC电路，背光光电管监控，改变Ibias调整Pav。方法包括常温下设定光源的初始工作点；设定允许的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod变化范围；利用APC控制Pav不变并监控其它变量；当温度、时间等变量超出变化范围则调整其它变量使被控变量恢复到原范围内；计算t时刻温度T时的Pav、Ibias、Ith及SE；比较SE与常温设定值，调整Imod，使OMA及ER保持初始设定值步骤。电路包括驱动器、数字电位器、微处理器、激光器等。它可对光发射机的平均输出光功率和消光比实时自动控制，保证性能不受温度、光源老化的影响。可广泛应用于光发射机参数的控制中。

Description

光发射机输出光功率及消光比的控制方法及其控制电路
                    技术领域
本发明属于光通信控制技术领域，更明确地说涉及光通信发射机输出光功率及消光比的控制方法及其自动控制电路的改进。
                    背景技术
目前各种激光器和发光二极管等光源，其发光效率均随工作温度以及光源的老化而不断发生变化，这将严重影响光发射机的工作稳定性以及通讯的可靠性和通讯误码率等指标。目前对平均输出光功率已经可以采用APC电路进行自动控制。APC是利用与光源封装在一起的背光光电管来探测输出光功率的大小，然后通过反馈电路控制光源的驱动偏置电流，使输出光功率保持恒定。由于背光光电管的频率响应很低，不能实时响应输出光功率随通信信号的变化情况，只能反映其平均值，因而无法用于控制发射机光源的调制幅度，也就无法进行调制信号的自动控制，只能根据经验进行补偿，而这种补偿是无法解决激光器性能的个体差异问题的。另外，由于是采用硬件反馈控制电路，没有智能性，当光源或相关电路发生异常或故障时，无法使激光器等光源进入安全、有效的保护模式，容易出现事故甚至伤及使用者。
本发明的目的，就在于克服上述缺点和不足，提供一种可以同时对光发射机的平均输出光功率和消光比等参数进行实时自动控制，保证发射机性能不受温度、光源老化等因素的影响，并能够实时监控激光器等光源的工作点，确保其始终处于安全稳定的工作状态的方法及电路。光发射机的通讯速率、通讯距离、通讯波长、编码形式或调制信号形式、通讯协议等不受限制。
                    发明内容
为了达到上述目的，本发明仍采用APC电路进行自动控制，通过背光光电管来监控平均发光功率的变化，通过改变Ibias偏置电流来调整平均输出光功率Pav。它还包括下述步骤：
①在常温下设定光源的初始工作点平均输出光功率Pav、偏置电流Ibias、阈值Ith、光调制幅度OMA0、消光比ER0和调制电流Imod，计算得常温下曲线斜率SE0＝OMA/Imod；
②设定光发射机允许的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod变量的变化范围分别为Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5、Imod±Δ6；
③利用自动光功率控制电路APC控制并保持Pav不变，并监控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及上述②步骤中其它变量的变化；
④当温度变化｜T2-T1｜≥Δ7、时间变化t2≥t1+Δ8或上述②步骤中其它变量的变化量超出上述既定变化范围，则调整其它变量且保持APC正常工作，使被控制变量恢复到既定范围之内；如无法恢复正常状态，则发出报警信号；
⑤利用上述④步骤所得数据，计算得在t时刻、温度为T时的Pav＝Pav(T，t)、Ibias＝Ibias(T，t)、Ith＝Ith(T，t)，再通过数值计算，可得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))；
⑥比较SE与常温下设定值的区别，调整Imod，使OMA以及ER保持与初始设定值相同。
本发明提出了一种控制方法，根据这一方法，无需对发射机光源、背光光电管以及相应通讯控制电路进行任何修改，即可完成光发射机平均输出光功率和光调制幅度的完全自动的实时控制，并能够实时监控激光器等光源的工作点，确保其处于安全稳定的工作状态，在必要时还能够及时输出告警信号。另外，本专利采用微处理器及其它专用集成电路设计了实施本方法的控制系统，完成了对光源的智能控制。
理想情况下，半导体激光器(或发光管)的发光功率P与驱动电流I的关系是：当驱动电流超过阈值Ith后，发光功率基本与驱动电流呈线性变化。但实际情况比较复杂，驱动电流只有在一定区域内，P-I曲线才可近似为直线，而且关键的是曲线斜率SE(slope efficiency)，亦即光源发光效率将随工作温度、激光器的老化、不同激光器的个体差异等因素的影响而变化。
本控制方法的目的是要通过计算机软件硬件结合的方式，以现有激光器驱动方式为基础，不增加任何特殊硬件资源，对于具体的激光器，在任意温度下，在任意的老化程度下，完成其平均输出光功率Pav、光调制幅度和消光比ER(“1”电平输出光功率与“0”电平输出光功率之比，即P1/P0)的自动实时控制。
在现有激光器驱动方式下，通过背光光电管来监控平均发光功率的变化并通过改变Ibias偏置电流来调整Pav，但背光光电管由于频率响应低，只能检测平均光功率，无法检测光调制幅度OMA。
因此，本控制方法的原理如下：
步骤①用于在常温下设定激光器的初始工作点Pav、Ibias、Ith、OMA0、ER0和Imod。并计算得常温下SE0＝OMA/Imod。
步骤②用于设定光发射机允许的上述变量的变化范围Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5和Imod±Δ6
步骤③利用硬件自动光功率控制电路APC控制并保持Pav不变，并监控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及其它变量的变化。
步骤④是在温度变化｜T2一T1｜≥Δ7、时间变化t2≥t1+Δ8  或其它变量的变化量超出既定变化范围时，调整其它变量且保持APC正常工作，使被控制变量恢复到既定范围之内。如无法恢复正常状态，则发出报警信号。
步骤⑤是利用步骤④所得数据，计算得在t时刻、温度为T时的Pav、Ibias和Ith，再通过数值计算得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))。
步骤⑥是因为ER＝P1/P0、Pav＝(P1+P0)/2，若要保持ER和Pav不变，则P1、P0必须保持不变，OMA＝P1-P0也保持不变。而Imod(T，t)＝OMA/SE(T，t)，因此比较SE与常温下设定值的区别，调整Imod，便可使OMA以及ER保持与初始设定值相同。
光源可为VCSEL激光器、FP激光器、DFB激光器或发光二极管中之一种。
光发射机输出光功率及消光比的控制电路包括驱动器、数字电位器、微处理器、激光器、背光光电管。驱动器的out-脚通过电阻与Vcc和激光器的正极及背光光电管的负极连接，驱动器的bias脚通过电感线圈与激光器的负极连接，驱动器的md脚与背光光电管的正极连接，驱动器、数字电位器和微处理器彼此互连。
驱动器的型号为MAX3735，数字电位器的型号为AD5243，微处理器的型号为F330。
MAX3735驱动激光器，通过MCU F330的软件指令以及多路AD转换器监控MAX3735的相关电路参数的变化，包括背光光电管电流、激光器偏置电流、工作电压、工作温度、光接收机光功率等，并通过AD5243进行平均光功率Pav和调制电流幅度Imod的控制和调整，达到平均光功率和消光比的全自动实时控制。
本发明的任务就是这样完成的。
本发明的优点和积极效果是：
采用本方法可以同时对光发射机的平均输出光功率和消光比等参数进行实时自动控制，保证发射机性能不受温度、光源老化等因素的影响。
在光发射机工作过程中，可以根据光源发光效率及线性工作区等随温度、老化等变化的情况，自动地在线获取最佳工作点，包括发射机静态工作点及调制幅度等，具有智能性，可延长发射机的寿命。
通讯系统可以实时获得发射机光源的工作状态以及是否出现故障、是否已到寿命。
在生产线上可以利用计算机读取光发射机内微处理器的有关数据，并显示激光器等光源的工作状态，包括阈值电流、光源发光效率、发射机静态工作点及调制幅度等。便于生产线上获取最优参数，有效选取最佳工作点。
在实时自动控制平均输出光功率和消光比的同时，不向通讯系统传播任何附加信号，不会对通讯系统带来任何干扰。
本发明仍然采用普通的低频响的背光光电管进行背光检测。
发射机及控制系统参数无需人工校准，由微处理器自动获取。
本发明对通讯系统的通讯协议，编码形式，通讯速率，通讯波长，通讯距离没有任何依赖关系。
系统功能满足SFF-8472 MSA多源协议的全部要求，可以监控发射光功率，偏置电流，接收光功率，工作环境温度，工作电压，使发射光功率、消光比等指标被控制在包括IEEE802.3Z，FC-PI-2，ITU-T G..957、G.958等标准的要求，用于包括SDH/SONET，FIBRECHANNEL，ETHERNET等通讯系统内。并具有各种报警保护功能和I2C通讯功能。
                        附图说明
图1示出了半导体激光器(或发光管)的发光功率P与驱动电流I的关系。
图2为本发明光发射机输出光功率及消光比的控制电路原理图。
具体实施方式
实施例1。一种光发射机输出光功率及消光比的控制方法。它仍采用APC电路进行自动控制，通过背光光电管来监控平均发光功率的变化、通过改变Ibias偏置电流来调整平均输出光功率Pav。它包括下述步骤：
①在常温下设定光源的初始工作点平均输出光功率Pav、偏置电流Ibias、阈值Ith、光调制幅度OMA0、消光比ER0和调制电流Imod，计算得常温下曲线斜率SE0＝OMA/Imod；
②设定光发射机允许的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod变量的变化范围分别为Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5、Imod±Δ6；
③利用自动光功率控制电路APC控制并保持Pav不变，并监控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及上述②步骤中其它变量的变化；
④当温度变化｜T2-T1｜≥Δ7、时间变化t2≥t1+Δ8或上述②步骤中其它变量的变化量超出上述既定变化范围，则调整其它变量且保持APC正常工作，使被控制变量恢复到既定范围之内；如无法恢复正常状态，则发出报警信号；
⑤利用上述④步骤所得数据，计算得在t时刻、温度为T时的Pav＝Pav(T，t)、Ibias＝Ibias(T，t)、Ith＝Ith(T，t)，再通过数值计算，可得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))；
⑥比较SE与常温下设定值的区别，调整Imod，使OMA以及ER保持与初始设定值相同。
实施例2。一种光发射机输出光功率及消光比的控制电路，如图2所示。它包括驱动器(1)、数字电位器(2)、微处理器(3)、激光器(4)、背光光电管(5)。驱动器(1)的out-脚通过电阻与Vcc和激光器(4)的正极及背光光电管的负极连接，其bias脚通过电感线圈与激光器(4)的负极连接，其md脚与背光光电管(5)的正极连接。驱动器(1)、数字电位器(2)和微处理器(3)彼此互连。
驱动器(1)的型号为MAX3735，数字电位器(2)的型号为AD5243，微处理器(3)的型号为F330。
实施例1和实施例2可对光发射机的平均输出光功率和消光比实时自动控制，保证其性能不受温度、光源老化等因素的影响，确保其处于安全稳定的工作状态，延长其使用寿命。它可广泛应用于光发射机工作参数的自动控制中。

Claims (4)

1.一种光发射机输出光功率及消光比的控制方法，它仍采用APC电路进行自动控制，通过背光光电管来监控平均发光功率的变化、通过改变Ibias偏置电流来调整平均输出光功率Pav，其特征在于在于它包括下述步骤：
①在常温下设定光源的初始工作点平均输出光功率Pav、偏置电流Ibias、阈值Ith、光调制幅度OMA0、消光比ER0和调制电流Imod，计算得常温下曲线斜率SE0＝OMA/Imod；
②设定光发射机允许的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod变量的变化范围分别为Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5、Imod±Δ6；
③利用自动光功率控制电路APC控制并保持Pav不变，并监控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及上述②步骤中其它变量的变化；
④当温度变化|T2-T1|≥Δ7、时间变化t2≥t1+Δ8或上述②步骤中其它变量的变化量超出上述既定变化范围，则调整其它变量且保持APC正常工作，使被控制变量恢复到既定范围之内；如无法恢复正常状态，则发出报警信号；
⑤利用上述④步骤所得数据，计算得在t时刻、温度为T时的Pav＝Pav(T，t)、Ibias＝Ibias(T，t)、Ith＝Ith(T，t)，再通过数值计算，可得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))；
⑥比较SE与常温下设定值的区别，调整Imod，使OMA以及ER保持与初始设定值相同。
2.按照权利要求1所述的光发射机输出光功率及消光比的控制方法，其特征在于所说的光源为VCSEL激光器、FP激光器、DFB激光器或发光二极管中之一种。
3.按照权利要求1所述的光发射机输出光功率及消光比的控制方法的控制电路，其特征在于它包括驱动器、数字电位器、微处理器、激光器、背光光电管，驱动器的out-脚通过电阻与Vcc和激光器的正极及背光光电管的负极连接，驱动器的bias脚通过电感线圈与激光器的负极连接，驱动器的md脚与背光光电管的正极连接，驱动器、数字电位器和微处理器彼此互连。
4.按照权利要求3所述的光发射机输出光功率及消光比的控制电路，其特征在于所说的驱动器的型号为MAX3735，数字电位器的型号为AD5243，微处理器的型号为F330。
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