CN1863014B - 无制冷激光器的消光比参数的温度补偿方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无制冷激光器的消光比参数的温度补偿方法及装置，在无制冷激光器的调制电流控制电路中采用温度检测器、控制器和数字电位器/DA转换器，在控制器中写入一预先测定的函数关系，所述函数关系为在温度变化过程中维持消光比恒定的调制电流与当前温度之间的关系，控制器根据温度检测器检测的当前温度和所述函数关系计算出维持消光比恒定所需的调制电流，并由数字电位器/DA转换器控制输出所述调制电流，从而避免了对每只无制冷激光器都分别进行多个温度点校准，在保障补偿精度的条件下满足了大规模生产的需要。本发明只需对每只激光器在一个基准温度下进行校准即可，而该校准过程包含在常规的激光器驱动电路调试过程之中。

Description

无制冷激光器的消光比参数的温度补偿方法及装置

技术领域

本发明涉及数字光纤传输系统，特别是涉及光传输系统中的无制冷激光器的输出光信号的消光比参数的补偿方法及装置。

背景技术

在光通讯设备中无制冷激光器有大量应用，一般将其应用于直接调制的场合。此时通常使提供给无制冷激光器的偏置电流在其阈值电流附近，而承载数字逻辑信号的调制电流加在偏置电流之上。如果定义P₁和P₀分别为数字逻辑信号为“1”和为“0”时激光器的输出光功率，则激光器的平均输出光功率P平均＝(P₁+P₀)/2，消光比指标ER＝P₁/P₀。在温度变化时，为了保持光传输性能稳定不变，要求无制冷激光器输出光信号的平均输出光功率P平均和消光比指标ER都稳定不变。但是无制冷激光器的阈值电流和电-光转换曲线斜率(当激光器的偏置电流大于阈值后，激光器光功率同电流之间的比值)等特性是温度敏感的。如图1所示，随着温度从温度T升高到温度T’，无制冷激光器的阈值电流增大，电-光转换曲线斜率降低，为使其平均输出光功率和消光比指标维持不变，必须使偏置电流从Ib增加到Ib’，调制电流从Im增加到Im’。

采用APC(自动功率控制)负反馈环路控制方法可以保证无制冷激光器输出光功率在温度变化时也基本恒定不变。无制冷激光器中一般都封装有背光检测光电探测器，用于检测激光器输出光功率的大小。无制冷激光器的输出光功率通过背光探测器得到与当前输出光功率对应的光生电流值，该电流与平均光功率之间的关系是近似线性的。背光检测器的输出提供给激光器驱动电路中的偏置电流控制电路，据此调整偏置电流的大小，使得背光检测电路输出的电流恒定不变，从而保证输出光功率维持不变。

对于维持消光比在温度变化时基本恒定的闭环控制方法，目前已知的包括双环控制法，K因子补偿法等，但是这些方法也都有各自的局限。

双环控制的方法即在普通的APC环路之外增加一个反馈环，该反馈环随时检测无制冷激光器的电-光转换曲线斜率，并用检测结果反馈控制调制电流的大小，从而达到稳定消光比的目的。这种控制消光比的方法基于如下假设：温度变化时，无制冷激光器的电-光转换曲线斜率始终是线性变化的。而实际上在温度升高时，无制冷激光器的电-光转换曲线会发生非线性变化，如图1圆圈中的部分所示。此时双环控制的方法将会产生误差，导致调制电流过度补偿，消光比发生较大变化。

K因子补偿法是在激光器偏置电流增大的同时，按比例增大调制电流。过程如下：为保持平均光功率稳定，偏置电流是由APC电路控制的，随偏置电流提高，电路提取偏置电流的一部分用以调节调制电流。这样，总的调制电流等于原有调制电流加上偏置电流乘以一个因子K。由于调制电流能随偏置电流增大而增大，于是当激光器温度发生变化或者激光器老化时，消光比能够得到补偿。通过选择适当的K值，可以使得在温度等条件变化时，消光比的变化率小于1dB。由于激光器器件参数的离散性，导致每只激光器的最佳K值有所差异，为了达到较好的消光比稳定效果，K因子补偿法需要对每一只激光器置不同的K值，在大规模生产时，可生产性不佳。

维持消光比在温度变化时基本恒定还可以采用开环控制方法，例如在调制电流控制电路中引入热敏电阻，利用热敏电阻阻值随温度变化而变化的特性，通过适当设计使得在温度变化时消光比基本稳定。这种方法的缺点是由于可选择的热敏电阻的种类有限，温度变化时只能做到对调制电流的近似补偿，补偿的精度难以保证。

另外一种在温度变化时稳定消光比的开环控制方法是，在调制电流控制电路中采用温度检测器和数字电位器/DA转换器，通过设置数字电位器/DA转换的输出为温度的函数，使得其输出随温度检测结果的变化而变化，从而使调制电流随温度变化而变化，维持消光比恒定。这种方法的关键是获得合适的函数关系式，使得数字电位器/DA转换的输出与温度之间的函数关系恰好满足维持消光比恒定的需要。由于此函数关系式非简单的线性函数，一般采用整个温度范围下多个温度点校准的方法来近似拟和，由于需要对每个激光器分别进行多个温度点的校准才能得到较好的补偿结果，所以大规模生产时可生产性不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无制冷激光器的消光比参数的温度补偿方法及装置，解决现有技术需要对每只无制冷激光器都分别进行多个温度点校准的技术问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种无制冷激光器的消光比参数的温度补偿方法，其特点在于，在无制冷激光器的调制电流控制电路中采用温度检测器、控制器和数字电位器/DA转换器，在所述控制器中写入一预先测定的函数关系，所述函数关系为在温度变化过程中维持消光比恒定的调制电流与当前温度之间的关系，所述控制器根据所述温度检测器检测的当前温度和所述函数关系计算出维持消光比恒定所需的调制电流，并由所述数字电位器/DA转换器控制输出所述调制电流，从而避免了对每只无制冷激光器都分别进行多个温度点校准，在保障补偿精度的条件下满足了大规模生产的需要。

上述的方法，其特点在于，所述函数关系的关系式为：IMOD＝f(T，T₀，IMODO)；其中，f是函数关系；IMOD为当前温度下的所需的调制电流；T₀为基准温度；T为当前温度；IMODO为基准温度T₀下的所需的调制电流；所述参数T₀和IMODO在对每一个激光器进行常规的电路调试的过程中得到。

上述的方法，其特点在于，通过如下步骤预先测定所述函数关系：

步骤一，根据无制冷激光器的具体应用电路，选取m个测试样本，并确定在整个工作温度范围内需要监测的n个温度点；

步骤二，依次测试m个样本在温度为基准温度T₀时，达到要求的消光比指标时激光器驱动电路所需提供的调制电流IMODO；

步骤三，测量m个样本中的每个样本在n个温度点下维持消光比指标与温度T₀相同时，激光器驱动电路所需提供的调制电流IMOD；

步骤四，整理所有测试数据，并对m个样本在n个温度点下的测试数据进行数学拟和，获得f的具体形式。

上述的方法，其特点在于，所述数字电位器/DA转换器通过控制激光器驱动电路的输出，来控制所述调制电流。

上述的方法，其特点在于，所述基准温度为测试时的室温。

为了更好的实现本发明的目的，本发明还提供了一种无制冷激光器的消光比参数的温度补偿装置，其特点在于，包括顺序连接的：温度检测器、控制单元和数字电位器/DA转换；所述控制器中写入有一预先测定的函数关系，所述函数关系为在温度变化过程中维持消光比恒定的调制电流与当前温度之间的关系，所述控制器根据所述温度检测器检测的当前温度和所述函数关系计算出维持消光比恒定所需的调制电流，并由所述数字电位器/DA转换器控制输出所述调制电流，从而避免了对每只无制冷激光器都分别进行多个温度点校准，在保障补偿精度的条件下满足了大规模生产的需要。

上述的装置，其特点在于，还包括激光器驱动电路和无制冷激光器；所述激光器驱动电路连接所述数字电位器/DA转换和所述无制冷激光器，用于根据所述数字电位器/DA转换的控制来调整激光器驱动电流中的调制电流；所述无制冷激光器，用于在激光器驱动电路的驱动下，输出消光比恒定的光信号。

上述的装置，其特点在于，所述数字电位器/DA转换为带有“温度-阻值”对照表的数字电位器，内部集成温度传感器，内置有受温度控制的电阻值表，电阻值作为温度的函数，存储在非易失存储器中，所述数字电位器的阻值随温度的变化而自动调整。

上述的装置，其特点在于，所述控制器为微处理器单元，用来与所述数字电位器通讯，向所述数字电位器的“温度-阻值”对照表写入数值。

上述的装置，其特点在于，所述激光器驱动电路为具有双环控制功能的驱动电路，所述无制冷激光器为2.5G同轴无制冷激光器。

本发明的技术效果在于：

本发明在无制冷激光器的消光比温度控制方面，提供一种在调制电流控制电路中采用温度检测器和数字电位器/DA转换器时所需的函数关系式，由控制单元向其写入，可以在温度变化时达到较好的消光比补偿精度。

采用本发明的方法，只需对每只激光器在一个基准温度下进行校准即可，而该校准过程包含在常规的激光器驱动电路调试过程之中。所以此方法不仅可以提供温变时较好的消光比补偿精度，还能够满足大规模生产的需要。

附图说明

图1是无制冷激光器在不同温度下的特性；

图2是本发明确定函数关系f的过程示意图；

图3是本发明硬件基本框架；

图4是本发明硬件基本实现方案框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。

本发明在调制电流控制电路中采用温度检测器和数字电位器/DA转换器，通过对若干无制冷激光器样本测试多个温度点下稳定消光比所需的调制电流数值，对测试数据进行拟和得到所需调制电流与温度等参数之间的关系式，并据此设置数字电位器/DA转换的输出，使得温度变化时消光比恒定。

本发明方法的特点是简便高效并且补偿精度良好，满足大规模生产的要求。

本发明基于下述思想：为了维持恒定的消光比，在某个温度下无制冷激光器所需要的调制电流的值，是当前温度的函数。即

IMOD＝f(T，T₀，IMODO)

其中，

IMOD为当前温度下的所需的调制电流；

T₀为基准温度；

T为当前温度；

IMODO为基准温度T₀下的所需的调制电流。

f是函数关系。

关键是要确定f的具体形式。图2是本发明确定函数关系f的过程示意图，如图，可以通过以下过程来实现：

步骤201，首先根据无制冷激光器的具体应用电路，选取m个测试样本，并确定在整个工作温度范围内需要监测的n个温度点；

步骤202，依次测试m个样本在温度为基准T₀时达到要求的消光比指标时，激光器驱动电路所需提供的调制电流IMODO；

步骤203，测量m个样本中的每个样本在n个温度点下维持消光比指标与温度T₀相同时，激光器驱动电路所需提供的调制电流IMOD；

步骤204，整理所有测试数据，并对m个样本在n个温度点下的测试数据进行数学拟和，获得f的具体形式。

在f的具体表达式确定之后，同一具体应用电路中样本之外的其他无制冷激光器应用电路，就可以在测得基准温度T₀下所需的调制电流IMODO之后，根据这个表达式计算出在其他温度点维持消光比恒定所需的调制电流，并据此控制激光器驱动电路进行调制电流的补偿。

一般的，IMODO和T₀这两个参数可以在对每一个激光器进行常规的电路调试的过程中得到。因而，在已知f后，可以在批量生产中简单高效地实现对无制冷激光器的调制电流温度补偿以维持消光比恒定。

如图3所示，本发明基于以下的基本硬件框架，由温度检测电路301，控制单元302，数字电位器/DA转换电路303，激光器驱动电路304和无制冷激光器305组成。

温度检测电路301：检测当前的温度；

控制单元302：根据温度检测结果计算出当前温度下所需的调制电流，并转换成相应的数字电位器/DA转换控制量；

数字电位器/DA转换303：接收控制单元的信号，并随之调整输出；

激光器驱动电路304：调整激光器驱动电流中的调制输出电流；

无制冷激光器305：在激光器驱动电路的驱动下，输出消光比恒定的光信号。

在图3所示的硬件结构中，数字电位器/DA转换的输出是温度的函数。

本发明的一个实施例硬件基本实现方案如图4所示，包含以下部分：

微处理器单元401：用来与数字电位器402通讯，向数字电位器402的温度-阻值对照表写入数值。

带有温度-阻值对照表的数字电位器402：这种数字电位器内部集成温度传感器，内置有受温度控制的电阻值表，电阻值作为温度的函数，存储在非易失存储器中，这样数字电位器的阻值就可以随温度的变化而自动调整。

激光器驱动电路403：其中的核心为带有双环控制功能的激光器驱动芯片。

2.5G同轴无制冷激光器404：它是同轴TYPE C封装。

由于IMOD＝f(T，T₀，IMODO)，而根据图4的硬件实施方案，IMOD由数字电位器控制激光器驱动电路产生，所以IMOD与数字电位器的输出相关，同时数字电位器的输出是由其温度-阻值对照表中的数字量N来控制的。所以IMOD是N的函数，即

IMOD＝f’(N)，

所以有

N＝f”(T，T₀，N₀)，

其中：

N是当前温度下数字器的温度-阻值对照表中的十进制数值，

N₀是基准温度下达到所需消光比时数字器的温度-阻值对照表中的十进制数值，

T是当前温度，

T₀是基准温度，一般为25℃。

f’和f”为不同的多项式函数关系

根据图2所示流程，测试了6个激光器样本在-15℃~65℃温度范围内，保持消光比为9dB时所需设置的数字电位器温度对照表的数值。通过多项式拟和，得到以下的关系式：

N＝N₀×(T-T₀)×K+ε

K＝a×T3+b×T2+c×T+d

其中：

K是一个系数，和温度相关

ε，a，b，c，d是常数

由于N₀，T₀可以在每只激光器常规的性能调试过程中获得，因此只要知道ε，a，b，c，d的数值，即可得出在温度T时数字器的温度-阻值对照表中的数值N。

ε，a，b，c，d可通过对实验数据进行多项式拟和的过程中确定，确定后可据此在已知N₀，T₀后计算出对应于温度T的N，通过微处理器写入数字电位器的温度-阻值对照表。

使用上述方法对于多个厂家的同轴无制冷激光器进行批量生产，取得了很好的消光比补偿效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；凡是依本发明所作的等效变化与修改，都被本发明的专利范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种无制冷激光器的消光比参数的温度补偿方法，其特征在于，在无制冷激光器的调制电流控制电路中采用温度检测器、控制器和数字电位器，或者采用温度检测器、控制器和DA转换器，在所述控制器中写入一预先测定的函数关系，所述函数关系为在温度变化过程中维持消光比恒定的调制电流与当前温度之间的关系，所述控制器根据所述温度检测器检测的当前温度和所述函数关系计算出维持消光比恒定所需的调制电流，并由所述数字电位器或DA转换器控制输出所述调制电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述函数关系的关系式为：IMOD＝f(T，T₀，IMODO)；其中，

f是函数关系；

IMOD为当前温度下的所需的调制电流；

T₀为基准温度；

T为当前温度；

IMODO为基准温度T₀下的所需的调制电流；

所述参数T₀和IMODO在对每一个激光器进行常规的电路调试的过程中得到。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过如下步骤预先测定所述函数关系：

步骤一，根据无制冷激光器的具体应用电路，选取m个测试样本，并确定在整个工作温度范围内需要监测的n个温度点；

步骤二，依次测试m个样本在温度为基准温度T₀时，达到要求的消光比指标时激光器驱动电路所需提供的调制电流IMODO；

步骤三，测量m个样本中的每个样本在n个温度点下维持消光比指标与温度T₀相同时，激光器驱动电路所需提供的调制电流IMOD；

步骤四，整理所有测试数据，并对m个样本在n个温度点下的测试数据进行数学拟和，获得f的具体形式。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数字电位器或DA转换器通过控制激光器驱动电路的输出，来控制所述调制电流。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基准温度为测试时的室温。

6.一种无制冷激光器的消光比参数的温度补偿装置，其特征在于，包括顺序连接的温度检测器、控制单元和数字电位器，或者顺序连接的温度检测器、控制单元和DA转换器；

所述控制单元中写入有一预先测定的函数关系，所述函数关系为在温度变化过程中维持消光比恒定的调制电流与当前温度之间的关系，所述控制单元根据所述温度检测器检测的当前温度和所述函数关系计算出维持消光比恒定所需的调制电流，并由所述数字电位器或DA转换器控制输出所述调制电流。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括激光器驱动电路和无制冷激光器；

所述激光器驱动电路连接所述数字电位器或DA转换器和所述无制冷激光器，用于根据所述数字电位器或DA转换器的控制来调整激光器驱动电流中的调制电流；

所述无制冷激光器，用于在激光器驱动电路的驱动下，输出消光比恒定的光信号。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述数字电位器为带有“温度-阻值”对照表的数字电位器，内部集成温度传感器，内置有受温度控制的电阻值表，电阻值作为温度的函数，存储在非易失存储器中，所述数字电位器的阻值随温度的变化而自动调整。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制单元为微处理器单元，用来与所述数字电位器通讯，向所述数字电位器的“温度-阻值”对照表写入数值。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述激光器驱动电路为具有双环控制功能的驱动电路，所述无制冷激光器为2.5G同轴无制冷激光器。

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