光發射機輸出光功率及消光比的控制方法及其控制電路的製作方法
2023-10-26 16:48:22
專利名稱：光發射機輸出光功率及消光比的控制方法及其控制電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於光通信控制技術領域，更明確地說涉及光通信發射機輸出光功率及消光比的控制方法及其自動控制電路的改進。
背景技術：
目前各種雷射器和發光二極體等光源，其發光效率均隨工作溫度以及光源的老化而不斷發生變化，這將嚴重影響光發射機的工作穩定性以及通訊的可靠性和通訊誤碼率等指標。目前對平均輸出光功率已經可以採用APC電路進行自動控制。APC是利用與光源封裝在一起的背光光電管來探測輸出光功率的大小，然後通過反饋電路控制光源的驅動偏置電流，使輸出光功率保持恆定。由於背光光電管的頻率響應很低，不能實時響應輸出光功率隨通信信號的變化情況，只能反映其平均值，因而無法用於控制發射機光源的調製幅度，也就無法進行調製信號的自動控制，只能根據經驗進行補償，而這種補償是無法解決雷射器性能的個體差異問題的。另外，由於是採用硬體反饋控制電路，沒有智能性，當光源或相關電路發生異常或故障時，無法使雷射器等光源進入安全、有效的保護模式，容易出現事故甚至傷及使用者。
本發明的目的，就在於克服上述缺點和不足，提供一種可以同時對光發射機的平均輸出光功率和消光比等參數進行實時自動控制，保證發射機性能不受溫度、光源老化等因素的影響，並能夠實時監控雷射器等光源的工作點，確保其始終處於安全穩定的工作狀態的方法及電路。光發射機的通訊速率、通訊距離、通訊波長、編碼形式或調製信號形式、通訊協議等不受限制。
發明內容
為了達到上述目的，本發明仍採用APC電路進行自動控制，通過背光光電管來監控平均發光功率的變化，通過改變Ibias偏置電流來調整平均輸出光功率Pav。它還包括下述步驟①在常溫下設定光源的初始工作點平均輸出光功率Pav、偏置電流Ibias、閾值Ith、光調製幅度OMA0、消光比ER0和調製電流Imod，計算得常溫下曲線斜率SE0＝OMA/Imod；②設定光發射機允許的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod變量的變化範圍分別為Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5、Imod±Δ6；③利用自動光功率控制電路APC控制並保持Pav不變，並監控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及上述②步驟中其它變量的變化；④當溫度變化｜T2-T1｜≥Δ7、時間變化t2≥t1+Δ8或上述②步驟中其它變量的變化量超出上述既定變化範圍，則調整其它變量且保持APC正常工作，使被控制變量恢復到既定範圍之內；如無法恢復正常狀態，則發出報警信號；⑤利用上述④步驟所得數據，計算得在t時刻、溫度為T時的Pav＝Pav(T，t)、Ibias＝Ibias(T，t)、Ith＝Ith(T，t)，再通過數值計算，可得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))；⑥比較SE與常溫下設定值的區別，調整Imod，使OMA以及ER保持與初始設定值相同。
本發明提出了一種控制方法，根據這一方法，無需對發射機光源、背光光電管以及相應通訊控制電路進行任何修改，即可完成光發射機平均輸出光功率和光調製幅度的完全自動的實時控制，並能夠實時監控雷射器等光源的工作點，確保其處於安全穩定的工作狀態，在必要時還能夠及時輸出告警信號。另外，本專利採用微處理器及其它專用集成電路設計了實施本方法的控制系統，完成了對光源的智能控制。
理想情況下，半導體雷射器(或發光管)的發光功率P與驅動電流I的關係是當驅動電流超過閾值Ith後，發光功率基本與驅動電流呈線性變化。但實際情況比較複雜，驅動電流只有在一定區域內，P-I曲線才可近似為直線，而且關鍵的是曲線斜率SE(slope efficiency)，亦即光源發光效率將隨工作溫度、雷射器的老化、不同雷射器的個體差異等因素的影響而變化。
本控制方法的目的是要通過計算機軟體硬體結合的方式，以現有雷射器驅動方式為基礎，不增加任何特殊硬體資源，對於具體的雷射器，在任意溫度下，在任意的老化程度下，完成其平均輸出光功率Pav、光調製幅度和消光比ER(「1」電平輸出光功率與「0」電平輸出光功率之比，即P1/P0)的自動實時控制。
在現有雷射器驅動方式下，通過背光光電管來監控平均發光功率的變化並通過改變Ibias偏置電流來調整Pav，但背光光電管由於頻率響應低，只能檢測平均光功率，無法檢測光調製幅度OMA。
因此，本控制方法的原理如下步驟①用於在常溫下設定雷射器的初始工作點Pav、Ibias、Ith、OMA0、ER0和Imod。並計算得常溫下SE0＝OMA/Imod。
步驟②用於設定光發射機允許的上述變量的變化範圍Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5和Imod±Δ6步驟③利用硬體自動光功率控制電路APC控制並保持Pav不變，並監控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及其它變量的變化。
步驟④是在溫度變化｜T2一T1｜≥Δ7、時間變化t2≥t1+Δ8或其它變量的變化量超出既定變化範圍時，調整其它變量且保持APC正常工作，使被控制變量恢復到既定範圍之內。如無法恢復正常狀態，則發出報警信號。
步驟⑤是利用步驟④所得數據，計算得在t時刻、溫度為T時的Pav、Ibias和Ith，再通過數值計算得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))。
步驟⑥是因為ER＝P1/P0、Pav＝(P1+P0)/2，若要保持ER和Pav不變，則P1、P0必須保持不變，OMA＝P1-P0也保持不變。而Imod(T，t)＝OMA/SE(T，t)，因此比較SE與常溫下設定值的區別，調整Imod，便可使OMA以及ER保持與初始設定值相同。
光源可為VCSEL雷射器、FP雷射器、DFB雷射器或發光二極體中之一種。
光發射機輸出光功率及消光比的控制電路包括驅動器、數字電位器、微處理器、雷射器、背光光電管。驅動器的out-腳通過電阻與Vcc和雷射器的正極及背光光電管的負極連接，驅動器的bias腳通過電感線圈與雷射器的負極連接，驅動器的md腳與背光光電管的正極連接，驅動器、數字電位器和微處理器彼此互連。
驅動器的型號為MAX3735，數字電位器的型號為AD5243，微處理器的型號為F330。
MAX3735驅動雷射器，通過MCU F330的軟體指令以及多路AD轉換器監控MAX3735的相關電路參數的變化，包括背光光電管電流、雷射器偏置電流、工作電壓、工作溫度、光接收機光功率等，並通過AD5243進行平均光功率Pav和調製電流幅度Imod的控制和調整，達到平均光功率和消光比的全自動實時控制。
本發明的任務就是這樣完成的。
本發明的優點和積極效果是採用本方法可以同時對光發射機的平均輸出光功率和消光比等參數進行實時自動控制，保證發射機性能不受溫度、光源老化等因素的影響。
在光發射機工作過程中，可以根據光源發光效率及線性工作區等隨溫度、老化等變化的情況，自動地在線獲取最佳工作點，包括發射機靜態工作點及調製幅度等，具有智能性，可延長發射機的壽命。
通訊系統可以實時獲得發射機光源的工作狀態以及是否出現故障、是否已到壽命。
在生產線上可以利用計算機讀取光發射機內微處理器的有關數據，並顯示雷射器等光源的工作狀態，包括閾值電流、光源發光效率、發射機靜態工作點及調製幅度等。便於生產線上獲取最優參數，有效選取最佳工作點。
在實時自動控制平均輸出光功率和消光比的同時，不向通訊系統傳播任何附加信號，不會對通訊系統帶來任何幹擾。
本發明仍然採用普通的低頻響的背光光電管進行背光檢測。
發射機及控制系統參數無需人工校準，由微處理器自動獲取。
本發明對通訊系統的通訊協議，編碼形式，通訊速率，通訊波長，通訊距離沒有任何依賴關係。
系統功能滿足SFF-8472 MSA多源協議的全部要求，可以監控發射光功率，偏置電流，接收光功率，工作環境溫度，工作電壓，使發射光功率、消光比等指標被控制在包括IEEE802.3Z，FC-PI-2，ITU-T G..957、G.958等標準的要求，用於包括SDH/SONET，FIBRECHANNEL，ETHERNET等通訊系統內。並具有各種報警保護功能和I2C通訊功能。
圖1示出了半導體雷射器(或發光管)的發光功率P與驅動電流I的關係。
圖2為本發明光發射機輸出光功率及消光比的控制電路原理圖。
具體實施例方式
實施例1。一種光發射機輸出光功率及消光比的控制方法。它仍採用APC電路進行自動控制，通過背光光電管來監控平均發光功率的變化、通過改變Ibias偏置電流來調整平均輸出光功率Pav。它包括下述步驟①在常溫下設定光源的初始工作點平均輸出光功率Pav、偏置電流Ibias、閾值Ith、光調製幅度OMA0、消光比ER0和調製電流Imod，計算得常溫下曲線斜率SE0＝OMA/Imod；②設定光發射機允許的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod變量的變化範圍分別為Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5、Imod±Δ6；③利用自動光功率控制電路APC控制並保持Pav不變，並監控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及上述②步驟中其它變量的變化；④當溫度變化｜T2-T1｜≥Δ7、時間變化t2≥t1+Δ8或上述②步驟中其它變量的變化量超出上述既定變化範圍，則調整其它變量且保持APC正常工作，使被控制變量恢復到既定範圍之內；如無法恢復正常狀態，則發出報警信號；⑤利用上述④步驟所得數據，計算得在t時刻、溫度為T時的Pav＝Pav(T，t)、Ibias＝Ibias(T，t)、Ith＝Ith(T，t)，再通過數值計算，可得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))；⑥比較SE與常溫下設定值的區別，調整Imod，使OMA以及ER保持與初始設定值相同。
實施例2。一種光發射機輸出光功率及消光比的控制電路，如圖2所示。它包括驅動器(1)、數字電位器(2)、微處理器(3)、雷射器(4)、背光光電管(5)。驅動器(1)的out-腳通過電阻與Vcc和雷射器(4)的正極及背光光電管的負極連接，其bias腳通過電感線圈與雷射器(4)的負極連接，其md腳與背光光電管(5)的正極連接。驅動器(1)、數字電位器(2)和微處理器(3)彼此互連。
驅動器(1)的型號為MAX3735，數字電位器(2)的型號為AD5243，微處理器(3)的型號為F330。
實施例1和實施例2可對光發射機的平均輸出光功率和消光比實時自動控制，保證其性能不受溫度、光源老化等因素的影響，確保其處於安全穩定的工作狀態，延長其使用壽命。它可廣泛應用於光發射機工作參數的自動控制中。
權利要求
1.一種光發射機輸出光功率及消光比的控制方法，它仍採用APC電路進行自動控制，通過背光光電管來監控平均發光功率的變化、通過改變Ibias偏置電流來調整平均輸出光功率Pav，其特徵在於在於它包括下述步驟①在常溫下設定光源的初始工作點平均輸出光功率Pav、偏置電流Ibias、閾值Ith、光調製幅度OMA0、消光比ER0和調製電流Imod，計算得常溫下曲線斜率SE0＝OMA/Imod；②設定光發射機允許的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod變量的變化範圍分別為Pav±Δ1、Ibias±Δ2、Ith±Δ3、OMA±Δ4、ER±Δ5、Imod±Δ6；③利用自動光功率控制電路APC控制並保持Pav不變，並監控Ibias＝Ibias(T，t)、Imod＝Imod(T，t)及上述②步驟中其它變量的變化；④當溫度變化|T2-T1|≥Δ7、時間變化t2≥t1+Δ8或上述②步驟中其它變量的變化量超出上述既定變化範圍，則調整其它變量且保持APC正常工作，使被控制變量恢復到既定範圍之內；如無法恢復正常狀態，則發出報警信號；⑤利用上述④步驟所得數據，計算得在t時刻、溫度為T時的Pav＝Pav(T，t)、Ibias＝Ibias(T，t)、Ith＝Ith(T，t)，再通過數值計算，可得SE(T，t)＝Pav(T，t)/(Ibias(T，t)-Ith(T，t))；⑥比較SE與常溫下設定值的區別，調整Imod，使OMA以及ER保持與初始設定值相同。
2.按照權利要求1所述的光發射機輸出光功率及消光比的控制方法，其特徵在於所說的光源為VCSEL雷射器、FP雷射器、DFB雷射器或發光二極體中之一種。
3.按照權利要求1所述的光發射機輸出光功率及消光比的控制方法的控制電路，其特徵在於它包括驅動器、數字電位器、微處理器、雷射器、背光光電管，驅動器的out-腳通過電阻與Vcc和雷射器的正極及背光光電管的負極連接，驅動器的bias腳通過電感線圈與雷射器的負極連接，驅動器的md腳與背光光電管的正極連接，驅動器、數字電位器和微處理器彼此互連。
4.按照權利要求3所述的光發射機輸出光功率及消光比的控制電路，其特徵在於所說的驅動器的型號為MAX3735，數字電位器的型號為AD5243，微處理器的型號為F330。
全文摘要
一種光發射機輸出光功率及消光比的控制方法及其控制電路，屬於光通信控制。它採用APC電路，背光光電管監控，改變Ibias調整Pav。方法包括常溫下設定光源的初始工作點；設定允許的Pav、Ibias、Ith、OMA、ER、Imod變化範圍；利用APC控制Pav不變並監控其它變量；當溫度、時間等變量超出變化範圍則調整其它變量使被控變量恢復到原範圍內；計算t時刻溫度T時的Pav、Ibias、Ith及SE；比較SE與常溫設定值，調整Imod，使OMA及ER保持初始設定值步驟。電路包括驅動器、數字電位器、微處理器、雷射器等。它可對光發射機的平均輸出光功率和消光比實時自動控制，保證性能不受溫度、光源老化的影響。可廣泛應用於光發射機參數的控制中。
文檔編號H04B10/08GK1555139SQ20031011452
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月19日 優先權日2003年12月19日
發明者姜瑜斐, 趙世昌, 趙其聖 申請人:青島海信光電科技股份有限公司