一种用于突发模式的激光器自动平均光功率控制系统的利记博彩app
【专利摘要】本发明公开了一种激光器自动平均功率控制系统，包括激光驱动器、模数调制电路和数字控制电路；所述模数调制电路包括积分器、比较器和D触发器，光电二极管将激光器的输出平均光功率转换成与之成比例的电流；所述积分器将所述成比例的电流转换为平均电流，并将所述平均电流输入至所述比较器进行判决；所述比较器的输出经过D触发器的抽样使得所述平均电流转换为数字码型信号，所述数字码型信号输入至所述数字控制器；所述数字控制器根据所述数字码型输出不同的信号以调整所述激光驱动器的输出，进而调整激光器的平均输出光功率。本发明提供的激光器自动平均功率控制系统能够满足突发模式的需求，适用性更广。
【专利说明】一种用于突发模式的激光器自动平均光功率控制系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及功率控制技术，尤其涉及一种用于突发模式的激光器自动平均光功率控制系统。
【背景技术】
[0002]激光器的P-1特性对温度的变化和自身的老化非常敏感，这一特性严重影响光系统的可靠性。为了稳定激光器的输出光功率，技术人员通常设计功率控制电路来消除温度变化和器件老化对激光器的影响。功率控制电路利用光电二极管将激光器的输出光功率转换为与之成比例的电流，反馈控制环路根据光电二极管检测的电流进而调节激光器的偏置电流，从而达到稳定输出光功率的目的。
[0003]图1示出了一种现有的连续模式功率补偿电路。功率控制环(Automatic PowerControl,以下简称APC)利用光电二极管将输出光功率转换为与之成比例的电流，电流经过电阻R和电容C后,转换为与输出平均光功率成正比的电压信号。该电压信号与参考电压Vref经过放大器后产生信号Vb，Vb控制激光器的偏置电流，因此，输出平均光功率得到了控制。
[0004]然而，这种电路只能工作在连续模式中，对于突发模式，(TDM-PON网络中，由于上行数据传输采用时分复用技术，所以各个发送方终端ONU只能交替发送数据，ONU在获得突发使能有效信号后，立即打开激光器发送数据，在突发使能无效时，立即关闭激光器，终止数据发送，这种模式称为突发模式)如TDM-PON网络，此结构有存在缺点:1、突发传输无效时，电容C的放电导致Vb的变化，从而改变了偏置电流，即该结构在突发传输无效时，不具备偏置电流的保持功能。2、在光网络单元ONU初始化时，该结构无法为电容C快速预置直流点，所以该结构的初始化时间很难PON网络的需求。3、固定的环路带宽限制了该APC适用的传输数据速率的范围。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发一种能够用于突发模式的激光器功率控制系统。
【发明内容】
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够用于突发模式的激光器功率控制系统。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种激光器自动平均功率控制系统(The burstmode automatic power control,以下简称BM-APC),可以通过调整环路带宽，工作在不同数据传输速率的环境中，适用于多种类型无源光网络如ΒΡ0Ν、GP0N、GePON等。
[0008]本发明提供的激光器自动平均功率控制系统，包括激光驱动器、模数调制电路和数字控制电路；所述模数调制电路包括积分器、比较器和D触发器，光电二极管将激光器的输出平均光功率转换成与之成比例的电流，所述积分器将所述成比例的电流转换为平均电流，并将所述平均电流输入至所述比较器进行判决；所述比较器的输出经过D触发器抽样使得所述平均电流转换为数字码型信号，所述数字码型信号输入至所述数字控制器；所述数字控制器根据所述数字码型输出不同的信号以调整所述激光驱动器的输出，进而调整激光器的平均输出光功率。
[0009]进一步地，其中，所述激光器自动平均功率控制系统具有“快速启动模式”和“慢速调整模式”;“快速启动模式”下，所述激光器自动平均功率控制系统设置为所述数字控制器采用“快速启动算法”并控制所述积分器，调整所述激光驱动器的输出，以使所述激光器的输出平均光功率达到预设值；“慢速调整模式”下，所述激光器自动平均功率控制系统设置为所述数字控制器采用“慢速调整算法”并控制所述积分器，控制所述激光器工作。
[0010]进一步地，所述激光驱动器的输入包括偏置电流和调制电流。
[0011 ] 进一步地，所述激光驱动器包括8位偏置电流数模转换器BIAS_DAC和8位调制电流数模转换器M0D_DAC。
[0012]进一步地，所述8位偏置电流数模转换器BIAS_DAC和8位调制电流数模转换器M0D_DAC均采用8位分段码电流舵DAC结构。
[0013]进一步地，所述激光器自动平均功率控制系统的突发模式由突发使能信号BEN控制，当BEN无效时，所述激光驱动器的偏置电流和调制电流设置为被切断，所述激光器被关闭；在BEN无效期间，所述数字控制电路和所述激光驱动器的状态设置为均通过寄存器保持；当BEN再次有效时，所述激光器输出上次突发结束时的平均光功率。
[0014]进一步地，所述积分器包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、电容和监控数模转换器；所述积分器设置为“快速启动模式”下，所述第一开关和所述第四开关打开，所述第二开关、所述第三开关和所述第五开关闭合，以使所述电容C预充至Vref7Vref是指在进入“慢速调整模式”时，所述电容的电压初始值；“慢速调整模式”下，所述第二开关、所述第三开关和所述第五开关打开，所述第四开关闭合，所述第一开关设置为由所述比较器经过所述D触发器后的输出信号与所述突发使能信号BEN经过“逻辑与”后进行控制。
[0015]进一步地，所述监控数模转换器采用8位分段码电流舵DAC结构。
[0016]进一步地，所述比较器的输入包括所述平均电流和激光器正常工作时的电压。
[0017]进一步地，所述数字控制器在所述“快速启动模式”下采用快速启动算法，其中BIAS_DAC的输入为搜索值，M0N_DAC配置值为目标值，快速启动算法的目的是使得所述搜索值修正直到与所述目标值匹配；所述数字控制器的工作过程为首先判断搜索区间和总区间的关系，所述搜索区间是指O到BIAS_DAC的输入的初次赋值，所述总区间是指O到BIAS_DAC的输入的最大值；若搜索区间大于总区间的一半，则直接使用逐次逼近法修正所述搜索值；否则判断所述搜索值的当前初始值和目标值的关系来决定是否采用逐步扫描算法:若所述搜索值的当前初始值小于所述目标值，则使用逐步扫描算法直到所述搜索值大于目标值再使用二分法修正所述搜索值；若所述搜索值的当前初始值大于所述目标值，则使用二分法修正所述搜索值。
[0018]进一步地，所述数字控制器在所述“慢速调整模式”下采用慢速调整算法，所述数字控制器的工作方式为检测所述数字控制器输入中连“0”/ “I”的个数，当连“I”的个数达到设定的阈值时，将BIAS_DAC的输入值增加1/4，同时重新检测连“0”/ “I”个数；当连“O”的个数达到设定的阈值时，BIAS_DAC的输入值减小1/4，同时重新检测连“0”/ “I”个数。
[0019]在本发明的一个实施例中，所述数字控制器在所述“慢速调整模式”下(慢速调整控制器)包括连码检测电路、控制单元和BIAS_DAC微调电路，连码检测电路根据配置的环路带宽，检测到相关长度的有效连“ I”或连“O”后，由控制单元通知BIAS_DAC微调电路对偏置电流进行微调。
[0020]数字控制器通过控制激光驱动器的偏置电流，进而控制激光器的平均输出光功率。
[0021]技术效果
[0022]本发明提供的激光器自动平均功率控制系统中，积分器不但增大光电二极管检测的动态范围，而且提高了监控数模转换器(M0N_DAC)输出范围的信噪比。
[0023]本发明提供的激光器自动平均功率控制系统中，BIAS_DAC、MOD_DAC和M0N_DAC均采用8位分段码电流舵DAC结构，这种结构最大的优点是输出抖动小，满足BM-APC对“稳定性”的要求。
[0024]模数调制电路的作用是将模拟信号转换为数字信号，数字控制器根据模数调制电路的输出信号，利用快速启动算法或慢速调整算法调整偏置电流BIAS_DAC，进而调整激光器的平均输出光功率。
[0025]以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1是现有技术中的连续模式功率补偿电路示意图。
[0027]图2是本发明一个较佳实施例中的激光器功率控制系统的示意图。
[0028]图3是本发明一个较佳实施例中的激光器功率控制系统工作在快速启动模式时的示意图。
[0029]图4是本发明一个较佳实施例中数字控制器的快速启动算法流程图。
[0030]图5是本发明一个较佳实施例中的激光器功率控制系统工作在慢速调整模式时的示意图。
[0031]图6是本发明一个较佳实施例中的数字控制器的慢速调整时的示意图。
[0032]图7是本发明一个较佳实施例中的数字控制器的快速启动时序图。
[0033]图8是本发明一个较佳实施例中的输出光功率稳定时积分器电容C上的电压Vcap和D触发器输出Q_dff的示意图。
[0034]图9本发明一个较佳实施例中的输出光功率不稳定时积分器电容C上的电压Vcap和D触发器输出Q_dff的示意图。
【具体实施方式】
[0035]如图1所示，传统连续模式功率补偿电路利用光电二极管将输出光功率转换为与之成比例的电流，电流经过R和C后，转换为与输出平均光功率成正比的电压信号。该电压信号与参考电压Vref经过放大器后产生Vb，Vb控制激光器的偏置电流，因此，输出平均光功率得到了控制。这种电路只能工作在连续模式中，并且固定的环路带宽限制了这种电路适用的传输数据速率的范围。
[0036]图2示出了是本发明一个较佳实施例中的激光器功率控制系统，包括激光驱动器、模数调制电路和数字控制电路；激光驱动器用于驱动激光二极管，包括8位偏置电流数模转换器(BIAS_DAC)和8位调制电流数模转换器(M0D_DAC);所述模数调制电路包括积分器、比较器和D触发器,光电二极管将激光器的输出平均光功率转换成与之成比例的电流，所述积分器将所述成比例的电流转换为平均电流，并将所述平均电流输入至所述比较器进行判决；所述比较器的输出经过D触发器抽样使得所述平均电流转换为数字码型信号，所述数字码型信号输入至所述数字控制器；所述数字控制器根据所述数字码型输出不同的信号以调整所述激光驱动器的输出，进而调整激光器的平均输出光功率。光电二极管将激光器的平均光功率转换为输出电流为Ipd，经过非线性镜像后为电流Ipdx。非线性处理不但增大光电二极管检测的动态范围，而且提高了监控数模转换器(M0N_DAC)输出范围的信噪t匕。本设计中，BIAS_DAC、M0D_DAC和M0N_DAC均采用8位分段码电流舵DAC结构，这种结构最大的优点是输出抖动小，满足BM-APC对“稳定性”的要求。模数调制电路的作用是将模拟信号Ipdx转换为数字信包括直接比较调制电路和增量总和调制电路。数字控制器根据增量总和调制电路的输出信号Q_dff，利用快速启动算法或慢速调整算法调整偏置电流BIAS_DAC，进而调整激光器的平均输出光功率。
[0037]所述激光器自动平均功率控制系统的突发模式由突发使能信号BEN控制，当BEN无效时，所述激光驱动器的偏置电流和调制电流设置为被切断，所述激光器被关闭；在BEN无效期间，所述数字控制电路和所述激光驱动器的状态设置为均通过寄存器保持；当BEN再次有效时，所述激光器输出上次突发结束时的平均光功率。
[0038]BM-APC可以工作在两种模式:快速启动模式和慢速调整模式。快速启动模式用于:①ONU发射机初始化的功率设置；②功率模式(PLM)的改变。前者多发生在ONU的激活过程当中，而后者发生在运行和激活当中。在快速启动阶段，激光器并不传输数据，BM-APC利用快速启动算法调整偏置电流，最终使激光器的输出平均光功率达到预设值。快速启动完成后，BM-APC进入慢速调整模式，此时激光器开始正常传送数据。在实际工作中，由于激光器随温度变化和器件老化的影响非常缓慢，同时在激光器传输长串“O”或长串“I”时，需考虑BM-APC如何避免出现过度补偿的行为，针对这些问题本文设计了慢速调整模式。快速启动和慢速调整的共同目的都是保证Ipdx的平均值等于Impd。Impd由M0N_DAC控制，用户可以根据实际通信系统的需求设置M0N_DAC。由于激光器的平均输出光功率和Ipdx的有一定的比例关系，因此，设置激光器的平均输出光功率是通过设置M0N_DAC来实现的。
[0039]快速启动阶段，激光器上并无数据传输，激光驱动器输入的调制电流为IMd/2。图3为BM-APC工作在快速启动模式时的结构图，即快速启动时，图2中BM-APC的开关S2、S3与S5闭合，SI与S4打开，模数调制的方式为直接比较方式，即Ipdx直接和参考值Impd做差比较。在快速启动阶段，数字控制器利用快速启动算法调整偏置电流Ibias直至Ipdx等于预设的1_，即调整激光器的输出光功率稳定在传输数据时的平均光功率。快速启动算法设计为粗调和精调两个过程，分别由逐步扫描法和二分法实现。
[0040]快速启动算法的流程图如图4所示，快速启动过程可抽象为非线性方程求解问题。BIAS_DAC可理解为搜索值，M0N_DAC是搜索对象，即目标值。搜索值BIAS_DAC依照快速启动算法不断变化来直到与目标值M0N_DAC匹配。本设计中，采用逐步扫描法求解近似值，采用二分法求解精确值。在快速启动算法使能有效后，首先判断搜索区间和总区间的关系。若搜索区间大于总区间(8-bit DAC的搜索区间为256)的一半，则直接使用逐次逼近法寻找激光器的平均输出功率。否则判断初始值和目标值的关系来决定是否由必要采用逐步扫描算法，若初始值小于目标值则使用逐步扫描算法直到搜索值大于目标值再使用二分法。
[0041] 在快速启动完成后，BM-APC进入慢速调整模式。工作在慢速调整模式时，S2、S3和S5打开，S4闭合，SI由比较器的结果经过一级D触发器后的输出信号与突发使能信号BEN相与后进行控制。BM-APC慢速调整模式如图5所示。模数调整电路为增量总和调制的方式，比较器和D触发器构成了 Ι-bit判决电路，判决电路的阈值为Vref，在CLK上升沿来临时，D触发器对比较器的结果进行一次抽样。开关SI和电流源ImpdX2构成了脉冲产生电路，BEN为突发控制信号，在BEN=O时，脉冲产生电路无输出。在BEN=I时，当Q_dff=l，脉冲产生电路输出电流为ImpdX2，i Q_dff=0，输出电流为O。
[0042]D触发器的输出标志着抽样时刻输入信号的变化趋势，数字控制器通过判断D触发器的输出Q_dff判断输入信号的变化趋势，然后调整偏置电流BIAS_DAC，从而达到稳定输出光功率的目的。本文的功率控制环采用了数字控制器，在突发使能BEN无效期间，控制器利用寄存器保存上一个时隙末激光器的偏置电流DAC数值,在下一个时隙来临时,激光驱动器就能够立刻输出稳定的偏置电流。通过这种方式，激光器在突发使能有效时能很快进入工作状态。
[0043]增量总和调制的输出Q_dff为一位编码，仅反映抽样时刻信号Ipdx积分后的变化趋势，即激光器平均输出光功率的变化趋势。当Ipdx偏离Impd时，这时候调制输出Q_dff就会出现连“ I ”码或连“ O ”码的现象。数字检测电路的本质就是检测连“ I ”码和连“ O ”码的数目。如果该数目越大，则表明Ipdx偏离Impd的程度就越大，数字控制电路根据连“I”或连“O”的数目调节激光驱动器的偏置电流，最终的目标是使得Ipdx等于Impd，此时增量调制器输出为均匀的“ I”与“O”的交替码。
[0044]图6为本发明一个较佳实施例中数字控制器在“慢速调整模式”下(慢速调整控制器)的结构框图，所述数字控制器包括连码检测电路、控制单元和BIAS_DAC微调电路，连码检测电路根据配置的环路带宽，检测到相关长度的有效连“I”或连“O”后，由控制单元通知BIAS_DAC微调电路对偏置电流进行微调。BM-APC的环路带宽可以通过图6中的prescale_size信号配置。在实际工作情况中，环路带宽太小，则影响功率控制的灵敏度，环路带宽太大，则容易出现过度补偿。比如，当发送一长串连“I”信号，如果环路带宽太大，则功率环会在发送该信号期间判断到平均功率大于参考值，从而做出将偏置电流降低的错误调整。为了避免对偏置电流的过度补偿，APC环路带宽的设计原则是小于最长连“0”/ “I”持续时间的一半。本设计中的功率环带宽可以调节，使用者可以根据实际数据发送速率配置环路带宽，从而提高的了功率控制环的适用范围和可靠性。
[0045]增量总和调制的输出信号Q_dff为连码检测电路的输入信号，prescale_size控制信号用于设置连码检测电路的阈值4PMSC^-Si' P为连码检测电路的输出，其中，P=OO为初始状态，P=Il表示检测到4presc;ale-size个连“ 1”，P=Ol表示接收到4pMst;ale-size个连“O”。慢速调整算法的思路如下，连码检测电路检测到4PMSC^-Size个连“I”/连“O”时，输出有效的P信号通知控制单元，同时进入下一组连码检测状态。当突发使能BEN无效时，控制单元的输出C=00，此时BIAS_DAC微调电路保持当前的状态。当BEN再次有效时，C=P，BIAS_DAC微调电路根据C信号决定微调方向。为了提高功率控制环的补偿精度，本设计中BIAS_DAC的调整采用微调的方式，其过程分为四个步骤。例如，BIAS_DAC从55调整到54会经历55-0/4、55-1/4,55-2/4和55-3/4四个阶段，从55调整至56同样也经历55+0/4、55+1/4、55+2/4和55+3/4四个阶段。其中1/4、2/4和3/4并不是严格意义的分数，而是BIAS_DAC输出在一段时间内的近似值，本设计中的1/4、2/4、3/4分别利用0001循环序列、0101循环序列和0111循环序列实现。
[0046]本发明为BM-APC设计了两种工作模式:快速启动模式和慢速调整模式。光系统在上电复位或功率调整时工作在快速启动模式，在正常传输数据速率时工作在慢速调整模式。快速启动模式的目的是为了让激光器稳定输出慢速调整模式的平均光功率，即稳定激光器的偏置电流。进入快速启动模式的条件是:①配置逐步扫描初始值和步进值；②配置二分法的初始区间；③配置逐步扫描的速度和二分法的速度；④配置监控二极管的目标值MPD_DAC。在具备基本的配置后，数字控制器会打开图2中的开关S1、S4，关闭S2、S3和S5。如图7所示，快速启动过程经历以下三个阶段:第一阶段，给偏置电流赋初始值，配置调制电流为Imod/2。在整个快速启动过程中，发送数据通路被屏蔽，因此，调制电流配置为激光器发送数据时调制电流的平均值Imod/2。第二阶段为逐步扫描的过程，其目的是快速找到包含目标平均光功率的一个范围。该阶段中，数字控制器判断监控光电二极管的输出电流Ipd和目标电流Impd的关系，如果Ipd小于Impd,则按步进增加BIAS_DAC的值,然后再比较Ipd与Impd的关系,直至Ipd小于Impd。由图知,逐步扫描的末尾会产生过冲,过冲是由从偏置电流的设置到光电二极管采集信号之间的延时引起的。第三阶段采用二分法寻求输出平均光功率的精确值。二分法的求值区间每次变为原来的1/2，总共有8次二分。图中二分法的速度比逐步扫描慢，这是为了确保满足激光器和光电二极管的建立时间，更准确的稳定输出光功率。
[0047]在完成快速启动后，激光器达到了预设的输出功率，BM-APC进入慢速调整模式。如图5所示，假设t2, t3, t4...tk, tk+1...为一组采样时间点的集合(即D触发器时钟上升沿来临时刻)，相邻点的间隔时间为采样周期At。在各采样时刻，D触发器的输出为K1, K2, K3, K4...Kk, Kk+1...，则有:
[0048]
【权利要求】
1.一种激光器自动平均功率控制系统，包括激光驱动器、模数调制电路和数字控制电路；所述模数调制电路包括积分器、比较器和D触发器，光电二极管将激光器的输出平均光功率转换成与之成比例的电流，所述积分器将所述成比例的电流转换为平均电流，并将所述平均电流输入至所述比较器进行判决；所述比较器的输出经过D触发器抽样使得所述平均电流转换为数字码型信号，所述数字码型信号输入至所述数字控制器；所述数字控制器根据所述数字码型输出不同的信号以调整所述激光驱动器的输出，进而调整激光器的平均输出光功率。
2.如权利要求1所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述激光器自动平均功率控制系统具有“快速启动模式”和“慢速调整模式”;“快速启动模式”下，所述激光器自动平均功率控制系统设置为所述数字控制器采用“快速启动算法”并控制所述积分器，调整所述激光驱动器的输出，以使所述激光器的输出平均光功率达到预设值；“慢速调整模式”下，所述激光器自动平均功率控制系统设置为所述数字控制器采用“慢速调整算法”并控制所述积分器，控制所述激光器工作。
3.如权利要求1所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述激光驱动器的输入包括偏置电流和调制电流。
4.如权利要求3所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述激光驱动器包括8位偏置电流数模转换器BIAS_DAC和8位调制电流数模转换器MOD_DAC。
5.如权利要求1所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述激光器自动平均功率控制系统的突发模式由突发使能信号BEN控制，当BEN无效时，所述激光驱动器的偏置电流和调制电流设置为被切断，所述激光器被关闭；在BEN无效期间，所述数字控制电路和所述激光驱动器的状态设置为均通过寄存器保持；当BEN再次有效时，所述激光器输出上次突发结束时的平均光功率。
6.如权利要求1所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述积分器包括第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、电容和监控数模转换器MON_DAC ;所述积分器设置为“快速启动模式”下，所述第一开关和所述第四开关打开，所述第二开关、所述第三开关和所述第五开关闭合，以使所述电容C预充至Vref，Vref是指在进入“慢速调整模式”时，所述电容的电压初始值；“慢速调整模式”下，所述第二开关、所述第三开关和所述第五开关打开，所述第四开关闭合，所述第一开关设置为由所述比较器经过所述D触发器后的输出信号与所述突发使能信号BEN经过“逻辑与”后进行控制。
7.如权利要求1所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述比较器的输入包括所述平均电流和激光器正常工作时的电压。
8.如权利要求1所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述数字控制器在所述“快速启动模式”下采用快速启动算法，其中BIAS_DAC的输入为搜索值，MON_DAC配置值为目标值，快速启动算法的目的是使得所述搜索值修正直到与所述目标值匹配；所述数字控制器的工作过程为首先判断搜索区间和总区间的关系，所述搜索区间是指O到BIAS_DAC的输入的初次赋值，所述总区间是指O到BIAS_DAC的输入的最大值；若搜索区间大于总区间的一半，则直接使用逐次逼近法修正所述搜索值；否则判断所述搜索值的当前初始值和目标值的关系来决定是否采用逐步扫描算法:若所述搜索值的当前初始值小于所述目标值，则使用逐步扫描算法直到所述搜索值大于目标值再使用二分法修正所述搜索值；若所述搜索值的当前初始值大于所述目标值，则使用二分法修正所述搜索值。
9.如权利要求1所述的激光器自动平均功率控制系统，其中，所述数字控制器在所述“慢速调整模式”下采用慢速调整算法，所述数字控制器的工作方式为检测所述数字控制器输入中连“0”/ “1”的个数，当连“1”的个数达到设定的阈值时，将BIAS_DAC的输入值增加1/4，同时重新检测连“0”/ “1”个数；当连“O”的个数达到设定的阈值时，BIAS_DAC的输入值减小1/4，同时重新检测连“0”/ “1”个数。
【文档编号】H01S5/042GK103915755SQ201410071805
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】王清鹏, 邵思佳, 王良坤, 殷明 申请人:嘉兴禾润电子科技有限公司