專利名稱：在wdm應用中控制一個激光器的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一個在WDM應用中，具體地，但非排他性地，在DWDM應用中控制激光器的方法。
用作WDM(波分復用)應用中的光源的激光器每一個都被設計為在一個特定波長上工作。該波長由激光器制造商根據激光器所工作的溫度和驅動激光器的電流來設置。從而制造商通常將指定將標稱地導致在激光器設計波長上工作的工作溫度和工作電流。
在WDM光傳輸系統(tǒng)中，光源激光器的波長需要被控制在一個緊的極限內。在波長設置中的一個錯誤將導致在相鄰信道中的交叉信號干擾和后續(xù)通信的破壞，這些問題是用戶自然想要避免的。在DWDM(密集波分復用)系統(tǒng)中，其中信道間隔可以是100GHz或更少的量級，波長條件是特別嚴格，并且通常是通過使用一個激光器反饋環(huán)來滿足，該反饋環(huán)路用于維持激光器在制造商所約定的溫度上。
然而，該傳統(tǒng)控制結構的一個缺點是不可能在上電和下電環(huán)境中精確地控制波長，其中不連續(xù)性包括在波長值中產生一個大的波動，該波動會以已述方式影響性能。這是一個在當作為安全性測量的一部分的ALS(自動激光器關閉)操作中的特殊問題，當懷疑在下游光纖中有一個斷裂時，停止激光器的工作。在ALS期間，通常使得在一個短周期內規(guī)律地進行光輸出(例如，每90秒輸出2秒，或與之近似)以檢查光纖斷裂是否已經修復。雖然溫度在該處理過程期間通常保持在它的規(guī)定工作值上，因為激光器被連接到一個大熱質量塊上(一個冷卻/加熱元件)，在上電/下電時發(fā)生的激光器元件的溫度改變不能通過溫度控制環(huán)路得到很快的補償(響應時間大約為10秒)，所以在ALS操作期間波長顯著偏移于其規(guī)定值。
本發(fā)明的目的是提供一個消除這一缺點的激光器控制裝置。
根據本發(fā)明，在一個WDM應用中控制激光器的方法包括以下步驟，順序如下(a)建立一個預定的激光器溫度；(b)控制激光器電流以給出基本等于所需波長的工作波長，和(c)建立一個預定的激光器輸出功率。
步驟(c)利用一個位于激光器輸出端的衰減器而得到有利地實施。
在步驟(b)之前可以包括一個將衰減器設置為最大衰減設置值的步驟，而步驟(c)可以包括將該衰減設置降低到所需水平的步驟。最大衰減可以發(fā)生在步驟(a)中。
優(yōu)選地，衰減是逐漸降低的。這一降低過程是在工作波長仍集中指向其最終值時開始。還有，在激光器關閉過程中，衰減可以逐漸增加。所有的在衰減上漸進性改變優(yōu)選地為斜坡型改變。
步驟(a)，(b)和(c)可以使用各自的控制環(huán)路來執(zhí)行，該控制環(huán)路可以具有不同的時間響應。功率調整環(huán)路可以具有最快的響應而溫度調整環(huán)路具有最慢的響應。該控制環(huán)路優(yōu)選地為數(shù)字式控制還。
步驟(b)可以包括將激光器電流設置為將標稱地產生所期望波長值的電流值，和經相關控制環(huán)調整電流以基本實現(xiàn)實際希望的波長值。
波長監(jiān)測過程可以使用兩個波長監(jiān)測裝置來實施，這兩個波長監(jiān)測裝置分別在稍微大于和小于標稱波長的波長處具有最大靈敏度。波長-監(jiān)測過程可以是這樣，使得工作波長響應于由兩個-監(jiān)測裝置給出相等輸出信號的波長。
步驟(a)優(yōu)選地僅僅只當激光器是初始上電時才執(zhí)行，該激光器溫度在所述設備工作時維持恒定。
根據本發(fā)明的第而方面，提供了一個用于控制在WDM應用中的激光器的方法，其中在對激光器上電或下電操作之前，用于衰減激光器的輸出功率的衰減器的衰減因子被設置為一個高的值。
在上電例程中，隨著衰減因子被設置為一個高值(它通常是衰減器可以有的最大值)，激光器電流可以增加到一個希望的工作電平，當激光器的工作波長位于一個給定值或進入一個給定值的給定容限內，則衰減因子可以被減少到位于最終值的波長。
在下電例程中，隨著衰減因子被設為一個高值，激光器電流可以基本降至零水平。
激光器可以形成DWDM應用的部件。
在第三方面，本發(fā)明提供了用于控制在WDM應用中的激光器的裝置，該裝置包括一個用于控制激光器溫度的溫度控制環(huán)路，一個用于控制激光器的波長操作的波長控制環(huán)路，一個用于控制激光器輸出功率的功率控制環(huán)路，和一個用于使所述控制環(huán)路協(xié)調工作以按一個給定序列建立所期望溫度、波長和功率參量的控制裝置。
控制環(huán)路可以具有不同的響應，溫度控制環(huán)路具有最慢的響應而功率控制環(huán)路具有最快的響應。
波長控制環(huán)路可以包括一對對于分別稍微大于和小于所期望工作波長的波長具有最大靈敏度的波長監(jiān)測器。光電二極管可以用于該監(jiān)測器。
溫度控制環(huán)路可以包括一個用于監(jiān)測激光器溫度的溫度傳感器，該溫度傳感器形成惠斯通電橋，該電橋可用以提供一個操作溫度控制環(huán)路的溫度誤差信號。
該控制裝置可以用于建立下述操作序列首先，建立所期望的激光器溫度；其次，通過對激光器電流的控制來建立一個所期望的波長；第三，建立所期望的輸出功率。
該控制裝置可用以確保，在對激光器上電或下電操作之前，激光器的輸出功率降至一個低的水平。
該功率控制環(huán)路可以包括一個位于激光器輸出端的衰減器。
本發(fā)明的實施例現(xiàn)在參照附圖來描述

圖1為一個根據本發(fā)明的激光器控制裝置的框圖；圖2為一個用于圖1中激光器控制裝置中的MOSFET橋的電路圖；圖3為一個圖1所示裝置的門陣列控制器部件的框圖；圖4為一個用作本發(fā)明的一個實施例中的波長監(jiān)測器的光電二極管的光電流/波長特性的曲線圖；圖5為顯示包含在激光器電流和衰減之間關系的各種激光器-控制狀態(tài)的示意圖；圖1顯示了根據本發(fā)明的數(shù)字式激光器控制器的一個實施例的示意圖，該控制器包括一個激光器模塊10，一個數(shù)字式控制器12，一個ADC(模擬-到-數(shù)字轉換器)14，一個激光器監(jiān)測器16，各種輸出濾波器18、20、22和各種設備電路24、26、28。管理系統(tǒng)操作的是微處理器30，它提供靜態(tài)數(shù)據給各種電路，這種數(shù)據是包括所期望功率輸出的不安全性臨界信息。
該激光器模塊包括激光器二極管自身，用于監(jiān)測該模塊的工作溫度的電熱調節(jié)器，用于按需加熱或冷卻該模塊的熱電冷卻器，一個用于衰減二極管輸出的光衰減器和一對波長監(jiān)測器，一個為長波長監(jiān)測器而另一個為短波長監(jiān)測器。
該波長監(jiān)測器由一對選擇來對于分別稍微大于和小于激光器的正常工作波長的波長具有最大靈敏度響應的光電二極管來構成。該監(jiān)測器輸出被提供給各自的增益控制部件32、33，其中每個部件可作為一個電阻來方便地實現(xiàn)，二極管的電流輸出使得在各自電阻器兩端產生壓降，該壓降可用作輸入到ADC級14的電壓。選擇電阻器的值以在各自的光電二極管的響應峰處提供在電阻器兩端的相等信號幅度并確保增益控制部件32、33的電壓輸出范圍在ADC14的特定輸入電壓范圍之中。
ADC部件14具有四個輸出端，為已監(jiān)測的兩個波長監(jiān)測器的每一個各提供一個輸入端，為電熱調節(jié)器提供一個輸入端并為功率監(jiān)測器16提供一個輸入端。該電熱調節(jié)器作為惠斯通電橋34的部件而被連接，其輸出經由一個增益級36提供給ADC14。該電橋提供一個正比于理想溫度和測量溫度之間差值的輸出電壓。另一個增益級38將功率監(jiān)測器16連接到ADC14。該ADC級14將由各個監(jiān)測部件輸送的模擬信號轉換為數(shù)字式信號并將它們饋入控制器12，該ADC級在所示實施例中作為一個FPGA(場可編程門陣列)來實現(xiàn)。該控制器可選擇地用一個ASIC(專用集成電路)來實現(xiàn)或甚至作為一個快速微處理器裝置的部件。然而，一個FPGA提供一個速度、效能價格比和靈活性的一個有吸引力的組合。
在激光器模塊板上的熱電冷卻器(TEC)由一個MOSFET開關電橋24來饋入信息。這如圖2中所示并包括一個傳統(tǒng)的以兩個串聯(lián)鏈經一個公共電阻49跨接在DC電源44、48上的四個MOSFET的結構，兩個鏈的中央點形成提供TEC的電橋的輸出端子。包括在每個輸入端子和接地線48之間串聯(lián)的電感和電容的濾波器裝置46、47用于濾出快速開關瞬態(tài)現(xiàn)象以滿足EMC(電磁兼容性)條件，并且還減少紋波。這些濾波裝置相應于圖1中的濾波器18。進一步的紋波濾波由激光器模塊的大熱質量可作為一個低通濾波器的事實來提供并因此提供了一些它自己的平滑操作。電阻49用作過電流傳感器。從而，如果例如FET40將要短路而FET42順序地將要開啟，一個非常高的電流將要流過所述的FET，對電路造成危險。(其他相同的危害場景也是可能的)。利用這些電路，在電阻49兩端形成一個高的壓降，而這是可以檢測的并被用于關閉TEC驅動。關閉操作可以通過禁止輸入端經驅動NAND-門50(圖中只示出了一個)到每個FET。
圖3以優(yōu)選形式示出了FPGA控制器的構造。在圖3中，ADC的輸出被提供給ADC接口部件60，它以每個信號10-bits的寬度(兩個10-bits信號構成該段的波長部分)來傳遞溫度、功率監(jiān)測器和波長監(jiān)測器信號。該控制器包括三個分離的控制環(huán)一個基于溫度控制塊62的溫度控制環(huán)，一個基于衰減控制塊68的衰減器控制環(huán)和一個基于波長控制塊70的波長控制環(huán)。進入溫度控制塊62的是一個來自ADC接口的溫度誤差信號，該信號是惠斯通電橋34的誤差輸出。在波長控制塊70的情形中，這些值是通過波長監(jiān)測來獲取的，對這些值執(zhí)行一個操作并將結果與這一結果的理想值相比較，而在功率控制塊68的情形中，它將由ADC接口60輸出的實際功率值與一個由微處理器30提供的(作為已經監(jiān)測到的)理想功率水平相比較。
控制塊62、68、70的輸出操作各自的脈寬調制器64、71、72，這些脈寬調制器為各自的激光器模塊項，所謂的加熱器/冷卻器(TEC)，衰減器和激光器二極管，提供驅動。對TEC的驅動是經一個MOSFET電橋驅動器66將一個驅動信號饋入MOSFET電橋24，它的優(yōu)選實施例已經結合圖2進行了描述。
控制器12還包含一個用于在其他信號中接收與激光器所服務的光纖狀態(tài)有關的信號并使得可經由塊76驅動激光器二極管的ALS塊74。此外，還包括各種其他雜項，例如一個用于微處理器和產生系統(tǒng)所需的各種時鐘信號的定時信號發(fā)生器80的接口78。
FPGA提供下面的操作序列在電流提供到激光器二極管之前，激光器被允許達到其正常工作溫度，即制造商所指定的，當該設備工作于其設計波長時的溫度。為此，該溫度控制環(huán)62被用于將一個脈沖信號的寬度調制到MOSFET電橋24以驅動在激光器模塊上的TEC。較低溫度將導致TEC的部件的加熱操作，而較高溫度，當達到這一溫度時，將導致一個冷卻操作。從而達到一個點，在此激光器溫度穩(wěn)定在一個產生來自惠斯通電橋34的零(或接近零)誤差信號的水平。
在這一溫度穩(wěn)定期間，如果需要，在激光器模塊上的衰減器可以被設置在最大衰減上，但因為在階段，因為激光器電流為零，這實際并不是必需的。
接著，電流被提供給激光器二極管，但如果這在溫度穩(wěn)定階段之前或之中還未做，則不將衰減設置到最大。初始地，一個等于制造商的正常指定驅動電流的電流值被提供以將激光器電流粗略地帶入由此開始的校正操作范圍。則使電流控制環(huán)開始運行并使最終的穩(wěn)態(tài)電流到達理想水平。
該處理過程可以借助圖4得到更清楚地解釋。在圖4中，顯示了用作波長監(jiān)測器的光電二極管的電流/波長特性并分別在稍微小于和大于激光器正常工作波長的點λd1和λd2處可以見到峰值。在控制環(huán)工作期間，增益控制部件32和33的輸出在FPGA12被監(jiān)測而它們的幅度被比較。如果，例如，激光器波長為如圖所示的λ1，則長波長監(jiān)測器32將由于它在點P處的響應而輸出一個高幅度信號，同時短波長監(jiān)測器33將由于在點Q處的響應而輸出一個低幅度信號。這將導致激光器二極管電流在某種意義上被改變，使得導致工作波長變短，使得它進一步低于x軸。假設，為了討論，新波長如圖所示為λ2，這將產生相應于在監(jiān)測器32和33上的新工作點R和S的監(jiān)測輸出。環(huán)控制繼續(xù)直至監(jiān)測輸出相等，這相應于在兩個電流-波長曲線的交叉處的工作點λ0。
然而，當初始激光器電流被設置為一個太高或太低的水平處，出現(xiàn)一個問題。當初始激光器電流低于產生波長λL的電流或高于產生波長λU的電流時，來自監(jiān)測器的輸出基本上等于和降至最低點，使得控制環(huán)不能收斂在所期望的波長值。為了避免這一問題，施加一個產生在任意范圍λU’-λL’中的一個波長，或優(yōu)選地在范圍λd2-λd1中的的初始激光器電流。更有利地，該優(yōu)選的預置值為給出一個盡可能靠近所期望值的工作波長λ的值，即制造商對于已經流行的額定激光器溫度給出的額定值。
波長控制環(huán)70通過從來自低-λ監(jiān)測器中獲得的10-bit數(shù)字輸出中減去由高-λ監(jiān)測器中獲得的10-bit數(shù)字輸出和通過對結果執(zhí)行2-s補償處理來工作。所謂的2-s補償處理實際上是通過將10000000000加到該減法結果上來實施的。一個為10000000000的值只是零波長誤差。
一旦工作波長處于可接受的限制范圍中，衰減器的衰減因子降至所期望的水平，即導致所期望的進入光纖系統(tǒng)中的輸出功率值。
在各種工作階段中，衰減因子和激光器二極管電流的關系通過參照圖5來進行更詳細的描述。在圖5中可見激光器驅動裝置根據主要的條件假定為四個可能的靜態(tài)狀態(tài)中的任意一個。正常的工作條件如框100所示。這是一個正常的“ON”條件，其中激光器電流為接通，而且電流和溫度都是穩(wěn)定的。如果由于任何原因，工作波長不再鎖定，或有一個關閉激光器的請求(例如在ALS模式中)，框101開始活動，其中衰減器被設置為最大衰減，同時激光器電流仍然處于其正常工作水平。一旦輸出功率已經完全降下，則在框102中產生一個斷開狀態(tài)，其中衰減為最大，激光器電流降至零。激光器將處于此狀態(tài)直至接收到一個“開啟”請求(例如在ALS模式中)，于是，衰減仍處于最大，而激光器電流升至所要求的水平以實現(xiàn)波長鎖定(框103)。一旦實現(xiàn)鎖定，則衰減被調整到正常工作水平，從而返回到“正常狀態(tài)”框100。
本發(fā)明正視到“波長失鎖”警報將隨時發(fā)生(a)波長誤差處于所指定的容限之外，或(b)兩個波長監(jiān)測器的輸出值小于或大于一個指定量，或(c)溫度控制環(huán)失鎖。
當ALS模式開始(這可以由用戶手動地執(zhí)行，例如，或一旦感應到一個光纖斷裂則自動執(zhí)行)，發(fā)出一個關閉請求并進入圖5中的框101，隨后是框102。激光器保持斷開狀態(tài)大約90秒，隨后激光器被配置用以一個將要就進入的“TEST(測試)”階段。這個階段將持續(xù)大約2秒并意欲檢測光纖斷裂是否已經在90-秒的“dead(死亡)”期間被修復。在這2秒階段，激光器被開啟并實現(xiàn)波長鎖定，然后進行一個檢查，看看在光纖系統(tǒng)中是否仍然存在功率損失。如果是，ALS模式繼續(xù)下一個90秒等候，隨后是另一個2-秒“TEST”，等等。
在整個ALS階段中，激光器溫度保持在其正常工作水平，使得波長鎖定可以在該短“TEST”期間非?？斓貙崿F(xiàn)。因為實際上，電流環(huán)路具有一個大約250ms的響應時間而衰減環(huán)為大約50ms，所以在2-秒測試期間可有一個充足的進行功率損失檢測的時間，而沒有由于在上電中的不穩(wěn)定-波長帶來的任何交叉信道干擾。
在上述的衰減中的改變(即，增加和減少)優(yōu)選地為非瞬時地，而為漸進的，并優(yōu)選地以一種線性方式傾斜。這還在切斷功率以斷開光纖線期間施加到ALS模式上。從而，雖然本發(fā)明希望使得在光纖斷裂端對操作或服務人員的傷害的危險最小，仍然認為最好通過使得功率水平降低來使得波長偏移最小，在傾斜產生(大約100ms)中的時間只為在操作人員可能由于破裂鏈路處于危險的時間的一小部分。
當在圖5中，顯示了一旦波長“鎖定”，則該衰減將轉換到“正常”(由框103過渡到框100)，這可能實際意味著一旦波長已經進到一個特定容限中，則衰減開始傾斜到一個正常水平，但仍出發(fā)到其最終、最佳值。在一個實際系統(tǒng)中的最大衰減可能為一個由0dBm下降16dB的量級。
權利要求
1．用于控制在WDM應用中的激光器的方法，包括以下順序給出的步驟(a)建立一個預定的激光器溫度；(b)控制激光器電流以給出一個基本等于理想波長的工作波長，和(c)建立一個預定激光器輸出功率。
2．根據權利要求1的方法，其中步驟(c)通過位于激光器輸出端的衰減器來實施。
3．根據權利要求2的方法，在步驟(b)之前包括將衰減器設置為最大衰減設置的步驟并且其中步驟(c)包括將衰減降低到一個期望水平的步驟。
4．根據權利要求3的方法，其中將衰減器設置為一個最大衰減設置的步驟在步驟(a)中進行。
5．根據權利要求3或4的方法，其中該衰減是漸進地降低。
6．根據權利要求5的方法，其中衰減的降低是在工作波長仍然收斂向其最終值的同時開始的。
7．根據權利要求5或6的方法，其中在一個激光器切斷過程中，衰減逐漸增加。
8．根據權利要求5到7的方法，其中衰減以傾斜方式改變。
9．根據前述權利要求的任意一項的方法，其中步驟(a)，(b)和(c)是使用各自的控制環(huán)來執(zhí)行的。
10．根據權利要求9的方法，其中控制環(huán)具有不同時間響應。
11．根據權利要求10的方法，其中，控制環(huán)中的功率設置環(huán)具有最快的響應，而溫度設置環(huán)具有最慢的響應。
12．根據權利要求9到11中任意一項的方法，其中控制環(huán)為數(shù)字式控制環(huán)。
13．根據前述權利要求中任意一項的方法，其中步驟(b)包括將激光器電流設置為一個將名義上產生一個期望的波長值的值，并通過相關的控制環(huán)來調整電流以基本實現(xiàn)實際的期望波長值。
14．根據權利要求13的方法，其中波長檢測過程通過兩個分別在稍微大于和小于正常工作波長的波長處具有最大靈敏度的波長監(jiān)測裝置來實施。
15．根據權利要求14的方法，其中波長監(jiān)測過程是這樣的，使得工作波長相應于由所述兩個波長監(jiān)測裝置給出相等輸出信號的波長。
16．根據前述權利要求中任意一項的方法，其中步驟(a)是僅僅當激光器初始上電時才執(zhí)行，而激光器溫度在所述設備在使用其中保持恒定。
17．用于控制WDM應用中的一個激光器的方法，其中在對激光器上電或下電操作之前，一個用于衰減激光器輸出功率的衰減器的衰減因子被設置為一個高值。
18．根據權利要求17的方法，其中在上電例程中，隨著衰減因子被設置為一個高值，激光器被增加到一個期望的工作水平，當激光器的一個工作波長位于一個給定值或進到一個給定值的容限內時，衰減因子降到一個工作水平。
19．根據權利要求18的方法，其中在波長位于最終值之后，衰減逐漸降低。
20．根據權利要求17的方法，其中在一個下電例程中，隨著衰減因子被設置為一個高值，激光器電流降到一個基本為零的水平。
21．根據前述權利要求的任意一項的方法，其中激光器是用于一個DWDM應用中。
22．用于控制在WDM應用中的一個激光器的裝置，包括一個用于控制激光器溫度的溫度控制環(huán)，一個用于控制激光器的工作波長的波長控制環(huán)，一個用于控制激光器的輸出功率的功率控制環(huán)，和用于協(xié)調這些控制環(huán)使得可以建立一種給定序列的溫度、波長和功率參量的期望值的控制裝置。
23．根據權利要求22的裝置，其中，控制環(huán)具有不同的響應，而溫度控制環(huán)具有最慢響應而功率控制環(huán)具有最快的響應。
24．根據權利要求22或23的裝置，其中該波長控制環(huán)具有一對分別在稍微大于和小于期望的工作波長的波長處具有最大靈敏度的波長監(jiān)測器。
25．根據權利要求24的裝置，其中波長監(jiān)測器為光電二極管。
26．根據權利要求24或25的裝置，其中溫度控制環(huán)包括一個用于監(jiān)測激光器溫度的溫度傳感器，該溫度傳感器形成惠斯通電橋的一個部件，該電橋用于提供溫度誤差信號以操作溫度控制環(huán)。
27．根據權利要求26的裝置，其中該控制裝置用于建立下列操作序列首先，建立一個期望的激光器溫度；其次，通過對激光器電流的控制來建立一個期望的波長；第三，建立一個期望的激光器輸出功率。
28．根據權利要求26或27的裝置，其中控制裝置用于確保，在對激光器上電或下電操作之前，激光器的輸出功率降至一個低水平。
29．根據權利要求22到28中任意一項的裝置，其中，功率控制環(huán)包括一個位于激光器輸出端的衰減器。
30．根據權利要求22到29中任意一項的裝置，其中激光器用于DWDM應用中。
31．用于控制在DWDM應用中一個激光器的方法，基本上如前面參照圖5所示的，或參照圖5所描述的。
32. 基本上如圖1到3所示的，或前面參照圖1到3所描述的裝置。
全文摘要
一個用于DWDM光纖應用中的激光器被這樣控制,使得在其上電或下電之前,它的輸出被最大地衰減,結果為最小的由于特定波長之外的交叉信道干擾。激光器控制的進一步的特征在于:(a)隨著激光器電流為零,建立了該激光器的一個期望的工作溫度;(b)隨著輸出衰減最大,使得電流增加并將它調整到一個實現(xiàn)設計的工作波長的水平;和(c)降低衰減直至獲得到光纖鏈路的期望輸出功率。優(yōu)選地在步驟(a)施加最大的衰減。
文檔編號H04B10/06GK1284803SQ00122788
公開日2001年2月21日 申請日期2000年8月14日 優(yōu)先權日1999年8月13日
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