专利名称：在wdm应用中控制一个激光器的方法
技术领域：
本发明涉及一个在WDM应用中，具体地，但非排他性地，在DWDM应用中控制激光器的方法。
用作WDM(波分复用)应用中的光源的激光器每一个都被设计为在一个特定波长上工作。该波长由激光器制造商根据激光器所工作的温度和驱动激光器的电流来设置。从而制造商通常将指定将标称地导致在激光器设计波长上工作的工作温度和工作电流。
在WDM光传输系统中，光源激光器的波长需要被控制在一个紧的极限内。在波长设置中的一个错误将导致在相邻信道中的交叉信号干扰和后续通信的破坏，这些问题是用户自然想要避免的。在DWDM(密集波分复用)系统中，其中信道间隔可以是100GHz或更少的量级，波长条件是特别严格，并且通常是通过使用一个激光器反馈环来满足，该反馈环路用于维持激光器在制造商所约定的温度上。
然而，该传统控制结构的一个缺点是不可能在上电和下电环境中精确地控制波长，其中不连续性包括在波长值中产生一个大的波动，该波动会以已述方式影响性能。这是一个在当作为安全性测量的一部分的ALS(自动激光器关闭)操作中的特殊问题，当怀疑在下游光纤中有一个断裂时，停止激光器的工作。在ALS期间，通常使得在一个短周期内规律地进行光输出(例如，每90秒输出2秒，或与之近似)以检查光纤断裂是否已经修复。虽然温度在该处理过程期间通常保持在它的规定工作值上，因为激光器被连接到一个大热质量块上(一个冷却/加热元件)，在上电/下电时发生的激光器元件的温度改变不能通过温度控制环路得到很快的补偿(响应时间大约为10秒)，所以在ALS操作期间波长显著偏移于其规定值。
本发明的目的是提供一个消除这一缺点的激光器控制装置。
根据本发明，在一个WDM应用中控制激光器的方法包括以下步骤，顺序如下(a)建立一个预定的激光器温度；(b)控制激光器电流以给出基本等于所需波长的工作波长，和(c)建立一个预定的激光器输出功率。
步骤(c)利用一个位于激光器输出端的衰减器而得到有利地实施。
在步骤(b)之前可以包括一个将衰减器设置为最大衰减设置值的步骤，而步骤(c)可以包括将该衰减设置降低到所需水平的步骤。最大衰减可以发生在步骤(a)中。
优选地，衰减是逐渐降低的。这一降低过程是在工作波长仍集中指向其最终值时开始。还有，在激光器关闭过程中，衰减可以逐渐增加。所有的在衰减上渐进性改变优选地为斜坡型改变。
步骤(a)，(b)和(c)可以使用各自的控制环路来执行，该控制环路可以具有不同的时间响应。功率调整环路可以具有最快的响应而温度调整环路具有最慢的响应。该控制环路优选地为数字式控制还。
步骤(b)可以包括将激光器电流设置为将标称地产生所期望波长值的电流值，和经相关控制环调整电流以基本实现实际希望的波长值。
波长监测过程可以使用两个波长监测装置来实施，这两个波长监测装置分别在稍微大于和小于标称波长的波长处具有最大灵敏度。波长-监测过程可以是这样，使得工作波长响应于由两个-监测装置给出相等输出信号的波长。
步骤(a)优选地仅仅只当激光器是初始上电时才执行，该激光器温度在所述设备工作时维持恒定。
根据本发明的第而方面，提供了一个用于控制在WDM应用中的激光器的方法，其中在对激光器上电或下电操作之前，用于衰减激光器的输出功率的衰减器的衰减因子被设置为一个高的值。
在上电例程中，随着衰减因子被设置为一个高值(它通常是衰减器可以有的最大值)，激光器电流可以增加到一个希望的工作电平，当激光器的工作波长位于一个给定值或进入一个给定值的给定容限内，则衰减因子可以被减少到位于最终值的波长。
在下电例程中，随着衰减因子被设为一个高值，激光器电流可以基本降至零水平。
激光器可以形成DWDM应用的部件。
在第三方面，本发明提供了用于控制在WDM应用中的激光器的装置，该装置包括一个用于控制激光器温度的温度控制环路，一个用于控制激光器的波长操作的波长控制环路，一个用于控制激光器输出功率的功率控制环路，和一个用于使所述控制环路协调工作以按一个给定序列建立所期望温度、波长和功率参量的控制装置。
控制环路可以具有不同的响应，温度控制环路具有最慢的响应而功率控制环路具有最快的响应。
波长控制环路可以包括一对对于分别稍微大于和小于所期望工作波长的波长具有最大灵敏度的波长监测器。光电二极管可以用于该监测器。
温度控制环路可以包括一个用于监测激光器温度的温度传感器，该温度传感器形成惠斯通电桥，该电桥可用以提供一个操作温度控制环路的温度误差信号。
该控制装置可以用于建立下述操作序列首先，建立所期望的激光器温度；其次，通过对激光器电流的控制来建立一个所期望的波长；第三，建立所期望的输出功率。
该控制装置可用以确保，在对激光器上电或下电操作之前，激光器的输出功率降至一个低的水平。
该功率控制环路可以包括一个位于激光器输出端的衰减器。
本发明的实施例现在参照附图来描述
图1为一个根据本发明的激光器控制装置的框图；图2为一个用于图1中激光器控制装置中的MOSFET桥的电路图；图3为一个图1所示装置的门阵列控制器部件的框图；图4为一个用作本发明的一个实施例中的波长监测器的光电二极管的光电流/波长特性的曲线图；图5为显示包含在激光器电流和衰减之间关系的各种激光器-控制状态的示意图；图1显示了根据本发明的数字式激光器控制器的一个实施例的示意图，该控制器包括一个激光器模块10，一个数字式控制器12，一个ADC(模拟-到-数字转换器)14，一个激光器监测器16，各种输出滤波器18、20、22和各种设备电路24、26、28。管理系统操作的是微处理器30，它提供静态数据给各种电路，这种数据是包括所期望功率输出的不安全性临界信息。
该激光器模块包括激光器二极管自身，用于监测该模块的工作温度的电热调节器，用于按需加热或冷却该模块的热电冷却器，一个用于衰减二极管输出的光衰减器和一对波长监测器，一个为长波长监测器而另一个为短波长监测器。
该波长监测器由一对选择来对于分别稍微大于和小于激光器的正常工作波长的波长具有最大灵敏度响应的光电二极管来构成。该监测器输出被提供给各自的增益控制部件32、33，其中每个部件可作为一个电阻来方便地实现，二极管的电流输出使得在各自电阻器两端产生压降，该压降可用作输入到ADC级14的电压。选择电阻器的值以在各自的光电二极管的响应峰处提供在电阻器两端的相等信号幅度并确保增益控制部件32、33的电压输出范围在ADC14的特定输入电压范围之中。
ADC部件14具有四个输出端，为已监测的两个波长监测器的每一个各提供一个输入端，为电热调节器提供一个输入端并为功率监测器16提供一个输入端。该电热调节器作为惠斯通电桥34的部件而被连接，其输出经由一个增益级36提供给ADC14。该电桥提供一个正比于理想温度和测量温度之间差值的输出电压。另一个增益级38将功率监测器16连接到ADC14。该ADC级14将由各个监测部件输送的模拟信号转换为数字式信号并将它们馈入控制器12，该ADC级在所示实施例中作为一个FPGA(场可编程门阵列)来实现。该控制器可选择地用一个ASIC(专用集成电路)来实现或甚至作为一个快速微处理器装置的部件。然而，一个FPGA提供一个速度、效能价格比和灵活性的一个有吸引力的组合。
在激光器模块板上的热电冷却器(TEC)由一个MOSFET开关电桥24来馈入信息。这如图2中所示并包括一个传统的以两个串联链经一个公共电阻49跨接在DC电源44、48上的四个MOSFET的结构，两个链的中央点形成提供TEC的电桥的输出端子。包括在每个输入端子和接地线48之间串联的电感和电容的滤波器装置46、47用于滤出快速开关瞬态现象以满足EMC(电磁兼容性)条件，并且还减少纹波。这些滤波装置相应于图1中的滤波器18。进一步的纹波滤波由激光器模块的大热质量可作为一个低通滤波器的事实来提供并因此提供了一些它自己的平滑操作。电阻49用作过电流传感器。从而，如果例如FET40将要短路而FET42顺序地将要开启，一个非常高的电流将要流过所述的FET，对电路造成危险。(其他相同的危害场景也是可能的)。利用这些电路，在电阻49两端形成一个高的压降，而这是可以检测的并被用于关闭TEC驱动。关闭操作可以通过禁止输入端经驱动NAND-门50(图中只示出了一个)到每个FET。
图3以优选形式示出了FPGA控制器的构造。在图3中，ADC的输出被提供给ADC接口部件60，它以每个信号10-bits的宽度(两个10-bits信号构成该段的波长部分)来传递温度、功率监测器和波长监测器信号。该控制器包括三个分离的控制环一个基于温度控制块62的温度控制环，一个基于衰减控制块68的衰减器控制环和一个基于波长控制块70的波长控制环。进入温度控制块62的是一个来自ADC接口的温度误差信号，该信号是惠斯通电桥34的误差输出。在波长控制块70的情形中，这些值是通过波长监测来获取的，对这些值执行一个操作并将结果与这一结果的理想值相比较，而在功率控制块68的情形中，它将由ADC接口60输出的实际功率值与一个由微处理器30提供的(作为已经监测到的)理想功率水平相比较。
控制块62、68、70的输出操作各自的脉宽调制器64、71、72，这些脉宽调制器为各自的激光器模块项，所谓的加热器/冷却器(TEC)，衰减器和激光器二极管，提供驱动。对TEC的驱动是经一个MOSFET电桥驱动器66将一个驱动信号馈入MOSFET电桥24，它的优选实施例已经结合图2进行了描述。
控制器12还包含一个用于在其他信号中接收与激光器所服务的光纤状态有关的信号并使得可经由块76驱动激光器二极管的ALS块74。此外，还包括各种其他杂项，例如一个用于微处理器和产生系统所需的各种时钟信号的定时信号发生器80的接口78。
FPGA提供下面的操作序列在电流提供到激光器二极管之前，激光器被允许达到其正常工作温度，即制造商所指定的，当该设备工作于其设计波长时的温度。为此，该温度控制环62被用于将一个脉冲信号的宽度调制到MOSFET电桥24以驱动在激光器模块上的TEC。较低温度将导致TEC的部件的加热操作，而较高温度，当达到这一温度时，将导致一个冷却操作。从而达到一个点，在此激光器温度稳定在一个产生来自惠斯通电桥34的零(或接近零)误差信号的水平。
在这一温度稳定期间，如果需要，在激光器模块上的衰减器可以被设置在最大衰减上，但因为在阶段，因为激光器电流为零，这实际并不是必需的。
接着，电流被提供给激光器二极管，但如果这在温度稳定阶段之前或之中还未做，则不将衰减设置到最大。初始地，一个等于制造商的正常指定驱动电流的电流值被提供以将激光器电流粗略地带入由此开始的校正操作范围。则使电流控制环开始运行并使最终的稳态电流到达理想水平。
该处理过程可以借助图4得到更清楚地解释。在图4中，显示了用作波长监测器的光电二极管的电流/波长特性并分别在稍微小于和大于激光器正常工作波长的点λd1和λd2处可以见到峰值。在控制环工作期间，增益控制部件32和33的输出在FPGA12被监测而它们的幅度被比较。如果，例如，激光器波长为如图所示的λ1，则长波长监测器32将由于它在点P处的响应而输出一个高幅度信号，同时短波长监测器33将由于在点Q处的响应而输出一个低幅度信号。这将导致激光器二极管电流在某种意义上被改变，使得导致工作波长变短，使得它进一步低于x轴。假设，为了讨论，新波长如图所示为λ2，这将产生相应于在监测器32和33上的新工作点R和S的监测输出。环控制继续直至监测输出相等，这相应于在两个电流-波长曲线的交叉处的工作点λ0。
然而，当初始激光器电流被设置为一个太高或太低的水平处，出现一个问题。当初始激光器电流低于产生波长λL的电流或高于产生波长λU的电流时，来自监测器的输出基本上等于和降至最低点，使得控制环不能收敛在所期望的波长值。为了避免这一问题，施加一个产生在任意范围λU’-λL’中的一个波长，或优选地在范围λd2-λd1中的的初始激光器电流。更有利地，该优选的预置值为给出一个尽可能靠近所期望值的工作波长λ的值，即制造商对于已经流行的额定激光器温度给出的额定值。
波长控制环70通过从来自低-λ监测器中获得的10-bit数字输出中减去由高-λ监测器中获得的10-bit数字输出和通过对结果执行2-s补偿处理来工作。所谓的2-s补偿处理实际上是通过将10000000000加到该减法结果上来实施的。一个为10000000000的值只是零波长误差。
一旦工作波长处于可接受的限制范围中，衰减器的衰减因子降至所期望的水平，即导致所期望的进入光纤系统中的输出功率值。
在各种工作阶段中，衰减因子和激光器二极管电流的关系通过参照图5来进行更详细的描述。在图5中可见激光器驱动装置根据主要的条件假定为四个可能的静态状态中的任意一个。正常的工作条件如框100所示。这是一个正常的“ON”条件，其中激光器电流为接通，而且电流和温度都是稳定的。如果由于任何原因，工作波长不再锁定，或有一个关闭激光器的请求(例如在ALS模式中)，框101开始活动，其中衰减器被设置为最大衰减，同时激光器电流仍然处于其正常工作水平。一旦输出功率已经完全降下，则在框102中产生一个断开状态，其中衰减为最大，激光器电流降至零。激光器将处于此状态直至接收到一个“开启”请求(例如在ALS模式中)，于是，衰减仍处于最大，而激光器电流升至所要求的水平以实现波长锁定(框103)。一旦实现锁定，则衰减被调整到正常工作水平，从而返回到“正常状态”框100。
本发明正视到“波长失锁”警报将随时发生(a)波长误差处于所指定的容限之外，或(b)两个波长监测器的输出值小于或大于一个指定量，或(c)温度控制环失锁。
当ALS模式开始(这可以由用户手动地执行，例如，或一旦感应到一个光纤断裂则自动执行)，发出一个关闭请求并进入图5中的框101，随后是框102。激光器保持断开状态大约90秒，随后激光器被配置用以一个将要就进入的“TEST(测试)”阶段。这个阶段将持续大约2秒并意欲检测光纤断裂是否已经在90-秒的“dead(死亡)”期间被修复。在这2秒阶段，激光器被开启并实现波长锁定，然后进行一个检查，看看在光纤系统中是否仍然存在功率损失。如果是，ALS模式继续下一个90秒等候，随后是另一个2-秒“TEST”，等等。
在整个ALS阶段中，激光器温度保持在其正常工作水平，使得波长锁定可以在该短“TEST”期间非常快地实现。因为实际上，电流环路具有一个大约250ms的响应时间而衰减环为大约50ms，所以在2-秒测试期间可有一个充足的进行功率损失检测的时间，而没有由于在上电中的不稳定-波长带来的任何交叉信道干扰。
在上述的衰减中的改变(即，增加和减少)优选地为非瞬时地，而为渐进的，并优选地以一种线性方式倾斜。这还在切断功率以断开光纤线期间施加到ALS模式上。从而，虽然本发明希望使得在光纤断裂端对操作或服务人员的伤害的危险最小，仍然认为最好通过使得功率水平降低来使得波长偏移最小，在倾斜产生(大约100ms)中的时间只为在操作人员可能由于破裂链路处于危险的时间的一小部分。
当在图5中，显示了一旦波长“锁定”，则该衰减将转换到“正常”(由框103过渡到框100)，这可能实际意味着一旦波长已经进到一个特定容限中，则衰减开始倾斜到一个正常水平，但仍出发到其最终、最佳值。在一个实际系统中的最大衰减可能为一个由0dBm下降16dB的量级。
权利要求
1．用于控制在WDM应用中的激光器的方法，包括以下顺序给出的步骤(a)建立一个预定的激光器温度；(b)控制激光器电流以给出一个基本等于理想波长的工作波长，和(c)建立一个预定激光器输出功率。
2．根据权利要求1的方法，其中步骤(c)通过位于激光器输出端的衰减器来实施。
3．根据权利要求2的方法，在步骤(b)之前包括将衰减器设置为最大衰减设置的步骤并且其中步骤(c)包括将衰减降低到一个期望水平的步骤。
4．根据权利要求3的方法，其中将衰减器设置为一个最大衰减设置的步骤在步骤(a)中进行。
5．根据权利要求3或4的方法，其中该衰减是渐进地降低。
6．根据权利要求5的方法，其中衰减的降低是在工作波长仍然收敛向其最终值的同时开始的。
7．根据权利要求5或6的方法，其中在一个激光器切断过程中，衰减逐渐增加。
8．根据权利要求5到7的方法，其中衰减以倾斜方式改变。
9．根据前述权利要求的任意一项的方法，其中步骤(a)，(b)和(c)是使用各自的控制环来执行的。
10．根据权利要求9的方法，其中控制环具有不同时间响应。
11．根据权利要求10的方法，其中，控制环中的功率设置环具有最快的响应，而温度设置环具有最慢的响应。
12．根据权利要求9到11中任意一项的方法，其中控制环为数字式控制环。
13．根据前述权利要求中任意一项的方法，其中步骤(b)包括将激光器电流设置为一个将名义上产生一个期望的波长值的值，并通过相关的控制环来调整电流以基本实现实际的期望波长值。
14．根据权利要求13的方法，其中波长检测过程通过两个分别在稍微大于和小于正常工作波长的波长处具有最大灵敏度的波长监测装置来实施。
15．根据权利要求14的方法，其中波长监测过程是这样的，使得工作波长相应于由所述两个波长监测装置给出相等输出信号的波长。
16．根据前述权利要求中任意一项的方法，其中步骤(a)是仅仅当激光器初始上电时才执行，而激光器温度在所述设备在使用其中保持恒定。
17．用于控制WDM应用中的一个激光器的方法，其中在对激光器上电或下电操作之前，一个用于衰减激光器输出功率的衰减器的衰减因子被设置为一个高值。
18．根据权利要求17的方法，其中在上电例程中，随着衰减因子被设置为一个高值，激光器被增加到一个期望的工作水平，当激光器的一个工作波长位于一个给定值或进到一个给定值的容限内时，衰减因子降到一个工作水平。
19．根据权利要求18的方法，其中在波长位于最终值之后，衰减逐渐降低。
20．根据权利要求17的方法，其中在一个下电例程中，随着衰减因子被设置为一个高值，激光器电流降到一个基本为零的水平。
21．根据前述权利要求的任意一项的方法，其中激光器是用于一个DWDM应用中。
22．用于控制在WDM应用中的一个激光器的装置，包括一个用于控制激光器温度的温度控制环，一个用于控制激光器的工作波长的波长控制环，一个用于控制激光器的输出功率的功率控制环，和用于协调这些控制环使得可以建立一种给定序列的温度、波长和功率参量的期望值的控制装置。
23．根据权利要求22的装置，其中，控制环具有不同的响应，而温度控制环具有最慢响应而功率控制环具有最快的响应。
24．根据权利要求22或23的装置，其中该波长控制环具有一对分别在稍微大于和小于期望的工作波长的波长处具有最大灵敏度的波长监测器。
25．根据权利要求24的装置，其中波长监测器为光电二极管。
26．根据权利要求24或25的装置，其中温度控制环包括一个用于监测激光器温度的温度传感器，该温度传感器形成惠斯通电桥的一个部件，该电桥用于提供温度误差信号以操作温度控制环。
27．根据权利要求26的装置，其中该控制装置用于建立下列操作序列首先，建立一个期望的激光器温度；其次，通过对激光器电流的控制来建立一个期望的波长；第三，建立一个期望的激光器输出功率。
28．根据权利要求26或27的装置，其中控制装置用于确保，在对激光器上电或下电操作之前，激光器的输出功率降至一个低水平。
29．根据权利要求22到28中任意一项的装置，其中，功率控制环包括一个位于激光器输出端的衰减器。
30．根据权利要求22到29中任意一项的装置，其中激光器用于DWDM应用中。
31．用于控制在DWDM应用中一个激光器的方法，基本上如前面参照图5所示的，或参照图5所描述的。
32. 基本上如图1到3所示的，或前面参照图1到3所描述的装置。
全文摘要
一个用于DWDM光纤应用中的激光器被这样控制,使得在其上电或下电之前,它的输出被最大地衰减,结果为最小的由于特定波长之外的交叉信道干扰。激光器控制的进一步的特征在于:(a)随着激光器电流为零,建立了该激光器的一个期望的工作温度;(b)随着输出衰减最大,使得电流增加并将它调整到一个实现设计的工作波长的水平;和(c)降低衰减直至获得到光纤链路的期望输出功率。优选地在步骤(a)施加最大的衰减。
文档编号H04B10/06GK1284803SQ00122788
公开日2001年2月21日 申请日期2000年8月14日 优先权日1999年8月13日
发明者G·布特勒, M·利奇 申请人:马科尼通讯有限公司