混合光纤/同轴电缆传输系统中使用的具有激光控制闭环的返回路径发射器.pdf

提供一种包括一个用于产生具有多个操作特性的光信号的激光器组件的光发射器。通过应用至少一个控制参数驱动该激光器组件的控制器包括一个预先确定的、通过实验导出的把激光器的多个操作特性和控制参数相关联的数据库。该控制器至少部分地根据从该数据库提取的数据调整至少一个控制参数，从而基本上优化操作特性。

1.  一种光发射器，包括：
一个产生具有多个操作特性的光信号的激光器组件，
一个通过对该激光器组件应用至少一个控制参数来驱动该激光器组件的控制器，所述控制器包括一个预先确定的、通过实验导出的、把激光器组件的多个操作特性和控制参数关联起来的数据库，所述控制器至少部分地根据从该数据库提取的数据来调整至少一个控制参数，从而基本上优化至少一个操作特性。

2.  如权利要求1的光发射器，还包括一个含有所述数据库的闭环控制电路。

3.  如权利要求1的光发射器，其中，所述控制器包括一个所述数据库位于其中的查找表。

4.  如权利要求1的光发射器，其中所述操作特性包括光输出功率。

5.  如权利要求4的光发射器，其中所述操作特性还包括BER、NPR和失真。

6.  如权利要求1的光发射器，其中所述至少一个控制参数包括偏置电平、温度、RF驱动电平、斜度效率、跟踪误差控制和阈电压。

7.  如权利要求1的光发射器，其中所述激光器组件包括激光二极管和光电检测器。

8.  一种考虑在用于产生具有多个操作特性的光信号的光发射器中采用的各个激光器组件的性能差异的方法，所述方法包括步骤：
为每个处于工作状态下的激光器组件产生把激光器组件的多个操作特性和对其应用的多个控制参数关联起来的校正曲线，
为每个激光器组件设置一个控制器，以便通过对该激光器组件应用这些控制参数中的至少一个来驱动该激光器组件，
为每个激光器组件建立所述控制器和与给定激光器组件关联的校正曲线之间的通信，从而根据该校正曲线调整控制参数以便基本上优化该给定激光器组件的至少一个操作特性。

9.  如权利要求8的方法，其中，所述操作特作特性包括光输出功率。

10.  如权利要求9的方法，其中所述操作特性还包括BER、NPR和失真。

11.  如权利要求8的方法，其中所述控制参数包括偏置电平、温度、RF驱动电平、斜度效率、跟踪误差控制和阈电压。

12.  一种应用在头端与混合光纤/同轴电缆传输系统中多个用户之间的光节点，所述光节点包括：
O/E接收器，用于将从头端接收的光格式下行信号转换为传送到至少一个所述用户的电格式的下行信号；
O/E发射器，用于将来自所述用户的电格式的上行信号转换成传送到头端的光格式的上行信号，所述O/E发射器包括：
一个激光器模块；以及
至少一个闭环反馈路径，用于响应于测量的参数调整所述电格式的上行信号的特性，以便由所述激光器模块产生的光电平被维持在一个指定的值。

13.  如权利要求12所述的光节点，其中，所述激光器模块包括一个激光腔和一个光电二极管，以及，所述测量的参数是由所述光电二极管产生的电流电平。

14.  如权利要求12所述的光节点，其中，所述测量的参数是激光器驱动电流。

15.  如权利要求12所述的光节点，其中，所述测量的参数是定向到所述激光器模块的电格式的上行信号的驱动电平。

16.  如权利要求12所述的光节点，其中，所述至少一个闭环反馈路径包括多个闭环反馈路径，所述测量的参数包括由所述光电二极管产生的电流电平和激光器驱动电流。

17.  如权利要求12所述的光节点，其中，所述至少一个闭环反馈路径包括至少三个闭环反馈路径，所述测量的参数包括由所述光电二极管产生的电流电平，激光器驱动电流，以及定向到激光器模块的电格式上行信号的驱动电平。

18.  如权利要求15所述的光节点，其中，所述电格式的上行信号包括用于同步频率堆叠信号的导频音，以及所述测量的驱动电平是所述导频音的驱动电平。

19.  如权利要求12所述的光节点，其中，所述光反馈路径包括用于将测量的参数与预定义的存储值进行比较以及用于产生差别信号的微处理器。

20.  如权利要求19所述的光节点，还包括用于响应于所述差别信号，调整被定向到激光器模块的电格式的上行信号的驱动电平的调整装置。

21.  如权利要求20所述的光节点，其中，所述调整装置包括p-i-p二极管衰减器。

22.  如权利要求21所述的光节点，其中，所述反馈路径还包括用于将测量的参数转换为由微处理器识别的电压的模数转换器。

23.  如权利要求22所述的光节点，其中，所述反馈路径还包括用于将所述差别信号转换为由所述调整装置识别的电压的数模转换器。

24.  如权利要求19所述的光节点，还包括用于存储由微处理器用来比较所述测量的参数与预定义的存储值的算法。

25.  如权利要求24所述的光节点，其中，所述存储器是闪速存储器。

26.  如权利要求24所述的光节点，其中，所述算法包括将激光器模块的特性与环境参数相关联的校正曲线。

27.  如权利要求16所述的光节点，其中，所述激光器模块特性是增益，所述环境参数是温度。

28.  如权利要求12所述的光节点，其中，由所述激光器模块产生的光电平是光功率电平。

29.  如权利要求12所述的光节点，其中，由所述激光器模块产生的光电平是由光调制指数定义的。

混合光纤/同轴电缆传输系统中 使用的具有激光控制闭环的返回路径发射器
相关申请陈述
本申请要求2001年12月12日申请的标题为“混合光纤/同轴电缆传输系统中使用的具有激光控制闭环的返回路径发射器(Return PathTransmitter Having A Closed Laser Control Loop That Is Employed In AHybrid Fiber/Coax)”的美国临时专利申请60/340,796的优先权。
技术领域
本发明一般地涉及混合光纤/同轴电缆传输系统，并且更具体涉及该传输系统的光节点中的用于从用户向头端发送上行信息的发射器。
背景技术
目前，有线电视业中使用的传输系统在头端和多个用户之间提供信息(例如视频，多媒体和/或数据)的双向传输。典型地，头端通过一条或多条至一个或多个光节点的光纤链接按光格式发送以各个用户为目的地的信息(“下行信息”)。每个节点把光格式的下行信息转换成电信号以便典型地通过具有混合光纤/同轴电缆(HFC)体系结构的电缆线路设备分配到各个用户。
除了接收下行信息外，各个用户可以产生以话音、数据或二者的组合为形式的以头端为目的地的信息。在至其它用户或服务提供商的线路中，该用户生成的信息(“上行信息”)由同轴电缆线路设备分段并且传送到节点，以便为了传输到头端而转换成光格式。和上行信息关联的返回路径频带(例如5-40MHz)通常被由同一个光节点服务的所有用户共享。
电缆服务提供商习惯于低成本的软、硬件部件。这典型地限制了上行或返回路径中所采用的设备的技术能力。传统上，这造成返回路径在提供诸如按次计费(PPV)或视频点播(VOD)的服务中发挥有限的作用。尤其，各光节点中使用的向头端发送信息的激光发射器具有相对简单、低成本的设计。例如，众所周知返回激光发射器的增益随环境改变例如温度改变而波动并且可能表现出由于老化引起的性能下降。在常规系统中，返回路径激光器的增益或光功率仅对温度波动造成的典型改变是稳定化的。即使在此情况下，所采用的稳定化技术也受限于不考虑各个激光器的独特特性的技术。它们也不监视实际信号驱动电平和激光器输出功率以便实时地对其它环境改变进行调整。这些激光器稳定电路通常基于大量被测激光器的典型性能。
近年来消费者的通过有线电视服务支持交互应用的要求大大增加并且预期该要求会继续增加。这种服务等级的增加要求相应地提高有线电视网的速度以及返回路径的性能，这对HFC传输系统中的返回路径激光发射器提出更严格的要求以使它们对环境改变具有更好的参数稳定性。
发明内容
依据本发明，提供一种光发射器，其包括一个产生带有多个操作特性的光信号的激光器组件。一个通过应用至少一个控制参数驱动该激光器组件的控制器，其包括一个预先确定的、通过实验导出的把激光器组件的多个操作特性和控制参数关联起来的数据库。该控制器至少部分地根据从该数据库提取的数据调整至少一个控制参数，从而基本上优化操作特性。
依据本发明的一个方面，该数据库包含在一个闭环控制电路中。替代地，该控制器可以包括一个该数据库位于其中的查找表。
依据本发明的另一个方面，激光器组件的该多个操作特性包含光输出功率。操作特性还可以包含BER、NPR和失真。
依据本发明的再一个方面，控制参数包括偏置电平、温度、RF驱动电平、斜度效率、跟踪误差控制和阈电压。
依据本发明的另一个方面，提供一种考虑各个激光器组件的性能差异的方法，这些激光器组件用在产生带有多个操作特性的光信号的光发射器中。该方法从为每个激光器组件产生工作状态下的把激光器组件地多个操作特性和对其应用的多个控制参数关联起来的校正曲线开始。对每个激光器组件设置一个控制器以便通过应用这些控制参数中的至少一个驱动该激光器组件。对每个激光器组件建立控制器和与给定激光器组件关联的校正曲线之间的通信，从而根据该校正曲线调整控制参数以便基本上优化该给定激光器组件的至少一个操作特性。
附图说明
图1示出常规混合光纤/同轴电缆传输系统。
图2示出可包含在图1示出的系统中的常规光节点。
图3示出在光节点中使用的用来发送上行信息的常规返回路径激光发射器的方块图。
图4是用于依据本发明构建的光节点的返回路径激光发射器的方块图。
具体实施方式
图1描述常规混合光纤/同轴电缆传输系统20。系统20包括一个转发信息，例如视频、音频、多媒体和/或数据(“下行信息”)以便传输到各个用户14的头端10。头端还接收一个或多个用户14通过机顶盒或电缆调制解调器产生的诸如视频、音频、多媒体和/或数据的信息(“上行信息”)。
具体地，光纤和同轴电缆的组合把下行信息从头端10传送到用户14并且把上行信息从用户的终端14传送到头端10。如图1中看出那样，上行光纤162在头端10和光节点12之间传送光格式的上行信息。类似地，下行光纤161在头端10和光节点12之间传送光格式的下行信息。单条同轴电缆18在一群用户14和光节点12之间传送电子格式的上行信息并且在光节点12和用户14之间传送下行信息。上行信息和下行信息放在不同的频带上并且从而由节点12内的一个滤波器控制。在头端处，光电转换(DIE)接收器172把光格式的上行信息转换(解调)成电信号以供进行相继的处理。头端10内的电光转换(E/O)激光发射器171光格式化下行信息以便经下行光纤161传输到光节点12。
如图2中所示，光节点12典型地包括一个O/E前向路径接收器221，用于经光纤链路161把光格式的下行信息转换成在同轴电缆18上发送到用户的家14中的下行电信号。光节点12还包括一个E/O返回路径发射器222，用于把经同轴电缆18接收的电格式上行信息转换成光格式上行信息，该光格式上行信息沿着光纤链路162发送到返回路径接收器172。
图3是常规光节点12中使用的用来发送上行信息的E/O返回路径发射器222的方块图。如图所示，在同轴电缆18上从用户14接收的RF信号最终用于调制激光器模块24。可以从Distributed Feedback(DFB)或Fabry-Perot(FP)买到激光器模块，该模块包含激光腔28和光电二极管26。光电二极管26收集指向激光腔28的后部小裂面的受控光量。该光电二极管检测的光通常和经激光腔28的前部小面发射的激光器实际光输出功率成比例。通过激光器偏置控制单元30对激光器模块24加电偏压。在常规系统中，E/O返回路径激光发射器222还包括热补偿电路，以便当光节点温度改变时使在头端处接收到的光功率的变化为最小。该热补偿电路是按开环配置设置的，其包括温度传感器(热敏电阻)32、电压电平补偿电路38和p-i-n(正-本-负)二极管衰减器40。该热补偿电路补偿由于光节点12中的温度波动造成的激光器输出功率的变化。
操作上，温度传感器32检测环境温度并且产生一个至一系列概括地用38表示的电压放大器的电压。这些放大器38能按用一条校正曲线确定的方式随温度的提高而递增。该校正曲线示出激光器因温度相对预先定义的例如室温的波动而在增益或光输出功率上出现的变化。温度补偿电路38的输出是一个电压值，该值反比于由温度波动造成的激光器预期的光输出功率的偏差。该电压用来控制p-i-n二极管衰减器40的阻抗。把该电压施加到一个控制电路(其包括带有多个转折点的电平以及斜率控制)，从而把RF驱动电平调整成按控制参数(本例中为温度)的函数近似补偿激光器二极管的效率。p-i-n二极管补偿器40的阻抗和温度补偿电压成反比地改变。这相应地控制用于确定激光器24的光调制指数(OMI)的RF驱动电平。从而，通过RF驱动电平幅值上的变化改变激光器的OMI水平，从而使其返回到预定温度的最优水平上。
如前面提到那样，稳定激光器的操作特性的各种技术，例如上述相对于温度稳定激光器的输出功率的技术，没有考虑各个激光器的特殊特性。相反，只包含考虑大量激光器，例如激光器的单次生产批量的典型性能。
依据本发明，提供一种稳定或者优化激光器组件，即，该激光器的有源元件的输出信号的操作特性的方法，该激光器包括激光腔、光电二极管和关联电子电路。这些操作特性非限制地包括光信号的光输出功率、BER、NPR和失真。对于一个给定的激光器组件，本发明产生一个把激光器输出信号的各种操作特性和驱动该激光器组件的各种控制参数关联起来的多维校正曲线。这些控制参数包括该激光器组件的偏置电平、温度、RF驱动电平、斜度效率、跟踪误差控制以及阈电压。由于为每个特定的激光器组件生成校正曲线，因此它反映该激光器组件的实际特性而不简单地是大量激光器组件的典型的或平均的性能。该校正曲线可以使操作特性中的任一个或多个与控制参数中的任一个或多个关联起来。
可由以各种不同方式驱动该激光器组件的控制器来使用该校正曲线。例如，可以把该校正曲线置入到可以由该控制器访问的查找表或其它数据库中。替代地，可以采用测量该激光器组件的操作特性并且相应调整控制参数的闭环控制电路。
本发明实现了超过结合图3中示出的返回路径激光发射器描述的常规稳定技术的许多优点。例如，图3中使用的控制参数和操作特性分别仅是温度和光输出功率。此外，该稳定技术不考虑各个激光器的特性，而是只考虑对大量激光器平均的典型激光二极管(各组件是不同的)特性。
在图4中示出对图3的方案进行改进的本发明的一具体实施例。图4是一个包含着依据本发明的闭环激光器功率稳定电路的E/O返回路径激光发射器100的方块图，可在例如图4中示出的光节点中使用该返回路径激光发射器100以发送上行信息。和图3中示出的返回路径激光发射器不同，该返回路径激光发射器采用补偿影响激光器增益的温度改变以及其它环境改变的闭环配置。类似图3中示出的返回路径激光发射器，返回路径激光发射器100包含一个激光器模块106，例如可以从Distributed Feedback(DFB)或Febry-Perot(FP)买到的包括着激光器和光电二极管的激光器组件。
操作上，在该节点处从用户14接收到的返回路径信号在调制激光器模块106之前先被引导到补偿子电路102。该包含着各种元件例如p-i-n衰减器的补偿子电路用于调整该子电路的传递函数。该补偿子电路102响应从一条或多条反馈路径接收的信息调整它的输出端处的RF信号的振幅电平，从而使该激光器的光输出保持稳定。尽管图4示出可以采用的三条这样的反馈路径，但本发明包括采用一条或多条该反馈回路的任何组合的各种方案。
图4中示出的反馈路径中的一条测量来自安放在激光器模块106中的光电二极管的电流。如前面指出那样，该光电二极管的输出和激光器的实际输出功率成正比，该光电二极管产生的电流由检测器108接收，该检测器108把该电流转换成电压，模数(A/D)转换器110进而把该电压转换成由微处理器112识别的电压电平增量。该微处理器112把该光电二极管的输出值和存储器存储的预定值进行比较。微处理器的输出是一个和光电二极管的实际输出相对该预定值的偏差成比例的值。通过一个数模转换器(DAC)114该微处理器输出被转换成一个用来控制p-i-n二极管衰减器102的电阻的电压。该p-i-n二极管衰减器102的电阻和RF驱动电平成反比地改变。该RF驱动电平确定激光器24的光调制指数(OMI)。OMI还称为调制深度(DOM)。相应地，该激光器的OMI水平通过RF电平或振幅上的改变而变化从而使它回到预定水平。
图4还示出可在本发明中采用的第二条反馈路径。按常规方式通过IPD监视器108建立一个和激光器的驱动电流成比例的电压。IPD监视器108对该比例电压定标从而使它和激光器的光输出成比例。例如，定标因子典型地选择成1伏对应于1毫瓦。从而该定标的电压是激光器的光输出功率的间接度量。该定标的电压还可以用于确定激光器在它在工作温度范围上的效率。
图4还采用第三条反馈路径，其测量从RF后放大器接收的RF驱动电平并且通过微处理器112把该电平和存储器128中存储的值进行比较。如果该RF信号包含通常采用频率堆叠(frequency stacking)时具有的导频音，可以方便地测量RF驱动电平。在频率堆叠系统中，在光节点12处接收的来自二个或更多用户的RF信号共享一个公用的返回带宽，这些信号频率上彼此堆叠并在一个较宽的带宽上发送。例如，四个用户可以各使用一个35MHz的上行带宽，该带宽被上变频成包含从51到328MHz带宽的复合信号。相应地，光节点12可以包括一个位于激光器模块前面的上变频器。通常和上变频复合信号一起发送导频音，其用于在头端中同步下变频处理，从而消除任何频率误差。例如，在带宽从51MHz延伸到328MHz的常规系统中，导频音典型地位于该频带的中间。
如图4中所示，一个RF定向耦合器104检测从RF后放大器34接收的RF信号并把它引导到去掉除导频音之外的所有RF分量的带通滤波器116。导频音的功率电平由检测器117测量，通过A/D转换器118转换成数字值并且通过微处理器112和存储器中存储的值进行比较。该导频音的测量功率电平和存储值之间的误差校正电压用于按照上面说明的方式控制PIN二极管衰减器102。
在存储器例如非易失性存储器中存储微处理器112用来确定反馈参数的各种算法。例如，如图4中所示，可以有益地使用闪速存储器128，因为它是失易失性的、可重写的和便宜的。由于采用可重写存储器。需要时这些算法可以升级。另外，可以在存储器中存储和激光器特性有关的数据，例如专用于实际使用的激光器(以及整个激光器模块组件)而不是平均激光器的典型特性的校准曲线(定义增益随温度的改变)。从而，在安装到返回路径激光发射器中之前，可以通过使其经受温度上的增加改变来检测每个激光器封装。可以测量作为温度的函数的激光二极管增益并将其存储在闪速存储器中，从而可以确定为正在检测的具体激光器定制的适当反馈参数。
在图4中，用静态RAM130补充闪速存储器以便于下载更新信息的处理。使用静态RAM是有益的，因为不能同时对闪速存储器读和写。从而，为了在不中断服务下进行升级，在启动时闪速存储器128中存储的原始数据转移到静态RAM130。微处理器在静态RAM130范围之外操作。现在可以把更新数据发送到闪速存储器128。在这种方式下，不必中断服务，因为在下载处理期间微处理器112从静态RAM130检索数据。