一种光模块及其控制方法.pdf

本发明公开了一种光模块及其控制方法，所述光模块用于实现光信号收发，包括电吸收激光器、温度检测电路、负反馈温度控制电路、和布拉格电压控制电路，所述电吸收激光器包括热敏电阻、热电制冷器、布拉格光栅，所述热敏电阻、温度检测电路、负反馈温度控制电路依次连接，构成自动温控电路，所述自动温控电路在检测到所述电吸收激光器温度高于设计工作温度时，启动热电制冷器进行制冷；在检测到所述电吸收激光器温度低于设计工作温度时，启动热电制冷器进行加热；所述布拉格电压控制电路与所述布拉格光栅相连，通过控制所述布拉格光栅电压而改变所述布拉格光栅的反射系数。本发明的光模块，具备波长可调谐功能，且成本低廉。

1.  一种光模块，其特征在于，包括电吸收激光器、温度检测电路、负反馈温度控制电路、和布拉格电压控制电路，所述电吸收激光器包括热敏电阻、热电制冷器、布拉格光栅；所述布拉格电压控制电路与所述布拉格光栅相连，通过控制所述布拉格光栅电压而改变所述布拉格光栅的反射系数；所述热敏电阻、温度检测电路、负反馈温度控制电路依次连接，构成自动温控电路，所述自动温控电路控制所述电吸收激光器温度到达设计工作温度，在检测到所述电吸收激光器温度高于设计工作温度时，启动热电制冷器进行制冷；在检测到所述电吸收激光器温度低于设计工作温度时，启动热电制冷器进行加热。

2.  如权利要求1所述的光模块，其特征在于，还包括背光检测二极管、背光电流检测电路、负反馈驱动电流控制电路，所述背光检测二极管内置于所述电吸收激光器中，与背光电流检测电路、负反馈驱动电流控制电路依次相连，构成自动光功率控制电路，所述自动光功率控制电路根据检测到的激光器输出光功率对激光器的驱动电流进行反馈调整。

3.  如权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述负反馈驱动电流控制电路包括跨阻放大器、比较器，激光器输出光功率经背光检测二极管转换得到的光电流经所述跨阻放大器后，输入到所述比较器与设定电压相比较，通过比较差值对激光器驱动电流进行调整。

4.  如权利要求1至3任一所述的光模块，其特征在于，所述布拉格电压控制电路包括数模转换电路、射随放大缓冲电路，电压控制信号依次经过所述数模转换电路、射随放大缓冲电路，到达所述布拉格光栅。

5.  如权利要求1至3任一所述的光模块，其特征在于，所述光模块包括10G光模块。

6.  一种如权利要求2或3所述光模块的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A1、设定所述电吸收激光器的眼图交叉点和消光比的控制数值；
A2、通过布拉格电压控制电路调整所述电吸收激光器布拉格电压，使所述电吸收激光器波长被调整到预设范围；
A3、通过自动温控电路调整所述电吸收激光器工作温度到设计工作温度，使所述电吸收激光器波长被调整到预设值；
 A4、通过自动光功率控制电路，调整所述电吸收激光器的输出光功率。

一种光模块及其控制方法
技术领域
本发明涉及光传输技术，具体的说，涉及一种光模块及其控制方法。
背景技术
作为光传输系统中的关键部件，光模块在很大程度上决定光传输系统的性能。光模块将电信号经过电光转换后把光信号输出到光纤，同时接收远端传输过来的光信号，将光信号转换成电信号，从而实现光信号发送和接收。在DWDM(密集波分复用)系统中，激光器的工作波长要满足ITU-TG.692(国际电信联盟远程通信标准化组的G.692协议)规定的适用于G.652/G.655光纤的最小通道间隔为50GHZ或100GHz的特定波长要求。目前，在光传输系统中，普遍采用非波长可调谐光模块，由于非波长可调谐光模块只能产生某一波长，所以生产时对每一特定波长要单独备料，这样增加了备料的库存量，使生产成本大幅度的提高。
新的可重构网络结构要求波长必须可调。部分厂商(如Intel、Bookham、Santur)为了实现波长可调谐的功能，推出了全波段可调谐激光器，虽然各个厂商的技术不同，但是普遍存在成本高、控制复杂，耗电量大，需要外加调整器等缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光模块及其控制方法，不仅实现了波长可调谐功能，同时成本低廉。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种光模块，包括电吸收激光器、温度检测电路、负反馈温度控制电路、和布拉格电压控制电路，所述电吸收激光器包括热敏电阻、热电制冷器、布拉格光栅；所述布拉格电压控制电路与所述布拉格光栅相连，通过控制所述布拉格光栅电压而改变所述布拉格光栅的反射系数；所述热敏电阻、温度检测电路、负反馈温度控制电路依次连接，构成自动温控电路，所述自动温控电路控制所述电吸收激光器温度到达设计工作温度，在检测到所述电吸收激光器温度高于设计工作温度时，启动热电制冷器进行制冷；在检测到所述电吸收激光器温度低于设计工作温度时，启动热电制冷器进行加热。
在上述光模块的一种实施例中，还包括背光检测二极管、背光电流检测电路、负反馈驱动电流控制电路，所述背光检测二极管内置于所述电吸收激光器中，与背光电流检测电路、负反馈驱动电流控制电路依次相连，构成自动光功率控制电路，所述自动光功率控制电路根据检测到的激光器输出光功率对激光器的驱动电流进行反馈调整。
在上述光模块的一种实施例中，所述负反馈驱动电流控制电路包括跨阻放大器、比较器，激光器输出光功率经背光检测二极管转换得到的光电流经所述跨阻放大器后，输入到所述比较器与设定电压相比较，通过比较差值对激光器驱动电流进行调整。
在上述光模块的一种实施例中，所述布拉格电压控制电路包括数模转换电路、射随放大缓冲电路，电压控制信号依次经过所述数模转换电路、射随放大缓冲电路，到达所述布拉格光栅。
在上述光模块的一种实施例中，所述光模块包括10G光模块。
本发明还公开了一种光模块的控制方法，包括如下步骤：
A1、设定所述电吸收激光器的眼图交叉点和消光比的控制数值；
A2、通过布拉格电压控制电路调整所述电吸收激光器布拉格电压，使所述电吸收激光器波长被调整到预设范围；
A3、通过自动温控电路调整所述电吸收激光器工作温度到设计工作温度，使所述电吸收激光器波长被调整到预设值；
A4、通过自动光功率控制电路，调整所述电吸收激光器的输出光功率。
本发明的光模块，通过布拉格电压控制电路控制布拉格光栅电压而改变布拉格光栅的反射系数，使得光栅针对特定波长可以完全透射，而其他波长则被反射，达到波长的大范围调谐，通过自动温控电路控制激光器达到设计工作温度，在检测到激光器温度高于设计工作温度时，启动热电制冷器进行制冷；在检测到激光器温度低于设计工作温度时，启动热电制冷器进行加热；从而可以实现小范围的波长调谐以及稳定激光器输出波长。
附图说明
图1是本发明一种实施例的光电转换实现框架图；
图2是本发明一种实施例的激光器外围控制电路图；
图3是本发明一种实施例的模块电光转换部分调试流程图；
图4是本发明一种实施例的可调谐光模块框图；
图5是本发明一种实施例的自动光功率控制实现电路图；
图6是本发明一种实施例的激光器管芯温度控制实现电路图；
图7是本发明一种实施例的BRAG控制实现电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。
本发明的光模块，主要是一种窄带可调谐光模块，用于10G的DWDM(密集波分复用)光纤传输系统中，为数字光纤通信提供高速的电/光、光/电转换。其具有在线波长可调谐功能，波长能满足ITU-T G.692规定的最小通道间隔为50GHZ或100GHz的特定波长要求。
如图1所示，在光电转换方面，输入的光信号经光电二极管(APD)，被转换成电信号，电信号可以传输到对外的电接口。
另一方面，为实现电光转换，采用有制冷的可调谐电吸收激光器。利用激光器内置电吸收(EA)调制器和外部EA激光器驱动器来实现电信号到光信号的转换功能。通过驱动器控制电路，控制EA激光器驱动器的控制端可实现激光器光接口的技术指标调整。
为了实现波长在线可调谐，通过外围激光器控制电路对激光器实施控制，可以实现满足ITU-T G.692规定的特定波长之间的在线调谐。
激光器的外围控制电路及其与激光器内部结构的连接控制如图2所示，其包括自动光功率控制电路、自动温控电路、电压控制电路。
其中，采用自动光功率控制电路来调整和稳定激光器的输出均值功率。如图2所示，自动光功率控制电路包括背光检测二极管(PD)、背光电流检测电路、负反馈驱动电流控制电路，背光检测二极管内置激光器中，与背光电流检测电路、负反馈驱动电流控制电路依次相连，通过检测背光检测二极管(PD)的光生电流，可以检测出激光器的输出光功率，以激光器的输出光功率作为反馈量，采用PID(比例调节)负反馈控制算法，通过PID负反馈驱动电流控制电路，来控制流过激光器的发光腔(GAIN)的驱动电流，从而实现激光器的发光功率的控制。
通过自动温控电路和电压控制电路，可以实现激光器输出波长的稳定和波长可调谐。其中，自动温控电路由热敏电阻、温度检测电路、负反馈温度控制电路构成，通过激光器内置的热敏电阻的阻值变化，可以实现激光器管芯温度的检测，采用PID负反馈控制算法，通过PID负反馈温度控制电路，可以控制流过热电制冷器(TEC)的电流和方向，其基本原则是：检测到管芯温度高于设计工作温度时，则启动TEC进行制冷；检测到管芯温度低于设计工作温度时，则启动TEC进行加热。通过控制激光器的管芯温度，从而可以稳定激光器输出波长和实现激光器的小范围波长调谐。其中，设计工作温度与需调谐的波长有关，不同的波长对应有不同的设计工作温度。
电压控制电路，连接到激光器内置的布拉格光栅(BRAG)，通过控制激光器的布拉格光栅电压，可以改变布拉格光栅反射系数，使得光栅针对特定波长可以完全透射，而其他波长则被反射，以此达到波长的大范围调谐目的。
综上，通过布拉格电压控制和TEC电路控制的配合使用，可以实现激光器在线波长调谐功能，同时，也能保证激光器输出波长的稳定性。
光模块的控制方法，其主要流程如图3所示，主要包括：
1、设定激光器的眼图交叉点和消光比的控制数值；
2、通过自动温控电路，调整激光器工作温度到设计工作温度；一般的，光模块中包括多个光通道，因此，调整激光器的工作温度，实际上包括调整每个通道的激光器管芯温度；
3、通过布拉格电压控制电路，调整激光器布拉格电压到合适数值，合适数值，一般以使激光器波长被调整到预设范围为标准；
4、通过自动温控电路，重新调整激光器的管芯温度，直到波长调整到预设值；
5、通过自动光功率控制电路，可以将激光器的输出光功率调整到所要求的范围；
6、记录下各个通道的所有调整参数数值。
需要注意的是，以上流程只是一种示例，由于波长调谐要求较高的精度，因此，波长调谐是一个较为复杂的过程。电压控制下的波长调谐和温度控制下的波长调谐一般并非一次性完成，而是一个反复校正的过程，同时，两个波长调谐也并没有严格的先后次序。通常的，通过布拉格电压调整的波长调谐是一个粗调过程，即波长将在大范围内调谐；而通过温控电路调整的波长调谐是一个细调过程，即波长将在小范围内调谐。温控电路的温度控制，从更精确的角度，可以细分为调整和锁定；其中，调整是指温控电路根据所要求的波长预设值，将激光器管芯温度调整到该波长预设值所对应的设计工作温度；锁定是指在激光器工作过程中，温控电路始终锁定激光器管芯温度在所要求的设计工作温度上，从而可以维持激光器输出波长的稳定。
如图4所示，本发明实施例的一种光模块，光电二极管(APD)接收光信号，产生与光功率成比例的光生电流，光电二极管接收光信号，产生和光功率成比例的光生电流，光生电流被送入收发器(Tranceiver)，在收发器中，光生电流通过跨阻放大器转换成正电压信号，正电压信号经过限幅放大和CDR的判决，转换成数据信号，数据信号再由收发器中的串行/解串行器件进行串行/解串行操作。串行/解串行器件可以完成串行信号到并行信号(例如符合SFI.4协议的并行信号)的转换。在入光功率检测中，可以通过串接取样电阻，光生电流经过该取样电阻，利用运算放大器对取样电阻两端电压进行检测，从而完成入光功率的检测。
自动光功率控制电路框图如图5所示，通过激光器内置的背光检测二极管将激光器的背向输出光功率转换为光电流，光电流经跨阻放大后，送给负反馈控制器(具有反馈回路的比较器，反馈控制采用PID控制算法，在反馈回路中，通过阻容网络实现PID控制参数的设定)和设定值(标准光功率所对应的电压值)进行比较，用比较的差值信号来控制激光器的驱动偏置电流，使激光器背向输出光功率为定值，从而达到调整和稳定激光器光功率的目的。上述的设定值，通过光模块的内置MCU通过12b it的DAC(数模转换器)实现。
自动温控电路(ATC)电路框图如图6所示，其主要是通过控制热电致冷器(TEC)的电流大小和方向，使激光器管芯温度保持在设定值，从而使激光器的输出光波长(频率)保持稳定。当激光器温度高于设计工作温度时，ATC使激光器的热电致冷器(TEC)获得正向致冷电流，致冷器吸热，激光器管芯温度将降低；当激光器温度低于设计工作温度时，ATC使热电致冷器(TEC)获得反向加热电流，致冷器对管芯加热，激光器管芯温度将升高，从而使激光器管芯的工作温度趋于稳定。ATC功能实现，通过激光器内置热敏电阻组成的电桥来检测激光器管芯的实际温度和由D/A设定温度的误差。图6中，比较器的两个输入端，一个输入端连接的是由固定阻值电阻和激光器内的热敏电阻组成的分压电路，该分压电路作为温度检测电路，其输出电压输入到比较器的一个输入端；比较器的另一输入端，输入的是由MCU控制D/A设定的电压值(对应于设计工作温度的电压值)；温度检测电路的输出电压与MCU控制D/A设定的电压值比较的差值，作为由运算放大器构成的全桥控制器的输入，全桥控制器的输出作为功率放大器的输入，功率放大器的输出驱动TEC，从而改变激光器的温度。
布拉格电压控制电路框图如图7所示，其中，MCU控制12位D/A输出模拟布拉格电压，经过用运算放大器组成的射随放大器缓冲，到达激光器内置的布拉格光栅。
光模块实际工作中的调试流程包括：
1、首先将EA激光器驱动器的控制电路中控制眼图交叉点和消光比的数值设定完成。EA激光器驱动器有消光比和交叉点控制引脚，通过MCU控制12位D/A输出的模拟电压，该模拟电压经过由运算放大器组成的射随电路缓冲后，直接送给EA激光器的相应控制引脚。通过改变MCU输出给D/A的控制信号，可相应调整光接口的消光比和交叉点。
2、根据预设的要求(例如，激光器指标书中的指导数值)，计算出每个通道的激光器温度控制电路(ATC)的D/A数值，将其写入到模块中。
3、可以利用波长计进行波长测量，通过观察波长计显示波长，反复调整激光器布拉格电压控制电路的D/A数值，将波长调整到波长预设范围(实际工作环境中所要求的波长范围)对应的ITU规定的栅格上。
4、波长偏差在要求的±3GHz范围内后，测试激光器波长的边模抑制比，再次调整激光器布拉格电压控制电路的D/A值，要求边模抑制比达到最大。
5、步骤4会导致波长的微小偏差，再通过调整温度控制电路(ATC)的D/A数值，使得波长重新调整到要求的范围内。
6、调整自动光功率控制电路(APC)的D/A数值，来调整激光器的输出光功率。
7、完成上述步骤，激光器一个通道的参数调整完成。通过定标，将参数全部写入到存储器中，记录该通道所有数值。
本发明的光模块，与其它光模块相比，具有波长可调谐功能，可覆盖C波段50GHz或者100GHz间隔16个波长，并且，在覆盖更广的波长的同时又有较低的成本，对密集波分系统有重要的意义。而且控制方法也相对简单。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，但这只是为便于理解而举的实例，不应认为本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，可以做出各种可能的等同改变或替换，这些改变或替换都应属于本发明的保护范围。