CN110061800A - 一种可调谐dwdm波长光节点的波长稳定*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，包括波长选择开关、激光管控制电路，激光管控制电路上连接有激光管；波长选择开关连接微处理器，微处理器上连接有根据波长选择开关选定的DWDM波长来控制的数模转换电路、用于采集激光管温度的热敏电阻，热敏电阻内置于激光器与激光管接触设置，热敏电阻、数模转换电路均与对取样电压和模拟电压进行比较的精密运放电路连接，精密运放电路连接制冷器控制电路，制冷器控制电路连接半导体制冷器，半导体制冷器内置于激光器与激光管接触设置，制冷器控制电路根据精密运放电路的比较结果控制供电电流大小和供电方向使半导体制冷器进行加热或制冷工作从而使激光器激光管的温度稳定在设定值。

Description

一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***

技术领域

本发明属于有限电视领域，具体涉及一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***。

背景技术

随着网络带宽需求日益的增长，网络中使用的光节点数量剧增，为消除光拍频干扰(OBI)，可以采用密集波分复用(DWDM)技术，光节点回传光信号的波长设计成可调谐，采用不同回传光波长的光节点解决OBI噪声问题。目前较多的是采用同轴型TOSA激光器和外置的电子制冷器、热敏电阻，采用运放电路进行电子制冷器的控制，实现激光器输出波长调谐功能。但是这种方案效果不够理想，输出光信号波长的稳定性不好，输出波长会有0.1～0.3nm的波动范围，光节点实际使用时还是会产生光拍频干扰。如果采用蝶形封装的波长调谐的DFB 激光器价格又非常昂贵，无法在需求量非常大的用户端RFoG光节点上使用。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，即鉴于当前制冷器外置时波长稳定性尚不够理想的状况，本发明在于提供了一种可有效解决双向HFC网络回传通道的 OBI(光拍频干扰)噪声问题，同时降低了支出成本的可调谐DWDM波长光节点的波长稳定方法，通过将同轴型TOSA激光器的半导体制冷器和热敏电阻进行内置，通过相关控制电路和软件控制输出光信号波长的精度，波长稳定性可以达到0.001nm的高精度。

本发明采用的技术方案是：

一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，应用于波长调谐的RFoG 光节点，其安装于用户端，包括波长选择开关、激光管控制电路，其特征在于：所述激光管控制电路上连接有由其控制偏置电流后输出额定的光功率的激光管；所述波长选择开关连接微处理器，所述微处理器上连接有根据波长选择开关选定的DWDM波长来控制的数模转换电路、用于采集所述激光管温度的热敏电阻，所述热敏电阻内置于激光器与所述激光管接触设置，所述热敏电阻、数模转换电路均与对取样电压和模拟电压进行比较的精密运放电路连接，所述精密运放电路连接制冷器控制电路，所述制冷器控制电路连接半导体制冷器，所述半导体制冷器内置于激光器与所述激光管接触设置，所述制冷器控制电路根据精密运放电路的比较结果控制供电电流大小和供电方向使半导体制冷器进行加热或制冷工作从而使激光器激光管的温度稳定在设定值。本发明采用内置制冷器和热敏电阻的激光器，通过数模转换电路、精密运放控制电路、半导体制冷器控制电路以及微处理器控制软件，光波长能够稳定控制在需要的波长范围内，实现整机的光波长可调谐功能，波长稳定性达到0.001nm的高精度。

进一步，所述数模转换电路采用的数模芯片为美国AD公司的AD5647R。

进一步，所述数模芯片的输出通道设置有对应16个波长的控制电压值和1 个初始波长的电压值，以与激光器内置热敏电阻的取样电压进行比较后，输出相应控制值来控制半导体制冷器的制冷电流或制热电流，使激光管工作温度达到需要值，进而获得需要的调谐光波长。

进一步，16个波长的控制电压值与相应波长的控制值的计算步骤如下：

(1)预设1个初始波长的电压值Va00对数模芯片的输出通道A进行基础测试，通过控制软件调整数模芯片的输出通道A的电压值；

波长的控制电压值Va00＝1.5*Rb/(Rb+10)1)

其中Rb为激光器厂家提供的25℃时激光器热敏电阻值；

(2)调整结束后，进行最低拨位至最高拨位的各个拨位设置并保存；

(3)每个拨位输入相应的波长，结合K系数和Rb值自动计算出16个波长的控制电压值Va01～Va16；

(4)进行各波长的控制值的计算和保存；

各控制值Daxx的计算过程如下：

RL＝10*Va01/(1.5-Va01) 2)

TL＝1/(LN(RL/10)/3930+1/298.15)-273.15 3)

T_xx＝∑(2.5/(§xx))+TL 4)

Rt_xx＝10*Exp(3900*(1/(T_xx+273.15)-1/298.15)) 5)

Da_xx＝4096*Rt_xx/(Rt_xx+10) 6)

其中RL是最低波长时激光器热敏电阻；TL是最低波长时激光器温度，由激光器的热敏电阻计算得出；T_xx是表示各波长的激光器温度，xx＝2～16，最低波长为第1个波长，2为第2个波长，以此类推；§xx为温度波长变化率参数，此参数可通过菜单进行设置；Rt_xx是表示各波长时激光器热敏电阻值，xx＝2～16；Da_xx是表示各波长拨位档的A通道控制电压换算成的DA值，xx＝2～16；LN是以e为底的对数。

进一步，所述激光器的波长稳定控制的方式为在激光器开启时，先经过一个过渡期，接着平滑地把控制电压调整到当前拨位的控制电压，让激光器工作在该拨位的设定温度，此时激光器的输出波长就是设定拨位的波长，工作过程中定时对激光器的即时工作温度进行采样，根据采样值计算出激光器的当前温度对应的电压值，该电压值与该拨位的控制电压值作比较，若两者保持一致，则激光器稳定工作在当前拨位的温度上，若出现当前激光器的温度对应的电压值偏离该拨位的控制电压值0.1V以上，则激光器的输出波长已经偏离了设定值，这时关闭激光器，过20秒后，重启激光器，使激光器工作在下一个拨位，以此类推，直至能够稳定在相应拨位档。本发明通过对激光管输出的波长特性进行测试，获得在不同温度下的波长变化规律，并根据其热敏电阻值的变化，进行相对精确的电压控制和补偿，保证稳定的调谐波长的实现。

进一步，所述精密运放控制电路的精密运算放大器采用的是美国Maxim公司的MAX4238。本发明在精密运放控制电路中，通过对精密运算放大器的电压值和环路增益进行测试和计算，根据激光器的热敏电阻性能，激光器波长随温度变化参数，选取合适的反馈值，同时对运放的信号线进行地环保护，以提高信号净度，实现良好的控制精度。

进一步，所述制冷器控制电路中的驱动芯片采用美国Maxim公司的 MAX8521E。本发明所述制冷器控制电路配合***的精密运放控制电路和数模转换电路，选用优良的相关元器件，通过电路的合理规划和布局，电路参数的优化调试，实现半导体制冷器的制冷制热控制，使激光器在需要的波长稳定工作。

本发明的有益效果：

1、采用波长稳定技术的可调谐DWDM RFoG光节点，输出光信号波长可以在16 个不同DWDM波长范围内连续可调，有线电视网络中使用多个DWDM波长稳定的 RFoG光节点可以有效地解决双向HFC网络回传通道的OBI(光拍频干扰)噪声问题。

2、采用本发明的波长稳定技术方案开发的光节点能够满足有线电视运营商向全光纤网络基础架构演进过程中对无缝演进和降低运营支出的需求，具有较强的市场竞争力，市场前景较好。

附图说明

图1是本发明的***结构示意图。

图2是本发明的内置制冷器和热敏电阻后的管脚排列示意图。

图3是本发明的激光器的波长设置流程图。

图4是本发明的激光器的稳定控制流程图。

图5是本发明的各拨位的控制电压值和对应的控制芯片的输入DA值对应表。

具体实施方式

下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。

参见图1，一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定技术，应用于波长调谐的RFoG光节点，其安装于用户端，包括波长选择开关1，所述波长选择开关1 连接微处理器2，所述微处理器2根据波长选择开关1选定的DWDM波长去控制数模转换电路3，所述数模转换电路3连接精密运放电路4，对模拟信号进行放大，所述精密运放电路4连接制冷器控制电路5，所述制冷器控制电路5连接半导体制冷器6，通过控制供电电流大小和供电方向使半导体制冷器进行加热或制冷工作。激光管控制电路8对激光管9的偏置电流进行控制，使得激光管9输出额定的光功率。所述半导体制冷器6和所述激光管9紧密接触，即半导体制冷器6内置于激光器内，热敏电阻7也和所述激光管9紧密接触，即热敏电阻7 内置于激光器内，用于采集所述激光管的温度，所述微处理器2根据所述热敏电阻7的采样值确定激光器的工作温度，并通过制冷器控制电路5供电电流和供电方向来实现对激光管9输出波长的控制。所述热敏电阻7连接所述精密运放电路4，通过精密运放进行比较，使激光器激光管9的温度稳定在设定值。

要实现波长的可调谐功能，需要进行输出光波长的控制。实现原理是：微处理器2输出控制信号，通过数模转换为模拟电压信号，与激光器内置热敏电阻7的取样电压，通过精密运放电路4进行比较，使制冷器控制电路5的驱动芯片按照设置值驱动激光器内置的半导体制冷器6，实现制冷器工作状态控制，使激光器激光管温度稳定在设定值。通过数模转换电路3、精密运放电路4、制冷器控制电路54以及微处理器2控制软件实现输出光信号波长稳定控制在需要的范围内，实现整机的光波长可调谐功能。本实施例的激光管内置半导体制冷器和热敏电阻后的管脚排列见图2。

本实施例在数模转换电路3设计中，采用的数模芯片为美国AD公司的 AD5647R。参考ITU-T G.962的波长间隔DWDM标准，结合激光器性能特点，考虑每0.25nm为一个间隔，采用3.75nm的波长变化范围，波长范围是1610±10nm，一共有16个可调谐波长控制点，设置16个波长拨位。这样AD5647R的输出通道需要设置16个电压值(加上1个初始波长电压则是17个电压值)，以便与激光器内置热敏电阻的取样电压进行比较，控制制冷电流(或制热电流)，使激光管工作在所需要的温度，进而获得相应的调谐光波长。通过对激光管输出的波长特性进行测试，获得在不同温度下的波长变化规律，并根据其热敏电阻值的变化，进行相对精确的电压控制和补偿，保证稳定的调谐波长的实现。

本实施例在精密运放电路4中，采用的精密运放为美国Maxim公司的 MAX4238。通过对精密运算放大器的电压值和环路增益进行测试和计算，然后根据激光器的热敏电阻性能，激光器波长随温度变化参数，选取合适的反馈值，同时对运放的信号线进行地环保护，以提高信号净度，实现良好的控制精度。

半导体制冷器的散热将直接影响到温度控制效果，特别是在制冷模式下。所以，无论是内置制冷器还是外置制冷器，激光器的散热是整机光波长调谐和稳定性的关键因素，尤其是在工作环境温度比较高时，对制冷能力的考验较大，必须进行制冷器的良好散热。而制冷器的散热工艺，需要整机提供较大面积的散热块外，采用内置制冷器设计，并且制冷器应该贴近激光器的核心激光管，这样才能起到良好的散热效果，使激光器的制冷器性能得到有效提升，从而得到性能稳定的光工作波长和输出光功率，实现波长可调谐和稳定工作。

此外，为实现激光器温度的精确测试，从而为温度和波长控制量的精度提供可靠合理的测试量，需要在激光器设计中高性能热敏电阻尽可能贴近激光器激光管位置，为保证激光器的信噪比优良性，减少回波干扰，需要在结构设计中集成合适的光隔离器；为减少光耦合损耗。

制冷器控制电路5中的驱动芯片采用美国Maxim公司的MAX8521E，配合数模转换电路和精密运放电路，实现半导体制冷器的制冷或制热控制，使激光器在需要的波长稳定工作。

半导体制冷器控制电路的试验，进行内置制冷器激光器和外置制冷器激光器的制热制冷性能对比，考察相关的制冷效率和精密运放控制精度。在采用外置制冷器激光器时，由于精密运放控制方式不能实现控制精度时，直接采用了数模芯片结合微处理器软件进行电子制冷器的温度控制，并进行相关的软件测试和调节，但仍然达不到理想的波长稳定性控制。所以，本发明采用了内置半导体制冷器6的激光器，由于内置热敏电阻7的响应速度非常快，考虑采用精密运放电路4进行控制，由于控制和热敏电阻的响应基本是同步的，此时通过相关控制软件的反复测试和调节，精密运放控制方式能够很好实现控制精度，波长稳定性可以达到0.001nm的高精度。

可调谐激光器的波长控制基本原理是激光器的波长随温度的变化而变化。控制软件通过控制激光器的温度以及相关的光波长温度补偿等技术来实现光波长和光功率的稳定输出。

软件设定每个整机可设置16个波长档位，每个波长间隔0.25nm，共实现 3.75nm的波长变化。然后再定义一个λ00为初始波长，进行基础测试，得到相关数据，进而可以实现控制目标波长的目的。

参见图3，本发明16个波长的控制电压值与相应波长的控制值的计算步骤如下：

(1)预设1个初始波长λ00的电压值Va00对数模芯片的输出通道A进行基础测试，通过控制软件调整数模芯片的输出通道A的电压值；

波长的控制电压值Va00＝1.5*Rb/(Rb+10) 1)

其中Rb为激光器厂家提供的25℃时激光器热敏电阻值(一般为10kΩ)；

(2)调整结束后，进行最低拨位至最高拨位的各个拨位设置并保存；

(3)每个拨位输入相应的波长，结合K系数和Rb值自动计算出16个波长的控制电压值Va01～Va16；定义K为该热敏电阻在温度变化时的阻值变化系数(一般为3900)。

(4)进行各波长的控制值的计算和保存；

各控制值Daxx的计算过程如下：

RL＝10*Va01/(1.5-Va01) 2)

TL＝1/(LN(RL/10)/3930+1/298.15)-273.15 3)

T_xx＝∑(2.5/(§xx))+TL 4)

Rt_xx＝10*Exp(3900*(1/(T_xx+273.15)-1/298.15)) 5)

Da_xx＝4096*Rt_xx/(Rt_xx+10) 6)

其中RL是最低波长时激光器热敏电阻；TL是最低波长时激光器温度，由激光器的热敏电阻计算得出；T_xx是表示各波长的激光器温度，xx＝2～16，最低波长为第1个波长，2为第2个波长，以此类推；§xx为温度波长变化率参数，此参数可通过菜单进行设置；Rt_xx是表示各波长时激光器热敏电阻值，xx＝2～16；Da_xx是表示各波长拨位档的A通道控制电压换算成的DA值，xx＝2～16；LN是以e为底的对数。

以最低波长1609.026nm为例，表为计算所得的激光器各拨位的控制电压值和对应的控制芯片的输入DA值(即各波长的控制值，该值是用于软件实现上，原理上是要控制各拨位的电压值)，见图5。

参见图4，本实施例所述激光器的波长稳定控制的方式为在激光器开启时，先经过一个过渡期，接着平滑地把控制电压调整到当前拨位的控制电压，让激光器工作在该拨位的设定温度，此时激光器的输出波长就是设定拨位的波长，工作过程中定时对激光器的即时工作温度进行采样，根据采样值计算出激光器的当前温度对应的电压值，该电压值与该拨位的控制电压值作比较，若两者保持一致，则激光器稳定工作在当前拨位的温度上，若出现当前激光器的温度对应的电压值偏离该拨位的控制电压值0.1V以上，则激光器的输出波长已经偏离了设定值，这时关闭激光器，过20秒后，重启激光器，使激光器工作在下一个拨位，以此类推，直至能够稳定在相应拨位档。本发明通过对激光管输出的波长特性进行测试，获得在不同温度下的波长变化规律，并根据其热敏电阻值的变化，进行相对精确的电压控制和补偿，保证稳定的调谐波长的实现。其中图中A通道指AD5627R的A通道；B通道指AD5627R的B通道；V_AD＝AD*5/1024；计数器指的是对激光器温度采样次数进行计数；等待状态是指激光器从关闭转为开启中间的过渡状态；T是指激光器当前的工作温度，由激光器的温度采样电压值计算得到。

本发明采用波长稳定技术的可调谐DWDM RFoG光节点，输出光信号波长可以在16个不同DWDM波长范围内连续可调，有线电视网络中使用多个DWDM波长稳定的RFoG光节点可以有效地解决双向HFC网络回传通道的OBI(光拍频干扰) 噪声问题。

采用本发明的波长稳定技术方案开发的产品能够满足有线电视运营商向全光纤网络基础架构演进过程中对无缝演进和降低运营支出的需求，具有较强的市场竞争力，市场前景较好。

Claims (7)

1.一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，应用于波长调谐的RFoG光节点，其安装于用户端，包括波长选择开关、激光管控制电路，其特征在于：所述激光管控制电路上连接有由其控制偏置电流后输出额定的光功率的激光管；所述波长选择开关连接微处理器，所述微处理器上连接有根据波长选择开关选定的DWDM波长来控制的数模转换电路、用于采集所述激光管温度的热敏电阻，所述热敏电阻内置于激光器与所述激光管接触设置，所述热敏电阻、数模转换电路均与对取样电压和模拟电压进行比较的精密运放电路连接，所述精密运放电路连接制冷器控制电路，所述制冷器控制电路连接半导体制冷器，所述半导体制冷器内置于激光器与所述激光管接触设置，所述制冷器控制电路根据精密运放电路的比较结果控制供电电流大小和供电方向使半导体制冷器进行加热或制冷工作从而使激光器激光管的温度稳定在设定值。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，其特征在于：所述数模转换电路采用的数模芯片为美国AD公司的AD5647R。

3.根据权利要求2所述的一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，其特征在于：所述数模芯片的输出通道设置有对应16个波长的控制电压值和1个初始波长的电压值，以与激光器内置热敏电阻的取样电压进行比较后，输出相应控制值来控制半导体制冷器的制冷电流或制热电流，使激光管工作温度达到需要值，进而获得需要的调谐光波长。

4.根据权利要求3所述的一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，其特征在于：16个波长的控制电压值与相应波长的控制值的计算步骤如下：

(1)预设1个初始波长的电压值Va00对数模芯片的输出通道A进行基础测试，通过控制软件调整数模芯片的输出通道A的电压值；

波长的控制电压值Va00＝1.5*Rb/(Rb+10) 1)

其中Rb为激光器厂家提供的25℃时激光器热敏电阻值；

(2)调整结束后，进行最低拨位至最高拨位的各个拨位设置并保存；

(3)每个拨位输入相应的波长，结合K系数和Rb值自动计算出16个波长的控制电压值Va01～Va16；

(4)进行各波长的控制值的计算和保存；

各控制值Daxx的计算过程如下：

RL＝10*Va01/(1.5-Va01) 2)

TL＝1/(LN(RL/10)/3930+1/298.15)-273.15 3)

T_xx＝∑(2.5/(§xx))+TL 4)

Rt_xx＝10*Exp(3900*(1/(T_xx+273.15)-1/298.15)) 5)

Da_xx＝4096*Rt_xx/(Rt_xx+10) 6)

其中RL是最低波长时激光器热敏电阻；TL是最低波长时激光器温度，由激光器的热敏电阻计算得出；T_xx是表示各波长的激光器温度，xx＝2～16，最低波长为第1个波长，2为第2个波长，以此类推；§xx为温度波长变化率参数，此参数可通过菜单进行设置；Rt_xx是表示各波长时激光器热敏电阻值，xx＝2～16；Da_xx是表示各波长拨位档的A通道控制电压换算成的DA值，xx＝2～16；LN是以e为底的对数。

5.根据权利要求4所述的一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，其特征在于：所述激光器的波长稳定控制的方式为在激光器开启时，先经过一个过渡期，接着平滑地把控制电压调整到当前拨位的控制电压，让激光器工作在该拨位的设定温度，此时激光器的输出波长就是设定拨位的波长，工作过程中定时对激光器的即时工作温度进行采样，根据采样值计算出激光器的当前温度对应的电压值，该电压值与该拨位的控制电压值作比较，若两者保持一致，则激光器稳定工作在当前拨位的温度上，若出现当前激光器的温度对应的电压值偏离该拨位的控制电压值0.1V以上，则激光器的输出波长已经偏离了设定值，这时关闭激光器，过20秒后，重启激光器，使激光器工作在下一个拨位，以此类推，直至能够稳定在相应拨位档。

6.根据权利要求1～5任意一项所述的一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，其特征在于：所述精密运放控制电路的精密运算放大器采用的是美国Maxim公司的MAX4238。

7.根据权利要求1～5任意一项所述的一种可调谐DWDM波长光节点的波长稳定***，其特征在于：所述制冷器控制电路中的驱动芯片采用美国Maxim公司的MAX8521E。