專利名稱：一種功率增益自動(dòng)控制模塊及摻鉺光纖放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于光通信控制領(lǐng)域，尤其涉及一種功率增益自動(dòng)控制模塊及摻鉺光纖放大器。
背景技術(shù)：
EDFA (摻鉺光纖放大器)在WDM (波分復(fù)用)網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛應(yīng)用，通過泵浦電路中的激光半導(dǎo)體發(fā)出的泵浦光照射到摻鉺光纖中，泵浦光激活光纖中的鉺離子，輸入光中光子產(chǎn)生受激輻射，這樣輸出光的功率就會(huì)增大，實(shí)現(xiàn)了輸入光的功率放大功能。在DWM中，不同的信道可能沿不同的路徑傳播，不同節(jié)點(diǎn)處信道的隨機(jī)插分(Added or Drop)，這些變化可能會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)中EDFA的信道數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致EDFA的輸入光功率緩慢變化，飽和EDFA的增益隨光功率上升而下降，EDFA隨著輸入信號(hào)功率變化而工作在不同的飽和深度，穩(wěn)態(tài)增益和輸出功率隨之而變。`比如在含不同信號(hào)格式的混合WDM傳輸系統(tǒng)中，較低輸入功率(〈-lOdBm)的數(shù)字信號(hào)與大功率(>3dBm)的視頻信號(hào)可能在不同的信道上共線傳播，一旦視頻信號(hào)中斷，數(shù)字信道就會(huì)從深度飽和狀態(tài)跳變到小信號(hào)狀態(tài)，由于EDFA的增益瞬態(tài)飽和效應(yīng),引起信道間交叉飽和串?dāng)_，使信號(hào)失真。另一方面，隨著EDFA工作環(huán)境溫度的變化及泵浦的老化效應(yīng)，激光半導(dǎo)體的輸出功率發(fā)生變化，也能引起EDFA增益變化。增益波動(dòng)在EDFA級(jí)聯(lián)放大應(yīng)用中表現(xiàn)更加突出。因此穩(wěn)定EDFA的增益是WDM+EDFA走向工程化的重要技術(shù)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種功率增益自動(dòng)控制模塊，旨在解決現(xiàn)有EDFA中輸出增益和輸出光功率容易波動(dòng)的技術(shù)問題。本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種功率增益自動(dòng)控制模塊，包括用于采集泵浦電路的輸出光，并將采集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測(cè)電路；用于接收功率檢測(cè)電路采集的功率值，將所述功率值與目標(biāo)值相比較，獲得當(dāng)前所需控制量的微處理器；用于接收微處理器獲得的控制量，并將所述控制量轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述模擬控制電壓用于控制泵浦電路；所述功率檢測(cè)電路、微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及泵浦電路依次電連接。本實(shí)用新型的另一目的在于提供一種摻鉺光纖放大器，該摻鉺光纖放大器的輸出增益穩(wěn)定。在本實(shí)用新型的有益效果是本實(shí)用新型為一個(gè)光電反饋環(huán)，將本實(shí)用新型接入到現(xiàn)有的泵浦電路后，可以控制EDFA輸出增益保持不變，其中功率檢測(cè)電路采集到泵浦光的功率值后，微控制器將該功率值與目標(biāo)值比較，計(jì)算出控制量，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路后生成模擬控制電壓控制泵浦電路，調(diào)整輸出泵浦光功率，整個(gè)過程形成一個(gè)控制回路，當(dāng)輸入光功率及設(shè)備其他參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)使增益和輸出功率保持恒定。

圖I是本實(shí)用新型第一實(shí)施例提供的一種功率增益自動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)圖；圖2是本實(shí)用新型第二實(shí)施例提供的一種功率增益自動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)圖；圖3是本實(shí)用新型第三實(shí)施例提供的一種功率增益自動(dòng)控制模塊結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。 實(shí)施例一:圖I示出了本實(shí)用新型第一實(shí)施例提供的一種功率增益自動(dòng)控制模塊的結(jié)構(gòu)，為了便于說明僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。圖示中泵浦電路是現(xiàn)有EDFA中的輸出光控制電路，泵浦電路中的激光半導(dǎo)體輸出的泵浦光輸入到摻鉺光纖中，能夠激活摻鉺光纖中的鉺離子，輸入光產(chǎn)生受激輻射，泵浦電路輸出大功率的輸出光。本實(shí)施例作用于所述泵浦電路，形成一個(gè)光電控制閉環(huán)，使得輸出光功率保持恒定。本實(shí)例所述的功率增益自動(dòng)控制模塊，包括用于采集泵浦電路的輸出光，并將采集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測(cè)電路I ;用于接收功率檢測(cè)電路采集的功率值，將所述功率值與目標(biāo)值相比較，獲得當(dāng)前所需控制量的微處理器2 ；用于接收微處理器獲得的控制量，并將所述控制量轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述模擬控制電壓用于控制泵浦電路3 ;所述功率檢測(cè)電路I、微處理器2、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3以及泵浦電路依次電連接。由于WDM網(wǎng)絡(luò)中EDFA的信道數(shù)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致EDFA的輸入光功率緩慢變化，或者隨著EDFA工作環(huán)境溫度的變化及泵浦的老化效應(yīng)，激光半導(dǎo)體的泵浦光功率會(huì)發(fā)生變化，因此泵浦電路的輸出光功率也會(huì)發(fā)生波動(dòng)，通過引入本實(shí)施例所述的功率增益自動(dòng)控制模塊后，率檢測(cè)電路I采集到輸出光后，將功率值輸入到微處理器2中，所述微處理器2將功率值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，通過PID算法計(jì)算出控制量，再通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3將所述控制量轉(zhuǎn)換成實(shí)際的模擬控制電壓，所述模擬控制電壓作用于泵浦電路的泵浦偏置電流，從而改變泵浦光輸出功率，進(jìn)而改變了泵浦電路的輸出光功率，使得輸出光功率接近目標(biāo)值，功率檢測(cè)電路I再次采集泵浦電路的輸出光功率，重復(fù)上述循環(huán)，構(gòu)成了完整的單回路控制系統(tǒng)，因而即使輸入光功率變化或是泵浦光功率變化，通過本功率增益自動(dòng)控制模塊，最終泵浦電路的輸出功率基本保持恒定不變，與目標(biāo)值相同。實(shí)施例二 :圖2示出了本實(shí)用新型第二實(shí)施例提供的一種功率增益自動(dòng)控制模塊的結(jié)構(gòu)，為了便于說明僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。[0028]本實(shí)施例的功率增益自動(dòng)控制模塊與實(shí)施例一相同，包括用于采集泵浦電路的輸出光，并將采集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測(cè)電路I ;用于接收功率檢測(cè)電路采集的功率值，將所述功率值與目標(biāo)值相比較，獲得當(dāng)前所需控制量的微處理器2 ；用于接收微處理器獲得的控制量，并將所述控制量轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述模擬控制電壓用于控制泵浦電路3 ;所述功率檢測(cè)電路I、微處理器2、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3以及泵浦電路依次電連接。其中，所述微處理器2包括 用于將輸入的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元201；用于將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字電壓值還原成實(shí)際功率值后與目標(biāo)值進(jìn)行比較，獲得當(dāng)前所需控制量的比例積分微分控制器202 ；用于將比例積分微分控制器獲得的控制量輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的串行外設(shè)接口203 ；所述功率檢測(cè)電路I的輸出端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元201、比例積分微分控制器202、串行外設(shè)接口 203以及數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3的輸入端依次電連接。本實(shí)施例中，功率檢測(cè)電路I輸入到微處理器2的功率值通常是通過電壓值表現(xiàn)出來的，功率檢測(cè)電路I的本質(zhì)是個(gè)光電轉(zhuǎn)換器，能夠采集泵浦電路的輸出光，并以電壓形式輸出，輸出的電壓值正比于采集的輸入光，這種比例關(guān)系與功率檢測(cè)電路的硬件參數(shù)有關(guān)。本實(shí)施例中，微處理器包括模數(shù)轉(zhuǎn)換單元201、比例積分微分控制器202 (PID控制器)和串行外設(shè)接口 203 (SPI接口)，其中，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元201將功率檢測(cè)單元I輸入的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值后，PID控制器202將該數(shù)字電壓值還原成實(shí)際功率值后與目標(biāo)值進(jìn)行比較，通過PID算法得到當(dāng)前需要生成的控制量，該控制量為數(shù)字電壓，在本實(shí)施例中，PID控制器202通過SPI接口 203，將所述生成的控制量輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3中，轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓，該模擬控制電壓控制泵浦電路的輸出光功率，這樣形成一個(gè)完成的控制環(huán)后，可以保證泵浦電路的輸出光功率保持恒定，與目標(biāo)值相同，所述目標(biāo)值是期望泵浦電路期望輸出的光功率值，也即EDFA輸出的光功率值，本是實(shí)用新型的目的就是使得EDFA輸出的光功率值盡可能接近目標(biāo)值且保持穩(wěn)定。需要說明的是，本實(shí)施例中微處理器2與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3間通過SPI總線連接，這只是一種具體連接方式，通過其他協(xié)議連接同樣在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)，只要微處理器2與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3支持所述協(xié)議即可，比如IIC總線亦可代替本實(shí)施例中的SPI總線。本實(shí)施例中，PID控制器202的控制核心是將目標(biāo)值與采集值的偏差通過比例(P)、積分(I)和微分(D)進(jìn)行線性組合構(gòu)成控制量，與現(xiàn)有的控制器不同在于，采用了如下特殊的控制方案I)積分分離當(dāng)采集功率值Pl與目標(biāo)值Ps之差e(k)>設(shè)定值時(shí)，取消積分I的作用，當(dāng)e (k) <設(shè)定值時(shí)，采用PID聯(lián)合控制，當(dāng)功率離目標(biāo)值差很遠(yuǎn)時(shí)，能加大輸出量，提高穩(wěn)定速度。2)不完全微分在PID中加入一階慣性環(huán)節(jié)(低通濾波器)Gf (S)=I/[1+Tf (S)]。不完全微分在系統(tǒng)有階躍時(shí)能很好的緩沖控制量的階躍，使控制更為平滑。[0043]3)死區(qū)控制當(dāng)|e(k) I〈設(shè)定值時(shí)，e(k)=0。當(dāng)采集值到達(dá)目標(biāo)值附近時(shí)，再控制就會(huì)出現(xiàn)值的頻繁微小波動(dòng)，為了使系統(tǒng)更趨于穩(wěn)定，采用死區(qū)控制，當(dāng)采集值到達(dá)目標(biāo)值的死區(qū)時(shí)，軟件不再輸出控制量。這樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性就取決于外界工作條件，如果誤差超過死區(qū)范圍，則軟件又重新開始控制。4)數(shù)字式PID與增量式PID結(jié)合數(shù)字式PID是在原始PID公式上簡(jiǎn)單變化后得到的，單純采用數(shù)字式PID算法，在本系統(tǒng)中效果不是很好，因?yàn)槊看味家?jì)算P、I、D三個(gè)部分，而沒有一個(gè)基準(zhǔn)量，這樣產(chǎn)生的控制值不是很平滑，很容易引起系統(tǒng)波動(dòng)。而增量式PID則是在基礎(chǔ)值上，每次只計(jì)算增加量，在原來的基礎(chǔ)值上增加或減少，值的過渡較為平滑。經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)的反復(fù)運(yùn)行調(diào)試，最后在本系統(tǒng)中使用的PID計(jì)算方式既非數(shù)字式PID也不是增量式PID，而是結(jié)合了兩種PID的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)造了適合于本系統(tǒng)的一種計(jì)算方式。通過本實(shí)施例采用的PID控制器，可以使得輸入光功率或泵浦光功率在一定范圍變化時(shí)，輸出光功率基本保持恒定。實(shí)施例三:·[0047]圖3示出了本實(shí)用新型第三實(shí)施例提供的一種功率增益自動(dòng)控制模塊的結(jié)構(gòu)，為了便于說明僅示出了與本發(fā)明實(shí)施例相關(guān)的部分。本實(shí)施例與實(shí)施例一和實(shí)施例二不同在于，在功率檢測(cè)電路I與微處理器2之間接通有第一運(yùn)放電路4，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3與泵浦電路間接通有第二運(yùn)放電路5。通常功率檢測(cè)電路I采集的功率值(電壓值)都比較小，通過第一運(yùn)放電路4將其放大后，再由微處理器2處理該數(shù)值，這樣誤差較小。同樣在微處理器2計(jì)算得到的控制量轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓后，再經(jīng)過第二運(yùn)放電路5后，再去控制泵浦電路的輸出光功率，這樣也可以減小誤差。作為具體的實(shí)現(xiàn)方式，所述微處理器2采用STM32F101V8T6單片機(jī)及其外圍電路，STM32F101V8T6是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于ARM公司C0RTEX-M3內(nèi)核的32位低成本微控制器，它采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，使用簡(jiǎn)潔高效的Thumd-2指令集。該控制器集成了豐富的外設(shè)包括2個(gè)16位定時(shí)器，2個(gè)SPI接口，2個(gè)IIC接口，3個(gè)USART，16個(gè)12位A/D轉(zhuǎn)換通道等，并帶有SM內(nèi)部晶振，使外圍設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化，穩(wěn)定可靠，功率檢測(cè)單元I采集到的功率值輸入到STM32F101V8T6的Α/D端口，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路采用AD5324數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及其外圍配合電路，AD5324是ANALOG DEVICES公司生產(chǎn)的12位高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，輸出電壓范圍為O-Vref，在本實(shí)用新型中，第I腳和第10腳到地，第2、3、4腳到VCC，并接O. Iuf電容到地，控制信號(hào)第7腳、8腳、9腳直接與STM32F101V8T6相連。Vref接入電壓為+3. 3V。該芯片工作在串行模式，帶2路輸出，與微處理器通過SPI總線連接，接收到微處理器發(fā)送的控制信號(hào)后，相應(yīng)輸出口輸出對(duì)應(yīng)的電壓值，從而驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路實(shí)現(xiàn)功率控制。顯然，這只是一種芯片選擇方案而已，本實(shí)用新型包括但不限于此，只要能夠?qū)崿F(xiàn)同樣的功能即在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。此外，本實(shí)用新型還提供了一種包括上述功率增益自動(dòng)控制模塊的EDFA。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種功率增益自動(dòng)控制模塊，其特征在于，所述模塊包括 用于采集泵浦電路的輸出光，并將采集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測(cè)電路(1); 用于接收功率檢測(cè)電路采集的功率值，將所述功率值與目標(biāo)值相比較，獲得當(dāng)前所需控制量的微處理器(2)； 用于接收微處理器獲得的控制量，并將所述控制量轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述模擬控制電壓用于控制泵浦電路； 所述功率檢測(cè)電路(I)、微處理器(2 )、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(3 )以及泵浦電路依次電連接。
2.如權(quán)利要求I所述的一種功率增益自動(dòng)控制模塊，其特征在于，所述功率檢測(cè)電路輸入到微處理器的功率值為模擬電壓值，功率檢測(cè)電路(I)的輸出管腳連接到微處理器(2)的模數(shù)輸入管腳。
3.如權(quán)利要求2所述的一種功率增益自動(dòng)控制模塊，其特征在于，所述微處理器包括 用于將輸入的模擬電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓值的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(201); 用于將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字電壓值還原成實(shí)際功率值后與目標(biāo)值進(jìn)行比較，獲得當(dāng)前所需控制量的比例積分微分控制器(202)； 用于將比例積分微分控制器獲得的控制量輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的串行外設(shè)接口(203)； 所述功率檢測(cè)電路(I)的輸出端、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元(201)、比例積分微分控制器(202)、串行外設(shè)接口(203)以及數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(3)的輸入端依次電連接。
4.如權(quán)利要求3所述的一種功率增益自動(dòng)控制模塊，其特征在于，所述微處理器(2)和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(3)通過SPI總線連接。
5.如權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的一種功率增益自動(dòng)控制模塊,其特征在于，在功率檢測(cè)電路(I)與微處理器(2 )之間接通有第一運(yùn)放電路(4 )，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(3 )與泵浦電路間接通有第二運(yùn)放電路(5)。
6.如權(quán)利要求5所述的一種功率增益自動(dòng)控制模塊，其特征在于，所述微處理器(2)為STM32F101V8T6單片機(jī)及其外圍配合電路。
7.如權(quán)利要求5所述的一種功率增益自動(dòng)控制模塊，其特征在于，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換電路(3)為AD5324數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片及其外圍配合電路。
8.—種摻鉺光纖放大器,所述摻鉺光纖放大器包括如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的功率增益自動(dòng)控制模塊。
專利摘要本實(shí)用新型適用于光通信控制領(lǐng)域，提供了一種功率增益自動(dòng)控制模塊及摻鉺光纖放大器，所述功率增益自動(dòng)控制模塊，包括用于采集泵浦電路的輸出光，并將采集到的功率值輸入到微處理器的功率檢測(cè)電路；用于接收功率檢測(cè)電路采集的功率值，將所述功率值與目標(biāo)值相比較，獲得當(dāng)前所需控制量的微處理器；用于接收微處理器獲得的控制量，并將所述控制量轉(zhuǎn)換成模擬控制電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，所述模擬控制電壓用于控制泵浦電路，所述功率檢測(cè)電路、微處理器、數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及泵浦電路依次電連接。將本實(shí)用新型接入到現(xiàn)有的泵浦電路后，可以控制EDFA輸出增益和功率保持恒定，本實(shí)用新型可以廣泛應(yīng)用于光纖放大器制造行業(yè)中。
文檔編號(hào)G02F1/39GK202634443SQ20122024067
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
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