專利名稱：波分復(fù)用光纖通信波長控制方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。
當(dāng)今通信技術(shù)的發(fā)展和通信信息量的急速增長，對現(xiàn)有及未來的通信系統(tǒng)提出了更高的要求，波分復(fù)用(WDM)光纖通信系統(tǒng)正以其大容量，透明性，靈活性和低成本等優(yōu)點引起人們越來越大的興趣。WDM技術(shù)(如

圖1所示)，其特征是在一根光纖中，同時傳輸多個波長，并且每個波長攜帶的數(shù)字信號的碼率可以與單波長系統(tǒng)相比擬，從而提高了總碼率，達到擴容的目的。由于多個波長的存在，與單路系統(tǒng)相比，波長控制就顯得更加重要。為使它們之間不發(fā)生干擾，兩兩波長之間必須保持一定的間隔，各波長也必須分別保持一定的穩(wěn)定性，一旦系統(tǒng)的波長產(chǎn)生較大的漂移，甚至幾個信道互相干擾，無法分辨，將導(dǎo)致整個WDM系統(tǒng)的誤碼率，穩(wěn)定性的大幅度下降，引起系統(tǒng)性能的大幅度惡化。
正是由于波長控制技術(shù)在WDM系統(tǒng)中具有很大的重要性，人們提出了許多的波長控制方案，對于使用分立激光器的波分復(fù)用系統(tǒng)，現(xiàn)有以下一些波長控制方案(1)采用光譜分析儀作為波長標準，用它實際測得波長值，與設(shè)定的標準值進行比較，用控制激光器溫度的方法來調(diào)整激光器的實際波長，使之與設(shè)定波長吻合。(2)采用分光器件(如單色儀、光柵等)，使激光器波長值轉(zhuǎn)化為位移量，再由機械傳動機構(gòu)帶動PIN管測得位移量并轉(zhuǎn)化為波長，與標準值相比較，獲得誤差量，發(fā)命令給執(zhí)行機構(gòu)消除此誤差。(3)采用超腔，通過改變腔長鎖定波長，把波長轉(zhuǎn)化為特定的電壓值，再與標準值比較，獲得誤差，進行控制，在這里首先要穩(wěn)定地控制腔本身的溫度及其它特性。(4)采用其它方法，如光柵，波長計，或者通過外腔穩(wěn)定波長等等。
原有的技術(shù)雖然可以滿足波長控制的要求，但其中大部分方法體積較大，價格較昂貴，硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗較大，有些長期工作穩(wěn)定性差，無法做成插卡插入標準機架中，不適宜實用化系統(tǒng)；或者有的系統(tǒng)雖然用昂貴的設(shè)備實現(xiàn)了很高的精度，但在實際系統(tǒng)中并不需要如此高的精度，造成不必要的投資浪費。頻率穩(wěn)定這個環(huán)節(jié)的制約影響了整個光纖通信波分復(fù)用技術(shù)的實用化進程。因此，設(shè)計經(jīng)濟、簡單、實用的穩(wěn)頻系統(tǒng)是很必要的。
本發(fā)明在對波長的誤差檢測和自動控制調(diào)節(jié)的方法上采用了一種與現(xiàn)有技術(shù)完全不同的新方法--總功率監(jiān)測法。該方法通過直接檢測光纖通信系統(tǒng)中合波器輸出的總光功率變化來提取系統(tǒng)各路波長信息，輔以智能軟件算法對波分復(fù)用光通信系統(tǒng)的各復(fù)用波長進行穩(wěn)定性控制的實用化控制系統(tǒng)，其裝置體積小、成本低、穩(wěn)定、可靠，適用于實際使用。
用光柵合波器進行合波的WDM系統(tǒng)，它固定了特定的一組通帶及其中心波長，激光器的輸出光的波長落在其中之一時，才能被耦合進合波器的輸出光纖中，并且與中心波長越接近，其耦合效率越高，表現(xiàn)在合波器的輸出功率越大，接收端才能更好的恢復(fù)信號。反之，若波長漂移不加限制，則系統(tǒng)性能大大下降。因此，可以用合波器作為波長標準，直接測定合波器的輸出功率，當(dāng)輸出功率保持最大時，即激光器輸出光的波長與合波器通帶的中心波長一致。又因為合波器所確定的這組波長的大小和間隔是由它的結(jié)構(gòu)所決定的，是一組非常穩(wěn)定的量，隨環(huán)境變化相對而言非常小，大約一攝氏度0.01nm，所以若每個激光器的輸出光通過合波器后，輸出總功率保持最大，則表明波長間隔也是符合要求的。因此，在對系統(tǒng)特性深入分析的基礎(chǔ)上，改變了現(xiàn)有技術(shù)中需要把波分復(fù)用的各個波長一個一個分開來分別檢測、比較、監(jiān)控的環(huán)節(jié)，而只需通過對總功率變化趨勢的仔細分析，從中充分提取信息，配以有效的智能控制和算法，就能夠?qū)崿F(xiàn)對波分復(fù)用系統(tǒng)的波長穩(wěn)定性控制。
本發(fā)明的具體工作過程及其原理見圖2，敘述如下各個激光器11輸出波長λ1、λ2、…λn，各路波長經(jīng)光柵合波器合成一路后傳輸，總功率P，在合波器10后，我們接入一個耦合器16，耦合出一部分光進行波長控制。耦合出的信號光功率為Po(P與Po之比是常數(shù))被PIN管9或APD管檢測，經(jīng)過放大電路，光電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號Vo，經(jīng)低通濾波，送入8098單片機系統(tǒng)4的A/D端口5，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波，變?yōu)閿?shù)字量Do，Do與Po之比是一個常數(shù)，而P與Po之比也是常數(shù)，因此Do的大小反映了通過合波器后總的光信號總功率Po。得到的Do值與初始設(shè)定的功率值相比較，如果差值在設(shè)定的閾值范圍內(nèi)，表明總功率的變化不大，波長穩(wěn)定。如果新的總功率值小于設(shè)定的值，并且差值超過了閾值范圍，則表明系統(tǒng)的總功率下降，某些激光器出現(xiàn)了波長漂移。這時，啟動控制算法，一路一路進行控制。具體對每一路，是通過改變該路激光器11的控溫器12的目標溫度，激光器的輸出光的波長是溫度的函數(shù)，溫度改變引起該路波長改變，通過合波器后的該路光功率就改變。從而也引起總功率改變。先對其中一路進行溫度控制，直至總功率控到最大。再用同樣的算法控制下一路，所有路都控制過一遍后，重新回到起點，更新初始設(shè)定值，繼續(xù)監(jiān)視總光功率的波動?？刂扑惴軌蜃詣訉ふ易畲笾?，最終在最大值附近微小范圍內(nèi)波動。
這種方法的主要特點是大膽地用總功率即所有路的功率和作為指示參數(shù)，進行單路的控制。這是由于激光器控溫器的溫度穩(wěn)定不變時，環(huán)境溫度變化和其它因素造成的波長變化是個慢過程，能夠觀察到的總的光功率變小，即波長偏移，是個長時間積累的過程，而控制是在相對短的時間內(nèi)進行。因此，在控制期間，由于一次只改變一路激光器的控溫器，其余各路的控溫器的溫度值沒有發(fā)生改變，所以，可以假設(shè)，其余各路的光功率在這樣短的控制時間內(nèi)是恒定的。而被控的一路，由于控溫器的溫度值發(fā)生改變，激光器熱沉溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致激光器的波長發(fā)生變化，從而使該路的輸出光經(jīng)合波器后的功率發(fā)生變化，可見，在控制期間，這樣一個短的時間內(nèi)，總功率的變化，僅僅反映了被控路的光功率的變化。
為增強靈活性，基于單片機的波長控制系統(tǒng)可以與微機通信。通過微機，可以改變每次升溫或降溫的步長，改變控制的路，改變各種閾值；通過單片機系統(tǒng)，微機可以和控溫器12進行通信可以得到控溫器的各種狀態(tài)；根據(jù)控溫器的當(dāng)前狀態(tài)，人工或通過程序自動調(diào)整控溫器的PID參數(shù)，使之達到最佳。
波長控制系統(tǒng)以波長控制插件為主體來實現(xiàn)監(jiān)測和控制功能，如圖4所示，其電路圖如圖3所示。電路由控制部分，通信部分，光檢測部分，A/D轉(zhuǎn)換部分，信息存儲部分等組成。該裝置的輸入、輸出插口為A插口17，與控溫器通信；B插口18，與上位機通信，交換監(jiān)控信息；C插口19，合波器光輸入。
下面再對控制算法作一下說明對于一個完整的監(jiān)控系統(tǒng)，不僅有波長控制，還有其它量的監(jiān)控。實際上，波長控制系統(tǒng)是監(jiān)控系統(tǒng)的一部分，通過和其它的監(jiān)控模塊通信，它能獲得更多的參量，從而改善波長控制的性能。在光纖通信系統(tǒng)中，每個激光器都有背光檢測，用這個參量，就可以推算出激光器發(fā)射光功率的大小，也就能知道所有激光器發(fā)射光功率的和。波長控制系統(tǒng)得到這個信息，用透過合波器的平均光功率和它的比值作為參量，用這一參量就可以補償激光器發(fā)射光功率的變化引起的噪聲。本發(fā)明中，采用了以上思路。而且，由于利用了背光檢測，在出現(xiàn)某一路關(guān)閉時，也不會對波長控制有很大影響，背光檢測可以告訴波長控制系統(tǒng)哪一路已經(jīng)無光，波長控制系統(tǒng)就不會再去控制這路。
另一些同樣方法也用于了控制算法。每次控制時，都要對波長進行一次隨機擾動，從而判斷控溫的方向。這一擾動如果作用于波長偏離的一路，可能造成偏上加偏。系統(tǒng)對這個問題的解決方法首先是控制擾動的步長大小，使初始擾動是一個微擾，其次是盡量對波長的變化方向進行估計，使這一微擾方向正確的概率變高，第一，記錄長時間波長的變化情況，用這些數(shù)據(jù)對新的波長變化進行線性預(yù)測；第二，波長的變化與許多因素有關(guān)，利用其它監(jiān)控設(shè)備提供的某些因素的變化情況，用理論分析或經(jīng)驗公式等手段進行處理，就能通過這些因素的變化判斷波長的變化，微擾的方向按判斷結(jié)果進行，正確的概率有提高。同時通過步長自適應(yīng)控制，使精度更高。
總之，本裝置的主要優(yōu)點是成本低，體積小，功耗低，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，不必配置特定頻率標準，維護簡單，全部為商用器件，適合批量生產(chǎn)，智能性強，可控性及擴展性好?？梢宰龀刹蹇ǎ迦霕藴蕶C架運行。
本發(fā)明的實施例，根據(jù)圖3的電路原理圖，做成圖4所示波長控制插件裝置，配合在我實驗室的8路240公里波分復(fù)用光纖通信實驗系統(tǒng)中試用，實現(xiàn)了良好的波長控制功能。
說明書附圖圖1波分復(fù)用系統(tǒng)示意2波長控制系統(tǒng)原理1-微機2-串行口3-RS-232擴展串行口4-8098單片機系統(tǒng)5-A/D轉(zhuǎn)換6-8098單片機通信口7-RAM8-ROM9-PIN10-合波器11-激光器12-激光器的控溫器13-RS-422串行口14-背光檢測15-和波長變化有關(guān)的參量16-耦合器圖3波長控制插件裝置各部分電路4用于8路240公里光纖波分復(fù)用實驗系統(tǒng)的波長控制裝置的外觀4波長控制插件裝置實施例17-A插口，與控溫器通信18-B插口，與上位機通信，交換監(jiān)控信息19-C插口，合波器光輸入
權(quán)利要求
1.一種波分復(fù)用光纖通信波長控制方法包括波長發(fā)送、誤差檢測和調(diào)節(jié)控制過程，其特征在于誤差檢測方式是多個激光器輸出的不同波長同時進入合波器(10)后，在利用背光檢測保證設(shè)定波長的各激光器輸出功率穩(wěn)定時，采用測定合波器(10)的輸出光功率作為指示參數(shù)，監(jiān)控波長變化。
2.據(jù)權(quán)利要求1所述的波分復(fù)用光纖通信波長控制方法，其特征在于當(dāng)合波器(10)輸出光功率小于某設(shè)定光功率初值，且差值超過閾值范圍時，啟用控制算法-總功率監(jiān)測法，依次進行單路控制，每次只控制一路激光器的控溫器，調(diào)節(jié)一路波長，直至總功率達到最大值。
3.據(jù)權(quán)利要求1或2所述的波分復(fù)用光纖通信波長控制方法，其特征在于自動控制調(diào)節(jié)手段采用基于單片機系統(tǒng)的波長控制插件裝置，通過該裝置和微機間的通信達到波長控制系統(tǒng)與整個波分復(fù)用光纖通信系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相互聯(lián)系，隨時互相提取信息，通過智能算法預(yù)測變化，優(yōu)化調(diào)整控制過程。
4.一種波分復(fù)用光纖通信波長控制系統(tǒng)，它包括信號源、誤差檢測和調(diào)節(jié)控制等裝置，其特征在于(1)信號源為激光器(11)；(2)誤差檢測為多個激光器輸出波長同時進入合波器(10)之后，由耦合器(16)耦合出部分輸出光束通過PIN管(9)或APD管檢測其功率。
5.據(jù)權(quán)利要求4所述的波分復(fù)用光纖通信波長控制系統(tǒng)，其特征在于自動控制裝置由單片機系統(tǒng)(4)、控溫器(12)、背光檢測(14)和微機(1)組成，基于單片機的控制系統(tǒng)通過與控溫器的通信控制控溫器(12)的溫度升、降方向及步長，實時調(diào)節(jié)控制激光器波長。
6.據(jù)權(quán)利要求4或5所述的波分復(fù)用光纖通信波長控制系統(tǒng)，其特征在于(1)通過波長控制插件實現(xiàn)波長控制以及與控溫器和其它監(jiān)控系統(tǒng)的通信；(2)波長控制插件裝置電路由控制部分、通信部分、光檢測部分、A/D轉(zhuǎn)換部分信息存儲部分等組成；(3)波長控制插件裝置的輸入、輸出插口為A插口，與控溫器通信、B插口，與上位機通信，交換監(jiān)控信息、C插口，合波器光輸入。
全文摘要
波分復(fù)用光纖通信波長控制方法和系統(tǒng)，屬于光纖通信技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明對光纖通信中波長的穩(wěn)定控制采用一種全新方法，即直接從檢測光纖通信系統(tǒng)中合波器輸出光功率提取控制信息，配以單片機及波長控制插件裝置等，實時方便、可靠的自動控制調(diào)整波長。該種方法充分利用原有通信系統(tǒng)設(shè)備，維護簡單、裝置體積小，成本低、智能性強、可控性及擴展性好，可靠穩(wěn)定、適于推廣應(yīng)用。
文檔編號H04J14/02GK1153433SQ96120030
公開日1997年7月2日 申請日期1996年10月11日 優(yōu)先權(quán)日1996年10月11日
發(fā)明者張侃, 吳揚, 徐安士, 朱立新 申請人:北京大學(xué)