專利名稱：用于突發式光發射模塊的自動平均光功率控制系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于突發式光發射模塊的自動平均光功率控制系統，它與常規的 突發式光發射模塊中的自動平均光功率控制系統相比，更能使激光器輸出光功率保持 較為恒定的消光比。
背景技術：
隨著信息技術的發展，光纖已經成為數據傳輸的主要方式。新一代的通信網絡PON (無源光網絡)，適用于點對多點技術，具有雙向結構，這意味著單一的OLT (光路 終端)把在單一光纜上的數據經由一個分路器傳播到多路ONU (光網單元)以完成下 行通信過程，多路ONU把數據上傳到在單一光纜上的OLT，以完成上行通信過程。
ONU是系統中一個重要組成部分，它主要負責光電信號的轉換，分析來自OLT的 信號，接收屬于自己的信息幀，丟棄不屬于自己的信息，可為用戶提供數據、視頻、 電話等業務。在ONU光模塊中，包含有突發式光發射和連續式光接收兩部分。其中連 續方式的接收是傳統形式的時分復用電路；其光發射部分是突發模式的工作方式，這 是在研發ONU光模塊中的重點。
突發式光發射模塊的原理框圖如圖1所示，待傳輸的數據和系統控制信號一起傳 至驅動模塊，由驅動模塊將其轉變為調制電流Imod和偏置電流Ibias，去激勵激光二 極管，產生對應強度的光信號。由于激光器的閾值電流和外微分量子效率均會隨溫度 的變化而變化，因此光發射模塊中必須有一個控制良好的光輸出功率，從而使來自不 同ONU的數據包以大致相同的幅度到達OLT的接收機。背光二極管用來監測激光二 極管發射信號的強度，它將探測光強轉化為對應的監測電流Imd，然后用這個電流作 為自動功率控制模塊的輸入信號。這樣，自動功率控制模塊就可以根據Imd來調節驅 動模塊，產生合適的Imod和Ibias，從而使輸出光功率消光比穩定。因為激光器的光 輸出相對于電流特性對溫度的依賴性很強，且輸出隨著激光器的老化而降低，所以一 個基于監控光電二極管反饋的自動光功率控制電路是很必要的。這個監控光電二極管 產生一個與激光器發射的光輸出功率成比例的輸出電流，它與溫度及老化程度的關系 很小。
目前系統中常見的自動平均光功率控制有兩種途徑來實現。第一，控制激光器的 偏置電流，使其自動跟蹤閾值的變化，從而使激光器總是偏置在最佳工作狀態；第二， 控制激光器調制脈沖電流幅度，使其自動跟蹤外微分量子效率的變化，從而保持輸出 光脈沖信號的幅度不變。
發明內容
本發明的目的在于提供一種新的用于突發式光發射模塊的自動平均光功率控制系 統，遠遠滿足EPON突發系統的需要。
為了要完成上述目的，本發明提供的自動平均光功率控制系統包括
偏置電流控制模塊，用以產生和輸出偏置電流，其中根據數字信號處理模塊的輸
出決定偏置電流的大小；
激光器，接收調制電流和所述偏置電流控制模塊產生的偏置電流，并根據所述調 制電流和所述偏置電流產生對應強度的光信號，并發射光信號；
背光二極管，監測激光器發射信號的強度，產生對應的監測電流，將該監測電流 輸出至模擬信號處理模塊；
模擬信號處理模塊，用以對監測電流進行處理，產生并輸出狀態信號Sl和S0， 所述Sl和S0表征此時偏置電流是否合適；
數字信號處理模塊，接收所述模擬信號處理模塊輸出的狀態信號S1和S0，根據 S1和S0產生控制信號，并將該控制信號輸出至偏置電流控制模塊，以控制偏置電流
的大小。
其中，所述偏置電流控制模塊還用以確定最大偏置電流輸出范圍。
其中，所述偏置電流控制模塊根據突發使能信號的控制，能夠快速關斷和打開偏
置電流。
其中，所述數字信號處理模塊在激光器失效或無法調節偏置電流時，能夠輸出失
效信號FAIL。
本發明提出的自動平均光功率控制系統具有以下優點
第一，該自動平均光功率控制電路能夠快速穩定激光器的消光比；
第二，能夠設置最大偏置電流；
第三，能夠快速響應突發使能信號，滿足突發系統需要； 第四，激光器失效時，能夠輸出失效標志信號。
圖1突發式光發射模塊的原理框圖； 圖2本發明的自動平均光功率控制系統框圖； 圖3突發使能信號快速控制偏置電流的輸出； 圖4模擬信號處理模塊的輸入輸出的關系； 圖5 DSP調整過程。
具體實施例方式
下面將結合附圖介紹本發明的具體實施方式
。
本發明提出的自動平均光功率控制系統的主要原理是控制激光器的偏置電流，從 而使激光器輸出較為恒定的消光比。該自動平均光功率控制系統的框圖如圖2所示， 其包括偏置電流控制模塊10，模擬信號處理模塊40，數字信號處理模塊50，激光器 60，背光二極管70。
其中的偏置電流控制模塊IO包括
基準電流產生電路20 ，具有運算放大器201、PMOS管203和下拉電阻202 。 運算放大器201的正相輸入端接帶隙基準電壓Vref，運算放大器201的輸出端和 PMOS管203的柵極相接，PMOS管203的漏極和運算放大器201的反相輸入端相 接，形成負反饋，得到與溫度無關的基準電流Iref-Vremibias;下拉電阻202連接在 PMOS管203的漏極和地之間，其電阻值為Rbias。
偏置電流輸出電路30 ，具有PMOS管301，NMOS管302，8個NMOS管303 、
306、 ......、 308 (圖2中僅顯示了其中的3個NMOS管，即303、 306和308)， 8個
模擬開關304 、 305、……、307 (圖2中僅顯示了其中的3個模擬開關，即304、 305和307)， PMOS管309、模擬開關310 、 PMOS311、三極管312、三極管313。 其中，PMOS管301和PMOS管203共柵，PMOS 301得到與溫度無關的基準電流， PMOS 301和NMOS管302串聯，也為偏置電流輸出電路30提供了與溫度無關的 偏置電流。8個NMOS管303 、 306 、……、308與NMOS 302共柵形成電流鏡， 模擬開關304 、 305、……、307分別串聯在NMOS 303、 306、……、308形成的電 流鏡支路中，這些模擬開關由數字信號處理模塊50提供的輸出K(7:0)分別進行控制; PMOS管309匯集了這些電流鏡支路中的電流，PMOS管309的柵漏極相連，通過 電流鏡映射到PMOS311 ，模擬開關310被連接在PMOS309和PMOS311的柵極
連線上，這個模擬開關由突發使能信號ben控制；PMOS 311和三極管312串聯連 接，三極管312的集電極和基極相連，三極管313和三極管312共基極，同時三極 管313的發射極面積是三極管312的N倍，三極管313的集電極電流就是偏置電 流輸出電路30的輸出信號，這個電流被送入激光器60 。
分析偏置電流輸出電路30 ，由PMOS301映射了基準電流產生電路20的輸出 Iref， NMOS 303到NMOS 308之間一共有8條電流鏡支路，這8個支路的電流是等 比映射增加的，例如第一條支路電流大小是I，則第二條支路電流大小是2*1，以此類 推，第八條支路電流大小是128*1。當DSP模塊50的輸出K(7:0)輸出為"11111111" 時，也就是說這些模擬開關全部連通時，可以得到最大的輸出偏置電流Ibias_max的 表達式如下
Ibias—max=7Vx^x (1+2+4+8+16+32+64+128) 二255x7Vx！ N:三極管313和三極管312的發射極面積映射關系
從表達式分析，最大偏置電流主要由Rbias決定。通過DSP模塊控制K (7: 0) 的輸出，可以在OmA——Ibias—max范圍內改變輸出Ibias的大小。
連接在PMOS 309和PMOS311柵極之間的ben信號是系統工作在突發模式時給 出的突發使能信號，當ben信號始終為低電平時，此時系統相當于工作在連續模式， 當ben信號在高電平和低電平之間反復變化時，此時系統工作在突發模式。通過ben 控制電流鏡的柵極上的模擬開關310 ，可以迅速的打開和關斷輸出偏置電流。只要模 擬開關速度滿足要求，也就能夠實現在較短的時間內打開和關斷偏置電流。
圖3顯示了突發使能信號ben控制Ibias的波形。從仿真結果顯示，不論是打開還 是關斷，均可以在較短的時間內完成。
參照附圖2，自動平均光功率控制系統中的模擬信號處理模塊40包括連接在背 光二極管70和地之間的采樣電阻401，電阻402和電容403組成濾波網絡，該濾 波網絡的輸出Vt被同時連接到比較器407和比較器404的一個輸入端，帶隙運算放 大器406的兩個輸出分別接到比較器407和比較器404的另外一個輸入端，比較器 407的輸出連接到輸出緩沖408的輸入端，比較器404的輸出連接到輸出緩沖405 的輸入端，輸出緩沖408的輸出Sl和輸出緩沖405的輸出S0作為模擬信號處理 模塊40的輸出被傳輸到數字信號處理模塊50。
分析模擬信號處理模塊40，偏置電流Ibias和調制電流Imod傳送到激光器60 ，
背光二極管70監測激光器60中的電流的大小，模擬信號處理模塊40的輸入是背 光二極管70輸出的電流Imd。對于特定的激光器60來說，背光二極管70中電流 Imd的大小和激光器60中電流的大小存在一定的比例關系。Imd在電阻401上產生 電壓Vt，將此電壓經過電阻402和電容402的濾波網絡后，Vt被同時送到兩個精度 較高的比較器407和404的輸入端。這兩個比較器的另外一端的輸入電壓由運算放 大器406產生兩個電壓，分別是Vref+V和Vref-V，此處V的大小決定了被比較的電 壓的窗口的大小。
從圖4的仿真結果可以看出，當V的取值較大時，系統更容易快速穩定，輸出光 功率在一個較大的范圍內變化時被認為是穩定的，當V的取值較小時，系統雖然需要 花更長的時間穩定，但是激光器60的光功率可變化的范圍縮小，提高了輸出光功率 的精度。
模擬信號處理模塊40的輸出為Sl和S0，輸入Vref+V和Vref-V和輸出S (1: 0)之間的關系是這樣的當VPVref+V， S0為高電平"1";當Vt<Vref+V， SO為低 電平"0";當Vt>Vref-V， SI為高電平"1";當Vt<Vref-V， SI為低電平"0"。
根據上面的輸入輸出關系，列表如下:
輸入VT輸出SI輸出so現象
Vt>Vref+V; Vt〉Vref國V11光功率偏大
Vt<Vref+V; Vt>Vref-V10光功率合適
Vt<Vref+V; Vt<Vref-V00光功率偏小
模擬信號處理模塊40將Imd的大小轉換為了數字形態，S(l:O)的輸出狀態可以 表現Imd的大小，從而反應了激光器中光功率的大小。
參照附圖2，自動平均光功率控制系統中的數字信號處理模塊50 ，是一個數字 模塊，由硬件描述語言完成，rst是DSP模塊50的內部寄存器復位信號，CLK是 DSP模塊50的內部時鐘信號，ben是輸入DSP模塊的突發使能信號，其與偏置電流 輸出電路30中的ben信號相同。這個模塊采樣模擬信號處理模塊40的輸出信號 S(1:0)，采用有效的算法，完成環路的自動功率控制，提供合適的輸出K (7:0)，這個 輸出控制偏置電流輸出電路30的8個模擬開關，維持激光器消光比在一個比較穩定 的范圍之內。同時，針對突發模式，當突發使能信號ben有效時(即ben信號處于在 高電平和低電平之間反復變化的狀態，并當其為低電平時)，數字信號處理模塊50可
以快速調用上一次突發周期的輸出狀態K(7:0)，及時響應突發模式的系統應用需要。 另外，在激光器失效或無法調節偏置電流時，數字信號處理模塊50能夠輸出失效信 號FAIL。
數字信號處理模塊50提供了一個外部復位信號en，當en信號有效的時候，整個 環路將關斷偏置電流Ibias的輸出，同時數字信號處理模塊50會存儲關斷以前K(7:0) 的狀態，等到下次自動功率控制環路工作時，可以迅速恢復光功率。通過迅速有效的 査找算法，同時通過確定Rbias的阻值和窗口 V的大小，另外采用較快的時鐘頻率 CLK，都可以在較短的時間內達到系統的穩定。
當偏置電流在0—lbias—max范圍內都沒有找到合適的偏置電流，也就是S(1:0)的 狀態始終不能為"10"時，則輸出失效標志信號FAIL，此時應該考慮調整Rbias阻值 的大小，改變輸出偏置電流的范圍，或者激光器已經老化失效，自動功率控制已經不 再有效。
在突發模式下，系統要求在突發使能信號ben為"1"的時候，偏置電流和調制電 流全部關斷，在突發使能信號ben為"0"的時候，激光器能迅速打開偏置電流和調制 電流，同時能保持較為恒定的光功率。
因為在模擬信號處理模塊40的處理過程中有一定的時延，因此DSP采樣S(1:0) 也需要經過一定的等待時間，具體需要等待多久的時間，需要計算模擬信號延遲時間， 然后根據輸入的clk的頻率，計算需要等待的周期，使DSP模塊50和模擬信號處理 模塊40之間匹配。
圖5中顯示了 DSP的調整過程，設定了最小的突發有效周期，圖中顯示，在第三 個突發有效周期后即約1.9uS的時間時，Ibias趨于穩定，輸出可較為合適的偏置電流， 同時在系統趨于穩定以后，如果有突發信號，系統可以快速輸出合適的偏置電流，并 保持比較穩定的消光比。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明精神和原 則之內所做的任何修改、等同替換和改進等，均包含于本發明的保護范圍之內。
權利要求
1、一種自動平均光功率控制系統，其特征在于該系統包括偏置電流控制模塊，用以產生和輸出偏置電流，其中根據數字信號處理模塊的輸出決定偏置電流的大小；激光器，接收調制電流和所述偏置電流控制模塊產生的偏置電流，并根據所述調制電流和所述偏置電流產生對應強度的光信號，并發射光信號；背光二極管，監測激光器發射信號的強度，產生對應的監測電流，將該監測電流輸出至模擬信號處理模塊；模擬信號處理模塊，用以對監測電流進行處理，產生并輸出狀態信號S1和S0，所述S1和S0表征此時偏置電流是否合適；數字信號處理模塊，接收所述模擬信號處理模塊輸出的狀態信號S1和S0，根據S1和S0產生控制信號，并將該控制信號輸出至偏置電流控制模塊，以控制偏置電流的大小。
2、 如權利要求l所述的系統，其特征在于所述偏置電流控制模塊還用以確定最 大偏置電流輸出范圍。
3、 如權利要求1或2所述的系統，其特征在于所述偏置電流控制模塊根據突發使能信號的控制，能夠快速關斷和打開偏置電流。
4、 如權利要求1一3中任一項所述的系統，其特征在于所述數字信號處理模塊在激光器失效或無法調節偏置電流時，能夠輸出失效信號FAIL。
5、 如權利要求1一4中任一項所述的系統，其特征在于所述偏置電流控制模塊包括基準電流產生電路，用以產生基準電流Iref，并輸出至偏置電流輸出電路； 偏置電流輸出電路，根據基準電流Iref產生偏置電流，并輸出至激光器。
6、 如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述基準電流產生電路包括運算放大 器、第一PMOS管和下拉電阻；其中，運算放大器的正相輸入端接帶隙基準電壓Vref，運算放大器的輸出端和 第一 PM0S管的柵極相接，第一PMOS管的漏極和運算放大器的反相輸入端相接，形成 負反饋，得到與溫度無關的基準電流Irefiref/Rbias;下拉電阻連接在第一 PM0S管 的漏極和地之間，其電阻值為Rbias。
7、 如權利要求5或6所述的系統，其特征在于，所述偏置電流輸出電路包括第 二PM0S管，第一NMOS管，8個第二NM0S管，8個第一模擬開關，第三PM0S管、第 二模擬開關、第四PM0S管、第一三極管、第二三極管；其中，第二 PM0S管和第一 PM0S管共柵，第二PMOS得到與溫度無關的基準電流， 第二 PM0S和第一 剛0S管串聯，也為偏置電流輸出電路提供了與溫度無關的偏置電流； 8個第二醒0S管與第醒0S管共柵形成電流鏡，8個第一模擬開關分別串聯在8個第 二麗0S形成的電流鏡支路中，這些模擬開關由數字信號處理模塊輸出的控制信號K0、 Kl、……、K7分別進行控制；第三PM0S管匯集了這些電流鏡支路中的電流，第三PM0S 管的柵漏極相連，通過電流鏡映射到第四PMOS ，第二模擬開關被連接在第三PM0S管 和第四PMOS管的柵極連線上，這個模擬開關由突發使能信號控制，通過控制該第二模 擬開關，能夠迅速關斷和打開偏置電流；第四PM0S管和第一三極管串聯連接，第一 三極管的集電極和基極相連，第二三極管和第一三極管共基極，同時第二三極管的發 射極面積是第一三極管的發射極面積的N倍，第二三極管的集電極電流就是偏置電流 輸出電路的輸出信號，即偏置電流，該偏置電流被送入激光器。
8、 如權利要求7所述的系統，其特征在于，所述偏置電流控制模塊通過以下方式 確定最大偏置電流偏置電流輸出電路中的第二 PM0S管映射了基準電流產生電路輸出的基準電流 Iref， 8個第二NM0S管之間一共有8條電流鏡支路，這8個支路的電流是等比映射增 加的，即第一條支路電流大小是I，第二條支路電流大小是MI，以此類推，第八條支 路電流大小是n7*I，其中n為大于1的自然數；當數字信號處理模塊輸出的控制信號 K0、 Kl、……、K7為"11111111"時，也就是說這些模擬開關全部連通時，得到最大 的偏置電流Ibias—max，其表達式如下
9、如權利要求l一8中任一項所述的系統，其特征在于所述模擬信號處理模塊包括連接在背光二極管和地之間的采樣電阻R,，監測電流在該采樣電阻上產生電壓Vt;電阻Rt和電容組成的濾波網絡，電壓Vt經過該濾波網絡后被同時送到第一比較 器和第二比較器的一個輸入端，帶隙運算放大器的兩個輸出分別接到第一比較器和第+ n7*I) 二比較器的另外一個輸入端，第一比較器的輸出連接到第一輸出緩沖的輸入端，第二 比較器的輸出連接到第二輸出緩沖的輸入端，第一輸出緩沖的輸出Sl和第二輸出緩 沖的輸出SO作為模擬信號處理模塊的輸出被傳輸到數字信號處理模塊。
10、如權利要求1一9中任一項所述的系統，其特征在于，所述數字信號處理模塊 提供了一個外部復位信號en，當en信號有效的時候，.整個環路將關斷偏置電流的輸 出，同時數字信號處理模塊會存儲關斷以前控制信號的狀態，等到下次自動功率控制 環路工作時，能夠迅速恢復光功率。
全文摘要
本發明涉及一種自動平均光功率控制系統，該系統包括偏置電流控制模塊、激光器、背光二極管、模擬信號處理模塊、數字信號處理模塊；所述偏置電流控制模塊進一步包括基準電流產生電路和偏置電流輸出電路。該自動平均光功率控制系統的主要原理是控制激光器的偏置電流，該系統可以使激光器輸出較為恒定的消光比，能夠在很短的時間內迅速打開和關斷偏置電流和調制電流，可設置激光器的最大偏置電流的范圍，并且在激光器失效時，可輸出激光器失效標志信號。
文檔編號H04B10/17GK101350676SQ20081011932
公開日2009年1月21日 申請日期2008年9月3日 優先權日2008年9月3日
發明者吳振東, 華 周, 王麗芳, 湘 蔣, 偉 陳 申請人:烽火通信科技股份有限公司