CN104393479B - 一种激光器全寿命期自适应状态控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器全寿命期自适应状态控制方法，包括以下步骤：参数设定步骤：（11）、检测激光器的饱和电流值Is；（12）、设置偏置电流的最大限值Imax；（13）、设置临界温度值Tth；自适应调节步骤：（21）、实时检测激光器工作电流I，以及激光器工作温度T；（22）、比较所述激光器工作电流I与偏置电流的最大限值Imax的大小关系，当I＜Imax时，开启APC电路；当I≥Imax时，比较所述激光器工作温度T与临界温度值Tth的大小关系，若T≥Tth，则关闭APC电路，启用非线性控制方法。本发明的控制方法，一方面克服了APC电路控制带来的对激光器整体性能约束的局限性，另外一方面挖掘了激光器的潜能，光功率可以做得更大。

Description

一种激光器全寿命期自适应状态控制方法

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体地说，是涉及一种激光器全寿命期自适应状态控制方法。

背景技术

光发送模块主要包括驱动电路单元、单片机控制电路单元、光组件、外部控制电路单元、电信号输入接口等几部分。驱动器（芯片）电路单元的作用是提供激光器的偏置电流和调制电流，从而实现数字信号的电/光转换。单片机控制电路单元的主要功能是对驱动芯片进行控制，以使激光器的输出光功率保持正常状态（即光功率输出在一定功率水平上并保持稳定）。为了使光功率输出在一定功率水平上并保持稳定，目前主要采用的，功率控制电路、激光器驱动器、激光器，形成负反馈环路来完成，从而使激光器输出光功率趋于固定值。模块的主要指标发射光功率P和消光比ER，主要由驱动芯片给激光器提供的偏置电流Ibias和调制电流Imod以及激光器的阈值电流Ith和P-I曲线的斜效率Se决定。在模块工作的环境温度发生变化时或者器件长期工作老化后，激光器的阈值电流和斜效率会发生变化，表现为阈值电流增加及斜效率降低，为了维持发光功率的相对恒定，模块给激光器施加的偏置电流Ibias和调制电流Imod就会增加，但是也不能一味的通过增大偏置电流的方式，因为激光器的工作状态在进入饱和区后，发光功率会随着偏置电流的增加而减小，偏置电流达到一定程度甚至会损坏激光器。

为了实现对激光器的保护，通常的做法是通过驱动器芯片设定偏置电流的最大限定值，使得该最大限定值小于饱和电流，如通过一个外接采样电阻来设定最大激光器偏置电流。由于激光器的性能存在个体差异，激光器的饱和电流也不尽相同，为了适应工业化生产需要，满足所有激光器的保护需求，一般会将最大限值设的较为保守，其值远低于实际饱和电流值，该种方式的缺陷是牺牲了激光器的整体性能，最大限值设置的过小，限制了激光器性能的充分发挥，当激光器工作电流达到限定值以后，控制电路会突然关闭APC电路，之后激光器的发光功率将不再受控，激光器工作于固定的偏置电流限定值，这样，随着激光器发热或环境温度的变化，激光器的发光功率随之变化，不能保证通信正常，而实际情况是很大一部分激光器完全可以再通过增加偏置电流的方式稳定发光功率，因为其最大限值到其饱和电流值之间还有一定的调节空间。

发明内容

本发明为了解决现有激光器不能充分在其全寿命期内工作的问题，提出了一种激光器全寿命期自适应状态控制方法，可以解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种激光器全寿命期自适应状态控制方法，包括以下步骤：

参数设定步骤：

（11）、检测激光器的饱和电流值Is；

（12）、设置偏置电流的最大限值Imax，其中Imax＜Is；

（13）、设置临界温度值Tth；

自适应调节步骤：

（21）、实时检测激光器工作电流I，以及激光器工作温度T；

（22）、比较所述激光器工作电流I与偏置电流的最大限值Imax的大小关系，当I＜Imax时，开启APC电路，由所述APC电路对激光器驱动电路进行控制；

当I≥Imax时，比较所述激光器工作温度T与临界温度值Tth的大小关系，若T≥Tth，则关闭APC电路，启用非线性控制方法，由控制单元直接控制所述激光器驱动电路。

进一步的，在所述步骤（22）中，当I≥Imax且T＜Tth时，若此时为APC电路对激光器驱动电路进行控制，则保持所述APC电路开启，仍然由所述APC电路对激光器驱动电路进行控制，若此时为非线性控制方法，则开启APC电路，切换为APC电路对激光器驱动电路进行控制。

又进一步的，所述步骤（22）中，所述APC电路对激光器驱动电路进行控制的方法为：

a1、PD光探测器检测激光器发射的光，并将光信号转换为电信号；

a2、放大电路将所述电信号进行放大处理，并发送至比较器进行比较，并将比较结果发送至激光机驱动电路；

a3、若所述电信号小于预设的阈值，则所述激光器驱动电路增加加载在所述激光器上的偏置电流，否则，减小加载在所述激光器上的偏置电流。

再进一步的，所述步骤（22）中，所述非线性控制方法为：

b1、实时监测当前激光器工作温度T；

b2、从查找表中查找当前激光器工作温度T下所对应的偏置电流Tb；

b3、控制激光器驱动电流以偏置电流Tb加载在所述激光器上。

更进一步的，所述步骤（11）中、检测激光器的饱和电流值Is的方法为：从能够开启激光器发光的阈值偏置电流Ith开始，以步长△I增加偏置电流值，并相应检测激光器发光的光功率，计算偏置电流每增加△I时对应的光功率增长率，当增长率等于零时，则当前的偏置电流值即为饱和电流值Is。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的激光器全寿命期自适应状态控制方法，通过参数设定步骤，检测激光器的饱和电流值Is；并根据饱和电流值Is设置偏置电流的最大限值Imax，不用再为了便于工业生产而统一设定成固定的最大限值，设置的限值因激光器而异，能够最大化的发挥激光器的性能，将APC电路控制与非线性控制相结合，根据激光器的工作状态选择合适的控制方式，一方面克服了APC电路控制带来的对激光器整体性能约束的局限性，另外一方面挖掘了激光器的潜能，光功率可以做得更大，工作寿命大大延长，产品的可靠性有了更大的提高，产品可以应用于更加恶劣的特种环境之中，可以使用普通商业级或者工业级规格的激光器开发出符合特殊需求的特种光模块产品。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所提出的激光器全寿命期自适应状态控制方法中激光器光功率与偏置电流的（P-I）关系曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对目前的激光器根据工业化生产需求，为了保护激光器件需要将偏置电流的最大限制设置的较小，进而牺牲激光器的整体性能，无法使激光器在其全寿命期内充分发挥其性能的问题，提出了一种激光器全寿命期自适应状态控制方法，给出了两种激光器的控制方式，本方法根据实时检测激光器工作电流I与其实际饱和电流的大小关系，自适应选择激光器的控制方式，能够完全充分发挥其寿命期内的工作性能，挖掘了激光器的潜能，光功率可以做得更大，延长工作在APC（自动功率控制）状态激光器的寿命，提高产品的环境适应能力。

实施例一，本实施例提出了一种激光器全寿命期自适应状态控制方法，包括以下步骤：

参数设定步骤：

S11、检测激光器的饱和电流值Is；

S12、设置偏置电流的最大限值Imax，其中Imax＜Is；

S13、设置临界温度值Tth；

自适应调节步骤：

S21、实时检测激光器工作电流I，以及激光器工作温度T；

S22、比较所述激光器工作电流I与偏置电流的最大限值Imax的大小关系，当I＜Imax时，开启APC电路，由所述APC电路对激光器驱动电路进行控制；

当I≥Imax时，比较所述激光器工作温度T与临界温度值Tth的大小关系，若T≥Tth，则关闭APC电路，启用非线性控制方法，由控制单元直接控制所述激光器驱动电路。

如图1所示，为激光器光功率与偏置电流的（P-I）关系曲线，其中，激光器的饱和电流值Is为指激光器所能输出的最大的光功率时所对应的偏置电流值，激光器的工作状态分自发发射区，受激发射线性工作区，饱和区。当给激光器施加的偏置电流小于阈值电流Ith时，激光器工作于自发发射区，当偏置电流大于阈值电流Ith小于饱和电流Is时，激光器工作在线性区，发光功率会随着偏置电流的增加而增大；在饱和区，发光功率会随着偏置电流的增加而减小。因此，目前激光器需要控制工作在线性区，由于激光器存在个体差异，其饱和电流值Is是不尽相同的，现有技术中的激光器一般同一型号的产品或者不同型号的产品均设为统一大小的偏置电流的最大限值，为了保证所有激光器的正常，一般偏置电流的最大限值设的较小，因此牺牲了很大一部分激光器的性能，也即，很多激光器在大于该最大限值的很大偏置电流区间内，仍然可以进行线性调制控制，但是，由于最大限值的约束，其偏置电流不能再超过该最大限值，因此，激光器就过早的到达寿命期限。本实施例的控制方法解决了上述问题，对每个激光器分别进行饱和电流值Is检测，并根据其饱和电流值Is设置偏置电流的最大限值Imax，设置的限值因激光器而异，其设置的偏置电流的最大限制Imax要较现有设置的值大一些，延长激光器的工作线性区间，能够最大化的发挥激光器的性能，将APC电路控制与非线性控制相结合，根据激光器的工作状态选择合适的控制方式，一方面克服了APC电路控制带来的对激光器整体性能约束的局限性，大于偏置电流的最大值电流不再绝对不能用于控制，考虑到温度参数进来，由于在Imax与Is之间的区间内，需要根据当前最影响激光器工作性能的是其环境温度原因还是其自身老化原因，若当前温度过高的话，温度的非线性影响做主导，因此采用非线性控制方法，若温度不是过高，则仍然是遵循P-I曲线，采用APC方法控制，挖掘了激光器的潜能，光功率可以做得更大，工作寿命大大延长，产品的可靠性有了更大的提高，产品可以应用于更加恶劣的特种环境之中，可以使用普通商业级或者工业级规格的激光器开发出符合特殊需求的特种光模块产品。

作为一个优选的实施例，在所述步骤S22中，当I≥Imax且T＜Tth时，若此时为APC电路对激光器驱动电路进行控制，则保持所述APC电路开启，仍然由所述APC电路对激光器驱动电路进行控制，若此时为非线性控制方法，则开启APC电路，切换为APC电路对激光器驱动电路进行控制。当前的激光器状态是即便是偏置电流超过了设定限值，如果当前温度还不至于高到作为影响激光器性能的主要因素，因为Imax到Is的电流区间内仍属于受激发射线性工作区，只不过功率随电流的增长率逐渐减小，但是仍然可以控制，所以继续采用APC电流控制，将激光器的功能发挥到最大。

在本实施例中，所述步骤S22中，所述APC电路对激光器驱动电路进行控制的方法为：

a1、PD光探测器检测激光器发射的光，并将光信号转换为电信号；

a2、放大电路将所述电信号进行放大处理，并发送至比较器进行比较，并将比较结果发送至激光机驱动电路；

a3、若所述电信号小于预设的阈值，则所述激光器驱动电路增加加载在所述激光器上的偏置电流，否则，减小加载在所述激光器上的偏置电流。

采用APC电路控制的核心就是反馈控制思想，功能的实现是通过激光器组件内的PD光探测器、光功率控制电路、激光器驱动器、激光器，形成负反馈环路来完成，从而使激光器输出光功率趋于固定值。其反馈控制基本过程是当LD的输出光功率降低，PD光电流减小，放大电路的输出端电位升高，则激光机驱动电路偏置电流增加，使得LD的输出光功率增加；相反则使LD的光功率减小，从而达到自动功率控制作用，使LD的输出光功率保持稳定。

在本实施例中，所述步骤S22中，所述非线性控制方法为：

b1、实时监测当前激光器工作温度T；

b2、从查找表中查找当前激光器工作温度T下所对应的偏置电流Tb；

b3、控制激光器驱动电流以偏置电流Tb加载在所述激光器上。

其中，所述查找表是激光器出厂前写入控制程序中的，实验检测激光器的工作温度与激光器不同工作温度T时所对应的偏置电流Tb以及此时的激光器的功率值，由于此时偏置电流与功率已经不再成线性关系，而温度成为影响功率的主要因素，因此，在已知目标功率以及检测到当前温度的情况下，通过查找表查找出当前应该调制的偏置电流值，弥补了APC电路线性控制的缺陷。

更进一步的，所述步骤S11中、检测激光器的饱和电流值Is的方法为：从能够开启激光器发光的阈值偏置电流Ith开始，以步长△I增加偏置电流值，并相应检测激光器发光的光功率，计算偏置电流每增加△I时对应的光功率增长率，当增长率等于零时，则当前的偏置电流值即为饱和电流值Is。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种激光器全寿命期自适应状态控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

参数设定步骤：

（11）、检测激光器的饱和电流值Is；

（12）、设置偏置电流的最大限值Imax，其中Imax＜Is；

（13）、设置临界温度值Tth；

自适应调节步骤：

（21）、实时检测激光器工作电流I，以及激光器工作温度T；

（22）、比较所述激光器工作电流I与偏置电流的最大限值Imax的大小关系，当I＜Imax时，开启APC电路，由所述APC电路对激光器驱动电路进行控制；

当I≥Imax时，比较所述激光器工作温度T与临界温度值Tth的大小关系，若T≥Tth，则关闭APC电路，启用非线性控制方法，由控制单元直接控制所述激光器驱动电路，

所述步骤（22）中，所述非线性控制方法为：

b1、实时监测当前激光器工作温度T；

b2、从查找表中查找当前激光器工作温度T下所对应的偏置电流Tb；

b3、控制激光器驱动电流以偏置电流Tb加载在所述激光器上。

2.根据权利要求1所述的激光器全寿命期自适应状态控制方法，其特征在于，在所述步骤（22）中，当I≥Imax且T＜Tth时，若此时为APC电路对激光器驱动电路进行控制，则保持所述APC电路开启，仍然由所述APC电路对激光器驱动电路进行控制，若此时为非线性控制方法，则开启APC电路，切换为APC电路对激光器驱动电路进行控制。

3.根据权利要求1或2所述的激光器全寿命期自适应状态控制方法，其特征在于，所述步骤（22）中，所述APC电路对激光器驱动电路进行控制的方法为：

a1、PD光探测器检测激光器发射的光，并将光信号转换为电信号；

a2、放大电路将所述电信号进行放大处理，并发送至比较器进行比较，并将比较结果发送至激光器驱动电路；

a3、若所述电信号小于预设的阈值，则所述激光器驱动电路增加加载在所述激光器上的偏置电流，否则，减小加载在所述激光器上的偏置电流。

4.根据权利要求1所述的激光器全寿命期自适应状态控制方法，其特征在于，所述步骤（11）中、检测激光器的饱和电流值Is的方法为：从能够开启激光器发光的阈值偏置电流Ith开始，以步长△I增加偏置电流值，并相应检测激光器发光的光功率，计算偏置电流每增加△I时对应的光功率增长率，当增长率等于零时，则当前的偏置电流值即为饱和电流值Is。