CN109687904B - 一种短距离激光通信发射光功率校准装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短距离激光通信发射光功率校准装置及校准方法，改装置包括控制器、激光驱动集成电路和二极管组件，所述控制器与所述激光驱动集成电路连接，所述激光驱动集成电路与所述二极管组件双线连接。本发明实施例提供的一种短距离激光通信发射光功率校准装置及校准方法，整个校准过程不需要光功率计，也不需要改变发射端和接收端的连接，能够实现光功率校准，且不影响生产效率。

Description

一种短距离激光通信发射光功率校准装置及校准方法

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种短距离激光通信发射光功率校准装置及校准方法。

背景技术

在激光通信系统中，广泛使用半导体激光二极管作为激光发射元件。激光二极管具有阈值电流特性，当驱动电流大于阈值电流才能发出持续稳定的激光，驱动电流在低于阈值电流到高于阈值电流转换时，激光输出是有一定延迟的。因此高速数据通信中，激光二极管电流都高于阈值电流，避免从无光输出到有光输出的延迟。高于阈值电流时，在一定范围内光功率与驱动电流近似为线性关系。逻辑1和逻辑0对应不同的光功率，例如激光驱动器接收到电信号中逻辑1，以较大的电流驱动激光二极管，此时发出的光功率较大，设为P1，接收到电信号的逻辑0时，以较小的电流驱动，此时发出的光功率较小，设为P0，这两个电流值都需要大于阈值电流。激光平均功率定义为：

P1与P0的比值定义为消光比：

高于阈值电流时，由驱动电流变化量导致的光功率变化量对于此驱动电流变化量之比定义为斜率效率：

为了可靠通信，需要保持平均功率和消光比稳定。由于同一型号激光二极管的阈值电流和斜率效率有一些差别。因此激光通信设备出厂前都会进行发射的光功率校准，使设备的激光二极管输出光功率达到某一水平。激光发射器做成一个组件，包含激光二极管和监控二极管，监控二极管是一个光电二极管，输出一个近似正比于光功率的电流，用此电流作闭环控制。

在本发明中应用场景中，是位于设备内部的激光通信系统，通常是为了设备内部两部分电路实现电气隔离，此应用距离很短，典型情况光纤长度小于100mm，而接收端通常具有高灵敏度。对具体的平均光功率值适应范围大。

现有方案使用光功率计测量激光器的输出光功率，通过一定的校准程序，根据光功率计测量值与目标值比较，得出被校准设备的给定值，然后固化在被校设备中。

现有方案虽然可靠的，然而对于短距离的设备内或PCB上的隔离光通信而言，由于距离短，光路在设备内，所需激光功率不需太高且不需很准确。现有方案需要将设备的发送和接收端之间的光纤断开，用另外的光纤将发射端连接到外部的光功率计，校准完成后需要移除发射端与光功率计的连接，并复原发射端与接收端的光纤连接。这些操作是影响生产效率的。

发明内容

本发明提供一种短距离激光通信发射光功率校准装置及校准方法，以解决现有技术的不足。

为实现上述目的，本发明提供以下的技术方案：

第一方面，本发明实施例提供一种短距离激光通信发射光功率校准装置，包括控制器、激光驱动集成电路和二极管组件，所述控制器与所述激光驱动集成电路连接，所述激光驱动集成电路与所述二极管组件双线连接。

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准装置中，所述控制器包括控制芯片和非易失性存储器。

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准装置中，所述非易失性存储器集成到所述控制芯片内。

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准装置中，所述控制芯片为MCU、DSP、FPGA或CPU。

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准装置中，所述激光驱动集成电路包括数字控制接口、平均功率设置寄存器、消光比设置寄存器、激光二极管偏置电流寄存器、激光二极管调制电流寄存器、监控二极管峰值寄存器和监控二极管谷值寄存器。

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准装置中，所述控制器的引脚与所述激光驱动集成电路的所述数字控制接口连接。

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准装置中，所述二极管组件包括激光二极管和监控二极管。

第二方面，本发明实施例提供一种短距离激光通信发射光功率校准方法，采用上述第一方面所述的短距离激光通信发射光功率校准装置执行，所述方法包括：

在校准模式下，所述控制器输出多个不同的平均光功率设置值至所述激光驱动集成电路，并从所述监控二极管峰值寄存器、监控二极管谷值寄存器、激光二极管偏置电流寄存器和激光二极管调制电流寄存器中分别读取与所述平均光功率设置值对应的光功率峰值、光功率谷值、偏置电流值和调制电流值；

所述控制器根据所述光功率峰值和光功率谷值计算得到与所述平均光功率设置值对应的平均光功率值，且根据所述偏置电流值和调制电流值计算得到与所述平均光功率设置值对应的平均电流值；

所述控制器将与所述平均光功率设置值对应的平均光功率值和平均电流值进行线性拟合，得到所述激光二极管的阈值电流和斜率效率；

所述控制器获取所述激光二极管的驱动电流值；

所述控制器根据所述驱动电流值、阈值电流和斜率效率计算得到所述激光驱动集成电路的平均光功率控制值，并将所述平均光功率控制值固化到所述非易失性存储器中；

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准方法中，在所述在校准模式下，所述控制器输出多个不同的平均光功率设置值至所述激光驱动集成电路，并从所述监控二极管峰值寄存器、监控二极管谷值寄存器、激光二极管偏置电流寄存器和激光二极管调制电流寄存器中分别读取与所述平均光功率设置值对应的光功率峰值、光功率谷值、偏置电流值和调制电流值的步骤之前，还包括：

所述控制器接收校准命令，进入校准模式。

进一步地，所述短距离激光通信发射光功率校准方法中，在所述控制器根据所述驱动电流值、阈值电流和斜率效率计算得到所述激光驱动集成电路的平均光功率控制值，并将所述平均光功率控制值固化到所述非易失性存储器中的步骤之后，还包括：

所述控制器接收工作命令，进入工作模式；

在工作模式下，控制器从所述非易失性存储器中读取所述平均光功率控制值，并配置到所述激光驱动集成电路，使得所述激光驱动集成电路根据所述平均光功率控制值自动闭环工作。

本发明实施例提供的一种短距离激光通信发射光功率校准装置及校准方法，整个校准过程不需要光功率计，也不需要改变发射端和接收端的连接，能够实现光功率校准，且不影响生产效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例一提供的短距离激光通信发射光功率校准装置的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的短距离激光通信发射光功率校准装置的校准流程示意图；

图3是本发明实施例二提供的短距离激光通信发射光功率校准方法的流程示意图。

附图标记：

控制器100，激光驱动集成电路200，二极管组件300。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

请参阅附图1，为本发明实施例一提供的一种短距离激光通信发射光功率校准装置的结构示意图，该装置具体包括：

控制器100、激光驱动集成电路200和二极管组件300，所述控制器100与所述激光驱动集成电路200连接，所述激光驱动集成电路200与所述二极管组件300双线连接。

优选的，所述控制器100包括控制芯片和非易失性存储器，或者是集成了所述非易失性存储器的控制芯片。

示例性的，所述控制芯片可以为MCU、DSP、FPGA或CPU。

优选的，所述激光驱动集成电路200包括数字控制接口、平均功率设置寄存器、消光比设置寄存器、激光二极管偏置电流寄存器、激光二极管调制电流寄存器、监控二极管峰值寄存器和监控二极管谷值寄存器。

所述控制器100的引脚与所述激光驱动集成电路200的所述数字控制接口连接。

所述二极管组件300包括激光二极管和监控二极管。

在本发明实施例中，具体的，激光驱动集成电路200具有平均功率和消光比闭环控制功能，具有数字控制接口。具有平均功率设置寄存器，设为SET_APC；消光比设置寄存器，设为SET_ER；激光二极管偏置电流寄存器，设为BIASREG；激光二极管调制电流寄存器，设为MODREG；监控二极管峰值寄存器MD1REG；监控二极管谷值寄存器MD0REG。

该激光驱动集成电路200将监控二极管电流放大转为电压信号，然后通过内部ADC转为数字信号，将激光二极管峰值功率P1对应的监控二极管电流转换到的数字信号存于MD1REG，将激光二极管谷值功率P0对应的监控二极管电流转换到的数字信号存于MD0REG，MD1REG和MD0REG的值反映了激光功率水平，激光驱动集成电路200将MD1REG和MD0REG两者平均值与设定的SET_APC值比较，MD1REG和MD0REG两者平均值偏大说明平均光功率偏大，激光驱动集成电路200降低输出给激光二极管的偏置电流，若MD1REG和MD0REG两者平均值偏小说明平均光功率偏小，激光驱动集成电路200增加输出给激光二极管的偏置电流，通过闭环控制维持平均光功率稳定。

另一方面，激光驱动集成电路200将MD1REG除以MD0REG的商与设定的SET_ER值比较，商偏大说明消光比偏大，激光驱动集成电路200降低输出给激光二极管的调制电流，商偏小说明消光比偏小，激光驱动集成电路200增加输出给激光二极管的调制电流，通过闭环控制维持消光比稳定。

上述寄存器可通过该激光驱动集成电路200的数字通信接口写入或读取。

示例性的，该激光驱动集成电路200可选用MAX3711低抖动的激光二极管驱动器及其配合电路。

控制器引脚与激光驱动集成电路200的数字控制接口连接，实现工作配置或校准控制。由控制芯片及若干必要外围电路组成。

校准时，如图2所示，通过手动设置控制芯片某个引脚状态或通过通讯接口发送命令让控制芯片进入校准模式。控制芯片通过数字控制接口依次写入多个不同的代表平均功率的参数到SET_APC，而SET_ER写入一个固定值，在每个SET_APC下，延时一定时间让激光驱动集成电路200控制环路稳定后，控制芯片通过数字控制接口读取MD1REG、MD0REG、BIASREG、MODREG的值。这一步完成后，根据每个SET_APC获得的MD1REG、MD0REG、BIASREG、MODREG的值计算每个SET_APC下MD1REG和MD0REG两者平均值和驱动电流平均值。将不同SET_APC下的MD1REG和MD0REG两者平均值和驱动电流平均值做线性拟合，得到MD1REG和MD0REG两者平均值和驱动电流平均值的关系式。

事先根据激光发射组件的规格书或测量一批若干个组件的光功率与驱动电流的关系，得到一个平均驱动电流增量目标值(平均驱动电流增量为实际流过二极管电流减去此温度下二极管的阈值电流)。

根据已知的平均驱动电流目标值，以及计算得到的MD1REG和MD0REG两者平均值和驱动电流平均值的关系式运算得到正常工作时SET_APC的设置值，具体计算如下步骤所示：

设MD1REG和MD0REG两者平均值为MDAVG，则：

设驱动电流平均值为IAVG，根据所用的激光驱动集成电路200有以下关系：

根据不同SET_APC的设置值下得到一系列一一对应的MDAVG和IAVG，然后控制芯片作线性拟合得到以下关系式：

MD_AVG＝α×I_AVG+β；

可得到校准过程温度下的阈值电流Ith为：

根据所用的激光驱动集成电路200，闭环控制稳定后MDAVG和SET_APC的设置值有以下关系：

已知的平均驱动电流增量目标值Id，控制芯片以下式计算出目标SET_APC的设置值set_apc：

set_apc＝k×[α×(I_th+I_d)+β]；

得到的set_apc即为最终校准输出参数，控制芯片将其写入到非易失性存储器中，校准完成。

在正常工作模式，控制芯片读取非易失性存储器中存储的SET_APC的设置值set_apc通过数据控制接口写入到激光驱动集成电路200的SET_APC寄存器。激光驱动集成电路200以该值为目标闭环控制。

本发明实施例提供的一种短距离激光通信发射光功率校准装置，整个校准过程不需要光功率计，也不需要改变发射端和接收端的连接，能够实现光功率校准，且不影响生产效率。

实施例二

如图3所示，本发明实施例提供一种短距离激光通信发射光功率校准方法，采用上述实施例一所述的短距离激光通信发射光功率校准装置执行，所述方法具体包括如下步骤：

S301、在校准模式下，所述控制器输出多个不同的平均光功率设置值至所述激光驱动集成电路，并从所述监控二极管峰值寄存器、监控二极管谷值寄存器、激光二极管偏置电流寄存器和激光二极管调制电流寄存器中分别读取与所述平均光功率设置值对应的光功率峰值、光功率谷值、偏置电流值和调制电流值；

S302、所述控制器根据所述光功率峰值和光功率谷值计算得到与所述平均光功率设置值对应的平均光功率值，且根据所述偏置电流值和调制电流值计算得到与所述平均光功率设置值对应的平均电流值；

S303、所述控制器将与所述平均光功率设置值对应的平均光功率值和平均电流值进行线性拟合，得到所述激光二极管的阈值电流和斜率效率；

S304、所述控制器获取所述激光二极管的驱动电流值；

S305、所述控制器根据所述驱动电流值、阈值电流和斜率效率计算得到所述激光驱动集成电路的平均光功率控制值，并将所述平均光功率控制值固化到所述非易失性存储器中；

优选的，在所述在校准模式下，所述控制器输出多个不同的平均光功率设置值至所述激光驱动集成电路，并从所述监控二极管峰值寄存器、监控二极管谷值寄存器、激光二极管偏置电流寄存器和激光二极管调制电流寄存器中分别读取与所述平均光功率设置值对应的光功率峰值、光功率谷值、偏置电流值和调制电流值的步骤之前，还包括：

所述控制器接收校准命令，进入校准模式。

优选的，在所述控制器根据所述驱动电流值、阈值电流和斜率效率计算得到所述激光驱动集成电路的平均光功率控制值，并将所述平均光功率控制值固化到所述非易失性存储器中的步骤之后，还包括：

所述控制器接收工作命令，进入工作模式；

在工作模式下，控制器从所述非易失性存储器中读取所述平均光功率控制值，并配置到所述激光驱动集成电路，使得所述激光驱动集成电路根据所述平均光功率控制值自动闭环工作。

本发明实施例提供的一种短距离激光通信发射光功率校准方法，整个校准过程不需要光功率计，也不需要改变发射端和接收端的连接，能够实现光功率校准，且不影响生产效率。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种短距离激光通信发射光功率校准装置，其特征在于，包括控制器、激光驱动集成电路和二极管组件，所述控制器与所述激光驱动集成电路连接，所述激光驱动集成电路与所述二极管组件双线连接；

所述激光驱动集成电路包括数字控制接口、平均功率设置寄存器、消光比设置寄存器、激光二极管偏置电流寄存器、激光二极管调制电流寄存器、监控二极管峰值寄存器和监控二极管谷值寄存器；

所述监控二极管峰值寄存器、监控二极管谷值寄存器、激光二极管偏置电流寄存器和激光二极管调制电流寄存器中分别存储有与所述控制器输出给所述激光驱动集成电路的平均光功率设置值对应的光功率峰值、光功率谷值、偏置电流值和调制电流值。

2.根据权利要求1所述的短距离激光通信发射光功率校准装置，其特征在于，所述控制器包括控制芯片和非易失性存储器。

3.根据权利要求2所述的短距离激光通信发射光功率校准装置，其特征在于，所述非易失性存储器集成到所述控制芯片内。

4.根据权利要求3所述的短距离激光通信发射光功率校准装置，其特征在于，所述控制芯片为MCU、DSP、FPGA或CPU。

5.根据权利要求3所述的短距离激光通信发射光功率校准装置，其特征在于，所述控制器的引脚与所述激光驱动集成电路的所述数字控制接口连接。

6.根据权利要求1所述的短距离激光通信发射光功率校准装置，其特征在于，所述二极管组件包括激光二极管和监控二极管。

7.一种短距离激光通信发射光功率校准方法，采用权利要求1-6任一项所述的短距离激光通信发射光功率校准装置执行，其特征在于，所述方法包括：

在校准模式下，所述控制器输出多个不同的平均光功率设置值至所述激光驱动集成电路，并从所述监控二极管峰值寄存器、监控二极管谷值寄存器、激光二极管偏置电流寄存器和激光二极管调制电流寄存器中分别读取与所述平均光功率设置值对应的光功率峰值、光功率谷值、偏置电流值和调制电流值；

所述控制器根据所述光功率峰值和光功率谷值计算得到与所述平均光功率设置值对应的平均光功率值，且根据所述偏置电流值和调制电流值计算得到与所述平均光功率设置值对应的平均电流值；

所述控制器将与所述平均光功率设置值对应的平均光功率值和平均电流值进行线性拟合，得到所述激光二极管的阈值电流和斜率效率；

所述控制器获取所述激光二极管的驱动电流值；

所述控制器根据所述驱动电流值、阈值电流和斜率效率计算得到所述激光驱动集成电路的平均光功率控制值，并将所述平均光功率控制值固化到所述非易失性存储器中。

8.根据权利要求7所述的短距离激光通信发射光功率校准方法，其特征在于，在所述在校准模式下，所述控制器输出多个不同的平均光功率设置值至所述激光驱动集成电路，并从所述监控二极管峰值寄存器、监控二极管谷值寄存器、激光二极管偏置电流寄存器和激光二极管调制电流寄存器中分别读取与所述平均光功率设置值对应的光功率峰值、光功率谷值、偏置电流值和调制电流值的步骤之前，还包括：

所述控制器接收校准命令，进入校准模式。

9.根据权利要求7所述的短距离激光通信发射光功率校准方法，其特征在于，在所述控制器根据所述驱动电流值、阈值电流和斜率效率计算得到所述激光驱动集成电路的平均光功率控制值，并将所述平均光功率控制值固化到所述非易失性存储器中的步骤之后，还包括：

所述控制器接收工作命令，进入工作模式；

在工作模式下，控制器从所述非易失性存储器中读取所述平均光功率控制值，并配置到所述激光驱动集成电路，使得所述激光驱动集成电路根据所述平均光功率控制值自动闭环工作。

Images