CN101377420A - 一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，其包括有微处理器(1)、光信号采集电路(2)、监控探测器(3)、磁光衰减器(4)、泵浦激光器驱动电路(5)、温度传感器(6)、衰减器驱动电路(7)、泵浦激光器(11)、波分复用器(12)、光纤环(13)、增益平坦滤波器(14)、光纤隔离器(15)；其中，泵浦激光器(11)、波分复用器(12)、光纤环(13)、增益平坦滤波器(14)、光纤隔离器(15)形成宽谱光纤光源的光路部分；磁光衰减器(4)、监控探测器(3)、微处理器(1)、泵浦激光器驱动电路(5)、衰减器驱动电路(7)、光信号采集电路(2)、温度传感器(6)形成宽谱光纤光源的信号采集处理部分。本发明所述的控制装置通过引入磁光衰减器，实现了平均波长与光功率两个参数的独立，同时控制，整个控制系统采用全数字方式，提高了宽谱光纤光源的平均波长和功率稳定性。

Description

一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源
技术领域
本发明涉及一种宽谱光纤光源，更特别地说，是指一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源。
背景技术
宽谱光纤光源是一种基于掺铒光纤中自发辐射放大原理的宽带光源。宽谱光纤光源具有温度稳定性好、谱线宽、输出功率高、使用寿命长等优点，在光传感，光通信和光测试等许多领域得到广泛应用；尤其作为高精度光纤陀螺的关键部件之一，需要考虑波长、时间相干性、功率和平均波长稳定性，工作温度范围等因素，因此对宽谱光纤光源的功率和波长稳定性有较高的要求。
目前，改善宽谱光纤光源的平均波长稳定性的措施大都集中在光路上，如通过仿真和实验获取优化结构和优化参数、通过光栅补偿、采用波长相关反射技术等。光路优化和补偿技术可一定程度上提高宽谱光纤光源的平均波长温度稳定性，但在宽的温度范围-45℃～+70℃，光源的输出不稳定。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，该宽谱光纤光源根据平均波长随温度变化的关系，通过改变泵浦驱动电流保证平均波长的稳定；同时通过监控探测器的输出，利用负反馈闭环控制原理调节衰减器的驱动电压，控制输出功率稳定性。本发明所述的控制装置通过引入磁光衰减器，实现了平均波长与光功率两个参数的独立，同时控制，整个控制系统采用全数字方式，提高了宽谱光纤光源的平均波长和功率稳定性。
本发明的一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，该宽谱光纤光源包括有微处理器(1)、光信号采集电路(2)、监控探测器(3)、磁光衰减器(4)、泵浦激光器驱动电路(5)、温度传感器(6)、衰减器驱动电路(7)、泵浦激光器(11)、波分复用器(12)、光纤环(13)、增益平坦滤波器(14)、光纤隔离器(15)；其中，泵浦激光器(11)、波分复用器(12)、光纤环(13)、增益平坦滤波器(14)、光纤隔离器(15)形成宽谱光纤光源的光路部分；磁光衰减器(4)、监控探测器(3)、微处理器(1)、泵浦激光器驱动电路(5)、衰减器驱动电路(7)、光信号采集电路(2)、温度传感器(6)形成宽谱光纤光源的信号采集处理部分。
泵浦激光器(11)的尾纤与波分复用器(12)的A端光纤熔接，波分复用器(12)的B端光纤与光纤环(13)的一端熔接，波分复用器(12)的C端光纤与增益平坦滤波器(14)的入纤熔接，增益平坦滤波器(14)的尾纤与光纤隔离器(15)的入纤熔接，光纤隔离器(15)的尾纤与磁光衰减器(4)的A端连接，光纤环(13)的另一端被磨斜成为光反射端；
磁光衰减器(4)的B端与监控探测器(3)的A端连接，磁光衰减器(4)的C端与衰减器驱动电路(7)连接，监控探测器(3)的B端作为光源输出端用，监控探测器(3)的C端与光信号采集电路(2)连接，微处理器(1)分别与光信号采集电路(2)、温度传感器(6)、泵浦激光器驱动电路(5)、衰减器驱动电路(7)连接；由温度传感器(6)采集的宽谱光纤光源在工作环境下的环境温度T，该环境温度T经微处理器(1)根据平均波长温度补偿算法，计算出用于驱动泵浦激光器驱动电路(5)的电压值f0，此电压值f0经泵浦激光器驱动电路(5)处理后输出驱动电流信号f5给泵浦激光器(11)；由监控探测器(3)的C端输出的电流信号f3经光信号采集电路(2)的放大、转换处理后输出电压信号f2；微处理器(1)对电压信号f2进行与基准电压值f进行比较，通过负反馈闭环数字控制算法，计算出反馈调节量f1，该反馈调节量f1为衰减器驱动电路(7)提供1.233～2.5V的调节电压驱动信号f7，该调节电压驱动信号f7实现对磁光衰减器(4)的驱动电压的改变，从而改变对功率的衰减值来实现最终输出功率的稳定性。
本发明宽谱光纤光源的优点在于：
(1)当外界环境温度T变化引起光源的平均波长变化时，微处理器会根据平均波长温度补偿算法和泵浦驱动电流与平均波长的关系，改变泵浦驱动电流值f5，使光源的平均波长向温度变化所引起变化的相反方向变化，从而提高平均波长的全温稳定性。
(2)微处理器通过对监测探测器输出的电流f3，采取负反馈闭环控制原理，调节衰减器驱动电压f7，在设定的差值范围(|f2-f|≤0.2V)内。从而达到稳定输出功率的目的。
(3)通过在光纤隔离器和监控探测器之间接入磁光衰减器，实现了平均波长和光功率的稳定控制，两者相互独立，同时实现。
(4)本发明宽谱光纤光源能够在-45℃～+70℃的温度范围内工作。
(5)在本发明中微处理器选用Silabs公司推出的C8051F060混合信号ISP-FLASH微控制器，其内部集成了多路A/D和D/A转换模块，减少了外设芯片的数量，简化了电路硬件设计，降低了成本。
(6)本发明宽谱光纤光源中选用Primanex公司的磁光衰减器。该器件体积较小，工作时驱动电压低，为0～8V，驱动电流要求小于40mA。本发明宽谱光纤光源中的信号采集处理部分的供电电压为±5V，通过升压转换芯片TPS61040，为衰减器提供驱动电压；通过微处理器的一路内部D/A输出控制升压芯片的FB反馈电压，从而控制升压芯片的输出电压，实现了对衰减器驱动电压的数字式调节。
(7)在本发明中监控探测器选用PHOTOP公司的分光5％监控探测器，集成了分光和监控光源输出功率的作用，减少了环境温度光学器件的影响。
(8)在本发明中温度传感器采用美国DALLAS公司生产的单线数字式温度传感器DS18B20，它的优点是体积小，节省电路空间；与微处理器接口电路简单；直接输出数字量，方便微处理器进行数据处理。
附图说明
图1是本发明宽谱光纤光源的结构框图。
图2A是本发明宽谱光纤光源中微处理器的电路原理图。
图2B是本发明宽谱光纤光源中衰减器驱动电路的原理图。
图2C是本发明宽谱光纤光源中光信号采集电路的原理图。
图2D是本发明宽谱光纤光源中光源驱动电路的原理图。
图3是在全温-45℃～+70℃下平均波长的实验结果图。
图4是在全温-45℃～+70℃下功率的实验结果图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，本发明是一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，宽谱光纤光源包括有微处理器1、光信号采集电路2、监控探测器3、磁光衰减器4、泵浦激光器驱动电路5、温度传感器6、衰减器驱动电路7、泵浦激光器11、波分复用器12、光纤环13、增益平坦滤波器14、光纤隔离器15；其中，泵浦激光器11、波分复用器12、光纤环13、增益平坦滤波器14、光纤隔离器15形成宽谱光纤光源的光路部分；磁光衰减器4、监控探测器3、微处理器1、泵浦激光器驱动电路5、衰减器驱动电路7、光信号采集电路2、温度传感器6形成宽谱光纤光源的信号采集处理部分。
(一)宽谱光纤光源的光路部分连接关系为：
泵浦激光器11的尾纤与波分复用器12的A端光纤(入纤)熔接，波分复用器12的B端光纤(尾纤)与光纤环13的一端熔接，波分复用器12的C端光纤(入纤)与增益平坦滤波器14的入纤熔接，增益平坦滤波器14的尾纤与光纤隔离器15的入纤熔接，光纤隔离器15的尾纤与磁光衰减器4的A端(入纤)连接，光纤环13的另一端被磨斜(斜45度角)成为光反射端，主要用于消除光反射，该波长选择反射器反射所需波段的光，提高输出光功率，改善光谱特性。
泵浦激光器11用于输出波长为980nm的带有稳频光栅的半导体激光。
波分复用器12用于将980nm的泵浦光导入掺铒光纤13，再让产生的1550nm波段的荧光传入增益平坦滤波器14。
光纤环13采用掺铒光纤。
增益平坦滤波器14用于提高输出的ASE谱平坦度。
光纤隔离器15用于消除反馈光的影响，同时可以降低掺铒光纤放大的噪声。
(二)宽谱光纤光源的信号采集处理部分连接关系为：
磁光衰减器4的B端(尾纤)与监控探测器3的A端(入纤)连接，磁光衰减器4的C端与衰减器驱动电路7连接，监控探测器3的B端(尾纤)作为光源输出端用，监控探测器3的C端与光信号采集电路2连接，微处理器1分别与光信号采集电路2、温度传感器6、泵浦激光器驱动电路5、衰减器驱动电路7连接；
由监控探测器3的C端输出的电流信号f3经光信号采集电路2的放大、转换处理后输出电压信号f2；微处理器1对电压信号f2进行与基准电压值f进行比较，通过负反馈闭环数字控制算法，计算出反馈调节量f1，该反馈调节量f1为衰减器驱动电路7提供1.233～2.5V的调节电压驱动信号f7，该调节电压驱动信号f7实现对磁光衰减器4的驱动电压的改变，从而改变对功率的衰减值来实现最终输出功率的稳定性；
由温度传感器6采集的宽谱光纤光源在工作环境下的环境温度T，该环境温度T经微处理器1根据平均波长温度补偿算法，计算出用于驱动泵浦激光器驱动电路5的电压值f0，此电压值f0经泵浦激光器驱动电路5处理后输出驱动电流信号f5给泵浦激光器11。
在本发明中，信号采集处理部分的电路结构如图2A、图2B、图2C、图2D所示：
微处理器D2的1端经电阻R32后联接在运算放大器芯片N3的6端，该1端用于输出B路调节电压信号f0给光源驱动电路；9端与运算放大器芯片N2的1端联接，该9端用于接收光信号采集电路输出的电压信号f2；25端经电阻R80后联接在电平转换芯片D8的2端上，该25端用于输出A路调节电压信号f1给衰减器驱动电路；48端与温度传感器联接，该48端用于接收温度传感器输出的工作环境温度；96端、97端、98端、99端分别与接口X2的6端、5端、4端、2端联接，且97端与3.3V电源之间联接有电阻R24，7端、8端、10端、12端、23端分别接模拟地，11端、13端、24端、28端、37端，64端、90端分别接3.3V电源，38端、63端、89端、100端分别接数字地，且37端与38端之间串联有电容C45，63端与90端之间串联有电容C44，100端与+5V电源之间联接有电阻R23。
电平转换芯片D8的5端、4端接+5V电源，3端接数字地，1端与5端之间串联电感L1，且1端经二极管V6输出驱动电压信号f7给磁光衰减器4，磁光衰减器4与数字地之间接有电容C80，磁光衰减器4与数字地之间接有电容C82，且电容C80、电容C82构成电平转换芯片D8输出电压的滤波电路；电阻R2的1端接数字地，电阻R2的2端接电阻R1的1端，电阻R1的2端与二极管V6的阴极端联接，二极管V6的阳极与电感L1的2端联接。
光信号采集电路监控探测器3输出的电流信号f3与运算放大器芯片N2的6端相联，且该信号通过电阻R35、电阻R39、电阻R37后与微处理器的9端相联；1端与模拟地之间接有二极管V3，且1端与微处理器的9端联接，用于输出电压信号f2给微处理器D2。2端经电阻R37后与微处理器的9端相联；3端经电阻R41后模拟接，4端接-5V电源，5端经电阻R36接模拟地，7端与6端之间串联有电阻R35，且电阻R35的两端接有电容C58，8端接+5V电源。
光源驱动电路用于接收微处理器输出的B路调节电压信号f0，并对B路调节电压信号f0经滤波电容C60后接模拟地，B路调节电压信号f0经电阻R31后接模拟地；B路调节电压信号f0经电阻R32、电阻R34后与运算放大器芯片N3的1端联接；1端与6端之间串联有电阻R34，2端与1端之间串联有电阻R35，且2端经电阻R36与激光器11连接，且2端经电阻R36、电容C66接模拟地，2端经电阻R36、电容C67接模拟地；3端经电阻R30接模拟地，4端接-5V电源，5端经电阻R33接模拟地，6端经电阻R37接激光器11，7端与三极管V4的基极联接，三极管V4的发射极经电阻R38后与激光器11联接，三极管V4的集电极接-5V电源；8端接+5V电源。
本发明的宽谱光纤光源的供电电压为±5V，而磁光衰减器4的驱动电压调节范围为0～8V，通过升压芯片TPS61040为衰减器提供驱动电压，参见图2B。通过合理设置电阻R1和电阻R2的值，可设定升压芯片最大输出电压值 Vout = 1.233 × ( 1 + R 1 R 2 ) .
在本发明中，监控探测器3的入纤(A端)接磁光衰减器4的出纤(B端)，将5％的功率转化为光电流，通过光信号采集电路的I/V转换模块将光电流转化为光电压Vpin；监控探测器3的出纤(B端)将SFS光源95％功率的光作为整个控制装置的最终输出。
在本发明中，温度传感器6采集环境温度，转换为数字量通过单总线协议传送给微处理器，作为温度补偿模型的参量T。
在本发明中，微处理器一方面要完成对外部信号的采集和处理。接收温度传感器6传送的温度值并进行数据处理；微处理器启动内部A/D模块，采集光信号采集电路的光电压Vpin，并进行A/D转换，经过数字滤波、平均的数据处理过程，得出光电压的数字量；另一方面，微处理器启动内部D/A转换模块，分别输出0～2.5V的电压，输出给泵源驱动电路5和衰减器驱动电路7，从而改变泵源驱动电流和衰减器驱动电压。
实施例1：
根据图1所示的结构连接具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，监控探测器3的尾纤(B端)输出光为最终输出。将监测探测器3的输出光接一个分光比为50:50的光纤耦合器，耦合器的两路输出分别接光功率计(Agilent 8163A)和光谱分析仪(AQ6319)。
改变泵源的驱动电流，用光谱分析仪扫描输出光谱，得到一组平均波长值。根据测得数据可得到平均波长L与驱动电流C的关系式：
L(C)＝1546.75318-0.00441×C                         (1)
给定泵源驱动电流C0＝250mA，进行全温(-45℃～+70℃)实验第一次，测得平均波长变化为4.03ppm/℃，并可得到在此驱动电流下光源的平均波长L随环境温度T的变化关系式：
L(T)＝1545.64271+0.00741×T-0.00005×T2             (2)
取常温(25℃)时平均波长为设定平均波长L0＝1545.7697nm，则根据式(1)和式(2)可得到泵浦驱动电流随温度变化关系，即平均波长温度补偿模型：
C(T)＝C0+ΔC(T)＝221.21542+1.16803×T-0.01134×T2     (3)
ΔC(T)表示泵浦驱动电流的变化量。
根据式(3)进行全温(-45℃～+70℃)实验第二次。微处理器用采集到的光电压f2与基准f电压进行比较(|f2-f|≤0.2V)，进行负反馈控制，使监控探测器3的光电压不变，来保证功率稳定性。在光信号采集电路2的光电压输出端和模拟地之间接一台电压表(Agilent 34970A)，用于测量实验过程中光电压值。通过计算机(计算机的最低配置为CPU2DHz，内存2GB，硬盘120GB；操作系统为windows2000/2003/XP。该计算机内存储有Labview软件，利用该Labview软件实时对功率值和平均波长值进行处理。)对实验数据处理，可得到实验结果：平均波长稳定性0.36ppm/℃(参见图3所示)；功率稳定性3.27％(参见图4所示)。其中，平均波长稳定性计算公式为
Figure A200810223542D00101
LMAX、LMIN和LMean分别表示平均波长的最大值、最小值和算术平均值，ΔT表示在-45℃～+70℃范围内变化的温度值；功率稳定性计算公式为
Figure A200810223542D00102
PMAX、PMIN和PMean分别表示功率的最大值、最小值和算术平均值。

Claims (3)

1、一种具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，其特征在于：该宽谱光纤光源包括有微处理器(1)、光信号采集电路(2)、监控探测器(3)、磁光衰减器(4)、泵浦激光器驱动电路(5)、温度传感器(6)、衰减器驱动电路(7)、泵浦激光器(11)、波分复用器(12)、光纤环(13)、增益平坦滤波器(14)、光纤隔离器(15)；其中，泵浦激光器(11)、波分复用器(12)、光纤环(13)、增益平坦滤波器(14)、光纤隔离器(15)形成宽谱光纤光源的光路部分；磁光衰减器(4)、监控探测器(3)、微处理器(1)、泵浦激光器驱动电路(5)、衰减器驱动电路(7)、光信号采集电路(2)、温度传感器(6)形成宽谱光纤光源的信号采集处理部分；
泵浦激光器(11)的尾纤与波分复用器(12)的A端光纤熔接，波分复用器(12)的B端光纤与光纤环(13)的一端熔接，波分复用器(12)的C端光纤与增益平坦滤波器(14)的入纤熔接，增益平坦滤波器(14)的尾纤与光纤隔离器(15)的入纤熔接，光纤隔离器(15)的尾纤与磁光衰减器(4)的A端连接，光纤环(13)的另一端被磨斜成为光反射端；
磁光衰减器(4)的B端与监控探测器(3)的A端连接，磁光衰减器(4)的C端与衰减器驱动电路(7)连接，监控探测器(3)的B端作为光源输出端用，监控探测器(3)的C端与光信号采集电路(2)连接，微处理器(1)分别与光信号采集电路(2)、温度传感器(6)、泵浦激光器驱动电路(5)、衰减器驱动电路(7)连接；由温度传感器(6)采集的宽谱光纤光源在工作环境下的环境温度T，该环境温度T经微处理器(1)根据平均波长温度补偿算法，计算出用于驱动泵浦激光器驱动电路(5)的电压值f0，此电压值f0经泵浦激光器驱动电路(5)处理后输出驱动电流信号f5给泵浦激光器(11)；由监控探测器(3)的C端输出的电流信号f3经光信号采集电路(2)的放大、转换处理后输出电压信号f2；微处理器(1)对电压信号f2进行与基准电压值f进行比较，通过负反馈闭环数字控制算法，计算出反馈调节量f1，该反馈调节量f1为衰减器驱动电路(7)提供1.233～2.5V的调节电压驱动信号f7，该调节电压驱动信号f7实现对磁光衰减器(4)的驱动电压的改变，从而改变对功率的衰减值来实现最终输出功率的稳定性。
2、根据权利要求1所述的具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，其特征在于：微处理器D2的1端经电阻R32后联接在运算放大器芯片N3的6端，该1端用于输出B路调节电压信号f0给光源驱动电路；9端与运算放大器芯片N2的1端联接，该9端用于接收光信号采集电路输出的电压信号f2；25端经电阻R80后联接在电平转换芯片D8的2端上，该25端用于输出A路调节电压信号f1给衰减器驱动电路；48端与温度传感器联接，该48端用于接收温度传感器输出的工作环境温度；96端、97端、98端、99端分别与接口X2的6端、5端、4端、2端联接，且97端与3.3V电源之间联接有电阻R24，7端、8端、10端、12端、23端分别接模拟地，11端、13端、24端、28端、37端，64端、90端分别接3.3V电源，38端、63端、89端、100端分别接数字地，且37端与38端之间串联有电容C45，63端与90端之间串联有电容C44，100端与+5V电源之间联接有电阻R23；
电平转换芯片D8的5端、4端接+5V电源，3端接数字地，1端与5端之间串联电感L1，且1端经二极管V6输出驱动电压信号f7给磁光衰减器4，磁光衰减器4与数字地之间接有电容C80，磁光衰减器4与数字地之间接有电容C82，且电容C80、电容C82构成电平转换芯片D8输出电压的滤波电路；电阻R2的1端接数字地，电阻R2的2端接电阻R1的1端，电阻R1的2端与二极管V6的阴极端联接，二极管V6的阳极与电感L1的2端联接；
光信号采集电路监控探测器3输出的电流信号f3与运算放大器芯片N2的6端相联，且该信号通过电阻R35、电阻R39、电阻R37后与微处理器的9端相联；1端与模拟地之间接有二极管V3，且1端与微处理器的9端联接，用于输出电压信号f2给微处理器D2；2端经电阻R37后与微处理器的9端相联；3端经电阻R41后模拟接，4端接—5V电源，5端经电阻R36接模拟地，7端与6端之间串联有电阻R35，且电阻R35的两端接有电容C58，8端接+5V电源；
光源驱动电路用于接收微处理器输出的B路调节电压信号f0，并对B路调节电压信号f0经滤波电容C60后接模拟地，B路调节电压信号f0经电阻R31后接模拟地；B路调节电压信号f0经电阻R32、电阻R34后与运算放大器芯片N3的1端联接；1端与6端之间串联有电阻R34，2端与1端之间串联有电阻R35，且2端经电阻R36与激光器11连接，且2端经电阻R36、电容C66接模拟地，2端经电阻R36、电容C67接模拟地；3端经电阻R30接模拟地，4端接—5V电源，5端经电阻R33接模拟地，6端经电阻R37接激光器11，7端与三极管V4的基极联接，三极管V4的发射极经电阻R38后与激光器11联接，三极管V4的集电极接—5V电源；8端接+5V电源。
3、根据权利要求2所述的具有光功率和平均波长稳定的宽谱光纤光源，其特征在于：磁光衰减器(4)的驱动电压调节范围为0～8V，通过升压芯片TPS61040为衰减器提供驱动电压，通过合理设置电阻R1和电阻R2的值，可设定升压芯片最大输出电压值 Vout = 1.233 × ( 1 + R 1 R 2 ) .
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