CN102738688A - 铒镱共掺光纤放大器温度控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，其温度控制模块包括温度信号采集模块、反馈控制线路模块、PWM调制模块、动输出模块；所述温度信号采集模块将输入的温度信号进行采集，采集到得温度信息送入反馈控制线路模块进行控制计算，结果以电压的形式送入PWM调制模块输出驱动调制波，调制波信号驱动驱动输出模块的功率器件输出，输出连接到制冷器进行驱动。本发明大大缩短了高功率铒镱共掺光纤放大器工作的启动时间。
Description
技术领域
本发明属于激光技术领域，尤其是涉及一种铒镱共掺光纤放大器温度控制系统。
背景技术
宽带业务需求推动光纤到户(FTTH)产品的快速发展，大规模实施FTTH的一大障碍就是成本，主要是初装费和运行费。高功率铒镱共掺双包层放大器(EYDFA)以其优良的信号特性和相对低廉的成本，成为在FTTH中有线电视网(CATV)信号的首选放大器。这种高功率的铒镱共掺光纤放大器，尤其适用于CATV和FTTx网络局端，或者分配中心的光信号功率放大和分配，使用多路输出的高功率放大器可以替代多台独立的单路输出的掺铒光纤放大器(EDFA)。
2002年朗讯Lucent和法国Keopsys公司先后研制成功双包层泵浦技术以来，国内外现有为数不多的公司独立拥有该项技术，也有不少公司先后推出了高功率EYDFA放大器，但是高功率放大器应用中的一项关键技术工作温度范围问题一直困扰着EYDFA的广泛应用。另外放大器在温度条件恶劣的情况下加电启动缓慢也是限制其应用的一个缺陷。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，克服现有的高功率铒镱共掺光纤放大器的工作温度窄、应用受限等问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，包括制冷器36、散热固件24、温度控制模块28、驱动控制模块29、电源供能管理模块30；所述散热固件24和制冷器36、铒镱共掺光纤放大器的激光器相连；所述温度控制模块28输入端分别与铒镱共掺光纤放大器的激光器、电源供能管理模块30相连；所述温度控制模块28输出端分别与驱动控制模块29输入端、制冷器36相连；所述驱动控制模块29输入端分别与铒镱共掺光纤放大器的输入输出监控探测器、电源供能管理模块30、温度控制模块28输出端相连；驱动控制模块29输出端与铒镱共掺光纤放大器的激光器相连，其特征在于：所述温度控制模块28包括温度信号采集模块46、反馈控制线路模块47、PWM调制模块48、动输出模块49；所述温度信号采集模块46将输入的温度信号进行采集，采集到得温度信息送入反馈控制线路模块47进行控制计算，结果以电压的形式送入PWM调制模块48输出驱动调制波，调制波信号驱动驱动输出模块49的功率器件输出，输出连接到制冷器36进行驱动；所述反馈控制线路模块47在铒镱共掺光纤放大器的激光器温度达到设定的温控点时将逻辑指示信号输出到驱动控制模块29的反馈控制模式线路51，通知反馈控制模式线路51驱动激光器输出。
进一步，所述温度控制模块28采用分段渐进降温方法，包括如下步骤：
1)采集工作环境温度并与工作设定温度对比；
2)根据降温或升温的温度幅度范围，结合驱动制冷器的功率器件的最大工作效率，设定降温或升温速度；
3)Tn-1时刻驱动制冷器工作，将设置温控区域温度点由tn-1下降到tn；
4)驱动制冷器持续降温到Tn时刻，使温控区域温度稳定保持在tn；
5)重复步骤3、步骤4，直至将工作环境温度将到工作设定温度。
进一步，所述驱动输出模块49的功率器件的最大功率20W，所述激光器的发热功率10W，所述制冷器36的最大制冷功率53W；所述分段渐进降温方法中，Tn-Tn-1=3分钟，tn-tn-1=5°C。
进一步，所述散热固件24包括型材散热器32，绝热密封垫圈33，硬铝密封壳35，铜质匀热片38，温度传感器40，压板42，保温泡沫44，风扇45；所述激光器固定在压板42和铜质匀热片38之间，所述压板42和铜质匀热片38通过塑料螺钉39相互连接并拧紧；所述激光器与所述铜质匀热片38之间设置有导热硅脂41，所述硬铝密封壳35与所述型材散热器32组成一密闭腔体，边缘处用绝热密封垫圈33和塑料螺钉34进行密封；所述腔体内密封所述激光器、压板42、铜质匀热片38，所述铜质匀热片38与型材散热器32之间设置有制冷器36，所述铜质匀热片38与制冷器36之间设置有导热硅脂37，所述型材散热器32与制冷器36之间设置有导热硅脂37；所述腔体内填充满保温泡沫44；温度传感器40设置在铜质匀热片38上。
进一步，所述型材散热器32包络体积(150±10)×(80±5)×(50±2)mm；所述绝热密封垫圈33为聚四氟乙烯垫圈，根据金属密封外壳边缘成型，厚度3±0.2mm；所述制冷器36采用半导体制冷器，体积大小为(40±2)×(40±2)×(3.6±0.2)mm；所述导热硅脂37和导热硅脂41厚度均小于0.06mm；所述铜质匀热片38体积为(105±7)×(40±2)×(5±0.2)mm；所述温度传感器40采用玻璃封装NTC水滴热敏电阻；所述保温泡沫44采用聚氨酯硬质泡沫板，最薄处厚度大于20mm。
进一步，所述型材散热器32包络体积150x80x50mm；所述绝热密封垫圈33厚度3mm；所述制冷器36体积大小为40x40x3.6mm；所述铜质匀热片38体积为105x40x5mm；所述风扇45为DC轴流风扇，体积大小为80x80x25mm。
本发明具有的优点和积极效果是：
1)通过本设计可以实现输出功率2W的高功率铒镱共掺光纤放大器产品；
2)在输出功率2W的EYDFA中，实现宽的工作温度范围；3)大大缩短了高功率铒镱共掺光纤放大器工作的启动时间。
附图说明
图1是本发明的工作原理示意图
图2是本发明的散热固件结构示意图
图3是本发明的控制线路原理示意图
图4是本发明的温度控制曲线示意图
图中：
14、分光耦合器输入端
15、分光耦合器 16、单模波分复用 17、掺铒光纤
18、波分复用器 19、铒镱共掺光纤 20、输出分光耦合器
21、分光耦合器输出端 22.输入监控探测器 23.单模泵浦激光器
24.散热器固件 25.多模泵浦激光器 27.控制线路
28.温度控制模块 29.驱动控制模块 30.电源供能管理模块
31.输出监控探测器 32.型材散热器 33.绝热密封垫圈
34.塑料螺钉 35.硬铝密封壳 36.制冷器
37.导热硅脂 38.铜质匀热片 39.塑料螺钉
40.温度传感器 41.导热硅脂 42.压板
43.泵浦激光器 44.保温泡沫 45.风扇
46.温度信号采集模块 47.反馈控制线路模块 48.PWM调制模块
49.驱动输出模块 50.输入输出监控信号模块 51.反馈控制模式线路
52.驱动输出模块
具体实施方式
本发明在铒镱共掺光纤放大器中的工作原理如图1所示，通信光信号经过分光耦合器输入端14输入，经过分光耦合器15光信号分为两束，一束传输到后级的单模波分复用器16进入掺铒光纤17，另一部分输出给输入监控探测器22，转换为电信号提供给控制线路。单模激光器23经过驱动输出模块的泵浦光经过单模波分复用器16的另一个输入端口输入到掺铒光纤17，掺铒光纤17中的铒粒子吸取泵浦激光转换为激发态，当通信信号光经过掺铒光纤时会将其放大，放大后的信号输出到第二级的波分复用器18，经过波分复用器进入铒镱共掺光纤19进行二次功率放大。多模泵浦激光器25输出的泵浦光经过波分复用器18输入到铒镱共掺光纤19进行激励，信号光进入时对其放大，经过二次放大输出信号光的功率可以放大到瓦级，二次放大的信号经过输出分光耦合器20输出，耦合器分出的大部分信号经过分光耦合器输出端21输出，小部分作为反馈监控信号输出到输出监控探测器31转换为电信号提供为驱动控制线路参与控制。温度控制模块28采样激光器的温度调整驱动制冷器36给激光器进行温度控制，使激光器工作在稳定的温度点，为使激光器发出的热量尽快被制冷器36吸收并散出去，本发明设计制作了高效的散热固件24加快温度平衡速度。温度控制模块28分别采样激光器23和激光器25的温度，当激光器到达温控设置点时，温度控制模块28给出一控制逻辑信号通知驱动控制模块29可以开启激光器驱动，在此之前驱动控制模块29无驱动输出模块。激光器驱动控制模块29采样输入输出探测器的信号根据设定的控制模式调整两只激光器的驱动能量。电源供能管理模块30负责为线路的其他部分提供能量。
其中散热固件24的结构如图2所示，散热固件功能包括两个方面，一是减少外部热量进入温控区域，另外是尽量降低发热部分的热阻，具体结构如图3所示，包括型材散热器32(铝合金材质，包络体积150x80x50mm)，绝热密封垫圈33(聚四氟乙烯垫圈，根据金属密封外壳边缘成型，厚度3mm)，塑料螺钉34(M3尼龙或四氟乙烯)，硬铝密封壳35，制冷器36(半导体制冷器40x40x3.6mm)，导热硅脂37(厚度应控制在0.06mm之内)，铜质匀热片38(105x40x5mm)，塑料螺钉39(M4尼龙或四氟乙烯螺钉)，温度传感器40(玻璃封装NTC水滴热敏电阻)，导热硅脂41，压板(30x15x5mm)42，泵浦激光器43，保温泡沫44(聚氨酯硬质泡沫板，最薄处厚度应大于20mm。)，风扇45(80x80x25mm DC轴流风扇，额定输入功率2.4W)。
所述泵浦激光器43固定在压板42和铜质匀热片38之间，所述压板42和铜质匀热片38通过塑料螺钉39相互连接并拧紧；所述泵浦激光器43与所述铜质匀热片38之间设置有导热硅脂41，所述硬铝密封壳35与所述型材散热器32组成一密闭腔体，边缘处用绝热密封垫圈33和塑料螺钉34进行密封；所述腔体内密封泵浦激光器43、压板42、铜质匀热片38，所述铜质匀热片38与型材散热器32之间设置有制冷器36，所述铜质匀热片38与制冷器36之间设置有导热硅脂37，所述型材散热器32与制冷器36之间设置有导热硅脂37；所述腔体内填充满保温泡沫44；温度传感器40设置在铜质匀热片38上。
所述制冷器36选用大功率半导体制冷器，是一种半导体热电元件，通过施加电流可以将元件一侧的热量转移到另一侧。
散热固件的设计通过使用保温泡沫44、塑料螺钉39增大了温控区域与外界环境的热阻，提高了制冷器的利用效率，强迫风冷可以讲制冷器发出的热量尽快散去，使用铜质匀热片38加快了泵浦激光器43发出的热量传导到制冷器36，经过反复试验，确定了散热固件42各个部件的最佳尺寸和安装结构，能够实现最佳的散热效果。
本发明的控制线路27如图3所示由两个功能模块即温度控制模块28、驱动控制模块29和电源供能管理模块30组成，
温度控制回路首先通过温度信号采集模块46将输入的温度信号进行采集，采集到得温度信息送入反馈控制线路模块47进行控制计算，结果以电压的形式送入PWM调制模块48输出驱动调制波，调制波信号驱动驱动输出模块49的功率器件输出，输出连接到制冷器进行驱动。回路工作可以使激光器的工作温度稳定在设定温度值。温度控制回路稳定后，即激光器温度达到设定的温控点时会将逻辑指示信号输出到反馈控制模式线路51，通知反馈控制模式线路51可以驱动激光器输出。
输入输出监控信号模块50经过模块的处理输出到反馈控制模式线路51，依照设定的反馈模式输出驱动电压，反馈输出的驱动电压驱动功率输出部分52输出电功率驱动激光器。
电源功能管理部分53负责将电源按照每个部分的功率需求进行分配，满足整个系统的工作。
高功率放大器的启动时间主要是由设备中的温控环节决定，当设备中需要温度控制的部分达到了要求的温度时才可以开启光路。设备外部工作环境温度与设定温度相差越大时，放大器启动需要的时间越长。本设计中充分考虑了结构热设计的同时，改进了温度控制回路。控制回路依据工作环境温度分阶段渐进实现并达到目标温控要求温度点。
本实施例驱动输出模块49的功率器件的最大功率20W，泵浦激光器43的发热功率10W，制冷器36的最大制冷功率53W，环境温度比目标温度点高，由此设定温度渐进控制曲线如图4所示，t2-t1＝5℃，T2-T1＝3分钟，即每隔3分钟降温5℃，这样使功率器件始终以最大的效率输出驱动制冷器，最短时间到达制冷目标温度值。
图中给出的环境温度比目标温度点高的情况，当环境温度比目标温度低时，采取同样的逻辑控制思路。本实施例与部分高功率放大器的启动时间和工作温度范围的对比数据如表一所示。
表1高功率铒镱共掺光纤放大器产品指标对照表
| Keopsys | Keopsys | Amonics | 武汉光迅 | 本实施例 | |
| 饱和输出功率W | 1-10 | 1-5 | 1-2 | 1-2 | 1-2 |
| 工作温度℃ | 15-35 | 0-55 | 0-40 | 0-50 | -5-55 |
| 预热时间 | 30 | 30 | 30 | 30 | 15 |
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，包括制冷器(36)、散热固件(24)、温度控制模块(28)、驱动控制模块(29)、电源供能管理模块(30)；所述散热固件(24)和制冷器(36)、铒镱共掺光纤放大器的激光器相连；所述温度控制模块(28)输入端分别与铒镱共掺光纤放大器的激光器、电源供能管理模块(30)相连；所述温度控制模块(28)输出端分别与驱动控制模块(29)输入端、制冷器(36)相连；所述驱动控制模块(29)输入端分别与铒镱共掺光纤放大器的输入输出监控探测器、电源供能管理模块(30)、温度控制模块(28)输出端相连；驱动控制模块(29)输出端与铒镱共掺光纤放大器的激光器相连，其特征在于：所述温度控制模块(28)包括温度信号采集模块(46)、反馈控制线路模块(47)、PWM调制模块(48)、驱动输出模块(49)；所述温度信号采集模块(46)将输入的温度信号进行采集，采集到得温度信息送入反馈控制线路模块(47)进行控制计算，结果以电压的形式送入PWM调制模块(48)输出驱动调制波，调制波信号驱动驱动输出模块(49)的功率器件输出，输出连接到制冷器(36)进行驱动；所述反馈控制线路模块(47)在铒镱共掺光纤放大器的激光器温度达到设定的温控点时将逻辑指示信号输出到驱动控制模块(29)的反馈控制模式线路(51)，通知反馈控制模式线路(51)驱动激光器输出。
2.根据权利要求1所述的铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，其特征在于：所述温度控制模块(28)采用分段渐进降温方法，包括如下步骤：
1)采集工作环境温度并与工作设定温度对比；
2)根据降温或升温的温度幅度范围，结合驱动制冷器的功率器件的最佳工作效率，设定降温或升温速度；
3)Tn-1时刻驱动制冷器工作，将设置温控区域温度点由tn-1下降到tn；
4)驱动制冷器持续降温到Tn时刻，使温控区域温度稳定保持在tn；
5)重复步骤3、步骤4，直至将工作环境温度将到工作设定温度。
3.根据权利要求2所述的铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，其特征在于：所述驱动输出模块(49)的功率器件的最大功率20W，所述激光器的发热功率10W，所述制冷器(36)的最大制冷功率53W；所述分段渐进降温方法中，Tn-Tn-1=3分钟，tn-tn-1=5°C。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，其特征在于：所述散热固件(24)包括型材散热器(32)，绝热密封垫圈(33)，硬铝密封壳(35)，铜质匀热片(38)，温度传感器(40)，压板(42)，保温泡沫(44)，风扇(45)；所述激光器固定在压板(42)和铜质匀热片(38)之间，所述压板(42)和铜质匀热片(38)通过塑料螺钉(39)相互连接并拧紧；所述激光器与所述铜质匀热片(38)之间设置有导热硅脂(41)，所述硬铝密封壳(35)与所述型材散热器(32)组成一密闭腔体，边缘处用绝热密封垫圈(33)和塑料螺钉(34)进行密封；所述腔体内密封所述激光器、压板(42)、铜质匀热片(38)，所述铜质匀热片(38)与型材散热器(32)之间设置有制冷器(36)，所述铜质匀热片(38)与制冷器(36)之间设置有导热硅脂(37)，所述型材散热器(32)与制冷器(36)之间设置有导热硅脂(37)；所述腔体内填充满保温泡沫(44)；温度传感器(40)设置在铜质匀热片(38)上。
5.根据权利要求4所述的铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，其特征在于：所述型材散热器(32)包络体积(150±10)×(80±5)×(50±2)mm；所述绝热密封垫圈(33)为聚四氟乙烯垫圈，根据金属密封外壳边缘成型，厚度3±0.2mm；所述制冷器(36)采用半导体制冷器，体积大小为(40±2)×(40±2)×(3.6±0.2)mm；所述导热硅脂(37)和导热硅脂(41)厚度均小于0.06mm；所述铜质匀热片(38)体积为(105±7)×(40±2)×(5±0.2)mm；所述温度传感器(40)采用玻璃封装NTC水滴热敏电阻；所述保温泡沫(44)采用聚氨酯硬质泡沫板，最薄处厚度大于20mm。
6.根据权利要求5所述的铒镱共掺光纤放大器温度控制系统，其特征在于：所述型材散热器(32)包络体积50×80×50mm；所述绝热密封垫圈(33)厚度3mm；所述制冷器(36)体积大小为40×40×3.6mm；所述铜质匀热片(38)体积为105×40×5mm mm；所述风扇(45)为DC轴流风扇，体积大小为80×80×25mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20121017 |