CN103236627A

CN103236627A - 基于波长反馈的定点扫描光纤激光器

Info

Publication number: CN103236627A
Application number: CN2012101162752A
Authority: CN
Inventors: 叶玮; 张涛
Original assignee: SHANGHAI B&A INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI B&A INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2012-04-19
Filing date: 2012-04-19
Publication date: 2013-08-07

Abstract

本发明涉及一种基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，由于其包括扫描光源、第二定向耦合器、带通滤波器和波长反馈回路，且带通滤波器连接于扫描光源输出端和第二定向耦合器之间，波长反馈回路包括顺序连接的光电变换器、电平判别模块和扫描范围控制模块，光电变换器的输入端连接第二定向耦合器的输出端，扫描范围控制模块的输出端连接扫描光源，从而，可以通过带通滤波器判读波长来控制扫描范围，并利用波长反馈回路实现对波长的定点扫描，实现受控的、精确的点到点扫描，极大地节约采样和处理所需的系统资源，大幅提高采样频率和精度，且本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器的结构简单，成本低廉，应用范围也较为广泛。

Description

基于波长反馈的定点扫描光纤激光器

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，特别涉及光纤激光器技术领域，具体是指一种基于波长反馈的定点扫描光纤激光器。

背景技术

基于FBG(光纤布拉格光栅)技术的光纤传感系统是光纤传感中应用最广的技术，大量使用在桥梁、隧道、大坝等建筑物的应力健康监控，以及石油、输变电缆管线的温度监测等行业。其基本原理结构，一般采用以下两种技术方案：如图1所示的宽带光源加直接光谱分析方案以及如图2所述的扫描光源加时域分析(间接光谱分析)方案。

方案一的特点是技术简单，但光谱分析的光谱仪由于成本偏高，且对于多通道系统必须采用昂贵的光开关，使得总体成本偏高且可靠性较低，目前处于渐渐淘汰的方案。

方案二的特点是技术复杂度高，但本身时域分析和光谱分析都是通过软件算法实现，硬件成本低廉，而且扫描激光器的高光谱密度易于通过分路器构建多通道系统，成本低且稳定性高(无源分路器稳定性远高于不停切换的光开关系统)，使得该系统逐渐成为主流。

方案二中的扫描光源通常采用宽带光源加扫描滤波器的方案或扫描光纤激光器的方案。但无论哪种方案，其波长扫描均采用光滤波器驱动电压的变化来实现，一般波长与电压是复杂的函数关系，如下式所示：

λ＝f(V)+g(x)

上式中，波长λ和电压V具有一定的函数关系f，但也与其他因素x(比如：温度，湿度，时间)等都存在关系g。这样为了在设备的工作环境内，比如工作温度(如-5～+60℃)，湿度(如20％～80％)，寿命(如15年)等范围内，能保证所需要的波长，比如C-Band(1525～1565nm)，则必须提供足够大的电压范围来克服其他因素的影响。通常采用的方式是：电压范围取所需要的2.5倍，以保证任何情况下总有一个滤波器FSR(自由光谱区)落在采样范围内。如图3所示，在采样时，为了保证系统在温度、湿度、寿命等影响下的稳定性，大约有一半以上的采样点是无用的(系统中每次仅需一个有用的FSR)，这些无用的采用点会占据系统资源，在同样的系统资源的情况下，使采样频率变慢一倍以上，或者采样精度降低一半以上。这就对整个FBG解调仪的扫描频率，精度等关键性能指标产生了严重的负面影响。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种在波长扫描过程中实现受控的、精确的点到点扫描，从而极大地节约采样和处理所需的系统资源，在相同系统资源的条件下，大幅提高采样频率和精度，且结构简单，成本低廉，应用范围广泛的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器。

为了实现上述的目的，本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器具有如下构成：

其包括扫描光源、第二定向耦合器、带通滤波器和波长反馈回路。所述的第二定向耦合器连接于所述扫描光源输出端，所述的第二定向耦合器的输出端为该激光器的扫描激光输出端。所述的带通滤波器连接于所述的扫描光源输出端和所述的第二定向耦合器之间，所述的波长反馈回路包括顺序连接的光电变换器、电平判别模块和扫描范围控制模块，所述的光电变换器的输入端连接所述的第二定向耦合器的输出端，所述的扫描范围控制模块的输出端连接所述的扫描光源。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的带通滤波器的波长范围略窄于所述的扫描光源的输出光波长范围。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的带通滤波器的波长范围为1525nm至1565nm。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的光电变换器包括PIN二级管和运算放大器，所述的PIN二级管的输入端连接所述的第二定向耦合器的输出端，所述的PIN二级管的输出端连接所述的运算放大器的输入端，所述的运算放大器的输出端连接所述的电平判别模块的输入端。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，电平判别模块为比较器，所述的比较器的输入端连接于所述的光电变换器的输出端，所述的比较器的输出端连接于所述的扫描范围控制模块的输入端。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的扫描范围控制模块包括顺序连接的CPU、数模转换器和驱动电路，所述的CPU的输入端连接所述的电平判别模块的输出端，所述的驱动电路的输出端连接所述的扫描光源。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的第二定向耦合器的分光比为95∶5。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的扫描光源包括顺序连接的扫描滤波器、第一定向耦合器、第一光纤隔离器、光纤放大器和第二光纤隔离器，该第二光纤隔离器的输出端连接所述的扫描滤波器；所述的第一定向耦合器的输出端为该扫描光源的输出端，并连接所述的带通滤波器；所述的扫描范围控制模块的输出端连接所述的扫描滤波器。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的第一定向耦合器的分光比为80∶20。

该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器中，所述的光纤放大器为掺铒光纤放大器。所述的掺铒光纤放大器的饱和输出功率为17dBm。

采用了该发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，由于其包括扫描光源、第二定向耦合器、带通滤波器和波长反馈回路，且所述的带通滤波器连接于所述的扫描光源输出端和所述的第二定向耦合器之间，所述的波长反馈回路包括顺序连接的光电变换器、电平判别模块和扫描范围控制模块，所述的光电变换器的输入端连接所述的第二定向耦合器的输出端，所述的扫描范围控制模块的输出端连接所述的扫描光源。从而，通过带通滤波器判读波长来控制扫描范围，并利用波长反馈回路实现对波长的定点扫描，实现受控的、精确的点到点扫描，从而极大地节约采样和处理所需的系统资源，在相同系统资源的条件下，大幅提高采样频率和精度，且本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器的结构简单，成本低廉，应用范围也较为广泛。

附图说明

图1为现有技术中采用宽带光源加直接光谱分析方案的光纤传感系统的结构示意图。

图2为现有技术中采用扫描光源加间接光谱分析方案的光纤传感系统的结构示意图。

图3为现有技术中采用扫描光源加间接光谱分析方案的光纤传感系统的扫描光源的波长扫描效果示意图。

图4为本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器的结构示意图。

图5为本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器在实际应用中的结构图。

图6为本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器的定点波长扫描效果示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1所示，为本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器的结构示意图。

在一种实施方式中，该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器包括扫描光源、第二定向耦合器、带通滤波器和波长反馈回路，所述的第二定向耦合器的输出端为该激光器的扫描激光输出端。其中，所述的带通滤波器连接于所述的扫描光源输出端和所述的第二定向耦合器之间，且带通滤波器的波长范围略窄于所述的扫描光源的输出光波长范围。所述的波长反馈回路包括顺序连接的光电变换器、电平判别模块和扫描范围控制模块，所述的光电变换器的输入端连接所述的第二定向耦合器的输出端，所述的扫描范围控制模块的输出端连接所述的扫描光源。

在一种较优选的实施方式中，所述的光电变换器包括PIN二级管和运算放大器，所述的PIN二级管的输入端连接所述的第二定向耦合器的输出端，所述的PIN二级管的输出端连接所述的运算放大器的输入端，所述的运算放大器的输出端连接所述的电平判别模块的输入端。所述的电平判别模块为比较器，所述的比较器的输入端连接于所述的光电变换器的输出端，所述的比较器的输出端连接于所述的扫描范围控制模块的输入端。所述的扫描范围控制模块包括顺序连接的CPU、数模转换器和驱动电路，所述的CPU的输入端连接所述的电平判别模块的输出端，所述的驱动电路的输出端连接所述的扫描光源。所述的第二定向耦合器的分光比为95∶5。且所述的带通滤波器的波长范围为1525nm至1565nm。

在进一步优选的实施方式中，所述的扫描光源包括顺序连接的扫描滤波器、第一定向耦合器、第一光纤隔离器、光纤放大器和第二光纤隔离器，该第二光纤隔离器的输出端连接所述的扫描滤波器；所述的第一定向耦合器的输出端为该扫描光源的输出端，并连接所述的带通滤波器；所述的扫描范围控制模块的输出端连接所述的扫描滤波器。

在更优选的实施方式中，所述的第一定向耦合器的分光比为80∶20。所述的光纤放大器为饱和输出功率为17dBm的掺铒光纤放大器。

如图4所示，本发明的激光器的基本原理是，在扫描激光器中或输出位置加一个比激光器输出光波长范围略窄的滤波器，然后将滤波后的光送给光电变换(比如通过光耦合器)，再送给电平判别电路，判别高低电平，扫描控制电路检测到电平判别电路从低电平上升到高电平时，说明此时滤波器处于波长λ1位置，开始扫描，当发现电平从高下降到低时，说明此时已是λ2位置，停止扫描。

该装置无论温度、湿度、使用时间等引起扫描电压和波长的不对应，始终可以抓住一个所需要的波长范围λ1～λ2。这样，利用本发明，一个周期只需要扫一个所需要的波长范围就可以保证系统的稳定性，不必扫两个以上的FSR，这极大地提高了系统资源的利用率和系统指标。

在实际应用中，本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，如图5所示，其中，扫描滤波器选用MOI公司的FFP-2，耦合器1分光比选用80∶20，耦合器2分光比选用95∶5，滤波器采用1525～1565nm带通滤波器，光纤放大器为一个饱和输出功率为17dBm的掺铒光纤放大器，光纤隔离器1和光纤隔离器2为普通光纤隔离器，实现光的单向传输。光电变化采用普通PIN管，配合普通运算放大器，实现光功率转换为电压，电平判别电路为一比较器将该电压归一化为高电平、低电平，送入CPU的一个输入IO口，控制CPU程序的运行，CPU采用三星公司ARM处理器，输出扫描电压信号由CPU控制DAC(数模转换器)得到，再通过一个高电压驱动电路，由三级管TIP122实现输出电压的自动开启、停止与调制。可以实现整个1525～1565nm内，扫描频率为100Hz，输出功率为10mW，有效光谱达到90％的扫描激光器。

如图6所示，在同样的扫描电压增长斜率下，无论同样波长的扫描电压如何变化，本发明的激光器可以提高近一倍的扫描频率，同时减少一半的空采样率。而其对波长的检测可以仅仅是电压的变化。也可以通过其他途径获得对特定波长λ1和λ2的判定，从而控制扫描电压精确地扫在需要的波长范围内。

本发明的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器也可将带通滤波器或别的波长鉴别的方式置于扫描激光器内部，扫描激光器也可能由各种不同的方式来构成，对波长的判定也可能由别的方式(非电压判读)来进行。但本发明的核心是在扫描光源内部或外部置入波长判读和鉴别的手段，通过判读波长来控制扫描范围，从而实现对波长的定点扫描。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims

1.一种基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，包括扫描光源和连接于所述扫描光源输出端的第二定向耦合器，所述的第二定向耦合器的输出端为该激光器的扫描激光输出端，其特征在于，该基于波长反馈的定点扫描光纤激光器还包括带通滤波器和波长反馈回路，所述的带通滤波器连接于所述的扫描光源输出端和所述的第二定向耦合器之间，所述的波长反馈回路包括顺序连接的光电变换器、电平判别模块和扫描范围控制模块，所述的光电变换器的输入端连接所述的第二定向耦合器的输出端，所述的扫描范围控制模块的输出端连接所述的扫描光源。

2.根据权利要求1所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的带通滤波器的波长范围略窄于所述的扫描光源的输出光波长范围。

3.根据权利要求2所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的带通滤波器的波长范围为1525nm至1565nm。

4.根据权利要求1所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的光电变换器包括PIN二级管和运算放大器，所述的PIN二级管的输入端连接所述的第二定向耦合器的输出端，所述的PIN二级管的输出端连接所述的运算放大器的输入端，所述的运算放大器的输出端连接所述的电平判别模块的输入端。

5.根据权利要求1所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，电平判别模块为比较器，所述的比较器的输入端连接于所述的光电变换器的输出端，所述的比较器的输出端连接于所述的扫描范围控制模块的输入端。

6.根据权利要求1所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的扫描范围控制模块包括顺序连接的CPU、数模转换器和驱动电路，所述的CPU的输入端连接所述的电平判别模块的输出端，所述的驱动电路的输出端连接所述的扫描光源。

7.根据权利要求1所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的第二定向耦合器的分光比为95∶5。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的扫描光源包括顺序连接的扫描滤波器、第一定向耦合器、第一光纤隔离器、光纤放大器和第二光纤隔离器，该第二光纤隔离器的输出端连接所述的扫描滤波器；所述的第一定向耦合器的输出端为该扫描光源的输出端，并连接所述的带通滤波器；所述的扫描范围控制模块的输出端连接所述的扫描滤波器。

9.根据权利要求8所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的第一定向耦合器的分光比为80∶20。

10.根据权利要求8所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的光纤放大器为掺铒光纤放大器。

11.根据权利要求10所述的基于波长反馈的定点扫描光纤激光器，其特征在于，所述的掺铒光纤放大器的饱和输出功率为17dBm。