CN103500915A - 压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统及方法，其中系统包括：可调谐激光器、光分路器、标准波长器件、光电转换模块和采样处理模块，其中在正常波长范围内标准波长器件的透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍。采样处理模块对光电转换模块输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器的驱动电压；调节三角波信号的中心值以及峰峰值，使标准波长器件实际输出的透射光的透射峰个数与正常波长范围内已知的透射峰个数相等。本发明可实现可调谐激光器输出光的波长一直处于正常范围，且不影响可调谐激光器的正常使用。

Description

压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统及方法

技术领域

本发明涉及可调谐激光器实时校准领域，尤其涉及一种压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统及方法。

 

背景技术

压电陶瓷型可调谐激光器由于具有响应速度快、发热小、波长分辨率高等诸多优点，在光纤传感领域中有着广泛的应用。压电陶瓷型可调谐激光器利用法布里—珀罗结构，通过对压电陶瓷施加不同的电压改变腔长可以控制可调谐激光器输出不同波长的光。但由于压电陶瓷的腔长不仅与输入电压有关，还会受到温度和自身老化的影响，从而导致对压电陶瓷施加相同的输入电压可能输出不同的波长。这样如果始终对压电陶瓷型可调谐激光器施加相同范围的电压，输出的波长范围会发生变化，有可能偏离正常所需的波长范围。为了保证可调谐激光器输出光的波长一直处于正常范围，故需要实时调整可调谐激光器的输入电压范围，达到实时校准可调谐激光器输出波长的目的。

   

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中不能有效保证可调谐激光器输出光的波长一直处于正常范围的缺陷，提供一种可实现对压电陶瓷型可调谐激光器的实时校准，使得可调谐激光器输出光的波长一直处于正常范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统，包括：

可调谐激光器；

光分路器，与所述可调谐激光器连接，将所述可调谐激光器的输出的光信号分为两路，第一路用于输出，第二路用于反馈；

标准波长器件，与所述光分路器连接，对所述光分路器的第二路反馈的光进行透射，其透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍；

光电转换模块，与所述标准波长器件连接，用于将所述标准波长器件输出的光转换为模拟信号并进行放大；

采样处理模块，与所述光电转换模块连接，该采样处理模块用于对所述光电转换模块输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器的驱动电压；通过调节所述三角波信号的中心值，使所述三角波信号的上升沿的中心时刻与所述标准波长器件实际输出的透射光的峰值波长中心的时间点重合，通过调节所述三角波信号的峰峰值，使所述标准波长器件实际输出的透射光的透射峰个数与已知的透射峰个数相等。

本发明所述的系统中，所述光电转换模块包括光敏二极管和对数放大器。

本发明所述的系统中，所述三角波信号的中心值的表达式为：

；

式中：K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数；k为自然数，V_中心值(k)为第k个采样周期三角波中心值的控制输出；e(k)为第k个采样周期输入到控制系统的偏差值；T为采样周期。

本发明所述的系统中，经所述光分路器输出的光，其中90%以上的光作为输出，10%以下的光作为反馈。

提供一种压电陶瓷型可调谐激光器实时校准方法，包括以下步骤：

可调谐激光器在三角波信号的驱动下，输出波长周期性变化的光信号；

光分路器将可调谐激光器的输出的光信号分为两路，第一路用于输出，第二路用于反馈；

通过标准波长器件对所述光分路器的第二路反馈的光进行透射，其透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍；

光电转换模块将所述标准波长器件输出的光转换为模拟信号并进行放大；

对所述光电转换模块输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器的驱动电压；

调节所述三角波信号的中心值，使所述三角波信号的上升沿的中心时刻与所述标准波长器件实际输出的透射光的峰值波长中心的时间点重合；

调节所述三角波信号的峰峰值，使所述标准波长器件实际输出的透射光的透射峰个数与透射峰个数相等。

本发明所述的方法中，所述三角波信号的中心值的表达式为：

；

式中：K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数；k为自然数，V_中心值(k)为第k个采样周期三角波中心值的控制输出；e(k)为第k个采样周期输入到控制系统的偏差值；T为采样周期。 

本发明所述的方法中，经所述光分路器输出的光，其中90%以上的光作为输出，10%以下的光作为反馈。

本发明产生的有益效果是：本发明压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统中，正常波长范围内标准波长器件的透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍。采样处理模块对光电转换模块输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器的驱动电压；调节三角波信号的中心值以及峰峰值，可使标准波长器件实际输出的透射光的透射峰个数与正常波长范围内已知的透射峰个数相等。本发明可实现可调谐激光器输出光的波长一直处于正常范围，且不影响可调谐激光器的正常使用。

 

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统的结构示意图；

图2是本发明实施例可调谐激光器的输入电压波形图；

图3是本发明实施例可调谐激光器实时校准方法的流程图；

图4是本发明实施例校准前标准波长器件透射的光电信号的示意图；

图5是本发明实施例校准了透射峰波长中心位置的标准波长器件透射的光电信号的示意图；

图6是本发明实施例校准之后的标准波长器件透射的光电信号的示意图。

 

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统，如图1所示，该系统包括可调谐激光器1、光分路器2、标准波长器件3、光电转换模块4和采样处理模块5。

光分路器2，与可调谐激光器1连接，将可调谐激光器1的输出的光分为两路，第一路光用于输出，第二路光用于反馈；其中90%以上的光作为第一路光输出，10%以下的光作为第二路光反馈。

标准波长器件3，与光分路器2连接，对光分路器2的第二路反馈的光进行透射，其正常波长范围内（在本发明实施例中正常波长范围可选择1280-1330nm）的透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍；

光电转换模块4，与标准波长器件3连接，用于将标准波长器件3输出的光转换为模拟信号并进行放大；

采样处理模块5，与光电转换模块4连接，该采样处理模块5用于对光电转换模块4输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器1的驱动电压。

如图3所示，通过调节三角波信号的中心值，使三角波信号的上升沿的中心时刻与标准波长器件3实际输出的透射光的峰值波长中心的时间点重合，通过调节三角波信号的峰峰值，使标准波长器件3实际输出的透射光的透射峰个数与正常波长范围内已知的透射峰个数相等。

本发明的一个具体实施例中选用压电陶瓷型可调谐激光器作为光源，在三角波信号（如图2所示）的驱动下，输出波长周期性变化的光信号。可调谐激光器1的输出光信号经1×2-95/5光分路器2后分支为两条光路，其中95%的光作为输出，5%的光作为反馈。

反馈光经标准波长器件3的标准气室后产生有限个数、波长已知的透射峰，由于在波长中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其它任意两个相邻透射峰之间距离的两倍，故可以判断透射峰波长中心出现的时间。

标准气室透射光经光电转换模块4转换为模拟电信号，采样处理模块可采用FPGA实现，控制高速AD采样模拟电信号，对采样数据分析得到各个峰值出现的时间，对相邻距离为两倍的两个透射峰出现的时间取平均可得到标准气室透射峰波长中心位置对应的时间

T_波长中心。

如果透射峰波长中心位置对应的时间T_波长中心大于可调谐激光器驱动三角波上升沿的中心时刻T_中心时刻，如图4所示，则增大可调谐激光器的输入三角波信号的中心值V_中心值，如图5所示。反之，如果T_波长中心<T_中心时刻时，则减小三角波信号的中心值V_中心值。

当T_波长中心=T_中心时刻时，如果采样信号的峰值个数N_采样大于标准气室在正常波长范围内的透射峰个数N_正常，则减小三角波的峰峰值V_峰峰值，使N_采样等于N_正常。反之，如图6所示，若N_采样小于透射峰个数N_正常，则增大三角波的峰峰值V_峰峰值，使N_采样等于N_正常。如此循环的采样分析调整，保持T_波长中心=T_中心时刻和N_采样=N_正常，从而实现可调谐激光器始终输出同一波长范围（λ_min~λ_max）的光。

三角波信号的调节使用线性控制方法，以三角波信号的中心值调节为例。三角波信号中心值的控制算法根据给定值T_中心时刻(k)与实际采样信号的峰值波长中心位置对应的时间

T_波长中心(k)构成控制偏差e(k)= T_中心时刻(k)- T_波长中心(k)，对偏差e(k)进行离散化的比例、积分和微分运算，将三种运算的结果相加，就得到三角波中心值的控制输出V_中心值(k)。于是可得到三角波中心值控制的表达式：

可推得三角波中心值的增量△V_中心值(k)表达式：

式中：K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数；k为自然数，V_中心值(k)为第k个采样周期三角波中心值的控制输出；e(k)为第k个采样周期输入到控制系统的偏差值；T为采样周期。由于三角波中心值的增量△V_中心值(k)仅与最近3次的采样值有关，所以很容易通过加权处理得到精确的控制效果。

本发明实施例利用上述校准系统进行压电陶瓷型可调谐激光器实时校准方法，主要包括以下步骤：

可调谐激光器在三角波信号的驱动下，输出波长周期性变化的光信号；

光分路器将可调谐激光器的输出的光信号分为两路，第一路用于输出，第二路用于反馈；经光分路器输出的光，其中90%以上的光作为输出，10%以下的光作为反馈。

通过标准波长器件对光分路器的第二路反馈的光进行透射，其正常波长范围内的透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍；

光电转换模块将标准波长器件输出的光转换为模拟信号并进行放大；

对光电转换模块输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器的驱动电压；

调节三角波信号的中心值，使三角波信号的上升沿的中心时刻与标准波长器件实际输出的透射光的峰值波长中心的时间点重合；

调节三角波信号的峰峰值，使标准波长器件实际输出的透射光的透射峰个数与正常波长范围内已知的透射峰个数相等。

其中，三角波信号的中心值的表达式为：

；

式中：K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数；k为自然数，V_中心值(k)为第k个采样周期三角波中心值的控制输出；e(k)为第k个采样周期输入到控制系统的偏差值；T为采样周期。 

综上，本发明可实现对压电陶瓷型可调谐激光器的实时校准，使得可调谐激光器输出光的波长一直处于正常范围，且不影响可调谐激光器的正常使用。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种压电陶瓷型可调谐激光器实时校准系统，其特征在于，包括：

可调谐激光器；

光分路器，与所述可调谐激光器连接，将所述可调谐激光器的输出的光信号分为两路，第一路用于输出，第二路用于反馈；

标准波长器件，与所述光分路器连接，对所述光分路器的第二路反馈的光进行透射，其透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍；

光电转换模块，与所述标准波长器件连接，用于将所述标准波长器件输出的光转换为模拟信号并进行放大；

采样处理模块，与所述光电转换模块连接，该采样处理模块用于对所述光电转换模块输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器的驱动电压；通过调节所述三角波信号的中心值，使所述三角波信号的上升沿的中心时刻与所述标准波长器件实际输出的透射光的峰值波长中心的时间点重合，通过调节所述三角波信号的峰峰值，使所述标准波长器件实际输出的透射光的透射峰个数与已知的透射峰个数相等。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光电转换模块包括光敏二极管和对数放大器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述三角波信号的中心值的表达式为：

式中：K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数；k为自然数，V_中心值(k)为第k个采样周期三角波中心值的控制输出；e(k)为第k个采样周期输入到控制系统的偏差值；T为采样周期。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，经所述光分路器输出的光，其中90%以上的光作为输出，10%以下的光作为反馈。

5.一种压电陶瓷型可调谐激光器实时校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

可调谐激光器在三角波信号的驱动下，输出波长周期性变化的光信号；

光分路器将可调谐激光器的输出的光信号分为两路，第一路用于输出，第二路用于反馈；

通过标准波长器件对所述光分路器的第二路反馈的光进行透射，其透射光由个数和波长已知的透射峰构成，其中心位置的两个相邻透射峰之间的距离是其他任意两个相邻透射峰之间距离的两倍；

光电转换模块将所述标准波长器件输出的光转换为模拟信号并进行放大；

对所述光电转换模块输出的信号进行采样，生成的三角波信号作为可调谐激光器的驱动电压；

调节所述三角波信号的中心值，使所述三角波信号的上升沿的中心时刻与所述标准波长器件实际输出的透射光的峰值波长中心的时间点重合；

调节所述三角波信号的峰峰值，使所述标准波长器件实际输出的透射光的透射峰个数与已知的透射峰个数相等。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述三角波信号的中心值的表达式为：

式中：K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_d为微分系数；k为自然数，V_中心值(k)为第k个采样周期三角波中心值的控制输出；e(k)为第k个采样周期输入到控制系统的偏差值；T为采样周期。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，经所述光分路器输出的光，其中90%以上的光作为输出，10%以下的光作为反馈。

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