CN104112971B - 一种基于wdm波长检测技术的智能可调谐光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于WDM（波分复用器）波长检测技术的智能可调谐光纤激光器，包括980泵浦激光器、980/1550nm波分复用器、掺铒光纤、环行器、手动可调谐光纤光栅滤波器、连轴器、步进电机、第一耦合器、测量显示装置、主控模块、按键输入模块、液晶显示模块、步进电机细分驱动器、第二耦合器、1525/1575nm波分复用器、第一PIN探测器、第二PIN探测器。本发明利用不同输入光波长WDM两臂分光比不同的特性，检测WDM两臂的分光比例，建立反馈信号回路，设计光纤激光器的闭环控制方案。本发明利用256细分驱动器对42步进电机进行驱动，实现高达1.41pm/pulse的高分辨率激光波长输出。

Description

一种基于WDM波长检测技术的智能可调谐光纤激光器

所属技术领域

本发明涉及一种可调谐光纤激光器，特别涉及一种基于WDM(波分复用器)波长检测技术的智能可调谐光纤激光器。

背景技术

多波长光纤激光器因其多波长输出、低插损等优点在波分复用网络、光测试仪器、光纤传感等领域备受关注。多波长光纤激光器的关键技术主要表现为如何获得稳定、波长间隔可调、输出波长数目足够多且各波长功率均衡的多波长激射。

目前人们已经提出了多种实现光纤激光器的实现方法，中国专利公开号为CN102185239，公开日为2011年09月14日，发明创造的名称为“单纤多波长光纤激光器”，该申请方案公布了一种基于多个有源光纤光栅的多波长激光器，其不足之处在于多个光纤的串接容易引起激光器的输出波长和功率存在不稳定性，多波长激光之间的相互影响甚至会使得激光器无法正常工作；中国专利公开号为CN102074881，公开日为2011年05月25日，发明创造的名称为“微型谐振腔体结构的多波长光纤激光器”，该申请方案公布了一种基于微型谐振腔体结构的多波长激光器，其不足之处在于每个微型谐振腔体结构都谐振于一个特定波长的激光，无法根据需要实现灵活的激光波长输出。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种基于步进电机控制的宽带可调谐光纤激光器，实现C波段40nm范围内的激光输出，同时波长分辨率可以高达1.41pm/pulse。另外由于本发明中的手动可调谐光纤光栅滤波器是在步进电机的控制下工作的，因此调谐输出的工作波长与电机的驱动脉冲数之间存在线性对应关系，使用时输入具体的电机驱动脉冲数或波长值即可获得需要的激光输出。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于WDM(波分复用器)波长检测技术的智能可调谐光纤激光器，其特征在于：包括980泵浦激光器、980/1550nm波分复用器、掺铒光纤、环行器、手动可调谐光纤光栅滤波器、连轴器、步进电机、第一耦合器、测量显示装置、主控模块、按键输入模块、液晶显示模块、步进电机细分驱动器、第二耦合器、1525/1575nm波分复用器、第一PIN探测器、第二PIN探测器，所述980泵浦激光器的输出端通过活动连接器连接980/1550nm波分复用器的980nm端口，所述980/1550nm波分复用器的合波端口通过固定连接方式连接掺铒光纤的输入端，所述掺铒光纤的输出端通过固定连接方式连接环行器的1端口，所述掺铒光纤长度为10m，1550nm增益为22dB/m；

所述环行器的2端口通过固定连接方式连接手动可调谐光纤光栅滤波器的光纤端口，所述手动可调谐光纤光栅滤波器的工作波长范围为1530nm-1570nm，其中一个端口为光纤端口，另外一个端口为手动调谐端口，所述手动可调谐光纤光栅滤波器的手动调谐端口通过连轴器与步进电机的轴相连，所述步进电机为256细分1.8°步距角；

所述步进电机的四线与SH2046D步进电机细分驱动器的A-、A+、B-、B+相连，驱动器内部的接口电路采用光耦信号隔离，共阳接法为CP串电阻接CP－，DIR串电阻接DIR－，FREE串电阻接FREE－，其中CP为步进脉冲信号输入，下降沿有效，最高响应频率达200kHz，信号电平稳定时间不小于2.5us，DIR为方向电平信号输入端，高低电平控制电机正/反转，信号电平的改变错开CP脉冲下降沿2.5us以上，FREE为脱机信号，低电平有效，当此输入控制端为低时，电机励磁电流被关断，电机处于脱机自由状态；

所述环行器的3端口通过固定连接方式连接第一耦合器的合波端口，所述第一耦合器在1550nm波段的的分光比为40：60，所述第一耦合器的60％的分光端口通过固定连接方式连接第二耦合器的合波端口，所述第一耦合器的40％的分光端口通过活动连接器与测量显示装置相连，所述第二耦合器在1550nm波段的分光比为50：50，所述第二耦合器的其中一个50％分光端口通过固定连接方式连接980/1550nm波分复用器的1550nm端口，所述第二耦合器的另外一个50％的分光端口通过固定连接方式连接1525/1575nm波分复用器的合波端口，所述1525/1575nm波分复用器的1525nm端口通过固定连接方式连接第一PIN探测器的光纤端口，所述1525/1575nm波分复用器的1575nm端口通过固定连接方式连接第二PIN探测器的光纤端口，所述第一PIN探测器和第二PIN探测器的电端口与主控模块I/O端口通过导线相连；

所述按键输入模块采用CH452芯片，用来输入用户所需要的波长值，通过2线串行接口或级联4线串行接口同主控模块的MSP430F1611单片机交换数据；所述液晶显示模块的显示控制器为RA8835，接口部分设置了适配8080系列连接主控模块，显示按键输入模块的输入数据；所述主控模块采用德州仪器的MSP430F1611单片机作为控制器，通过I/O端口连接步进电机细分驱动器。

上述基于WDM(波分复用器)波长检测技术的智能可调谐光纤激光器，其特征在于：当主控模块接收到按键输入模块(11)的输入波长时，将按照以下步骤驱动电机工作：

首先引入1525/1575nm波分复用器的归一化对比度参数其中P₁(λ)和P₂(λ)分别为波分复用器的1525nm端口和1575nm端口在λ波段工作时的输出功率，考虑到本系统采用的主控制器为MSP430单片机，为提高对比度参数R(λ)的识别精度，在主控系统的算法中对R(λ)的定义式做如下修改：

$R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}10000+\frac{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}\&times;10000,& P_1\&GreaterEqual;P_2\\ 10000-\frac{P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}\&times;10000,& P_1<P_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

当用户输入波长值λ_in后，主控模块查询表格中与该输入波长最为接近的两组值，分别记为λ_m，R_m和λ_m+1，R_m+1，由于λ_m和λ_m+1相差很小，可近似认为在该范围内R(λ)与λ成线性关系，由此可以计算出输入波长对应的值R_in为：

$R_{in}=R_m+\frac{R_{m+1}-R_m}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_m}({\mathrm{\&lambda;}}_x-{\mathrm{\&lambda;}}_m)---\left(2\right)$

主控模块根据查表所得的λ_m和R_m值，确定输入波长值对应的电机步数PULSE，该步数为一个估计值，是为了能够让步进电机快速运转到所输入波长值的附近，减小所需要的时间；

主控模块测量1525/1575nm波分复用器两臂的输出光功率，根据式(1)计算归一化对比度R(λ)，通过比较R(λ)和R_in的值，调节步进电机的运转，如果R(λ)＞R_in，电机前进100步，使输出波长向短波方向移动，反之则后退100步，使输出波长向长波方向移动，如此反复，直至两者差值|R(λ)-R_x|≤60。

本发明的有益效果是，由于手动可调谐光纤光栅滤波器是在电机的控制下实现反射波长的调谐，因此激光器输出波长的精度很高，相邻波长间隔可达100GHZ，满足WDM系统的要求；而且由于电机驱动脉冲数和激光输出波长之间的对应关系，使用时输入具体的电机驱动脉冲数或波长值即可获得需要的激光输出，从而实现智能化的激光输出。

附图说明：

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的测试结果图。

图3是本发明中1525/1575nm波分复用器的分光比实验数据(1549.97nm—1561.16nm)。

附图标记说明：

1. 980泵浦激光器； 2. 980/1550nm波分复用器； 3.掺铒光纤；

4.环行器； 5.手动可调谐光纤光栅滤波器； 6.连轴器；

7.步进电机； 8.第一耦合器； 9.测量显示装置；

10.主控模块； 11.按键输入模块； 12.液晶显示模块；

13.步进电机细分驱动器 14.第二耦合器； 15.1525/1575nm波分复用器；

16.第一PIN探测器； 17.第二PIN探测器；

λ：1525/1575nm波分复用器的输入波长；

P₁：1525/1575nm波分复用器的1525nm端口输出功率；

P₂：1525/1575nm波分复用器的1575nm端口输出功率；

R：1525/1575nm波分复用器的1525nm端口和1575nm端口的归一化对比度；

PULSE：步进电机压缩脉冲量。

具体实施方式

如图1所示的一种基于WDM(波分复用器)波长检测技术的智能可调谐光纤激光器，其特征在于：包括980泵浦激光器1、980/1550nm波分复用器2、掺铒光纤3、环行器4、手动可调谐光纤光栅滤波器5、连轴器6、步进电机7、第一耦合器8、测量显示装置9、主控模块10、按键输入模块11、液晶显示模块12、步进电机细分驱动器13、第二耦合器14、1525/1575nm波分复用器15、第一PIN探测器16、第二PIN探测器17，所述980泵浦激光器1的输出端通过活动连接器连接980/1550nm波分复用器2的980nm端口，所述980/1550nm波分复用器2的合波端口通过固定连接方式连接掺铒光纤3的输入端，所述掺铒光纤3的输出端通过固定连接方式连接环行器4的1端口，所述掺铒光纤3长度为10m，1550nm增益为22dB/m；

所述环行器4的2端口通过固定连接方式连接手动可调谐光纤光栅滤波器5的光纤端口，所述手动可调谐光纤光栅滤波器5的工作波长范围为1530nm-1570nm，其中一个端口为光纤端口，另外一个端口为手动调谐端口，所述手动可调谐光纤光栅滤波器5的手动调谐端口通过连轴器6与步进电机7的轴相连，所述步进电机7为256细分1.8°步距角；

所述步进电机7的四线与SH2046D步进电机细分驱动器13的A-、A+、B-、B+相连，驱动器内部的接口电路采用光耦信号隔离，共阳接法为CP串电阻接CP－，DIR串电阻接DIR－，FREE串电阻接FREE－，其中CP为步进脉冲信号输入，下降沿有效，最高响应频率达200kHz，信号电平稳定时间不小于2.5us，DIR为方向电平信号输入端，高低电平控制电机正/反转，信号电平的改变错开CP脉冲下降沿2.5us以上，FREE为脱机信号，低电平有效，当此输入控制端为低时，电机励磁电流被关断，电机处于脱机自由状态；

所述环行器4的3端口通过固定连接方式连接第一耦合器8的合波端口，所述第一耦合器8在1550nm波段的的分光比为40：60，所述第一耦合器8的60％的分光端口通过固定连接方式连接第二耦合器14的合波端口，所述第一耦合器8的40％的分光端口通过活动连接器与测量显示装置9相连，所述第二耦合器14在1550nm波段的分光比为50：50，所述第二耦合器14的其中一个50％分光端口通过固定连接方式连接980/1550nm波分复用器2的1550nm端口，所述第二耦合器14的另外一个50％的分光端口通过固定连接方式连接1525/1575nm波分复用器15的合波端口，所述1525/1575nm波分复用器15的1525nm端口通过固定连接方式连接第一PIN探测器16的光纤端口，所述1525/1575nm波分复用器15的1575nm端口通过固定连接方式连接第二PIN探测器17的光纤端口，所述第一PIN探测器16和第二PIN探测器17的电端口与主控模块I/O端口通过导线相连；

所述按键输入模块11采用CH452芯片，用来输入用户所需要的波长值，通过2线串行接口或级联4线串行接口同主控模块10的MSP430F1611单片机交换数据；所述液晶显示模块12的显示控制器为RA8835，接口部分设置了适配8080系列连接主控模块10，显示按键输入模块11的输入数据；所述主控模块10采用德州仪器的MSP430F1611单片机作为控制器，通过I/O端口连接步进电机细分驱动器13。

实施过程是当980泵浦激光器在电压驱动下工作时，其输出光经过980/1550nm波分复用器的980nm端口进入到掺铒光纤，掺铒光纤中的Er³⁺被980nm泵浦激光抽运到⁴I_11/2态，很快以无辐射跃迁形式到达亚稳态能级⁴I_13/2，然后以非相干辐射形式辐射出1530nm～1570nm宽带范围内的ASE谱，回到基态⁴I_15/2，这部分ASE光谱通过环形器1端口进入到环形器2端口，通过与环形器2端口相连接的手动可调谐光纤光栅滤波器选频，被滤波器反射回来的模式经环行器3端口进入到第一耦合器的合波端口，其中60％的光功率经第二耦合器的其中一个50％分光端口，后经过980/1550nm波分复用器的1550nm端口回到掺铒光纤。当泵浦光功率大于系统阈值功率时，这时系统增益大于损耗，由滤波器反射回来的光信号作为被放大信号使掺铒光纤中的Er³⁺的亚稳态⁴I_13/2和基态⁴I_15/2间的ASE过程转变为受激辐射放大过程，在腔内形成激光振荡，激光从40：60耦合器的40％光端口输出至显示装置。

当主控模块接收到按键输入模块11的输入波长时，此系统控制流程是“按键输入模块→主控模块→步进电机→手动可调谐光纤光栅滤波器”为顺序控制链路，按照以下步骤驱动电机工作：

1.首先引入1525/1575nm波分复用器15的归一化对比度参数其中P₁(λ)和P₂(λ)分别为波分复用器15的1525nm端口和1575nm端口在λ波段工作时的输出功率，考虑到本系统采用的主控制器为MSP430单片机，为提高对比度参数R(λ)的识别精度，在主控系统的算法中对R(λ)的定义式做如下修改：

$R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}10000+\frac{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}\&times;10000,& P_1\&GreaterEqual;P_2\\ 10000-\frac{P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}\&times;10000,& P_1<P_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

2.当用户输入波长值λ_in后，主控模块10查询表格中与该输入波长最为接近的两组值，分别记为λ_m，R_m和λ_m+1，R_m+1，由于λ_m和λ_m+1相差很小，可近似认为在该范围内R(λ)与λ成线性关系，由此可以计算出输入波长对应的值R_in为：

$R_{in}=R_m+\frac{R_{m+1}-R_m}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_m}({\mathrm{\&lambda;}}_x-{\mathrm{\&lambda;}}_m)---\left(2\right)$

主控模块10根据查表所得的λ_m和R_m值，确定输入波长值对应的电机步数PULSE，该步数为一个估计值，是为了能够让步进电机快速运转到所输入波长值的附近，减小所需要的时间；

主控模块10测量1525/1575nm波分复用器两臂的输出光功率，根据式(1)计算归一化对比度R(λ)，通过比较R(λ)和R_in的值，调节步进电机的运转，如果R(λ)＞R_in，电机前进100步，使输出波长向短波方向移动，反之则后退100步，使输出波长向长波方向移动，如此反复，直至两者差值|R(λ)-R_x|≤60。

以上所述，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于WDM(波分复用器)波长检测技术的智能可调谐光纤激光器，其特征在于：包括980泵浦激光器(1)、980/1550nm波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、环行器(4)、手动可调谐光纤光栅滤波器(5)、连轴器(6)、步进电机(7)、第一耦合器(8)、测量显示装置(9)、主控模块(10)、按键输入模块(11)、液晶显示模块(12)、步进电机细分驱动器(13)、第二耦合器(14)、1525/1575nm波分复用器(15)、第一PIN探测器(16)、第二PIN探测器(17)，所述980泵浦激光器(1)的输出端通过活动连接器连接980/1550nm波分复用器(2)的980nm端口，所述980/1550nm波分复用器(2)的合波端口通过固定连接方式连接掺铒光纤(3)的输入端，所述掺铒光纤(3)的输出端通过固定连接方式连接环行器(4)的1端口，所述掺铒光纤(3)长度为10m，1550nm增益为22dB/m；

所述环行器(4)的2端口通过固定连接方式连接手动可调谐光纤光栅滤波器(5)的光纤端口，所述手动可调谐光纤光栅滤波器(5)的工作波长范围为1530nm-1570nm，其中一个端口为光纤端口，另外一个端口为手动调谐端口，所述手动可调谐光纤光栅滤波器(5)的手动调谐端口通过连轴器(6)与步进电机(7)的轴相连，所述步进电机(7)为256细分1.8°步距角；

所述步进电机(7)的四线与SH2046D步进电机细分驱动器(13)的A-、A+、B-、B+相连，驱动器内部的接口电路采用光耦信号隔离，共阳接法为CP串电阻接CP－，DIR串电阻接DIR－，FREE串电阻接FREE－，其中CP为步进脉冲信号输入，下降沿有效，最高响应频率达200kHz，信号电平稳定时间不小于2.5us，DIR为方向电平信号输入端，高低电平控制电机正/反转，信号电平的改变错开CP脉冲下降沿2.5us以上，FREE为脱机信号，低电平有效，当此输入控制端为低时，电机励磁电流被关断，电机处于脱机自由状态；

所述环行器(4)的3端口通过固定连接方式连接第一耦合器(8)的合波端口，所述第一耦合器(8)在1550nm波段的的分光比为40：60，所述第一耦合器(8)的60％的分光端口通过固定连接方式连接第二耦合器(14)的合波端口，所述第一耦合器(8)的40％的分光端口通过活动连接器与测量显示装置(9)相连，所述第二耦合器(14)在1550nm波段的分光比为50：50，所述第二耦合器(14)的其中一个50％分光端口通过固定连接方式连接980/1550nm波分复用器(2)的1550nm端口，所述第二耦合器(14)的另外一个50％的分光端口通过固定连接方式连接1525/1575nm波分复用器(15)的合波端口，所述1525/1575nm波分复用器(15)的1525nm端口通过固定连接方式连接第一PIN探测器(16)的光纤端口，所述1525/1575nm波分复用器(15)的1575nm端口通过固定连接方式连接第二PIN探测器(17)的光纤端口，所述第一PIN探测器(16)和第二PIN探测器(17)的电端口与主控模块I/O端口通过导线相连；

所述按键输入模块(11)采用CH452芯片，用来输入用户所需要的波长值，通过2线串行接口或级联4线串行接口同主控模块(10)的MSP430F1611单片机交换数据；所述液晶显示模块(12)的显示控制器为RA8835，接口部分设置了适配8080系列连接主控模块(10)，显示按键输入模块(11)的输入数据；所述主控模块(10)采用德州仪器的MSP430F1611单片机作为控制器，通过I/O端口连接步进电机细分驱动器(13)。

2.根据权利要求1所述的一种基于WDM(波分复用器)波长检测技术的智能可调谐光纤激光器，其特征在于：当主控模块接收到按键输入模块(11)的输入波长时，将按照以下步骤驱动电机工作：

首先引入1525/1575nm波分复用器(15)的归一化对比度参数其中P₁(λ)和P₂(λ)分别为波分复用器(15)的1525nm端口和1575nm端口在λ波段工作时的输出功率，考虑到本系统采用的主控制器为MSP430单片机，为提高对比度参数R(λ)的识别精度，在主控系统的算法中对R(λ)的定义式做如下修改：

$R\left(\mathrm{\&lambda;}\right)=\left\{\begin{array}{cc}10000+\frac{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}\&times;10000,& P_1\&GreaterEqual;P_2\\ 10000-\frac{P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)-P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}{P_1\left(\mathrm{\&lambda;}\right)+P_2\left(\mathrm{\&lambda;}\right)}\&times;10000,& P_1<P_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

当用户输入波长值λ_in后，主控模块(10)查询表格中与该输入波长最为接近的两组值，分别记为λ_m，R_m和λ_m+1，R_m+1，由于λ_m和λ_m+1相差很小，可近似认为在该范围内R(λ)与λ成线性关系，由此可以计算出输入波长对应的值R_in为：

$R_{in}=R_m+\frac{R_{m+1}-R_m}{{\mathrm{\&lambda;}}_{m+1}-{\mathrm{\&lambda;}}_m}({\mathrm{\&lambda;}}_x-{\mathrm{\&lambda;}}_m)---\left(2\right)$

主控模块(10)根据查表所得的λ_m和R_m值，确定输入波长值对应的电机步数PULSE，该步数为一个估计值，是为了能够让步进电机快速运转到所输入波长值的附近，减小所需要的时间；

主控模块(10)测量1525/1575nm波分复用器两臂的输出光功率，根据式(1)计算归一化对比度R(λ)，通过比较R(λ)和R_in的值，调节步进电机的运转，如果R(λ)＞R_in，电机前进100步，使输出波长向短波方向移动，反之则后退100步，使输出波长向长波方向移动，如此反复，直至两者差值|R(λ)-R_x|≤60。