CN104319624A - 一种超辐射发光二极管光源功率波动的补偿装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超辐射发光二极管光源功率波动的补偿装置和方法。超辐射发光二极管的光源尾纤与光放大器输入端相连，光放大器输出端连接光纤耦合器，通过光纤耦合器光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光电探测器后输入到信号处理模块，探测光信号由光电探测器接收后经信号处理模块处理后产生调整信号调节光放大器的增益进行反馈控制，实现对超辐射发光二极管功率波动的补偿。本发明能满足应用中对超辐射发光二极管的输出光功率稳定性的要求，不需要温度控制等设备，结构简单，同时进一步提高了输出信号光的光功率，也使超辐射发光二极管光源的寿命得到延长。

Description

一种超辐射发光二极管光源功率波动的补偿装置和方法
技术领域
本发明涉及一种光源信号的处理装置和方法，尤其是涉及一种超辐射发光二极管光源功率波动的补偿装置和方法。
背景技术
超辐射发光二极管（SLD）是一种宽光谱、弱时间相干性、大功率、高效率的半导体光发射器件，其光学性质介于半导体激光器（LD）和半导体发光二极管（LED）之间，具有比LD更宽的发光光谱和更短的相干长度，具有比LED更高的输出功率，集宽光谱和大功率的优点于一身。
SLD宽光谱和大功率的独特优势使其在低相干测量系统中被广泛应用，主要包括干涉式光纤陀螺（IFOG）、光学相干层析技术(OCT)、光时域反射仪（OTDR）、光频域反射仪（OFDR）、白光干涉仪、分布式光纤传感等方面。SLD光源的稳定性对这些系统的精度和稳定度有较大影响，所以，控制SLD高稳定输出具有极其重要的意义。
由于SLD光源的稳定性主要受到温度和电流的影响，因此，目前对SLD光源的驱动和控制普遍采用恒流源驱动加光反馈控制和温控的方法，即“恒流+温控”驱动方式。一方面用精密恒流源给SLD提供注入电流；另一方面控制SLD光源发光管的温度，使温度稳定在一个精确的范围内。
总结来说，现有的光源系统结构比较复杂，并且SLD随着使用时间的增加，输出光的光功率会逐渐下降，其寿命较短，将其输出端功率下降到初始功率的一半或者1/e的时间称为其寿命。
半导体光放大器（SOA）是出现最早的光放大器，它的基本结构类似于无反馈或反馈量不足以引起振荡的半导体激光器。半导体光放大器利用半导体PN结的光电子学特性，在正偏压、强注入电流作用下，有源区半导体内的导带与价带间由于非平衡载流子的注入而形成粒子数分布反转，在入射光作用下通过受激辐射产生光增益，使输入光信号得到放大。
半导体光放大器的增益特性是它的一个重要特性。半导体光放大器通常有比较宽的增益带宽，可以用于对宽谱光的放大。半导体光放大器的增益是输出光功率与输入光功率之比，通常也用分贝（dB）为单位来表示增益，即：
G（dB）＝10lg（Pout/Pin） 
半导体光放大器的增益通常与它的结构、材料以及注入电流等工作参数有关。在半导体光放大器的线性增益区，随着半导体光放大器注入电流的增加，放大器的增益将增加，输出功率也相应增加，这是因为器件增益与材料增益有关，增加注入电流使得载流子浓度增加，因而材料增益增加。
光纤放大器是利用光纤的非线性效应，对所传输的光进行放大。光纤放大有两类，即受激拉曼散射放大（SRA）和受激布里渊散射放大（SBA）。根据放大介质的不同，将光纤放大器分为稀土掺杂光纤放大器和拉曼光纤放大器两种类型。光纤放大器具有与半导体光放大器类似的特性，而其与半导体光放大器不同的是，光纤放大器需要依靠光泵浦产生增益。
发明内容
针对目前超辐射发光二极管光源的输出光功率随温度及工作电流等物理量的波动而波动的问题，本发明的目的在于提供一种超辐射发光二极管光源功率波动的补偿装置和方法，满足相关应用中对超辐射发光二极管的输出光功率稳定性的要求。
本发明所采用的技术方案的步骤如下：
一、一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿装置：
包括超辐射发光二极管1、光放大器2、光纤耦合器3、光电探测器4和信号处理模块5；超辐射发光二极管1的光源尾纤与光放大器2输入端相连，光放大器2输出端连接光纤耦合器，通过光纤耦合器3光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光电探测器4后输入到信号处理模块，信号处理模块5调整信号后反馈到光放大器2的工作参数控制端，对光放大器2进行控制，从而对超辐射发光二极管1的功率波动进行补偿。
所述的光纤耦合器为1                                                2耦合器。
所述的光放大器为半导体光放大器或光纤放大器。
所述的光放大器工作在线性增益区。
二、一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿方法，包括：
A超辐射发光二极管发出的光信号，经尾纤耦合输入到光放大器中，光信号经光放大器得到放大，放大后的光信号经光纤耦合器分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号；
B探测光信号由光电探测器接收后经信号处理模块处理后产生调整信号调节光放大器的增益进行反馈控制，实现对超辐射发光二极管功率波动的补偿。
所述的步骤B的反馈控制中，所述输出光信号和探测光信号分光比为100-A：A，信号处理模块中设置功率平衡点Pm，具体反馈过程为：
当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0>A%Pm时，信号处理模块产生调整信号降低光放大器的增益进行反馈调节，使得探测光信号的光功率Pm0降低至A%Pm；当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0<A%Pm时，信号处理模块产生调整信号提高光放大器的增益进行反馈调节，使得探测光信号的光功率Pm0升高至A%Pm；当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0=A%Pm时，信号处理模块对光放大器的增益不进行处理。
所述的光放大器为半导体光放大器或光纤放大器。
当所述的光放大器为半导体光放大器时，通过调整半导体光放大器的驱动电流对超辐射发光二极管功率波动进行补偿；当所述的光放大器为光纤放大器时，通过调整光纤放大器的泵浦光功率对超辐射发光二极管功率波动进行补偿。
所述的输出光信号和探测光信号分光比为95：5。
所述的光放大器工作在线性增益区。
本发明具有的有益效果是：
本发明利用光放大器较宽的增益带宽将超辐射发光二极管光源的光信号放大，再经负反馈控制调节光放大器工作参数，实现对超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿，以满足相关应用中对超辐射发光二极管的输出光功率稳定性的要求。
本发明装置不需要温度控制等设备，结构简单；同时，通过光放大器的放大作用补偿超辐射发光二极管随使用时间累积出现的光功率下降，从而延长了超辐射发光二极管的使用寿命。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2是半导体光放大器的增益谱示意图。
图3是半导体光放大器的电流-增益关系示意图。
图4是补偿前后的超辐射发光二极管光源光功率和对应的半导体光放大器驱动电流随时间变化的示意图。
图5是补偿超辐射发光二极管光源光功率波动后的输出光功率随时间变化的示意图。
图6是超辐射发光二极管使用本发明前后的等效输出光功率以及补偿所用的半导体光放大器的驱动电流的示意图。
图中：1、超辐射发光二极管，2、光放大器，3、光纤耦合器，4、光电探测器，5、信号处理模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的补偿装置，包括超辐射发光二极管1、光放大器2、光纤耦合器3、光电探测器4和信号处理模块5；超辐射发光二极管1的光源尾纤与光放大器2输入端相连，光放大器2输出端连接光纤耦合器，通过光纤耦合器3光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光电探测器4后输入到信号处理模块，信号处理模块5调整信号后反馈到光放大器2的工作参数控制端，对光放大器2进行控制，从而对超辐射发光二极管1的功率波动进行补偿。
光纤耦合器为12耦合器。
光放大器为半导体光放大器或光纤放大器。
光放大器工作在线性增益区。
本发明的补偿方法，包括：
A）超辐射发光二极管发出的光信号，经尾纤耦合输入到光放大器中，光信号经光放大器得到放大，放大后的光信号经光纤耦合器分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号；
B）探测光信号由光电探测器接收后经信号处理模块处理后产生调整信号调节光放大器的增益进行反馈控制，实现对超辐射发光二极管功率波动的补偿。
步骤B）的反馈控制中，所述输出光信号和探测光信号分光比为(100-A)：A，信号处理模块中设置功率平衡点Pm，具体反馈过程为：
当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0>A%Pm时，信号处理模块产生调整信号降低光放大器的增益进行反馈调节，使得探测光信号的光功率Pm0降低至A%Pm；
当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0<A%Pm时，信号处理模块产生调整信号提高光放大器的增益进行反馈调节，使得探测光信号的光功率Pm0升高至A%Pm；
当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0=A%Pm时，光源光功率符合应用要求，信号处理模块对光放大器的增益不进行处理，即不产生调整信号。
光放大器为半导体光放大器或光纤放大器。当所述的光放大器为半导体光放大器时，通过调整半导体光放大器的驱动电流对超辐射发光二极管功率波动进行补偿；当所述的光放大器为光纤放大器时，通过调整光纤放大器的泵浦光功率对超辐射发光二极管功率波动进行补偿。
优选的输出光信号和探测光信号分光比为95：5。
光放大器工作在线性增益区。
本发明的反馈控制是一种负反馈控制。具体来说，当Pm0>A%Pm时，信号处理模块产生调整信号降低光放大器的增益使Pm0降低至Pm0=A%Pm，若光放大器采用半导体光放大器，则通过降低半导体光放大器的驱动电流实现，若光放大器采用光纤放大器，则通过降低光纤放大器的泵浦光功率实现；当Pm0<A%Pm时，信号处理模块产生调整信号提高光放大器的增益使Pm0提高至Pm0=A%Pm，若光放大器采用半导体光放大器，则通过提高半导体光放大器的驱动电流实现，若光放大器采用光纤放大器，则通过提高光纤放大器的泵浦光功率实现。通过此负反馈控制，光源光功率即可稳定在功率平衡点，满足超辐射发光二极管的输出光功率稳定性的要求。
如图2所示为半导体光放大器的增益谱示意图。横坐标为波长，纵坐标为增益值。半导体光放大器具有比较宽的增益谱，因而可以对超辐射发光二极管等宽谱光源发出的光信号进行放大。除用于宽谱光源外，本发明也适用于激光等非宽谱光源，只需满足光源光谱位于光放大器的增益谱内即可。
如图3所示为半导体光放大器的电流-增益关系示意图。横坐标为驱动电流，纵坐标为增益值。在半导体光放大器的线性增益区，其增益随驱动电流的增大而增大。利用这一特性，即可根据探测到的输入半导体光放大器的光源光功率的波动情况调整驱动电流大小实现反馈控制。
本发明的实施例如下：
目前典型的1310nm波段的超辐射发光二极管光源，输出光功率约为100μW，应用要求光源输出光功率为400μW，则功率平衡点设置为400μW。超辐射发光二极管光源的光功率随时间有5%的正弦波动。所用的半导体光放大器的驱动电流为130mA时，其光放大倍数为4倍，则通过负反馈控制半导体光放大器的驱动电流随时间在130mA附近以相反趋势波动，使得半导体光放大器的放大倍数在4倍附近波动以补偿光源光功率波动，最终保证输出光功率稳定在400μW。
如图4所示为补偿前的超辐射发光二极管光源光功率和调整后的半导体光放大器驱动电流随时间变化的示意图。横坐标为时间，纵坐标分别为光功率和电流值。超辐射发光二极管光源的光功率随时间有5%的正弦波动，通过负反馈控制半导体光放大器的驱动电流按如图所示规律变化，以补偿光源光功率波动。如图5所示为补偿超辐射发光二极管光源光功率波动后的输出光功率随时间变化的示意图。其中，光放大器的放大倍数为4倍。可见，系统实现了对光源光功率波动的补偿，保证了输出光功率的相对稳定。
如图6所示为超辐射发光二极管使用本发明前后的等效输出光功率以及补偿所用的半导体光放大器的驱动电流的示意图。超辐射发光二极管随着使用时间的增加，输出光的光功率会逐渐下降。一般而言，将其输出端功率下降到初始功率的一半或者1/e的时间称为其寿命。如图所示，此超辐射发光二极管的初始输出光功率为100μW，使用本发明前，其寿命约为3年。使用本发明后，根据超辐射发光二极管的光功率变化相应调节半导体光放大器的驱动电流，改变其增益值，以保证系统输出光功率稳定在功率平衡点，等效于超辐射发光二极管的输出光功率稳定在初始值100μW，从而大大延长了其使用寿命。
作为一个典型的实施例，目前典型的1310nm波段的超辐射发光二极管光源，输出光功率约为100μW，应用要求光源输出光功率为400μW，则功率平衡点设置为400μW。
若三年后，该超辐射发光二极管光源的输出光功率降为50μW，假设系统使用半导体光放大器，则增大半导体光放大器的驱动电流，使其放大倍数提高为原来的2倍，仍能保证应用要求的400μW的输出光功率，从而延长了该超辐射发光二极管光源的使用寿命，由此具有显著的技术效果。

Claims (10)

1.一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿装置，其特征在于：包括超辐射发光二极管（1）、光放大器（2）、光纤耦合器（3）、光电探测器（4）和信号处理模块（5）；超辐射发光二极管（1）的光源尾纤与光放大器（2）输入端相连，光放大器（2）输出端连接光纤耦合器，通过光纤耦合器（3）光路被分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号经过光电探测器（4）后输入到信号处理模块，信号处理模块（5）调整信号后反馈到光放大器（2）的工作参数控制端，对光放大器（2）进行控制，从而对超辐射发光二极管（1）的功率波动进行补偿。
2.根据权利要求1所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿装置，其特征在于：所述的光纤耦合器为1×2耦合器。
3.根据权利要求1所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿装置，其特征在于：所述的光放大器为半导体光放大器或光纤放大器。
4.根据权利要求1或3所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿装置，其特征在于：所述的光放大器工作在线性增益区。
5.应用于权利要求1所述装置的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿方法，其特征在于包括：
A）超辐射发光二极管发出的光信号，经尾纤耦合输入到光放大器中，光信号经光放大器得到放大，放大后的光信号经光纤耦合器分为两路，一路作为输出光信号，另一路作为探测光信号；
B）探测光信号由光电探测器接收后经信号处理模块处理后产生调整信号调节光放大器的增益进行反馈控制，实现对超辐射发光二极管功率波动的补偿。
6.根据权利要求5所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿方法，其特征在于：所述的步骤B）的反馈控制中，所述输出光信号和探测光信号分光比为(100-A)：A，信号处理模块中设置功率平衡点Pm，具体反馈过程为：
当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0>A%Pm时，信号处理模块产生调整信号降低光放大器的增益进行反馈调节，使得探测光信号的光功率Pm0降低至A%Pm；当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0<A%Pm时，信号处理模块产生调整信号提高光放大器的增益进行反馈调节，使得探测光信号的光功率Pm0升高至A%Pm；当光电探测器接收到的探测光信号的光功率Pm0=A%Pm时，信号处理模块对光放大器的增益不进行处理。
7.根据权利要求5所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿方法，其特征在于：所述的光放大器为半导体光放大器或光纤放大器。
8.根据权利要求7所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿方法，其特征在于：当所述的光放大器为半导体光放大器时，通过调整半导体光放大器的驱动电流对超辐射发光二极管功率波动进行补偿；当所述的光放大器为光纤放大器时，通过调整光纤放大器的泵浦光功率对超辐射发光二极管功率波动进行补偿。
9.根据权利要求5所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿方法，其特征在于：所述的输出光信号和探测光信号分光比为95：5。
10.根据权利要求5所述的一种超辐射发光二极管光源光功率波动的补偿方法，其特征在于：所述的光放大器工作在线性增益区。
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