CN104836109A - 一种扫描光源波长范围锁定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种扫描光源波长范围锁定装置，包括扫描光源、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制单元；扫描光源的输出端与第一窄带滤波器的输入端连接，第一窄带滤波器的透射输出端与第二窄带滤波器的输入端连接，第一窄带滤波器的反射输出端与第一光电探测器的输入端连接，第二窄带滤波器的反射输出端与第二光电探测器的输入端连接，第二窄带滤波器的透射输出端输出激光扫描信号，控制单元输入端分别与第一光电探测器输出端和第二光电探测器输出端连接，输出端与扫描光源驱动信号输入端连接。实施本发明的扫描光源波长范围锁定装置，具有以下有益效果：设计简单、制作简单、降低成本、使用方便灵活。

Description

一种扫描光源波长范围锁定装置

技术领域

本发明涉及光电领域，特别涉及一种扫描光源波长范围锁定装置。

背景技术

目前，扫描光纤激光器广泛应用于光纤光栅传感及光学断层扫描系统，通常采用光放大器(如掺饵光纤放大器(EDFA)或半导体光放大器(SOA))作为增益介质，以可调谐法布里-波洛(FP)滤波器或微机电系统(MEMS)滤波器为选频器，利用光反射镜或光纤环形成谐振腔，从而实现波长可调谐的激光输出。由于可调谐FP滤波器或MEMS滤波器的中心波长会随环境温度、湿度、驱动电压漂移及器件老化而发生漂移，为了完整覆盖目标波长范围，可调谐FP滤波器或MEMS滤波器的波长扫描范围往往要远大于目标波长范围，造成数据采集系统采集到大量的无用冗余数据，不仅大大增加信号处理系统的运算压力，还会降低整个测量系统的扫描速度。

申请号为201210116275.2的“基于波长反馈的定点扫描光纤激光器”发明专利公开了一种利用宽带带通滤波器的定点扫描光纤激光器方案，扫描激光器输出光经由宽带带通滤波器后，分出5％的光信号进行光电检测；利用光电检测信号的上升沿和下降沿锁定扫描激光器的波长扫描范围，从而在C波段(1525nm～1565nm)实现波长定点扫描。由于光纤光栅传感系统往往需要40nm甚至80nm以上的波长覆盖范围，而相应的宽带带通滤波器由于通带宽度大，很难实现通带内较低的插入损耗、较好的平坦度，通带外较高的隔离度以及较窄的过渡带，滤波器设计难度大，制作工艺复杂，应用成本高，造成使用不便；此外，光学断层扫描应用所需的波长范围通常在O波段(1260nm～1360nm)，该发明显然对此无能为力。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述存在设计难度大、制作工艺复杂、成本较高、使用不便的缺陷，提供一种设计简单、制作简单、降低成本、使用方便灵活的扫描光源波长范围锁定装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种扫描光源波长范围锁定装置，包括扫描光源、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制单元；所述扫描光源的输出端与所述第一窄带滤波器的输入端连接，所述第一窄带滤波器的透射输出端与所述第二窄带滤波器的输入端连接，所述第一窄带滤波器的反射输出端与所述第一光电探测器的输入端连接，所述第二窄带滤波器的反射输出端与所述第二光电探测器的输入端连接，所述第二窄带滤波器的透射输出端输出激光扫描信号，所述控制单元的输入端分别与所述第一光电探测器的输出端和所述第二光电探测器的输出端连接，输出端与扫描光源驱动信号输入端连接，当所述控制单元检测到所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出电平变化时，通过改变所述扫描光源驱动信号的变化方向实现在预设的波长范围内进行扫描。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，通过改变所述扫描光源的驱动电压、驱动电流或工作温度实现波长扫描。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，所述第一窄带滤波器和第二窄带滤波器均为窄带反射型器件，所述第一窄带滤波器的发射波长对应所述预设的波长范围的最小值，所述第二窄带滤波器的反射波长对应所述预设的波长范围的最大值。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，所述第一光电探测器包括第一光电二极管和第一运算放大器，所述第二光电探测器包括第二光电二极管和第二运算放大器，所述第一光电二极管的输入端与所述第一窄带滤波器的反射输出端，所述第一光电二极管的输出端与所述第一运算放大器的输入端连接，所述第二光电二极管的输入端与所述第二窄带滤波器的反射输出端连接，所述第二光电二极管的输出端与所述第二运算放大器的输入端连接，所述第一运算放大器的输出端和所述第二运算放大器的输出端均与所述控制单元的输入端连接。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，所述控制单元包括依次连接的模拟数字转换器、CPU、数字模拟转换器和第三运算放大器，所述模拟数字转换器的输入端分别与所述第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的输出端与所述扫描光源驱动信号输入端连接。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，所述第一窄带滤波器采用具有波长选择作用的光纤光栅或者采用光通信系统使用的密集波分复用器，所述第二窄带滤波器采用具有波长选择作用的光纤光栅或者采用光通信系统使用的密集波分复用器。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，通过选择不同波段的所述扫描光源以及与其波长匹配的所述第一窄带滤波器和第二窄带滤波器，实现不同波长范围的扫描激光输出。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，所述不同波段为O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段或者相邻两个或几个波段的叠加。

在本发明所述的扫描光源波长范围锁定装置中，所述第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制单元均设置在所述扫描光源的外部。

实施本发明的扫描光源波长范围锁定装置，具有以下有益效果：由于使用扫描光源、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制单元；当所述控制单元检测到所述第一光电探测器和第二光电探测器输出电平的变化时，通过改变扫描光源的波长驱动信号的变化方向实现在预设的波长范围内进行扫描，从而精确实现在两个波长点之间的往复扫描。当扫描光源的波长范围需要改变时，只需更换第一窄带滤波器或/和第二窄带滤波器即可；第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器和第二光电探测器均可采用光通信系统中的常规器件，其成本低廉，结构简单，使用灵活、方便，所以其设计简单、制作工艺简单、降低成本、使用方便灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中扫描光源波长实际扫描范围与可用波长范围的对比示意图；

图2为现有技术中基于宽带带通滤波器的定点扫描光纤激光器的结构示意图；

图3为本发明扫描光源波长范围锁定装置一个实施例中的结构示意图；

图4为所述实施例中扫描光源波长范围锁定装置在C+L波段的结构示意图；

图5为所述实施例中第一光电探测器输出信号、第二光电探测器输出信号、扫描光源驱动信号以及扫描光源输出波长的时序示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为现有技术中扫描光源波长实际扫描范围与可用波长范围的对比示意图；图2为现有技术中基于宽带带通滤波器的定点扫描光纤激光器的结构示意图。

在本发明扫描光源波长范围锁定装置实施例中，其扫描光源波长范围锁定装置的结构示意图如图3所示。图3中，该扫描光源波长范围锁定装置包括扫描光源1、第一窄带滤波器2、第二窄带滤波器3、第一光电探测器4、第二光电探测器5和控制单元6；扫描光源1的输出端与第一窄带滤波器2的输入端连接，第一窄带滤波器1的透射输出端与第二窄带滤波器3的输入端连接，第一窄带滤波器1的反射输出端与第一光电探测器4的输入端连接，第二窄带滤波器3的反射输出端与第二光电探测器5的输入端连接，第二窄带滤波器3的透射输出端作为整个扫描光源的输出端，第二窄带滤波器3的透射输出端输出激光扫描信号，控制单元6的输入端分别与第一光电探测器4的输出端和第二光电探测器5的输出端连接，控制单元6的输出端与扫描光源驱动信号输入端连接，当控制单元6检测到第一光电探测器4和第二光电探测器5的输出电平变化时，通过改变扫描光源驱动信号的变化方向，实现在预设的波长范围内进行扫描，从而精确实现在两个波长点之间的往复扫描。也就是控制单元6通过检测第一光电探测器4和第二光电探测器5输出信号的变化，改变扫描光源驱动信号的变化方向，实现对扫描光源波长范围的锁定。

本实施例中，控制单元6首先正向增大扫描光源1的输出波长，当检测到第二光电探测器5的输出信号电平由低到高变化时，改变扫描光源驱动信号的变化方向，减小扫描光源1的输出波长；当检测到第一光电探测器4的输出信号电平由低到高变化时，再次改变扫描光源驱动信号的变化方向，增大扫描光源1的输出波长，依此往复扫描。当扫描光源1的波长范围需要改变时，只需更换第一窄带滤波器2或/和第二窄带滤波器3即可；第一窄带滤波器2、第二窄带滤波器3、第一光电探测器4和第二光电探测器5均可采用光通信系统中的常规器件，其成本低廉，结构简单，使用灵活、方便，所以其设计简单、制作简单、降低成本、使用方便灵活。

本实施例中，第一窄带滤波器2、第二窄带滤波器3、第一光电探测器4、第二光电探测器5和控制单元6均设置在扫描光源1的外部。本实施例中，通过改变扫描光源1的驱动电压、驱动电流或工作温度实现波长扫描。其操作灵活方便。

本实施例中，第一窄带滤波器2和第二窄带滤波器3均为窄带反射型器件，第一窄带滤波器2和第二窄带滤波器3输入光中的绝大部分波长通过其透射输出端输出，第一窄带滤波器2的发射波长对应上述预设的波长范围的最小值，第二窄带滤波器3的反射波长对应上述预设的波长范围的最大值。第一窄带滤波器2和第二窄带滤波器3只要求具有较窄的反射带宽，反射带外的光信号全部经由透射端口输出，因而设计简单、加工难度低，并可选用技术成熟、成本极低的光通信器件，无需定制特殊的宽带带通滤波器，从而可大幅降低系统成本，有利于该扫描光源波长范围锁定装置的推广应用。

本实施例中，第一光电探测器包4括第一光电二极管41和第一运算放大器42，第二光电探测器5包括第二光电二极管51和第二运算放大器52，第一光电二极管41的输入端与第一窄带滤波器2的反射输出端，第一光电二极管41的输出端与第一运算放大器42的输入端连接，第二光电二极管51的输入端与第二窄带滤波器3的反射输出端连接，第二光电二极管51的输出端与第二运算放大器52的输入端连接，第一运算放大器42的输出端和第二运算放大器52的输出端均与控制单元6的输入端连接。

本实施例中，控制单元6包括依次连接的模拟数字转换器61、CPU62、数字模拟转换器63和第三运算放大器64，模拟数字转换器61的输入端分别与第一运算放大器42的输出端和第二运算放大器52的输出端连接，第三运算放大器64的输出端与扫描光源驱动信号输入端连接。

本实施例中，第一窄带滤波器2采用具有波长选择作用的光纤光栅或者采用光通信系统使用的密集波分复用器，第二窄带滤波器3采用具有波长选择作用的光纤光栅或者采用光通信系统使用的密集波分复用器。通过选择不同波段的扫描光源1以及与其波长匹配的第一窄带滤波器2和第二窄带滤波器3，实现不同波长范围的扫描激光输出。例如：上述不同波段为O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段或者相邻两个或几个波段的叠加。其中，O波段的波长范围为1260nm～1360nm、E波段的波长范围为1360nm～1460nm、S波段的波长范围为1460nm～1530nm、C波段的波长范围为1530nm～1565nm、L波段的波长范围为1565nm～1625nm、U波段的波长范围为1625nm～1675nm。当然，在本实施例的一些情况下，上述不同波段也可以选择其他波段。值得一提的是，第一窄带滤波器2的中心波长和第一滤波器3的中心波长落在扫描光源1的波段范围之内。下面以O波段和C+L波段为例说明控制逻辑。

在O波段时，扫描光源1为波长范围覆盖O波段的光纤扫描激光器，第一窄带滤波器2为反射中心波长1260nm的50GHz密集波分复用器，第二窄带滤波器3为反射中心波长1360nm的50GHz密集波分复用器(图中未示出)，密集波分复用器即为DWDM。上述O波段的波长范围为1260nm～1360nm。当系统开始运行后，控制单元6中的数字模拟转换器61的输出值逐渐增大，驱动扫描光源输出波长逐渐变大；当扫描光源1输出波长增大至1360nm时，达到第二窄带滤波器3的反射中心波长，第二窄带滤波器3的反射端输出信号电平由低变高，此时控制单元6中的数字模拟转换器63的输出值逐渐减小，驱动扫描光源1输出波长逐渐减小；当扫描光源1输出波长减小至1260nm时，达到第一窄带滤波器2的反射中心波长，第一窄带滤波器2的反射端输出信号电平由低变高，此时，控制单元6中的数字模拟转换器63的输出值再次逐渐增大，以此类推，实现在1260nm～1360nm波长范围内的波长扫描。

在C+L波段时，扫描光源波长范围锁定装置工作在C+L波段，图4为本实施例中扫描光源波长范围锁定装置在C+L波段的结构示意图。图4中，扫描光源1为波长范围覆盖C+L波段的光纤扫描激光器，第一窄带滤波器2包括第一定向耦合器21和1525nm布拉格光栅22，第二窄带滤波器3包括第二定向耦合器31和1625nm布拉格光栅32；第一定向耦合器21的一端与扫描光源1的输出端连接，第一定向耦合器21的另一端与1525nm布拉格光栅22的一端连接，1525nm布拉格光栅22的另一端与第二定向耦合器31的一端连接，第二定向耦合器31的另一端与1625nm布拉格光栅32连接，1625nm布拉格光栅32的输出端输出激光扫描信号，第一定向耦合器21的一输出端与第一光电探测器4的输入端连接，第二定向耦合器31的一输出端与第二光电探测器5的输入端连接。上述C+L波段的波长范围为1525nm～1625nm。

在C+L波段，扫描光源1输出光经由第一定向耦合器21进入1525nm布拉格光栅22，当扫描光源1的中心波长达到1525nm时，被1525nm布拉格光栅22强烈反射，第一光电探测器4的输出信号电平由低变高；扫描光源其他波长的光信号依次经过第一定向耦合器21、1525nm布拉格光栅22、第二定向耦合器31到达1625nm布拉格光栅32，当扫描光源1的中心波长达到1625nm时，被1625nm布拉格光栅32强烈反射，第二光电探测器5的输出信号电平由低变高，控制单元6的控制逻辑与上述对O波段的控制逻辑相同。此处就不再列举在其他波段的控制逻辑了。本发明在波长扫描的过程中实现精确的、完全受控的点到点扫描，消除大量无用冗余数据对数据采集、处理系统的额外压力，同等条件下比常规解决方案可提高近一倍的扫描频率。图5为本实施例中第一光电探测器输出信号、第二光电探测器输出信号、扫描光源驱动信号以及扫描光源输出波长的时序示意图。

总之，在本实施例中，通过采用两个窄带滤波器(即第一窄带滤波器2和第二窄带滤波器3)实现对扫描光源波长范围边界的锁定，窄带滤波器即可采用典型的DWDM器件，也可采用布拉格光纤光栅+定向耦合器实现；窄带滤波器的中心波长可根据所需波长范围的不同而进行相应调整，其实现方式比较灵活，系统成本低廉，应用范围较为广泛。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，包括扫描光源、第一窄带滤波器、第二窄带滤波器、第一光电探测器、第二光电探测器和控制单元；所述扫描光源的输出端与所述第一窄带滤波器的输入端连接，所述第一窄带滤波器的透射输出端与所述第二窄带滤波器的输入端连接，所述第一窄带滤波器的反射输出端与所述第一光电探测器的输入端连接，所述第二窄带滤波器的反射输出端与所述第二光电探测器的输入端连接，所述第二窄带滤波器的透射输出端输出激光扫描信号，所述控制单元的输入端分别与所述第一光电探测器的输出端和所述第二光电探测器的输出端连接，输出端与扫描光源驱动信号输入端连接，当所述控制单元检测到所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出电平变化时，通过改变所述扫描光源驱动信号的变化方向实现在预设的波长范围内进行扫描。

2.根据权利要求1所述的扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，通过改变所述扫描光源的驱动电压、驱动电流或工作温度实现波长扫描。

3.根据权利要求1或2所述的扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，所述第一窄带滤波器和第二窄带滤波器均为窄带反射型器件，所述第一窄带滤波器的发射波长对应所述预设的波长范围的最小值，所述第二窄带滤波器的反射波长对应所述预设的波长范围的最大值。

4.根据权利要求3的扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，所述第一光电探测器包括第一光电二极管和第一运算放大器，所述第二光电探测器包括第二光电二极管和第二运算放大器，所述第一光电二极管的输入端与所述第一窄带滤波器的反射输出端，所述第一光电二极管的输出端与所述第一运算放大器的输入端连接，所述第二光电二极管的输入端与所述第二窄带滤波器的反射输出端连接，所述第二光电二极管的输出端与所述第二运算放大器的输入端连接，所述第一运算放大器的输出端和所述第二运算放大器的输出端均与所述控制单元的输入端连接。

5.根据权利要求4所述的扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，所述控制单元包括依次连接的模拟数字转换器、CPU、数字模拟转换器和第三运算放大器，所述模拟数字转换器的输入端分别与所述第一运算放大器的输出端和第二运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的输出端与所述扫描光源驱动信号输入端连接。

6.根据权利要求1所述的扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，所述第一窄带滤波器采用具有波长选择作用的光纤光栅或者采用光通信系统使用的密集波分复用器，所述第二窄带滤波器采用具有波长选择作用的光纤光栅或者采用光通信系统使用的密集波分复用器。

7.根据权利要求1所述的扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，通过选择不同波段的所述扫描光源以及与其波长匹配的所述第一窄带滤波器和第二窄带滤波器，实现不同波长范围的扫描激光输出。

8.根据权利要求7所述的扫描光源波长范围锁定装置，其特征在于，所述不同波段为O波段、E波段、S波段、C波段、L波段、U波段或者相邻两个或几个波段的叠加。