CN108011294A - 基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源及产生方法，该脉冲式扫频光源包括半导体可调谐激光器，包括半导体光放大器SOA和标准具；CPU控制器，其固件库中预先写有通过检测设备获得的半导体可调谐激光器的电流和波长的对应表；FPGA器件，通过CPU控制器读取电流和波长对应表写入FPGA器件，并不断按照事先约定的波长步进切换电流和波长对应表，控制高速ADC对半导体可调谐激光器内部的标准具进行采样获得光谱数据；SOA驱动电路，当光谱数据稳定后，SOA驱动电路在FPGA器件产生的脉冲控制下，驱动半导体光放大器SOA输出脉冲光。

Description

基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源及产生方法

技术领域

本发明涉及半导体可调谐激光器技术领域，尤其涉及一种用于光纤光栅传感技术的光源。

背景技术

随着光纤光栅传感技术的快速发展，目前已经进入波分、时分复用的分布式解调阶段，分布式光纤光栅解调仪表也叫做阵列光栅解调仪表具有光栅点数密集(10cm)、数量众多、无熔接点等突出优点，一经推出就获得了好评。

阵列光栅在成缆时，实现了10cm间隔的连续在线刻写技术，可以在拉出光纤的同时对光纤进行刻写，不需要停机，极大提高了刻写效率。但是密集的光栅阵列也对解调提出了很高的要求。

传统的光纤光栅仪表采用F-P腔实现波长扫描，针对每个光栅进行独立的寻峰，光栅点数普遍不高于40个每通道。阵列光栅仪表在实现10cm间距的光栅刻写时，3km长度的光缆就拥有30000个光栅，如此大面积的光栅阵列，需要定位和波长的同时解调。

阵列光栅采用的解调方法时分定位和空分解调波长的方式，通过光源的脉冲工作和采集卡的高速采集实现每个光栅的位置确定；通过不同波长的频率步进拼接出每个光栅的回光光谱并解调出波长。

既要实现脉冲定位又要实现波长扫描，因此阵列光栅仪表的光源必须具有脉冲和扫频两种工作模式。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对阵列光栅技术解调的困局，提出一种基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源，解决了阵列光栅技术的解调障碍，提供了一个高可靠、高稳定性的脉冲式扫频光源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提出一种基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源，包括以下步骤：

S1、通过检测设备获得半导体可调谐激光器的电流和波长对应表格，然后写CPU的固件库；

S2、CPU读取电流和波长对应表，通过FPGA控制4路电流输出，驱动半导体可调谐激光器发光，获得特定的波长输出；

S3、通过FPGA控制高速ADC对半导体可调谐激光器内部的标准具进行采样获得光谱数据，当光谱数据稳定后，表示激光器波长稳定，此时FPGA产生脉冲驱动半导体可调谐激光器内部的SOA工作，输出光信号只在SOA开通的时候工作，因此输出光信号被调制为脉冲；

S4、根据事先设定好的等待时间之后，CPU再次读取电流和波长对应表，跳转到下一个步进波长表，通过FPGA控制4路电流输出，驱动半导体可调谐激光器发光，获得特定的波长输出；

S5、通过FPGA控制高速ADC对半导体可调谐激光器内部的标准具进行采样获得光谱数据，当光谱数据稳定后，表示激光器波长稳定，此时FPGA产生脉冲驱动半导体可调谐激光器内部的SOA工作，输出光信号只在SOA开通的时候工作，因此输出光信号被调制为脉冲。

S6、如上反复的工作，直到波长步进到终点，CPU对系统复位，从第一个波长再次开始扫频步进。

S7、输出的光脉冲信号经过掺铒光纤放大器(EDFA)，获得20dB的增益，变为强功率光脉冲信号。

本发明所述的方法中，步骤S2中：

半导体可调谐激光器的波长输出是与电流表一一对应的，不随时间变化，因此半导体可调谐激光器调节波长时，普遍采用查找表方式进行。半导体可调谐激光器驱动电流共4路，采用FPGA控制4路电流，可以实现并行输出，节约光源稳定时间。

本发明所述的方法中，步骤S3中：

半导体可调谐激光器在普通使用时，内部的光信号会经过SOA放大再输中，但是本方案中SOA用于实现脉冲光输出，输出回路被阻断，要检测输出波长稳定，只有通过半导体可调谐激光器内部的标准具输出才能实现。标准具也叫高斯滤波器或梳妆滤波器，当半导体可调谐激光器的输出稳定时，标准具的回光信号也是稳定的，据此可以判断光源是否稳定。光谱稳定由FPGA控制的高速ADC采样后经过积分获得，一旦判断光谱稳定，FPGA便产生脉冲信号驱动SOA工作，SOA在关闭时对光信号是截止，开通时是短路，而且SOA响应速度快，因此用SOA实现快速光脉冲是可行方案；经过SOA的光信号被截断为窄脉冲信号，并经过SOA的初步放大成为脉冲光。

本发明所述的方法中，步骤S4、S5中：

根据设置好的延迟后，CPU按照波长步进间隔查找电流和波长对应表，切换到下一个波长，重复S2的步骤，变更激光器驱动电流，使其输出不同波长的激光。重复S3步骤，通过SOA实现脉冲光。

本发明所述的方法中，步骤S6中：

当波长扫描到终点时，CPU对系统复位，重新启动扫描。如此往返的操作，实现了波长连续渐变的脉冲光，也叫扫频脉冲光。

本发明所述的方法中，步骤S7中：

通过SOA截断的脉冲光，在输出时，光强度一般在-5dB左右，不符合阵列光栅的解调要求，因此在输出端需要进行放大。此处采用了EDFA对扫频脉冲光进行放大，增益20dB，输出后的脉冲宽度和波长保持不变。

本发明产生的有益效果是：本发明实现了一种脉冲式扫频光源，使得阵列光栅解调技术成为可能，为阵列光栅成果的推广应用奠定基础。

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是本发明实施例系统框图；

图2是本发明实施例信号流程图；

图3是本发明实施例电流波长对应表图；

图4是本发明实施例SOA实现光脉冲的原理；

图5是本发明实施例扫频光实现的原理；

图6是本发明实施例扫频脉冲光源在阵列光栅技术中的应用。

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。

本发明实施例基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源，用于阵列光栅技术的解调，可以实现阵列光栅的高稳定解调。

如图1所示，本发明实施例的基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源，包括CPU控制器1、半导体可调谐激光器2、FPGA器件3和SOA驱动电路4。其中：

半导体可调谐激光器2，包括半导体光放大器SOA5和标准具；

CPU控制器1，其固件库中预先写有通过检测设备获得的半导体可调谐激光器的电流和波长的对应表；

FPGA器件3，每隔一定的预设时间通过CPU控制器按照事先约定的波长步进值查找固件库中对应的电流和波长的对应表并写入FPGA器件，控制高速ADC对半导体可调谐激光器内部的标准具进行采样获得光谱数据；

SOA驱动电路4，当光谱数据稳定后，FPGA器件3产生脉冲，通过SOA驱动电路驱动半导体光放大器SOA输出脉冲光。

本发明实施例基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源产生方法，如图2-4所示，包括以下步骤：

S1、首先利用检测设备实现每只半导体可调谐激光器的电流和波长对应表格，把这个表格写入到CPU的固件库里面存储下来。需要注意的是，每只半导体可调谐激光器的电流和波长对应表不是相同的，务必针对每只半导体可调谐激光器进行单独的测定；

S2、上电启动，接收到命令后，CPU从固件库里读取电流和波长对应表，向FPGA内部的寄存器写入多路电流表(本发明以4路电流为例)，FPGA在收到4路电流表后，启动4路电流同步输出，不同的驱动电流对应激光器不同的输出；

S3、4路电流输出延迟达到设定值时，FPGA控制高速ADC对半导体可调谐激光器内部的标准具探测回路进行采样获得光谱数据，经过滤波、积分等处理，并多次比较后判断光谱是否稳定，当光谱数据稳定后，表示激光器波长稳定。此时FPGA通过特定的计数器产生脉冲信号至SOA驱动电路，SOA驱动电路经过一个快速的压控电流源操作驱动SOA开通，当FPGA脉冲消失后，SOA回到关闭状态，整个开通和关闭过程不超过10ns，因此输出的脉冲光时域宽度不超过10ns。因此输出光信号被调制为脉冲光；

S4、重复步骤2，CPU按照事先约定的波长步进值查找固件库中对应的电流和波长的对应表，再次写入FPGA器件；

S5、重复步骤3，产生新的脉冲光。

S6、光波长不断步进扫描，直到波长到达终点，此时CPU会控制整个系统复位重新启动，波长从第一个开始扫描。

S7、SOA截断事先的脉冲光，光能量在-5dB,该值无法实现工程应用，需要对该脉冲光进行放大，放大采用EDFA。EDFA对于整个扫描光谱范围内的光都具有放大作用，增益不平坦性低于1dB。

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 (4)

1.一种基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、通过检测设备获得半导体可调谐激光器的电流和波长的对应表，然后写入CPU的固件库；

S2、通过CPU读取电流和波长对应表，并写入FPGA器件，FPGA器件控制多路电流输出，驱动半导体可调谐激光器发光，获得特定的波长输出；

S3、通过FPGA器件控制高速ADC对半导体可调谐激光器内部的标准具进行采样获得光谱数据，当光谱数据稳定后，FPGA器件产生脉冲驱动半导体可调谐激光器内部的半导体光放大器SOA工作，输出光信号只在半导体光放大器SOA开通的时候工作，因此输出光信号被调制为脉冲；

S4、根据事先设定好的等待时间之后，CPU按照事先约定的波长步进值查找固件库中对应的电流和波长的对应表，再次写入FPGA器件，通过FPGA器件控制多路电流输出，驱动半导体可调谐激光器发光，获得特定的波长输出；

S5、重复执行上述步骤，直到波长步进到终点，CPU对系统复位，从第一个波长再次开始扫频步进；

S6、输出的光脉冲信号经过掺铒光纤放大器EDFA，获得一定的增益，输出强功率光脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源产生方法，其特征在于，步骤S2中，半导体可调谐激光器驱动电流共4路，采用FPGA器件控制4路电流，实现并行输出。

3.根据权利要求1所述的基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源产生方法，其特征在于，步骤S3中，半导体光放大器SOA在关闭时对光信号截止，开通时短路，经过半导体光放大器SOA的光信号被截断为窄脉冲信号，并经过SOA的初步放大成为脉冲光。

4.一种基于半导体可调谐激光器的脉冲式扫频光源，其特征在于，包括：

半导体可调谐激光器，包括半导体光放大器SOA和标准具；

CPU控制器，其固件库中预先写有通过检测设备获得的半导体可调谐激光器的电流和波长的对应表；

FPGA器件，每隔一定的预设时间通过CPU控制器按照事先约定的波长步进值查找固件库中对应的电流和波长的对应表并写入FPGA器件，控制高速ADC对半导体可调谐激光器内部的标准具进行采样获得光谱数据；

SOA驱动电路，当光谱数据稳定后，SOA驱动电路在FPGA器件产生的脉冲控制下，驱动半导体光放大器SOA输出脉冲光。