CN203800375U - 基于混合控制的宽带光源功率稳定装置 - Google Patents

Abstract

基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，涉及一种宽带光源功率稳定装置。本实用新型是为了实现同时对宽带光源的高频/低频噪声进行压缩，使宽带光源获得稳定的功率输出。本实用新型的泵浦光源的光信号经波分复用器、掺铒光纤、隔离器、耦合器、光电转换器和电压放大器后同时输入至模糊控制器和比例控制器，模糊控制器和比例控制器的信号输出端均连接电流电压转换电路的信号输入端，电流电压转换电路的信号输出端连接泵浦光源电压信号输入端。本实用新型适用于作为宽带光源的功率稳定装置。

Description

基于混合控制的宽带光源功率稳定装置

技术领域

本实用新型涉及一种宽带光源功率稳定装置。 

背景技术

基于放大自发辐射的宽带光源具有高稳定性、高功率输出特性、低时间相干性等特点，已在光纤传感、光学精密测量、光纤通信等诸多领域中得到广泛应用。在宽带光源输出特性的理论与实验研究中，功率输出特性是人们关注的焦点。数字PID控制器是常见的功率稳定方法，但限于器件工作频率，仅可抑制低频噪声的干扰。研究表明，宽带光源的主要来自泵浦源的功率漂移和铒光纤内部的放大自发辐射噪声。其中，电流漂移、温升、老化等是导致泵浦源功率漂移的主要因素，它们属于低频噪声；放大自发辐射噪声则源于光量子随机自发辐射，是一种高频噪声。因此，宽带光源要获得稳定的功率输出，需同时对宽带光源的高频/低频噪声进行压缩。 

实用新型内容

本实用新型为了实现同时对宽带光源的高频/低频噪声进行压缩，使宽带光源获得稳定的功率输出，提出了一种基于混合控制的宽带光源功率稳定装置。 

本实用新型所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，它包括模糊控制器和比例控制器，它还包括泵浦光源、波分复用器、掺铒光纤、隔离器、耦合器、光电探测器、和电压放大器和电流电压转换电路； 

泵浦光源的光信号输出端连接波分复用器的光信号输入端，波分复用器的光信号输出端连接掺铒光纤的一端，掺铒光纤的另一端连接隔离器的光信号输入端，隔离器的光信号输出端连接耦合器的光信号输入端，耦合器的光信号输出端连接光电探测器的光信号输入端，且耦合器的光信号输出端为基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的信号输出端，光电探测器的电信号输出端连接电压放大器的信号输入端，电压放大器的信号输出端同时连接模糊控制器的电压信号输入端和比例控制器的电压信号输入端，模糊控制器的控制信号输出端和比例控制器的控制信号输出端同时连接电流电压转换电路的信号输入端，电流电压转换电路的信号输出端连接泵浦光源电压信号输入端。 

本实用新型通过主动稳定泵浦源的方式实现宽带光源的功率稳恒输出。采用模糊控制器，对光源功率的长期漂移进行抑制；比例控制器实时监控光源功率的快速涨落，由于混合控制对于系统内的动态起伏与慢变干扰均能够有效抑制，因此宽带光源输出功率的短期/长期稳定度获得显著提升，宽带光源输出功率的短期稳定度达到±0.32‰ (±0.0014dB)，长期稳定度达到±0.41‰(±0.0018dB)。 

附图说明

图1为本实用新型所述基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的结构示意图； 

图2为本实用新型所述装置输出的功率-电流曲线图； 

图3为实用新型所述装置输出功率短期稳定度曲线图；图中， 

△组成的曲线为比例控制器的放大因子A＝1.95时的公率稳定度测试曲线； 

■组成的曲线为比例控制器的放大因子A＝1.01时的公率稳定度测试曲线； 

组成的曲线为比例控制器的放大因子A＝0.75时的公率稳定度测试曲线； 

○组成的曲线为无控制时的公率稳定度测试曲线； 

图4为实用新型所述装置输出功率长期稳定度曲线图。 

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，它包括模糊控制器8和比例控制器9，它还包括泵浦光源1、波分复用器2、掺铒光纤3、隔离器4、耦合器5、光电探测器6、和电压放大器7和电流电压转换电路10； 

泵浦光源1的光信号输出端连接波分复用器2的光信号输入端，波分复用器2的光信号输出端连接掺铒光纤3的一端，掺铒光纤3的另一端连接隔离器4的光信号输入端，隔离器4的光信号输出端连接耦合器5的光信号输入端，耦合器5的光信号输出端连接光电探测器6的光信号输入端，且耦合器5的光信号输出端为基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的信号输出端，光电探测器6的电信号输出端连接电压放大器7的信号输入端，电压放大器7的信号输出端同时连接模糊控制器8的电压信号输入端和比例控制器9的电压信号输入端，模糊控制器8的控制信号输出端和比例控制器9的控制信号输出端同时连接电流电压转换电路10的信号输入端，电流电压转换电路10的信号输出端连接泵浦光源1电压信号输入端。 

宽带光源的输出功率起伏主要源于光子的放大自发辐射过程和泵浦源功率漂移。为实现光源功率的稳定输出，本实用新型分别采用混合控制对二者进行有效抑制。 

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的进一步说明，泵浦光源1采用980nm半导体激光二极管。 

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的进一步说明，波分复用器2采用980nm/1550nm型波分复用器。 

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的进一步说明，光电探测器6采用υ2011PIN型光电探测器。 

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的进一步说明，掺铒光纤3采用型号为DF1500F980的掺铒光纤。 

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的进一步说明，耦合器5采用分束比为10:90的耦合器。 

采用分束比为10:90的耦合器，仅有10％的光信号作为监测信号注入到光电探测器中，剩余信号作为输出信号。 

本实用新型的泵浦光源的初始额定功率为P₀，功率变化为ΔP，则相应的输出功率为P_out＝P₀+ΔP。 

于是，光功率控制系统的输出P_out为： 

式中，为光电探测器的响应度；g为探测器的增益；m为耦合器的分束比，K是控制器的控制因子。由于包含模糊控制器和比例控制器，所以因子K可以表示为模糊控制器控制因子k₁与比例控制器控制因子k₂的线性组合，即K＝k₁+k₂。 

设模糊控制器的采样信号为u_i，模糊控制器的系统基准信号为u₀，则得到i时刻的误差e_i＝u_i－u₀与误差变化量Δe_i＝e_i－e_i-1。进而，模糊控制器将e_i和Δe_i分别量化为模糊输入量“误差E”和“误差变化量EC”，并根据模糊控制表输出对应的模糊控制量k₁。最后，经数/摸转换输出控制量到泵浦源中，补偿宽带光源的功率漂移。 

模糊控制器受限于模-数/数-模转换器件分辨率，其控制精度亦会受到一定地限制，设模糊控制器最小控制精度为Δ_min，Δ_min＝3.89μA则当误差e_i<Δ_min时，模糊控制器将无法识别该时刻的光功率起伏，输出k₁＝0。而且，数字单元相对较长的控制周期也使得其难以对光源内部的高频ASE(放大自发辐射)噪声进行有效抑制。为了弥补上述不足，我们引入比例控制器来进一步提高控制系统的精度。于是，当系统处于稳态时(k₁＝0)，式(1)改写为： 

对上式微分，得到稳态时光源的输出功率变化 

变换为： 

为保证控制系统的稳定性与可靠性，比例控制器直接根据误差信号的大小对光源输出功率进行反馈补偿。设比例控制器的放大因子为A，光功率起伏所引起的误差为 且光源在阈值以上的工作区域存在ΔP＝ηΔI＝η·Δu/r(其中，η为宽带光源的斜率效率，r为匹配电阻ΔI为变化的光电流)。与式(2)～(4)联立，得到k₂＝A·η/r。于是，对应比例控制器的放大因子为 

采用本实用新型所述基于混合控制的宽带光源功率稳定装置进行试验与仿真： 

泵浦光源选用上海DARE公司出品的980nm半导体激光器组件作为宽带光源的泵浦源。峰值波长为979.23nm，最大注入电流330mA，最大输出功率110mW；泵浦源的温度控制利用高功率电流放大器DRV591与组件内部自带的热敏电阻及热电制冷器完成，温度稳定度达±0.05℃； 

采用15.6m长DF1500F980型铒光纤作为放大媒质，插入损耗典型值为18.4dB； 

光电探测器为New Focus公司出品的υ2011PIN型光电探测，其在1550nm波段附近的响应度为

模糊控制器辅以高精度(12bit)模数/数模转换器，控制周期为120μs，可有效压缩2KHz以内的光功率起伏，最小控制精度Δ_min＝3.89μA； 

比例控制器由精密仪表放大器AD620为核心，构成差分运算放大电路，监测光源功率的动态变化； 

实验中，宽带光源的功率输出曲线首先被测定(见图2)，经计算得到η＝0.083mW/mA，匹配电阻r＝21.1Ω。进而，取g＝1，m＝0.5，代入式(5)得到A≈0.993，考虑到电路中个别器件间的失配，实际选取A＝1.01。 

实验中，设定工作电流I＝57.2mA，环境温度23℃。首先测试比例控制器控制条件下，宽带光源输出功率的短期稳定度： 

$S=\&PlusMinus;\frac{(P_{\max }-P_{\min })/2}{\stackrel{\&OverBar;}{P}},$

其中P_max和P_min为最大和最小输出功率，为监测周期内的平均输出功率；当A＝1.01时，光源的输出功率起伏才最小，短期稳定度为S＝±0.32‰(±0.0014dB)，不同放大因子的短期稳定度曲线如图3所示。 

由图4可知，采用混合控制方案下(工作电流I＝57.2mA，环境温度23℃，A＝1.01)，光源在8小时内的输出功率平均起伏为0.73μW，长期稳定度达到S＝±0.41‰(±0.0018dB)。由此可见，模糊控制器和比例控制器可有效抑制器件温升、老化等慢变干扰的影响，它的引入对于保证光源长期、连续、稳定的工作具有重要意义。 

实验结果表明，短期工作条件下，单纯地使用模拟比例控制即可获得高稳定度的功率输出；长期工作条件下，模糊控制器控制则能够有效克服温度、老化等不良因素所产生慢变干扰，持续保证了宽带光源输出功率的高稳定性。从数值结果上看，基于混合控制的宽带光源系统的功率输出稳定度远远优于目前市面上所销售的光源产品，它将为实现更高精度的光纤传感测量提供有力保障。 

Claims (6)

1.基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，它包括模糊控制器(8)和比例控制器(9)，其特征在于，它还包括泵浦光源(1)、波分复用器(2)、掺铒光纤(3)、隔离器(4)、耦合器(5)、光电探测器(6)、和电压放大器(7)和电流电压转换电路(10)； 

泵浦光源(1)的光信号输出端连接波分复用器(2)的光信号输入端，波分复用器(2)的光信号输出端连接掺铒光纤(3)的一端，掺铒光纤(3)的另一端连接隔离器(4)的光信号输入端，隔离器(4)的光信号输出端连接耦合器(5)的光信号输入端，耦合器(5)的光信号输出端连接光电探测器(6)的光信号输入端，且耦合器(5)的光信号输出端为基于混合控制的宽带光源功率稳定装置的信号输出端，光电探测器(6)的电信号输出端连接电压放大器(7)的信号输入端，电压放大器(7)的信号输出端同时连接模糊控制器(8)的电压信号输入端和比例控制器(9)的电压信号输入端，模糊控制器(8)的控制信号输出端和比例控制器(9)的控制信号输出端同时连接电流电压转换电路(10)的信号输入端，电流电压转换电路(10)的信号输出端连接泵浦光源(1)电压信号输入端。 

2.根据权利要求1所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，其特征在于，泵浦光源(1)采用980nm半导体激光二极管。 

3.根据权利要求1所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，波分复用器(2)采用980nm/1550nm型波分复用器。 

4.根据权利要求1所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，其特征在于，光电探测器(6)采用υ2011PIN型光电探测器。 

5.根据权利要求1所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，其特征在于，掺铒光纤(3)采用型号为DF1500F980的掺铒光纤。 

6.根据权利要求1所述的基于混合控制的宽带光源功率稳定装置，其特征在于，耦合器(5)采用分束比为10:90的耦合器。