一種具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源的製作方法
2023-08-11 15:15:06 3
專利名稱：一種具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種寬譜光纖光源，更特別地說，是指一種具有光功率和平均波長穩 定的寬譜光纖光源。
背景技術：
寬譜光纖光源是一種基於摻鉺光纖中自發輻射放大原理的寬帶光源。寬譜光纖光 源具有溫度穩定性好、譜線寬、輸出功率高、使用壽命長等優點，在光傳感，光'通信
和光測試等許多領域得到廣泛應用；尤其作為高精度光纖陀螺的關鍵部件之一，需要 考慮波長、時間相干性、功率和平均波長穩定性，工作溫度範圍等因素，因此對寬譜 光纖光源的功率和波長穩定性有較高的要求。
目前，改善寬譜光纖光源的平均波長穩定性的措施大都集中在光路上，如通過仿 真和實驗獲取優化結構和優化參數、通過光柵補償、釆用波長相關反射技術等。光路 優化和補償技術可一定程度上提髙寬譜光纖光源的平均波長溫度穩定性，但在寬的溫 度範圍一45'C + 7(TC，光源的輸出不穩定。
發明 內容
本發明的目的是提供一種具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，該寬譜光 纖光源根據平均波長隨溫度變化的關係，通過改變泵浦驅動電流保證平均波長的穩 定；同時通過監控探測器的輸出，利用負反饋閉環控制原理調節衰減器的驅動電壓， 控制輸出功率穩定性。本發明所述的控制裝置通過引入磁光衰減器，實現了平均波長
與光功率兩個參數的獨立，同時控制，整個控制系統採用全數字方式，提高了寬譜光 纖光源的平均波長和功率穩定性。
本發明的一種具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，該寬譜光纖光源包括 有微處理器(1)、光信號採集電路(2)、監控探測器(3)、磁光衰減器(4)、泵浦 雷射器驅動電路(5)、溫度傳感器(6)、衰減器驅動電路(7)、泵浦雷射器(11)、 波分復用器(12)、光纖環(13)、增益平坦濾波器(14)、光纖隔離器(15);其中， 泵浦雷射器(11)、波分復用器(12)、光纖環(13)、增益平坦濾波器(l4)、光纖 隔離器(15)形成寬譜光纖光源的光路部分；磁光衰減器(4)、監控探測器(3)、 微處理器(1)、泵浦雷射器驅動電路(5)、衰減器驅動電路(7)、光信號採集電路 (2)、溫度傳感器(6)形成寬譜光纖光源的信號採集處理部分。
泵浦雷射器(11)的尾纖與波分復用器(12)的A端光纖熔接，波分復用器(12) 的B端光纖與光纖環(13)的一端熔接，波分復用器(12)的C端光纖與增益平坦 濾波器(14)的入纖熔接，增益平坦濾波器(14)的尾纖與光纖隔離器(15)的入 纖熔接，光纖隔離器(15)的尾纖與磁光衰減器(4)的A端連接，光纖環(13) 的另 一端被磨斜成為光反射端；
磁光衰減器(4)的B端與監控探測器(3)的A端連接，磁光衰減器(4)的 C端與衰減器驅動電路(7)連接，監控探測器(3)的B端作為光源輸出端用，監 控探測器(3)的C端與光信號採集電路(2)連接，微處理器(1)分別與光信號採 集電路(2)、溫度傳感器(6)、泵浦雷射器驅動電路(5)、衰減器驅動電路(7)連 接；由溫度傳感器(6)採集的寬譜光纖光源在工作環境下的環境溫度r，該環境溫 度r經微處理器(1)根據平均波長溫度補償算法，計算出用於驅動泵浦雷射器驅動 電路(5)的電壓值/。，此電壓值/。經泵浦雷射器驅動電路(5)處理後輸出驅動電 流信號/5給泵浦雷射器(11);由監控探測器(3)的C端輸出的電流信號/3經光信 號採集電路(2)的放大、轉換處理後輸出電壓信號/2 ;微處理器(1)對電壓信號/2
進行與基準電壓值/進行比較，通過負反饋閉環數字控制算法,計算出反饋調節量y;，
該反饋調節量乂為衰減器驅動電路(7)提供1.233 2.5V的調節電壓驅動信號,， 該調節電壓驅動信號/7實現對磁光衰減器(4)的驅動電壓的改變，從而改變對功率 的衰減值來實現最終輸出功率的穩定性。 本發明寬譜光纖光源的優點在於
(1) 當夕卜界環境溫度r變化引起光源的平均波長變化時，M理器會根據平均波長 溫度補償算法和泵浦驅動電流與平均波長的關係，改變泵浦驅動電流值/5，使光源的 平均波長向溫度變化所引起變化的相反方向變化，從而提高平均波長的全溫穩定性。
(2) 微處理器通過對監測探測器輸出的電流/3，採取負反饋閉環控制原理，調節 衰減器驅動電壓/7，在設定的差值範圍(|/2-/|《0.2fO內。從而達到穩定輸出功
率的目的。
(3) 通過在光纖隔離器和監控探測器之間接入磁光衰減器，實現了平均波長和光 功率的穩定控制，兩者相互獨立，同時實現。
(4) 本發明寬譜光纖光源能夠在—45"C + 7CTC的溫度範圍內工作。
(5) 在本發明中微處理器選用Silabs公司推出的C8051F060混合信號 ISP-FLASH微控制器，其內部集成了多路A/D和D/A轉換模塊，減少了外設晶片 的數量，簡化了電路硬體設計，降低了成本。 (6) 本發明寬譜光纖光源中選用Primanex公司的磁光衰減器。該器件體積較 小，工作時驅動電壓低，為0 8V，驅動電流要求小於40mA。本發明寬譜光纖光 源中的信號採集處理部分的供電電壓為土5V,通過升壓轉換晶片TPS61040,為衰 減器提供驅動電壓；通過微處理器的一路內部D/A輸出控制升壓晶片的FB反饋電 壓，從而控制升壓晶片的輸出電壓，實現了對衰減器驅動電壓的數字式調節。
(7) 在本發明中監控探測器選用PHOTOP公司的分光5%監控探測器，集成 了分光和監控光源輸出功率的作用，減少了環境溫度光學器件的影響。
(8) 在本發明中溫度傳感器釆用美國DALLAS公司生產的單線數字式溫度傳 感器DS18B20，它的優點是體積小，節省電路空間；與微處理器接口電路簡單；直 接輸出數字量，方便微處理器進行數據處理。
圖1是本發明寬譜光纖光源的結構框圖。
圖2A是本發明寬譜光纖光源中微處理器的電路原理圖。
圖2B是本發明寬譜光纖光源中衰減器驅動電路的原理圖。
圖2C是本發明寬譜光纖光源中光信號採集電路的原理圖。
圖2D是本發明寬譜光纖光源中光源驅動電路的原理圖。
圖3是在全溫一45" +7CTC下平均波長的實驗結果圖。
圖4是在全溫—45°C + 70。C下功率的實驗結果圖。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
參見圖1所示，本發明是一種具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，寬 譜光纖光源包括有微處理器1、光信號釆集電路2、監控探測器3、磁光衰減器4、 泵浦雷射器驅動電路5、溫度傳感器6、衰減器驅動電路7、泵浦雷射器ll、波分復 用器12、光纖環13、增益平坦濾波器14、光纖隔離器15;其中，泵浦雷射器11、 波分復用器12、光纖環13、增益平坦濾波器14、光纖隔離器15形成寬譜光纖光 源的光路部分；磁光衰減器4、監控探測器3、微處理器l、泵浦雷射器驅動電路5、 衰減器驅動電路7、光信號釆集電路2、溫度傳感器6形成寬譜光纖光源的信號採集 處理部分。
(一) 寬譜光纖光源的光路部分連接關係為 泵浦雷射器11的尾纖與波分復用器12的A端光纖(入纖)熔接，波分復用器
12的B端光纖(尾纖)與光纖環13的一端熔接，波分復用器12的C端光纖(入 纖)與增益平坦濾波器14的入纖熔接，增益平坦濾波器14的尾纖與光纖隔離器15 的入纖熔接，光纖隔離器15的尾纖與磁光衰減器4的A端(入纖)連接，光纖環 13的另一端被磨斜(斜45度角)成為光反射端，主要用於消除光反射，該波長選 擇反射器反射所需波段的光，提高輸出光功率，改善光譜特性。
泵浦雷射器11用於輸出波長為980mw的帶有穩頻光柵的半導體雷射。 波分復用器12用於將980簡的泵浦光導入摻鉺光纖13，再讓產生的1550腦 波段的螢光傳入增益平坦濾波器14。 光纖環13採用摻鉺光纖。
增益平坦濾波器14用於提高輸出的ASE譜平坦度。
光纖隔離器15用於消除反饋光的影響，同時可以降低摻鉺光纖放大的噪聲。
(二) 寬譜光纖光源的信號採集處理部分連接關係為 磁光衰減器4的B端(尾纖)與監控探測器3的A端(入纖)連接，磁光衰減
器4的C端與衰減器驅動電路7連接，監控探測器3的B端(尾纖)作為光源輸出 端用，監控探測器3的C端與光信號採集電路2連接，微處理器l分別與光信號採 集電路2、溫度傳感器6、泵浦雷射器驅動電路5、衰減器驅動電路7連接；
由監控探測器3的C端輸出的電流信號/3經光信號採集電路2的放大、轉換處 理後輸出電壓信號/2;微處理器1對電壓信號/2進行與基準電壓值/進行比較，通 過負反饋閉環數字控制算法，計算出反饋調節量乂，該反饋調節量,為衰減器驅動電 路7提供1.233~2.5V的調節電壓驅動信號/7 ，該調節電壓驅動信號/7實現對磁光 衰減器4的驅動電壓的改變，從而改變對功率的衰減值來實現最終輸出功率的穩定 性；
由溫度傳感器6採集的寬譜光纖光源在工作環境下的環境溫度r ，該環境溫度r
經微處理器1根據平均波長溫度補償算法，計算出用於驅動泵浦雷射器驅動電路5 的電壓值/。，此電壓值/。經泵浦雷射器驅動電路5處理後輸出驅動電流信號/5給泵 浦雷射器ll。
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在本發明中，信號採集處理部分的電路結構如圖2A、圖2B、圖2C、圖2D所
示
微處理器D2的1端經電阻R32後聯接在運算放大器晶片N3的6端，該1端 用於輸出B路調節電壓信號/。給光源驅動電路；9端與運算放大器晶片N2的1端 聯接，該9端用於接收光信號採集電路輸出的電壓信號/2; 25端經電阻R80後聯
接在電平轉換晶片D8的2端上，該25端用於輸出A路調節電壓信號y;給衰減器驅
動電路；48端與溫度傳感器聯接，該48端用於接收溫度傳感器輸出的工作環境溫 度；96端、97端、98端、99端分別與接口 X2的6端、5端、4端、2端聯接， 且97端與3.3V電源之間聯接有電阻R24， 7端、8端、10端、12端、23端分別 接模擬地，11端、13端、24端、28端、37端,64端、90端分別接3.3V電源， 38端、63端、89端、100端分別接數字地，且37端與38端之間串聯有電容C45, 63端與90端之間串聯有電容C44， 100端與+ 5V電源之間聯接有電阻R23。
電平轉換晶片D8的5端、4端接+ 5V電源，3端接數字地，l端與5端之間 串聯電感L1，且1端經二極體V6輸出驅動電壓信號y;給磁光衰減器4，磁光衰減 器4與數字地之間接有電容C80,磁光衰減器4與數字地之間接有電容C82，且電 容C80、電容C82構成電平轉換晶片D8輸出電壓的濾波電路；電阻R2的1端接 數字地，電阻R2的2端接電阻R1的1端，電阻R1的2端與二極體V6的陰極端 聯接，二極體V6的陽極與電感L1的2端聯接。
光信號採集電路監控探測器3輸出的電流信號/3與運算放大器晶片N2的6端 相聯，且該信號通過電阻R35、電阻R39、電阻R37後與微處理器的9端相聯；1 端與模擬地之間接有二極體V3，且1端與微處理器的9端聯接，用於輸出電壓信號 /2給微處理器D2。 2端經電阻R37後與微處理器的9端相聯；3端經電阻R41後
模擬接，4端接一5V電源，5端經電阻R36接模擬地，7端與6端之間串聯有電阻 R35,且電阻R35的兩端接有電容C58， 8端接+ 5V電源。
光源驅動電路用於接收微處理器輸出的B路調節電壓信號/。，並對B路調節電 壓信號/。經濾波電容C60後接模擬地，B路調節電壓信號/Q經電阻R31後接模擬地； B路調節電壓信號/。經電阻R32、電阻R34後與運算放大器晶片N3的1端聯接； 1端與6端之間串聯有電阻R34， 2端與1端之間串聯有電阻R35,且2端經電阻
R36與雷射器11連接，且2端經電阻R36、電容C66接模擬地，2端經電阻R36、 電容C67接模擬地；3端經電阻R30接模擬地，4端接一5V電源，5端經電阻R33 接模擬地，6端經電阻R37接雷射器11, 7端與三極體V4的M聯接，三極體V4 的發射極經電阻R38後與雷射器11聯接，三極體V4的集電極接一5V電源；8端
接+ 5V電源。
本發明的寬譜光纖光源的供電電壓為土5V，而磁光衰減器4的驅動電壓調節範 圍為0 8V，通過升壓晶片TPS61040為衰減器提供驅動電壓，參見圖2B。通過 合理設置電阻Rl和電阻R2的值，可設定升壓晶片最大輸出電壓值
formula see original document page 9
在本發明中，監控探測器3的入纖(A端)接磁光衰減器4的出纖(B端)，將 5%的功率轉化為光電流，通過光信號採集電路的1/V轉換^莫塊將光電流轉化為光電 壓Vpin;監控探測器3的出纖(B端)將SFS光源95%功率的光作為整個控制裝 置的最終輸出。
在本發明中，溫度傳感器6釆集環境溫度，轉換為數字量通過單總線協議傳送 給微處理器，作為溫度補償模型的參量r。
在本發明中，微處理器一方面要完成對外部信號的採集和處理。接收溫度傳感器 6傳送的溫度值並進行數據處理；微處理器啟動內部A/D模塊，採集光信號採集電 路的光電壓Vpin，並進行A/D轉換，經過數字濾波、平均的數據處理過程，得出光 電壓的數字量；另一方面，微處理器啟動內部D/A轉換禾莫塊，分別輸出0 2.5V的 電壓，輸出給泵源驅動電路5和衰減器驅動電路7，從而改變泵源驅動電流和衰減器 驅動電壓。
實施例 1 :
根據圖1所示的結構連接具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，監控探 測器3的尾纖(B端)輸出光為最終輸出。將監測探測器3的輸出光接一個分光比 為50:50的光纖耦合器，耦合器的兩路輸出分別接光功率計(Agilent 8163A)和 光譜分析儀(AQ6319)。
改變泵源的驅動電流，用光譜分析儀掃描輸出光譜，得到一組平均波長值。根據 測得數據可得到平均波長Z與驅動電流C的關係式
Z(C) = 1546.75318-0.00441 xC (1)
給定泵源驅動電流C。-250/;^，進行全溫(—45°C~+70°C)實驗第一次，測
得平均波長變化為4.03ppm〃C，並可得到在此驅動電流下光源的平均波長丄隨環
境溫度r的變化關係式
丄(r) = 1545.64271 +0,00741 x77 —0.00005 x!T2 (2) 取常溫(25°C)時平均波長為設定平均波長Z0-1545.7697 "w，則根據式(1)
和式(2)可得到泵浦驅動電流隨溫度變化關係，即平均波長溫度補償模型
C(r) = C0 +AC (r) = 221.21542+1.16803xr—0.01134xT2 (3)
AC(r)表示泵浦驅動電流的變化量。
根據式(3)進行全溫(一45。C + 7(TC)實驗第二次。微處理器用採集到的光 電壓/2與基準/電壓進行比較(|/2-0.2F)，進行負反饋控制，使監控探測器3
的光電壓不變，來保證功率穩定性。在光信號釆集電路2的光電壓輸出端和模擬地 之間接一臺電壓表(Agilent34970A)，用於測量實驗過程中光電壓值。通過計算機 (計算機的最低配置為CPU 2DHz，內存2GB，硬碟120GB;作業系統為windows 2000/2003/XP。該計算機內存儲有Labview軟體，利用該Lab view軟體實時對 功率值和平均波長值進行處理。)對實驗數據處理，可得到實驗結果平均波長穩定 性0.36ppm/。C (參見圖3所示)；功率穩定性3.27% (參見圖4所示)。其中，平
均波長穩定性計算公式為^^4^X100^。，丄皿、丄A^和丄M^分別表示平均波長
的最大值、最小值和算術平均值，Ar表示在一45"C + 7(TC範圍內變化的溫度值； 功率穩定性計算公式為xl00% ， 4^、 ^w和戶M^分別表示功率的最大
Meow
值、最小值和算術平均值。
權利要求
1、一種具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，其特徵在於該寬譜光纖光源包括有微處理器(1)、光信號採集電路(2)、監控探測器(3)、磁光衰減器(4)、泵浦雷射器驅動電路(5)、溫度傳感器(6)、衰減器驅動電路(7)、泵浦雷射器(11)、波分復用器(12)、光纖環(13)、增益平坦濾波器(14)、光纖隔離器(15)；其中，泵浦雷射器(11)、波分復用器(12)、光纖環(13)、增益平坦濾波器(14)、光纖隔離器(15)形成寬譜光纖光源的光路部分；磁光衰減器(4)、監控探測器(3)、微處理器(1)、泵浦雷射器驅動電路(5)、衰減器驅動電路(7)、光信號採集電路(2)、溫度傳感器(6)形成寬譜光纖光源的信號採集處理部分；泵浦雷射器(11)的尾纖與波分復用器(12)的A端光纖熔接，波分復用器(12)的B端光纖與光纖環(13)的一端熔接，波分復用器(12)的C端光纖與增益平坦濾波器(14)的入纖熔接，增益平坦濾波器(14)的尾纖與光纖隔離器(15)的入纖熔接，光纖隔離器(15)的尾纖與磁光衰減器(4)的A端連接，光纖環(13)的另一端被磨斜成為光反射端；磁光衰減器(4)的B端與監控探測器(3)的A端連接，磁光衰減器(4)的C端與衰減器驅動電路(7)連接，監控探測器(3)的B端作為光源輸出端用，監控探測器(3)的C端與光信號採集電路(2)連接，微處理器(1)分別與光信號採集電路(2)、溫度傳感器(6)、泵浦雷射器驅動電路(5)、衰減器驅動電路(7)連接；由溫度傳感器(6)採集的寬譜光纖光源在工作環境下的環境溫度T，該環境溫度T經微處理器(1)根據平均波長溫度補償算法，計算出用於驅動泵浦雷射器驅動電路(5)的電壓值f0，此電壓值f0經泵浦雷射器驅動電路(5)處理後輸出驅動電流信號f5給泵浦雷射器(11)；由監控探測器(3)的C端輸出的電流信號f3經光信號採集電路(2)的放大、轉換處理後輸出電壓信號f2；微處理器(1)對電壓信號f2進行與基準電壓值f進行比較，通過負反饋閉環數字控制算法，計算出反饋調節量f1，該反饋調節量f1為衰減器驅動電路(7)提供1.233～2.5V的調節電壓驅動信號f7，該調節電壓驅動信號f7實現對磁光衰減器(4)的驅動電壓的改變，從而改變對功率的衰減值來實現最終輸出功率的穩定性。
2、 根據權利要求1所述的具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，其特徵在 於微處理器D2的1端經電阻R32後聯接在運算放大器晶片N3的6端，該1 端用於輸出B路調節電壓信號/。給光源驅動電路；9端與運算放大器晶片N2的 1端聯接，該9端用於接收光信號採集電路輸出的電壓信號/2; 25端經電阻R80 後聯接在電平轉換晶片D8的2端上，該25端用於輸出A路調節電壓信號/給 衰減器驅動電路；48端與溫度傳感器聯接，該48端用於接收溫度傳感器輸出的 工作環境溫度；96端、97端、98端、99端分別與接口 X2的6端、5端、4 端、2端聯接，且97端與3:3V電源之間聯接有電阻R24， 7端、8端、10端、 12端、23端分別接模擬地，11端、13端、24端、28端、37端，64端、90 端分別接3.3V電源，38端、63端、89端、IOO端分別接數字地，且37端與 38端之間串聯有電容C45， 63端與90端之間串聯有電容C44, 100端與+ 5V 電源之間聯接有電阻R23; 電平轉換晶片D8的5端、4端接+ 5V電源，3端接數字地，1端與5端之間 串聯電感L1，且1端經二極體V6輸出驅動電壓信號/7給磁光衰減器4，磁光衰減 器4與數字地之間接有電容C80，磁光衰減器4與數字地之間接有電容C82，且電 容C80、電容C82構成電平轉換晶片D8輸出電壓的濾波電路；電阻R2的1端接 數字地，電阻R2的2端接電阻Rl的1端，電阻Rl的2端與二極體V6的陰極端 聯接，二極體V6的陽極與電感L1的2端聯接；光信號採集電路監控探測器3輸出的電流信號/3與運算放大器晶片N2的6端 相聯，且該信號通過電阻R35、電阻R39、電阻R37後與微處理器的9端相聯；1 端與模擬地之間接有二極體V3，且1端與微處理器的9端聯接，用於輸出電壓信號 /2給微處理器D2; 2端經電阻R37後與微處理器的9端相聯；3端經電阻R41後模擬接，4端接—5V電源，5端經電阻R36接模擬地，7端與6端之間串聯有電阻 R35，且電阻R35的兩端接有電容C58， 8端接+5V電源；光源驅動電路用於接收微處理器輸出的B路調節電壓信號/。，並對B路調節電 壓信號/。經濾波電容C60後接模擬地,B路調節電壓信號/。經電阻R31後接模擬地； B路調節電壓信號/。經電阻R32、電阻R34後與運算放大器晶片N3的1端聯接； 1端與6端之間串聯有電阻R34， 2端與1端之間串聯有電阻R35，且2端經電阻 R36與雷射器11連接，且2端經電阻R36、電容C66接模擬地，2端經電阻R36、 電容C67接模擬地；3端經電阻R30接模擬地，4端接一5V電源，5端經電阻R33 接模擬地，6端經電阻R37接雷射器11， 7端與三極體V4的基極聯接，三極體V4 的發射極經電阻R38後與雷射器11聯接，三極體V4的集電極接一5V電源；8端 接+ 5V電源。
3、根據權利要求2所述的具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，其特徵在 於磁光衰減器(4)的驅動電壓調節範圍為0 8V，通過升壓晶片TPS61040 為衰減器提供驅動電壓，通過合理設置電阻Rl和電阻R2的值，可設定升壓晶片最大輸出電壓值formula see original document page 3
全文摘要
本發明公開了一種具有光功率和平均波長穩定的寬譜光纖光源，其包括有微處理器(1)、光信號採集電路(2)、監控探測器(3)、磁光衰減器(4)、泵浦雷射器驅動電路(5)、溫度傳感器(6)、衰減器驅動電路(7)、泵浦雷射器(11)、波分復用器(12)、光纖環(13)、增益平坦濾波器(14)、光纖隔離器(15)；其中，泵浦雷射器(11)、波分復用器(12)、光纖環(13)、增益平坦濾波器(14)、光纖隔離器(15)形成寬譜光纖光源的光路部分；磁光衰減器(4)、監控探測器(3)、微處理器(1)、泵浦雷射器驅動電路(5)、衰減器驅動電路(7)、光信號採集電路(2)、溫度傳感器(6)形成寬譜光纖光源的信號採集處理部分。本發明所述的控制裝置通過引入磁光衰減器，實現了平均波長與光功率兩個參數的獨立，同時控制，整個控制系統採用全數字方式，提高了寬譜光纖光源的平均波長和功率穩定性。
文檔編號H05B37/00GK101377420SQ20081022354
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月7日 優先權日2008年10月7日
發明者楊遠洪, 段瑋倩, 彤 申, 趙冠成, 郭錦錦 申請人:北京航空航天大學