專利名稱：基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及光纖激光器技術(shù)領(lǐng)域，具體是指一種基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器。
背景技術(shù)：
基于FBG (光纖布拉格光柵)技術(shù)的光纖傳感系統(tǒng)是光纖傳感中應(yīng)用最廣的技術(shù)，大量使用在橋梁、隧道、大壩等建筑物的應(yīng)力健康監(jiān)控，以及石油、輸變電纜管線的溫度監(jiān)測等行業(yè)。其基本原理結(jié)構(gòu)，一般采用以下兩種技術(shù)方案如圖I所示的寬帶光源加直接光譜分析方案以及如圖2所述的掃描光源加時域分析(間接光譜分析)方案。方案一的特點(diǎn)是技術(shù)簡單，但光譜分析的光譜儀由于成本偏高，且對于多通道系統(tǒng)必須采用昂貴的光開關(guān)，使得總體成本偏高且可靠性較低，目前處于漸漸淘汰的方案。方案二的特點(diǎn)是技術(shù)復(fù)雜度高，但本身時域分析和光譜分析都是通過軟件算法實現(xiàn)，硬件成本低廉，而且掃描激光器的高光譜密度易于通過分路器構(gòu)建多通道系統(tǒng)，成本低且穩(wěn)定性高(無源分路器穩(wěn)定性遠(yuǎn)高于不停切換的光開關(guān)系統(tǒng))，使得該系統(tǒng)逐漸成為主流。方案二中的掃描光源通常米用寬帶光源加掃描濾波器的方案或掃描光纖激光器的方案。但無論哪種方案，其波長掃描均采用光濾波器驅(qū)動電壓的變化來實現(xiàn)，一般波長與電壓是復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，如下式所示λ = f (V) +g (X)上式中，波長λ和電壓V具有一定的函數(shù)關(guān)系f，但也與其他因素χ(比如溫度，濕度，時間)等都存在關(guān)系g。這樣為了在設(shè)備的工作環(huán)境內(nèi)，比如工作溫度(如-5 +60°C )，濕度(如20% 80% )，壽命(如15年)等范圍內(nèi)，能保證所需要的波長，比如C-Band(1525 1565nm)，則必須提供足夠大的電壓范圍來克服其他因素的影響。通常采用的方式是電壓范圍取所需要的2. 5倍，以保證任何情況下總有一個濾波器FSR(自由光譜區(qū))落在采樣范圍內(nèi)。如圖3所示，在采樣時，為了保證系統(tǒng)在溫度、濕度、壽命等影響下的穩(wěn)定性，大約有一半以上的采樣點(diǎn)是無用的(系統(tǒng)中每次僅需一個有用的FSR)，這些無用的采用點(diǎn)會占據(jù)系統(tǒng)資源，在同樣的系統(tǒng)資源的情況下，使采樣頻率變慢一倍以上，或者采樣精度降低一半以上。這就對整個FBG解調(diào)儀的掃描頻率，精度等關(guān)鍵性能指標(biāo)產(chǎn)生了嚴(yán)重的負(fù)面影響。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供一種在波長掃描過程中實現(xiàn)受控的、精確的點(diǎn)到點(diǎn)掃描，從而極大地節(jié)約采樣和處理所需的系統(tǒng)資源，在相同系統(tǒng)資源的條件下，大幅提高采樣頻率和精度，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，應(yīng)用范圍廣泛的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器。為了實現(xiàn)上述的目的，本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器具有如下構(gòu)成其包括掃描光源、第二定向耦合器、帶通濾波器和波長反饋回路。所述的第二定向耦合器連接于所述掃描光源輸出端，所述的第二定向耦合器的輸出端為該激光器的掃描激光輸出端。所述的帶通濾波器連接于所述的掃描光源輸出端和所述的第二定向耦合器之間，所述的波長反饋回路包括順序連接的光電變換器、電平判別模塊和掃描范圍控制模塊，所述的光電變換器的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描光源。該基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器中，所述的光電變換器包括PIN 二級管和運(yùn)算放大器，所述的PIN 二級管的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的PIN二級管的輸出端連接所述的運(yùn)算放大器的輸入端，所述的運(yùn)算放大器的輸出端連接所述的電平判別模塊的輸入端。該基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器中，電平判別模塊為比較器，所述的比較 器的輸入端連接于所述的光電變換器的輸出端，所述的比較器的輸出端連接于所述的掃描范圍控制模塊的輸入端。該基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器中，所述的掃描范圍控制模塊包括順序連接的CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動電路，所述的CPU的輸入端連接所述的電平判別模塊的輸出端，所述的驅(qū)動電路的輸出端連接所述的掃描光源。該基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器中，所述的掃描光源包括順序連接的掃描濾波器、第一定向稱合器、第一光纖隔離器、光纖放大器和第二光纖隔離器，該第二光纖隔離器的輸出端連接所述的掃描濾波器；所述的第一定向I禹合器的輸出端為該掃描光源的輸出端，并連接所述的帶通濾波器；所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描濾波器。該基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器中，所述的光纖放大器為摻鉺光纖放大器。采用了該實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，由于其包括掃描光源、第二定向耦合器、帶通濾波器和波長反饋回路，且所述的帶通濾波器連接于所述的掃描光源輸出端和所述的第二定向耦合器之間，所述的波長反饋回路包括順序連接的光電變換器、電平判別模塊和掃描范圍控制模塊，所述的光電變換器的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描光源。從而，通過帶通濾波器判讀波長來控制掃描范圍，并利用波長反饋回路實現(xiàn)對波長的定點(diǎn)掃描，實現(xiàn)受控的、精確的點(diǎn)到點(diǎn)掃描，從而極大地節(jié)約采樣和處理所需的系統(tǒng)資源，在相同系統(tǒng)資源的條件下，大幅提高采樣頻率和精度，且本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，應(yīng)用范圍也較為廣泛。

圖I為現(xiàn)有技術(shù)中采用寬帶光源加直接光譜分析方案的光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為現(xiàn)有技術(shù)中采用掃描光源加間接光譜分析方案的光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖3為現(xiàn)有技術(shù)中米用掃描光源加間接光譜分析方案的光纖傳感系統(tǒng)的掃描光源的波長掃描效果示意圖。圖4為本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器在實際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)圖。圖6為本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器的定點(diǎn)波長掃描效果示意圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本實用新型的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實施例詳細(xì)說明。 請參閱圖I所示，為本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。在一種實施方式中，該基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器包括掃描光源、第二定向耦合器、帶通濾波器和波長反饋回路，所述的第二定向耦合器的輸出端為該激光器的掃描激光輸出端。其中，所述的帶通濾波器連接于所述的掃描光源輸出端和所述的第二定向耦合器之間，且?guī)V波器的波長范圍略窄于所述的掃描光源的輸出光波長范圍。所述的波長反饋回路包括順序連接的光電變換器、電平判別模塊和掃描范圍控制模塊，所述的光電變換器的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描光源。在一種較優(yōu)選的實施方式中，所述的光電變換器包括PIN 二級管和運(yùn)算放大器，所述的PIN 二級管的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的PIN 二級管的輸出端連接所述的運(yùn)算放大器的輸入端，所述的運(yùn)算放大器的輸出端連接所述的電平判別模塊的輸入端。所述的電平判別模塊為比較器，所述的比較器的輸入端連接于所述的光電變換器的輸出端，所述的比較器的輸出端連接于所述的掃描范圍控制模塊的輸入端。所述的掃描范圍控制模塊包括順序連接的CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動電路，所述的CPU的輸入端連接所述的電平判別模塊的輸出端，所述的驅(qū)動電路的輸出端連接所述的掃描光源。所述的第二定向I禹合器的分光比為95 : 5。且所述的帶通濾波器的波長范圍為1525nm至1565nm。在進(jìn)一步優(yōu)選的實施方式中，所述的掃描光源包括順序連接的掃描濾波器、第一定向I禹合器、第一光纖隔離器、光纖放大器和第二光纖隔離器，該第二光纖隔離器的輸出端連接所述的掃描濾波器；所述的第一定向耦合器的輸出端為該掃描光源的輸出端，并連接所述的帶通濾波器；所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描濾波器。在更優(yōu)選的實施方式中，所述的第一定向耦合器的分光比為80 20。所述的光纖放大器為飽和輸出功率為17dBm的摻鉺光纖放大器。如圖4所示，本實用新型的激光器的基本原理是，在掃描激光器中或輸出位置加一個比激光器輸出光波長范圍略窄的濾波器，然后將濾波后的光送給光電變換(比如通過光耦合器)，再送給電平判別電路，判別高低電平，掃描控制電路檢測到電平判別電路從低電平上升到高電平時，說明此時濾波器處于波長λ I位置，開始掃描，當(dāng)發(fā)現(xiàn)電平從高下降到低時，說明此時已是λ 2位置，停止掃描。該裝置無論溫度、濕度、使用時間等引起掃描電壓和波長的不對應(yīng)，始終可以抓住一個所需要的波長范圍λ λ2。這樣，利用本實用新型，一個周期只需要掃一個所需要的波長范圍就可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不必掃兩個以上的FSR，這極大地提高了系統(tǒng)資源的利用率和系統(tǒng)指標(biāo)。本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器技術(shù)方案中，其中所包括的各個功能模塊和模塊單元均能夠?qū)?yīng)于集成電路結(jié)構(gòu)中的具體硬件電路，因此這些模塊和單元僅利用硬件電路結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)，不需要輔助以特定的控制軟件即可以自動實現(xiàn)相應(yīng)功倉泛。在實際應(yīng)用中，本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，如圖5所示，其中，掃描濾波器選用MOI公司的FFP-2，耦合器I分光比選用80 20，耦合器2分光比選用95 : 5,濾波器米用1525 1565nm帶通濾波器,光纖放大器為一個飽和輸出功率為17dBm的摻鉺光纖放大器，光纖隔離器I和光纖隔離器2為普通光纖隔離器，實現(xiàn)光的單向傳輸。光電變化采用普通PIN管，配合普通運(yùn)算放大器，實現(xiàn)光功率轉(zhuǎn)換為電壓，電平判別
電路為一比較器將該電壓歸一化為高電平、低電平，送入CPU的一個輸入IO 口，控制CPU程序的運(yùn)行，CPU采用三星公司ARM處理器，輸出掃描電壓信號由CPU控制DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)得到，再通過一個高電壓驅(qū)動電路，由三級管TIP122實現(xiàn)輸出電壓的自動開啟、停止與調(diào)制?？梢詫崿F(xiàn)整個1525 1565nm內(nèi)，掃描頻率為IOOHz，輸出功率為10mW，有效光譜達(dá)到90%的掃描激光器。如圖6所示，在同樣的掃描電壓增長斜率下，無論同樣波長的掃描電壓如何變化，本實用新型的激光器可以提高近一倍的掃描頻率，同時減少一半的空采樣率。而其對波長的檢測可以僅僅是電壓的變化。也可以通過其他途徑獲得對特定波長λ I和λ2的判定，從而控制掃描電壓精確地掃在需要的波長范圍內(nèi)。本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器也可將帶通濾波器或別的波長鑒別的方式置于掃描激光器內(nèi)部，掃描激光器也可能由各種不同的方式來構(gòu)成，對波長的判定也可能由別的方式(非電壓判讀)來進(jìn)行。但本實用新型的核心是在掃描光源內(nèi)部或外部置入波長判讀和鑒別的手段，通過判讀波長來控制掃描范圍，從而實現(xiàn)對波長的定點(diǎn)掃描。采用了該實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，由于其包括掃描光源、第二定向耦合器、帶通濾波器和波長反饋回路，且所述的帶通濾波器連接于所述的掃描光源輸出端和所述的第二定向耦合器之間，所述的波長反饋回路包括順序連接的光電變換器、電平判別模塊和掃描范圍控制模塊，所述的光電變換器的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描光源。從而，通過帶通濾波器判讀波長來控制掃描范圍，并利用波長反饋回路實現(xiàn)對波長的定點(diǎn)掃描，實現(xiàn)受控的、精確的點(diǎn)到點(diǎn)掃描，從而極大地節(jié)約采樣和處理所需的系統(tǒng)資源，在相同系統(tǒng)資源的條件下，大幅提高采樣頻率和精度，且本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，應(yīng)用范圍也較為廣泛。在此說明書中，本實用新型已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求1.一種基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，包括掃描光源和連接于所述掃描光源輸出端的第二定向I禹合器，所述的第二定向I禹合器的輸出端為該激光器的掃描激光輸出端，其特征在于，該基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器還包括帶通濾波器和波長反饋回路，所述的帶通濾波器連接于所述的掃描光源輸出端和所述的第二定向耦合器之間，所述的波長反饋回路包括順序連接的光電變換器、電平判別模塊和掃描范圍控制模塊，所述的光電變換器的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描光源。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，其特征在于，所述的光電變換器包括PIN 二級管和運(yùn)算放大器，所述的PIN 二級管的輸入端連接所述的第二定向耦合器的輸出端，所述的PIN 二級管的輸出端連接所述的運(yùn)算放大器的輸入端，所述的運(yùn)算放大器的輸出端連接所述的電平判別模塊的輸入端。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，其特征在于，電平判別模塊為比較器，所述的比較器的輸入端連接于所述的光電變換器的輸出端，所述的比較器的輸出端連接于所述的掃描范圍控制模塊的輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，其特征在于，所述的掃描范圍控制模塊包括順序連接的CPU、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和驅(qū)動電路，所述的CPU的輸入端連接所述的電平判別模塊的輸出端，所述的驅(qū)動電路的輸出端連接所述的掃描光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，其特征在于，所述的掃描光源包括順序連接的掃描濾波器、第一定向稱合器、第一光纖隔離器、光纖放大器和第二光纖隔離器，該第二光纖隔離器的輸出端連接所述的掃描濾波器；所述的第一定向耦合器的輸出端為該掃描光源的輸出端，并連接所述的帶通濾波器；所述的掃描范圍控制模塊的輸出端連接所述的掃描濾波器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器,其特征在于，所述的光纖放大器為摻鉺光纖放大器。
專利摘要本實用新型涉及一種基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器，由于其包括掃描光源、第二定向耦合器、帶通濾波器和波長反饋回路，且?guī)V波器連接于掃描光源輸出端和第二定向耦合器之間，波長反饋回路包括順序連接的光電變換器、電平判別模塊和掃描范圍控制模塊，光電變換器的輸入端連接第二定向耦合器的輸出端，掃描范圍控制模塊的輸出端連接掃描光源，從而，可以通過帶通濾波器判讀波長來控制掃描范圍，并利用波長反饋回路實現(xiàn)對波長的定點(diǎn)掃描，實現(xiàn)受控的、精確的點(diǎn)到點(diǎn)掃描，極大地節(jié)約采樣和處理所需的系統(tǒng)資源，大幅提高采樣頻率和精度，且本實用新型的基于波長反饋的定點(diǎn)掃描光纖激光器的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，應(yīng)用范圍也較為廣泛。
文檔編號H01S3/067GK202662968SQ20122016971
公開日2013年1月9日 申請日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者葉瑋, 張濤 申請人:上海拜安實業(yè)有限公司