CN101714900A - 光纤传感网络用多波长高功率调制光源及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光纤传感网络用多波长高功率调制电源及其使用方法。本光源包括依次相连的智能信号发生模块、驱动模块、超辐射二极管、多波长滤波器、第一掺铒光纤放大器、宽带滤波器和第二掺铒光纤放大器。本光源的使用方法，包括数字波形产生、光源内调制、宽带调制光源光谱分割和双级功率放大。本发明特别适合于大容量的基于波分和时分复用技术的大容量光纤传感网络。同时，其较低的实现成本对光纤传感网络***的性价比提高和推广有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是针对光纤传感网络多波长、高功率以及不同传感应用调制格式不同的需要而提出一种新型光源。
背景技术
光纤传感是20世纪70年代伴随着光纤通信迅速发展起来的一种崭新的传感技术。它以光波为载体，光纤为媒质，实现被测量信号的感知和传输。作为现代传感领域的重要分支，光纤传感展现出许多优异的性能，如径细、质轻、柔顺、抗拉；耐水、耐腐蚀、耐高温、耐辐射、耐电磁干扰、对被测量场无干扰；传送频带宽、信息容量大、传输损耗低，适合遥测遥控；对外界环境变化敏感，对多种物理量具有优良的传感性能；可通过阵列式或分布式结构实现大规模、长距离传感等等特点。因此，光纤传感技术特别适合在人类无法近临的易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下进行长期的大规模应用，具有传统的电传感器无法比拟的优越性。光纤传感技术的应用范围渗透至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等各个领域，在温度、压力、振动、电流、电压、磁场等众多物理量的测量方面都有广泛的实验研究，发展空间相当广阔，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。20世纪90年代，在世界范围内，光纤传感技术在军用和民用两大领域逐渐开始呈现产业化发展的态势。
随着光纤传感技术的发展与成熟，光纤传感网络也开始逐步发展，并有产品投入市场，光纤传感网络以其集成化、智能化程度高，传感范围广，成本低显示了强大的生命力。但是在光纤传感网络的发展过程中，光源一直是个重要的制约因素。光纤传感网络与光纤通信网络类似，主要采用时分复用和波分复用两种复用技术，进行复用组网。这就要求光纤传感网络所用光源必须是调制的，而且是多波长的，同时，针对光纤传感网络大容量、无源化及结构简单的需求，光源应是高功率的。目前，光纤传感网络尚属起步阶段。据了解，电子科技大学申请了光纤网络传感***专利(专利公开号：CN 101321022)，该专利基于无源光网络(PON)，采用光时域反射(OTDR)技术，光源采用分布反馈式(DFB)激光器，并采用激光内调制的方式产生光脉冲。关于光纤光栅传感网络的专利多是涉及解调的算法和技术，尚没有有关光纤光栅传感网络光源方面的专利。根据所收集到的资料显示，尚没有机构或公司对光纤传感网络所用光源进行专门的研究。目前较为成熟的是光纤光栅传感网络，国内包括天津大学、南开大学，西北大学、武汉理工、电子科技大学、中科院半导体所等一批高校大学和科研单位在此方向都取得较大进展，并且有的已有产品面世，如武汉理工大学的校属企业理工光科就专门生产此类产品。但光纤光栅传感网络所用光源也仅仅是采用单个器件构成的宽谱光源，光源功率小，而且在组网技术上采用简单的波分复用，整个网络的***容量较低，而且这种光源不具普适性，在其他的光纤传感网络中难以使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种光纤传感网络用多波长高功率调制光源及其使用方法，本发明具有稳定性好、适用性强、组装简单等特点。
本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：一种光纤传感网络用多波长高功率调制光源，包括依次相连的智能信号发生模块、驱动模块、超辐射二极管、多波长滤波器、第一掺铒光纤放大器、宽带滤波器和第二掺铒光纤放大器。
所述光源的使用方法，包括数字波形产生、光源内调制、宽带调制光源光谱分割和双级功率放大。
本发明与现有技术相比，具有以下主要优点：
其一，采取智能信号发技术，可以产生任意调制格式、任意波长(1530～1620nm范围内)并且是多波长的高功率光信号，具有很强的适用性和灵活性，满足各种场合各种传感方式的需求。
其二，采用外置光滤波器，方便更换，可以满足任各种情况下波分复用的要求。
其三，超辐射二极管作为宽谱光源，稳定性高，寿命长，谱宽相当宽，完全覆盖整个C+L波段，可以用于波分复用的波长数目多。同时超辐射二极管的光谱平坦度好，光谱分割出的各波长功率差异小。
其四，采用双级放大，光源输出光功率高；多波长均衡放大，输出功率和波长均非常稳定。可以实现传感网络无源化、简单化，而且传感网络容量也可以大大提高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中：1：智能信号发生模块；2：驱动模块；3：超辐射二级管；4：多波长滤波器；5：第一掺铒光纤放大器(EDFA)；6：宽带滤波器；7：第二掺铒光纤放大器。
具体实施方式
针对光纤传感网络对光源不同调制码型、多波长、大功率的需求，本发明提供了一种光纤传感网络用多波长高功率调制光源的实现方法及装置，本发明具有稳定性好、适用性强、组装简单等特点。
本发明使用了超辐射二极管，其在光纤传感网络应用中有着半导体激光器无法比拟的优势。超辐射二极管工作稳定，输出功率随温度变化比较小，特别适合于光纤传感对光源稳定性的要求。超辐射二极管也不存在像半导体激光器那样的腔面退化，工作寿命可达109小时，这点对光纤传感也特别重要，传感领域往往要求长时间不间断工作，其中重要器件的工作寿命自然是越长越好。超辐射二极管的宽谱特性使其在光纤传感领域应用受到限制，但应用在光纤传感网络，这一特性恰好可以提供多波长，以实现光纤传感网络经常采用的波分复用技术。同时，在宽谱光源中，超辐射二极管的调制特性是最好的，可以达到200～300MHz，可以覆盖光纤传感码型调制所需的频谱范围。
如图1所示，一种光纤传感网络用多波长高功率调制光源，包括依次相连的智能信号发生模块1、驱动模块2、超辐射二极管3、多波长滤波器4、第一掺铒光纤放大器5、宽带滤波器6和第二掺铒光纤放大器7。
本发明的使用方法，包括数字波形产生、光源内调制、宽带调制光源光谱分割和双级功率放大，即包括以下步骤：
1)数字波形产生：智能信号发生模块1产生光纤传感所需的任意波形的数字信息，并通过其内部的数模转换模块将数字信息转为电压信号。
2)光源内调制：由驱动模块2将1)步的电压信号转为电流信号，实现电压-电流转换，最后驱动模块输出调制电流；超辐射二极管3提供宽带光谱光源，由驱动模块2通过直接电流驱动对超辐射二极管3进行内调制，超超辐射二极管3输出宽谱光波。
3)宽带调制光源光谱分割：分别通过多波长滤波器4和宽带滤波器6对步骤2)的宽谱光波进行二次组合光谱分割，输出多波长调制光波。
4)双级功率放大：步骤3)输出的多波长调制光波分别送入第一、第二掺铒光纤放大器5、7进行组合式双极功率放大。多波长滤波器4的输出通过第一掺铒光纤放大器5放大后，再经过宽带滤波器6，最后由第二掺铒光纤放大器7再次放大，即实现多波长高功率调制光波。
下面进一步详述本发明。
一、光纤传感网络用多波长高功率调制光源装置
依据本发明，在实用中取得了良好效果。本实施例应用于混合波分时分复用的光纤振动传感网络中，该传感网络要求光源提供六个ITU标准波长，总功率不小于23dBm的调制光波，调制格式为脉宽为200ns，重复周期为25us的矩形脉冲信号。
由于光纤传感网络所需调制码型为矩形脉冲，智能信号产生模块1简化为可编程逻辑器件，具体为ALTRA公司现场可编程门阵列(FPGA)cyclone系列中的EP1C3T144C8。驱动模块2采用MAX3869驱动器，驱动芯片采用MAXIM公司的MAX3869。超辐射二极管3采用INPHENIX公司的产品IPSDD1502-320。多波长滤波器4采用透射式六波长F-P(法布里-珀罗)标准具，其各个信道中心波长分别与所需多波长激光的各个中心波长一致。第一掺铒光纤放大器5采用PHOTOP公司的饱和输出功率为12dBm的C波段EDFA。宽带滤波器6采用的是中心波长为1543nm、0.5dB带宽为10nm的宽带滤波器。第二掺铒光纤放大器7采用的是PHOTOP公司的饱和输出功率为23.5dBm的C波段EDFA。
其中EP1C3T144C8采用的晶振为10MHz，调制码型频率为40K，脉宽为200ns，波形一个周期取样点数为256，那么频率控制字K＝1，累加器位宽N＝8，查表地址取位M＝8。透射式六波长F-P标准具的六波长分别为国际电信联盟(ITU)制定标准波长中的CH37，CH39，CH41，CH43，CH45和CH47信道。
借助于本样品的优异性能，该光纤振动传感网络通过6波分、20时分复用技术成功实现120个传感单元的网络容量，整个传感网络无源。
二、光纤传感网络用多波长高功率调制光源的使用方法
本方法包括以下步骤：
1、智能任意数字波形产生方法
智能信号发生模块1将实际传感网络需求的调制码型幅值按次序数字化，存入可编程逻辑器件的查找表中，可编程逻辑器件的相位累加器在基准时钟源的作用下进行线性累加，当产生溢出时便完成一个周期。其中频率控制字为K，作为累加器的一个输入，累加器的另一个输入端位宽为N位，每来一个时钟，频率字与累加器的另一个输入相加的结果存入相位寄存器，再反馈给累加器，产生的累加结果的高M(M＜＝N)位作为ROM(只读存储器)查找表的取样地址值，此查找表中储存了一个周期的所需信号的幅度值，这些离散的幅值经模数转换(DAC)和低通滤波器(PLF)便可形成所需调制码型的电信号。如果调制码型的幅值只有两个值，也即调制码型为矩形脉冲，那么上述过程还简化为，不存表，不查表，直接把原查表结果人为赋值，同时把此种码型当成是数字信号，省略模数转换(DAC)和低通滤波器(PLF)，直接由可编程逻辑器件形成调制码型的电信号。
2、光源内调制
智能信号发生模块1产生光纤传感所需的任意波形电压信号，提供给驱动模块2实现电压-电流转换，然后通过直接电流驱动对超辐射二极管3进行功率调制。
3、组合式宽带调制光源光谱分割
如图1所示，多波长滤波器4对超辐射二极管3进行第一次光谱分割，产生光纤传感所需的精细光谱，然后经第一掺铒光纤放大器5进行一级功率放大。但是第一掺铒光纤放大器5自身存在一定自发宽谱噪声，如果不加处理，直接进行第二级功率放大，会损耗掉高功率第二掺铒光纤放大器7的一部分功率。所以在第一掺铒光纤放大器5和第二掺铒光纤放大器7之间，加宽带滤波器6滤除自发谱噪声，可以有效提高第二掺铒光纤放大器7的有效增益。
4、组合式双极功率放大
如图1所示，在多波长滤波器4之后，由第一掺铒光纤放大器5进行第一级放大。第一级放大需要提供增益稳定，因此采用自动增益模式(AGC)，实现各个波长被同比例放大。第一级放大的光波经过宽带滤波器6，进入第二掺铒光纤放大器7进行二级放大。第二级放大需要输出功率稳定，因此采用恒功率模式(APC)，可保证光源输出功率稳定。
通过上述方法，即可实现多波长、高功率、任意格式调制光源，可作为混合波分时分复用光纤传感器网络中的光源。
上述实施方式仅限于对本发明的进一步说明，并不构成对本发明技术方案的限定。本发明特别适合于大容量的基于波分和时分复用技术的大容量光纤传感网络。同时，其较低的实现成本对光纤传感网络***的性价比提高和推广有重要意义。
Claims (10)
1.光纤传感网络用多波长高功率调制光源，其特征在于：它包括依次相连的智能信号发生模块、驱动模块、超辐射二极管、多波长滤波器、第一掺铒光纤放大器、宽带滤波器和第二掺铒光纤放大器。
2.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：智能信号发生模块采用EP1C3T144C8。
3.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：驱动模块采用MAX3869驱动器。
4.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：超辐射二极管采用IPSDD1502-320。
5.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：多波长滤波器采用透射式F-P标准具。
6.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：第一掺铒光纤放大器采用饱和输出功率为12dBm的C波段EDFA。
7.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：宽带滤波器的中心波长为1543nm，0.5dB带宽为10nm。
8.根据权利要求1所述的光源，其特征在于：第二掺铒光纤放大器采用饱和输出功率为23.5dBm的C波段EDFA。
9.根据权利要求1～8中任一项所述光源的使用方法，其特征在于：该方法包括数字波形产生、光源内调制、宽带调制光源光谱分割和双级功率放大。
10.根据权利要求9所述的光源的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
1)数字波形产生：智能信号发生模块产生光纤传感所需的任意波形的数字信息，并转换成电压信号；
2)光源内调制：由驱动模块将1)步的电压信号转为电流信号，实现电压-电流转换，输出调制电流；超辐射二极管提供宽带光谱光源，由驱动模块通过直接电流驱动对超辐射二极管进行内调制，超超辐射二极管输出宽谱光波；
3)宽带调制光源光谱分割：分别通过多波长滤波器和宽带滤波器对步骤2)的宽谱光波进行二次组合光谱分割，输出多波长调制光波；
4)双级功率放大：步骤3)输出的多波长调制光波分别送入第一、第二掺铒光纤放大器进行组合式双极功率放大，即实现多波长高功率调制光波。
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