专利名称：基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置及其方法
技术领域：
本发明涉及光通信与光传感技术领域，尤其涉及一种基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置及其方法。
背景技术：
高速发展的光纤通信系统通信容量的提升对激光器光源的性能也提出了越来越高的要求，光源的不稳定势必导致误码率的增加，限制通信速度12；不仅如此，很多关键的应用，比如光纤陀螺仪3和光纤加速度计4等传感系统方面，也都要求光源功率具有相当高的稳定度。
导致光源不稳定的原因有很多。首先，由于激光器本身的工作原理的限制，目前已知的各种激光器的输出光强都不可避免的具有一定大小和一定频率内的波动，称为光源的强度噪声。强度噪声一般是由于激光器自身的量子噪声、散粒噪声和模式竞争噪声等原因产生的。该噪声的噪声特性为1/f，频率越低噪声越大，所以光源输出功率的低频抖动特别严重。其次，温度等外界环境因素的变化将导致光源输出的不稳定。国内外对半导体激光器光源稳定问题的处理办法通常是为具体的光源设计合适的驱动电路，该电路要求能实时反馈、闭环光强控制、温度控制及包含软启动和过流控制电路以保护激光器5，其控制电路的设计和调试比较复杂，另外并不是所有的激光器都可以用这种方法进行控制的。最后，一般的激光器光源开机以后需工作较长的时间达到稳定，典型的为1～2小时，这对光通信与传感系统来说都是不方便的。
本发明提出了一种基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置及其方法。光衰减器广泛用于光通信网络中，是对光功率按要求进行一定衰减的光器件。分为固定光衰减器和可变光衰减器。固定光衰减器可以为光路提供固定的衰减量，可变光衰减器可以为光路提供可调节的光衰减量。本发明所提出的基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置及其方法，在激光器输出端接高速可变光衰减器开关，当输入衰减器的光功率过大时即时对光路即时提供比较大的衰减，当输入衰减器的光功率比较小时减小衰减，以此达到对光源功率的低频波动有效滤除的目的。该方法实际操作时由于与具体激光器种类无关，所以具有通用性，另外还具有操作简单方便的优点。
参考文献1.周贤伟，王丹，王建萍“波分复用ROF系统中光发射源的频率稳定度研究”，光通信技术，2006年第10期2.柴燕杰，杨知行，阳辉，范崇澄“激光器相位噪声对高速M/DD光纤通信提供特性影响的研究”，通信学报，1997，18(7)3.姚琼，谢元平，宋章启“光纤陀螺光源误差及消除方法分析”，激光杂志，2005年05期4.杨革文“光纤加速度计强度噪声的研究”，上海航天，2003年第5期29～325.岱钦，宋文武，王希军“高频半导体激光器的驱动设计及稳定性分析”，光学精密工程，Oct.2006，Vol.14，No.5745～7486.US patent 6700，694 B2“Ferro-electric Azimuth rotator”发明内容本发明的目的是提供一种基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置及其方法。
基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置光源、第一光抽头、高速可变光衰减器、第二光抽头依次用光纤连接；第一光探测器由光纤连接到第一光抽头，第一光探测器与第一对数放大器、第一模数转换器、处理处理芯片通过电信号相连，得到高速前反馈信号；第二光探测器由光纤连接到第二光抽头，第二光探测器与第二对数放大器、第二模数转换器、处理芯片通过电信号相连，得到高速后反馈信号；处理芯片与数模转换器、电压转换器、高速可变光衰减器通过电信号相连。
所述的高速可变光衰减器是由第一单光纤偏振分束准直器、高速可变衰减片、第二单光纤偏振分束准直器，通过光学准直封装而成。
基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制方法包括如下1)利用激光器外部装置对输出光强进行控制调节，以稳定激光光强；2)利用高速光光衰减器开关实现光功率的高速动态衰减调节；3)利用高速前反馈和高速后反馈的控制技术，以稳定激光光强；4)利用对数放大器将光电流的对数运算简化为加减运算，提高了运算速度，同时提高了系统可探测光强的范围；5)光源强度噪声可抑制的频率分量与高速反馈电路所需的处理时间ΔT相关；当光源强度噪声频率分量为 时，其波动幅度可以抑制在1/20以内。
本发明的有益效果是该发明应用方便，具有通用性；可以有效滤除一定频率以内的光源强度噪声；可以应用在通信、传感等多种领域中系统性能的提升以提高光源强度的稳定性，并能够大大缩短如光纤陀螺、光纤水听器等光纤传感系统用光源所需的开机稳定时间。
图1是基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置结构示意图，粗线为光链路，细线为电链路；图2是本发明的高速可变光衰减器开关的结构示意图；图3是表示本发明的理想情况下的滤波图样；图4是表示本发明的实际中的滤波效果图；图中光源1、第一光抽2a、第二光抽2b、高速可变光衰减器3、第一光探测器4a、第二光探测器4b、第一对数放大器5a、第二对数放大器5b、第一模数转换器6a、第二模数转换器6b、处理芯片7、数模转换器8、电压转换器9、外置偏置信号10、第一单光纤偏振分束准直器11、高速可变衰减片12、第二单光纤偏振分束准直器13。
具体实施例方式
如图1所示，基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置中，光源1、第一光抽头2a、高速可变光衰减器3、第二光抽头2b依次用光纤连接；第一光探测器4a由光纤连接到第一光抽头2a，第一光探测器4a与第一对数放大器5a、第一模数转换器6a、处理处理芯片7通过电信号相连，第二光探测器4b由光纤连接到第二光抽头2b，第二光探测器4b与第二对数放大器5b、第二模数转换器6b、处理芯片7，通过电信号相连，处理芯片7与数模转换器8、电压转换器9、高速可变光衰减器3通过电信号相连。
由光源出射的具有一定噪声与光强波动的光信号经过第一光抽头进入可变光衰减器开关，并由第一光抽头抽取小比例的光经第一光电探测器进行光电探测，作为光强噪声抑制的高速前反馈控制信号；在可变光衰减器开关的输出端由第二光抽头抽取相同比例的光由第二光电探测器进行光电探测，作为光强噪声抑制的高速后反馈的控制信号。第一光探测器探测输出的电流信号经过第一对数放大器转化为电压信号后，再由第一模数转换器转换为离散的数字信号，送入处理处理芯片；第二光探测器探测输出的电流信号经过第二对数放大器转化为电压信号后，再由第二模数转换器转换为离散的数字信号，再送入处理芯片；两者的差即以dB为单位的当前衰减器的衰减量。使用处理芯片对可变光衰减器的衰减量进行实时控制。当光功率输出值与稳定值有偏差时，由处理芯片进行运算处理得到当前应有的衰减反馈量，该数字信号送至数模转换器，经电压转换电路来驱动控制可变光衰减器开关的衰减量。处理芯片同时可以根据采集外置偏置信号设定稳定的高速光衰减器开关的衰减量最大值，并根据获得的高速前反馈信号、高速前反馈信号计算相应的调节控制量，以达到输出光强的稳定。
如图2所示，高速可变光衰减器3是由第一单光纤偏振分束准直器11、高速可变衰减片12、第二单光纤偏振分束准直器13，通过光学准直封装而成。
单光纤偏振分束准直器将光纤波导中传输的光经光纤端面发射后进行光束准直，并进行偏振分束；电压控制的高速可变衰减片，可以由电光晶体、铁电透明陶瓷PLZT或PMN-PT等高电光系数材料利用电光效应等原理制作，典型的为利用透明铁电效应构成偏振旋转器以实现高速光衰减器开关控制，透明铁电效应构成的偏振旋转器具体可参考本发明所引文献6。
基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制方法包括如下1)利用激光器外部装置对输出光强进行控制调节，以稳定激光光强；国内外对半导体激光器光源稳定问题的处理办法通常是为具体的光源设计合适的驱动电路，该电路要求能实时反馈、闭环光强控制、温度控制及包含软启动和过流控制电路以保护激光器，其控制电路的设计和调试比较复杂，另外并不是所有的激光器都可以用这种方法进行控制的。本发明提出的通过设计半导体激光器外部控制系统装置实现半导体激光器光源稳定的方法使用方便，具有通用性，可适合于所有半导体激光光源。
2)利用高速电光可变光衰减器开关实现光功率的高速动态衰减调节，在激光器输出端通过接高速可变光衰减器的方法，当输入衰减器的光功率过大时即时对光路即时提供比较大的衰减，当输入衰减器的光功率比较小时减小衰减，以此高速动态调节以达到对光源功率的低频波动有效滤除的目的。
3)利用高速前反馈和高速后反馈的控制技术，以稳定激光光强。光源出射的具有一定噪声与光强波动的光信号经过第一光抽头进入可变光衰减器，并由第一光抽头抽取小比例的光进行光电探测，作为光强噪声抑制的高速前反馈控制信号；在可变光衰减器的输出端由第二光抽头抽取相同比例的光进行进行光电探测，作为光强噪声抑制的高速后反馈的控制信号。当光源强度输出值与稳定值有偏差时，经处理芯片高速运算处理得到当前应有的反馈控制量。将该数字信号送至数模转换器，经电压转换电路来驱动控制高速可变光衰减器达到激光强度的稳定。
4)利用第一、第二对数放大器将第一、第二光抽头抽取的，并经第一、第二光电探测器探测的高速前反馈和高速后反馈的控制电流信号进行对数放大并将之转换为电压信号，一方面将处理芯片的对数运算简化为加减运算，提高了运算速度；另一方面，由于处理芯片进行以dB为单位的电压信号模数采样，这样可以提高高速前反馈和高速后反馈信号的离散化精度，从而可以提高光源强度噪声抑制的精度，同时还可以增加系统最大可探测的光强范围；5)光源强度噪声可抑制的频率分量与高速反馈系统所需的处理时间ΔT相关，当光源强度噪声频率分量为 时，其波动幅度可以抑制在1/20以内。由于实际光源强度噪声集中在低频段，并且实际控制时软件运算和硬件电路的响应都具有延时ΔT，最终使得输出的光强将会有微小的波动。光源强度噪声可抑制的频率分量与高速反馈系统所需的处理时间ΔT相关，光源强度噪声频率越低，其噪声引起的强度波动越容易被抑制，当光源强度噪声频率分量为 时，其波动幅度可以抑制在1/20以内。
本发明的原理为理想情况下，假设光源的平均功率为D，波动的频率为f，周期为T，波动幅度为A，那么可变光衰减器开关的输入光强P随时间t的变化可以表示为P＝D+Asin(2π ft)。当可变光衰减器开关实时提供Q＝A+Asin(2πft)的衰减量时，最终得到的光强O将是完全没有波动的O＝P-Q＝D-A。
图3.1中的曲线a表示了光源最简单的正弦强度波动。图3.2显示了可变光衰减器开关对光路提供的动态衰减量。图3.3显示了经过可变光衰减器开关以后的输出光强情况。图3.2的b1曲线代表可变光衰减器开关提供零衰减的情况，从图3.3的b1曲线可以看出输出光强波动没有被滤除；图3.2的b2代表可变光衰减器开关的最大动态衰减量小于光源波动的情况，由图3.3中的b2曲线可以看出此时光源功率波动不能完全被滤除。图3.2的b3曲线代表可变光衰减器开关的最大动态衰减量等于光源波动的情况，由图3.3中的b3曲线可以看出，此时光源的输出功率基本被滤平。图3.2的b4曲线代表可变光衰减器开关的最大动态衰减量大于光源波动的情况，此时光源的输出功率将有一部分额外的损耗。
在实际控制时，由于软件运算和硬件电路的响应具有延时ΔT，实际得到的可变光衰减器开关的衰减量应表示为O=P-Q]]>=D-E+A{sin(2πft)-sin[2πf(t-ΔT)]}]]>=D-E+2Asin(πfΔT)cos[2πf(t-ΔT2)]]]>Q＝E+Asin{2πf(t-ΔT)}，得到的输出光强将表示为由上式可以看出最终输出的光强将会有O′＝2Asin(πfΔT)的波动。同时可知要减小或者消除光源波动有两种办法一、精确控制延时量ΔT使πfΔT＝nπ，(n＝1，2，3，4.....)，可以消除该频率及其附近频率的光强波动，但由于实际光源强度噪声集中在低频段，所以应该使πfΔT尽可能接近零；二、在不是非常严格要求的情况下，当πfΔT足够小(如πfΔT≤0.3)，即ΔT≤0.3πf≈0.1T]]>以内时，就可以应用正弦函数的近似，将光强波动表示为O′＝2AπfΔT，此时的滤波以后的光强波动大小是和输入的光功率波动幅度A、系统响应时间ΔT、噪声频率f成正比的，通过减小运算延时和提高硬件电路的响应时间，尽可能减小ΔT，可以有效的滤除一定频率以内的光强波动。举个例子，如果要把幅度为A的噪声波动抑制到 0.05A以下，那么要求O′＝2Asin(πfΔT)≈2AπfΔT≤0.05A，即ΔT≤1125f=0.008T,]]>需要器件的响应速度为波动周期的一百分之一；反过来当器件的响应时间ΔT确定时，可以滤除 频率以内的强度噪声波动。
实际的滤波效果可以参见图4，曲线a为光源波动，曲线b为延迟了ΔT时间的可变光衰减器开关的响应曲线，曲线c显示在实际中得到的滤波输出。
权利要求
1.一种基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置，其特征在于，光源(1)、第一光抽头(2a)、高速可变光衰减器(3)、第二光抽头(2b)依次用光纤连接；第一光探测器(4a)由光纤连接到第一光抽头(2a)，第一光探测器(4a)与第一对数放大器(5a)、第一模数转换器(6a)、处理处理芯片(7)通过电信号相连，得到高速前反馈信号；第二光探测器(4b)由光纤连接到第二光抽头(2b)，第二光探测器(4b)与第二对数放大器(5b)、第二模数转换器(6b)、处理芯片(7)通过电信号相连，处理芯片(7)与数模转换器(8)、电压转换器(9)、高速可变光衰减器(3)通过电信号相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置，其特征在于，所述的高速可变光衰减器(3)是由第一单光纤偏振分束准直器(11)、高速可变衰减片(12)、第二单光纤偏振分束准直器(13)，通过光学准直封装而成。
3.一种使用如权利要求1所述装置的基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制方法，其特征在于包括如下1)利用激光器外部装置对输出光强进行控制调节，以稳定激光光强；2)利用高速光光衰减器开关实现光功率的高速动态衰减调节；3)利用高速前反馈和高速后反馈的控制技术，以稳定激光光强；4)利用对数放大器将光电流的对数运算简化为加减运算，提高了运算速度，同时提高了系统可探测光强的范围；5)光源强度噪声可抑制的频率分量与高速反馈电路所需的处理时间ΔT相关；当光源强度噪声频率分量为 时，其波动幅度可以抑制在1/20以内。
全文摘要
本发明公开了一种基于高速光衰减器开关的光源强度噪声抑制装置及其方法。装置中，光源、第一光抽头、高速可变光衰减器、第二光抽头依次用光纤连接；第一光探测器由光纤连接到第一光抽头，第一光探测器与第一对数放大器、第一模数转换器、处理处理芯片通过电信号相连，得到高速前反馈信号；第二光探测器由光纤连接到第二光抽头，第二光探测器与第二对数放大器、第二模数转换器、处理芯片通过电信号相连，得到高速后反馈信号；处理芯片与数模转换器、电压转换器、高速可变光衰减器通过电信号相连。本发明使用方便，具有通用性；通过有效滤除一定频率内的光源噪声，可提高光源强度的稳定性并大大缩短光纤通信与传感系统用光源所需的开机稳定时间。
文档编号H04Q11/00GK101022310SQ20071006738
公开日2007年8月22日 申请日期2007年2月16日 优先权日2007年2月16日
发明者章晓敏, 金晓峰, 池灏, 章献民 申请人:浙江大学