基于F-P的脉冲激光发生器及方法与流程

本发明属于光纤传感领域件领域，尤其涉及一种基于f-p的脉冲激光发生器及方法。

背景技术：

可调谐波长滤波器是光纤传感领域中的核心器件，其种类繁多，例如电流调谐型，电压调谐型，压电陶瓷型等。其中压电陶瓷型可调谐波长滤波器由于具有响应速度快、不发热、推力大、波长分辨率高等诸多优点，在光纤传感领域中有着广泛的应用，例如可以用于光纤光栅传感器波长解调器件。压电陶瓷型可调谐波长滤波器利用法布里—珀罗(f-p)腔结构，通过压电陶瓷改变两个反射镜之间的距离(腔长)实现可变的波长输出。

传统的f-p腔可调谐波长滤波器采用三角波电压驱动方式，使f-p腔长随时间线性变化，从而保证输出波长的线性度；这种三角波电压一般由14位的d/a产生，以扫描周期为1s进行计算，其单波长稳定时间约为这个脉宽数量级的激光只能应用在波分复用(wdm)的解调方式中；通常激光器的带宽为40nm，而光栅间隔为2nm左右，因此传统的光纤光栅解调设备单通道所支持的光栅数通常为20个，这也极大地制约了光纤光栅类设备的探测距离；按照每10m铺设一个光栅计算，单通道的探测距离极限为200m，而分布式光纤的单通道探测距离通常可达公里级别。探测距离短已经成为了光纤光栅解调设备的一个致命缺陷，探测距离短在项目中意味着更高的成本，使其逐渐丧失了市场竞争力，越来越多地被分布式光纤解调设备所取代。但除去探测距离短外，光纤光栅对比分布式光纤设备的其他优势明显，例如信号强度高、稳定性好、空间分辨率高等，因此研制一种能够用于长距离光纤光栅探测的激光器显得迫在眉睫。

为提高光纤光栅解调设备的探测距离，首先要解决的就是激光器的问题，传统的wdm解调方式受到激光器扫描带宽的限制，而以现有的工艺，想制造更大带宽的激光器代价太大，从这个方向突破非常困难。因此唯一的出路就是将光时域反射(otdr)技术引入光纤光栅解调设备中，该技术以窄线宽激光器为核心，通常线宽在20ns以内，按照光在光纤中的速度为2×10⁸m/s计算，意味着在空间上每隔2m即可分辨出2个完全相同的光栅，实现了相同波长光栅的复用，可将光纤光栅解调设备的单通道探测距离提高到公里级。

技术实现要素：

本发明针对传统f-p腔激光器输出线宽较宽，无法满足otdr应用需求的情况，提供了一种基于f-p的脉冲激光发生器实现了间隔2m以上相同波长光栅的复用，且能将光纤光栅解调设备的单通道探测距离提高到了公里级。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种基于f-p的脉冲激光发生器，包括光源、压电陶瓷型可调谐波长滤波器、标准梳状滤波器、soa环形激光器、电压驱动器、脉冲发生器和光谱对比模块；

压电陶瓷型可调谐波长滤波器为f-p腔，其输入端与光源连接，两个输出端与标准梳状滤波器连接、soa环形激光器的输入端连接，其控制端连接电压驱动器的一个输出端；

电压驱动器的另一个输出端与脉冲发生器的另一个输入端连接；

标准梳状滤波器和soa环形激光器的输出端与光谱对比模块连接。

接上述技术方案，所述光源为宽谱光源。

本发明还提供了一种脉冲光产生方法，包括以下步骤：

光源进入压电陶瓷型可调谐波长滤波器；

电压驱动器产生驱动电压控制压电陶瓷型可调谐波长滤波器的线性扫频，扫频光分为两路，一路进入标准梳状滤波器，另一路进入soa环形激光器；

电压驱动器同时产生与驱动电压相位一致的驱动信号给脉冲发生器，脉冲发生器检测到方波上升沿后，将其转换为一定宽度的电脉冲提供给soa环形激光器，控制其进行斩光，得到脉冲光；

标准梳状滤波器输出的光和soa环形激光器产生的脉冲光进入光谱对比模块进行时域光谱对比，得到光脉冲的当前波长。

接上述技术方案，电压驱动器输出三角波电压控制压电陶瓷型可调谐波长滤波器的线性扫频。

接上述技术方案，电压驱动器输出与三角波相位一致的同步方波至脉冲发生器，脉冲发生器产生一定宽度的电脉冲控制soa环形激光器进行斩光，soa环形激光器产生光脉冲。

接上述技术方案，电脉冲和光脉冲的脉宽为20ns。

接上述技术方案，低电平时，soa环形激光器关断，高电平时，soa环形激光器导通并放大产生的光脉冲。

接上述技术方案，当脉冲发生器检测到方波下降沿时，停止产生电脉冲，直到检测到下一个上升沿。

本发明产生的有益效果是：本发明通过soa环形激光器对连续光进行斩光，获得的光源可应用于otdr原理的光纤光栅仪表之中，可将单通道探测距离提高到公里级别，极大地增强了光纤光栅解调仪在市场中的竞争力。

另外，本发明的脉冲发生器可选用fpga产生，通过fpga实现延迟和逻辑处理，可根据用户配置获得任意脉宽的电脉冲输出，从而得到任意脉宽的光脉冲输出，达到不同的空间分辨率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明提供的系统框图。

图2是本发明提供的获得20ns脉宽电脉冲原理图。

图3是本发明提供的工作流程图。

图4是本发明产生的20ns脉冲光。

图中：光源1，压电陶瓷型可调谐波长滤波器2，电压驱动器3，标准梳状滤波器4，soa环形激光器5，脉冲发生器6，光谱对比模块7。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明在f-p腔激光器后端增加了soa环形激光器进行斩光，可将输出光的脉宽控制在20ns以内，实现了间隔2m以上相同波长光栅的复用，将光纤光栅解调设备的单通道探测距离提高到了公里级。

如图1所示，基于f-p的脉冲激光发生器，包括光源1、压电陶瓷型可调谐波长滤波器2、标准梳状滤波器4、soa环形激光器5、电压驱动器3、脉冲发生器6和光谱对比模块7.

压电陶瓷型可调谐波长滤波器2的输入端与光源1连接，其两个输出端与标准梳状滤波器连接4、soa环形激光器5的输入端连接，其控制端连接电压驱动器3的一个输出端；电压驱动器3的另一个输出端与脉冲发生器6的另一个输入端连接；标准梳状滤波器4和soa环形激光器5的输出端与光谱对比模块7连接。

电压驱动器3可选用三角波电压驱动器，可产生三角波和方波。光源1进入压电陶瓷型可调谐波长滤波器2，电压驱动器3产生一个三角波电压驱动压电陶瓷型可调谐波长滤波器2线性扫频，扫频光分为两路，一路经过标准梳状滤波器4，另一路进入soa环形激光器5。电压驱动器3同时产生一个与三角波相位一致的方波信号给脉冲发生器6，脉冲发生器检测到方波上升沿后，将其转换为脉宽为20ns的电脉冲提供给soa环形激光器5，控制其进行开关，低电平时soa关断，高电平时soa导通并起到放大的作用，这样便可以得到一个脉宽为20ns的光脉冲。而经过标准梳状滤波器4的光没有经过斩光，两路光进入光谱对比模块7进行时域光谱对比，即可得出光脉冲的当前波长。

光源1为系统提供光能量，为宽光谱光源，其输出光谱范围应可以覆盖压电陶瓷型可调谐波长滤波器2的波长调谐范围；

压电陶瓷型可调谐波长滤波器2产生线性扫频光，该扫频光分为两路，一路经过标准梳状滤波器4，另一路经过soa环形激光器5。

电压驱动器3为压电陶瓷型可调谐波长滤波器2提供驱动电压，控制其线性扫频，同时为脉冲发生器6提供一个与三角波相位一致的同步方波。

标准梳状滤波器4为透射型光学器件，宽谱光进入光学栅格生成器后，与透射峰波长重合的光可以通过，其他则不通过。该器件用于产生波长固定、间隔基本一致的多个透射峰，这些波长值可以通过光谱仪精确测量，系统将已知波长的多个峰值信号作为参考。

soa环形激光器5对线性扫频光进行斩光，将时域上的连续光转化为脉宽20ns的脉冲光。

脉冲发生器6被电压驱动器3的同步方波触发，产生20ns脉宽的电脉冲控制soa环形激光器5进行斩光，脉冲发生器6的原理如图2所示。

光谱对比模块7将经过标准梳状滤波器4的连续光和经过soa环形激光器5的脉冲光进行对比解调，获得脉冲光的实时波长，其应包含光电转换、数据处理功能。

该系统工作流程如图3所示：宽谱光源1通过压电陶瓷型可调谐波长滤波器2，电压驱动器3控制其进行线性扫频；扫频光被分为两路，一路进入标准梳状滤波器4，另一路进入soa环形激光器5；标准梳状滤波器4的波长由光谱仪精确测量，且将测量值作为原始的标准参考值ds保存在光谱对比模块7中；脉冲发生器6产生脉宽为20ns的电脉冲控制soa环形激光器5斩光，输出的脉冲光进入光谱对比模块7中与标准梳状滤波器4输出的标准光谱对比，获得脉冲光的实时波长。

宽谱光源选用光谱范围为1320～1360nm的o波段sled光源。压电陶瓷型可调谐波长滤波器为f-p腔。三角波电压驱动采用dds芯片产生。标准梳状滤波器选用光学标准具。脉冲发生器选用fpga产生。

sled发出谱宽慰40nm的宽带光进入f-p腔，三角波驱动模块产生三角波控制f-p腔进行线性扫频，将宽谱光变换为单色扫频光。另外三角波驱动模块还会产生一组与三角波相位相同的方波进入脉冲发生器，当脉冲发生器检测到方波上升沿时，即开始产生脉宽为20ns的电脉冲，电脉冲的时间间隔t用户可以进行设定，t的大小决定了脉冲光的扫频步进δλ，如下式所示：

其中t为三角波的周期，t为电脉冲间隔，λs为扫描起始波长，λe为扫描截止波长。

当脉冲发生器检测到方波下降沿时，停止产生电脉冲，直到检测到下一个上升沿。脉宽20ns的电脉冲进入soa环形激光器，控制soa斩光，将单色扫频光转换为单色脉冲光。另一路单色扫频光通过光学标准具，产生波长已知且间隔固定的一组标准光谱。由于经过f-p腔的线性扫频光是将波长信息在时域上线性展开，因此可以通过对比单色脉冲光和标准光谱时域上的位置即可计算出单色脉冲光的波长信息。假设标准光谱在时域上的位置信息为ds～de，ds为起始位置，de为截止位置，单色脉冲光时域上的位置信息为dp，那么单色脉冲光的波长λp可通过下式进行计算：

如图4所示，为本发明产生的20ns脉冲光，其横坐标每格20ns，左侧脉冲为电触发，右侧曲线为光脉冲，脉冲之间存在一定延迟。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。