一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計及其控制方法。本發(fā)明的光時域反射計包括：分布式反饋DFB激光器陣列組件、波長調(diào)諧系統(tǒng)、信號發(fā)生器、定向耦合器、前端連接器、待測器件、高靈敏度探測器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、中心控制系統(tǒng)和終端設(shè)備。本發(fā)明采用DFB激光器陣列，中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)控制監(jiān)控信號光的波長，通過選擇處于工作狀態(tài)的DFB激光器，并控制發(fā)光管芯的溫度，使得波長調(diào)諧范圍達(dá)到48nm，并且調(diào)諧精度優(yōu)于0.01nm。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、適合模塊化制造、易于工業(yè)化生產(chǎn)，而且可以廣泛應(yīng)用于光纖和光器件測試、光纖傳感和光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等領(lǐng)域。
【專利說明】一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計及其控制方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及波長可調(diào)諧光時域反射計，尤其涉及一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計及其控制方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光時域反射計(OTDR)是根據(jù)光的后向瑞利散射與菲涅耳反射原理，利用光在光纖中傳播時產(chǎn)生的后向散射和反射光來獲取待測器件的有關(guān)光學(xué)信息，可用于測量光纖衰減、接頭損耗、光纖故障點(diǎn)定位、了解光纖沿軸向的損耗分布情況和進(jìn)行光器件測試等，是進(jìn)行光纜施工、維護(hù)及監(jiān)測的有力工具，在光器件測試、光纖傳感、光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有的光時域反射計通常采用I到3個固定波長(1310nm、1550nm和1650nm)的法布里-珀羅型激光二極管(FP-LD)為光源，主要用于對光纖線路衰減特性的檢測和故障定位。這種OTDR只能工作于上述幾個固定波長上，不具有波長調(diào)諧功能，不能應(yīng)用于WDM-PON網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、光纖光柵傳感等領(lǐng)域，限制了 OTDR的應(yīng)用范圍。目前，應(yīng)用于光纖光柵傳感領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)研究所用的可調(diào)諧OTDR多是基于傳統(tǒng)固定波長的OTDR外加激光檢測再生系統(tǒng)的形式，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果粗糙、失真、難以實(shí)施獲取等缺點(diǎn)，更別說大規(guī)模應(yīng)用于商業(yè)光纖光柵傳感領(lǐng)域。同樣，在無源光網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測系統(tǒng)領(lǐng)域也需要類似的結(jié)構(gòu)簡單、便攜性強(qiáng)、響應(yīng)速度快、便于集成的波長可調(diào)諧0TDR。
[0004]同時，由于FP激光器在直接動態(tài)調(diào)制下存在多縱模振蕩所導(dǎo)致的光譜展寬和光譜內(nèi)激射模式隨機(jī)變化等不足，這些不足不僅使OTDR的光譜分辨率受到嚴(yán)重影響，而且將通過光纖色散(不同頻率具有不同的傳輸速度)轉(zhuǎn)化為光信號的展寬和到達(dá)時間抖動?，F(xiàn)有OTDR在上述兩方面的不足極大地限制了光時域反射計在光器件特性測試、高精度遠(yuǎn)距離光纖測距、光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和光傳感等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
[0005]目前已有的波長可調(diào)諧OTDR主要針對無源光網(wǎng)絡(luò)中支路光纖的在線監(jiān)控應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計。所采用的典型技術(shù)是利用傳統(tǒng)的固定波長OTDR所發(fā)出的光脈沖信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后所獲得的電信號驅(qū)動外部波長可調(diào)諧光源向待測光纖發(fā)出波長可調(diào)諧的測試信號，從待測光纖返回的后向散射和菲涅爾反射信號通過一個光纖環(huán)行器反饋回OTDR進(jìn)行檢測和后續(xù)信號處理(0FC/NF0EC Technical Digest, 2013, Paper NM21.4)。這種技術(shù)方案存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光源譜線寬度和噪聲特性不能滿足高精度測試需要、不易于工業(yè)化生產(chǎn)等諸多明顯的不足。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中光時域反射計存在的上述問題，本發(fā)明提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、易于工業(yè)化生產(chǎn)，而且可以廣泛應(yīng)用于光纖和光器件測試、光纖傳感和光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等領(lǐng)域的窄線寬波長可調(diào)諧的多功能光時域反射計。
[0007]本發(fā)明的一個目的在于提供一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計。
[0008]本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計包括:分布式反饋DFB激光器陣列組件、波長調(diào)諧系統(tǒng)、信號發(fā)生器、定向耦合器、前端連接器、待測器件、高靈敏度探測器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、中心控制系統(tǒng)和終端設(shè)備；其中，分布式反饋激光器陣列組件通過波長調(diào)諧端口組連接波長調(diào)諧系統(tǒng)，通過調(diào)制信號輸入端連接信號發(fā)生器，通過光纖輸出端連接至定向耦合器的第一端口 ；波長調(diào)諧系統(tǒng)通過激光器陣列端口組連接分布式反饋激光器陣列組件，通過控制端口組連接中心控制系統(tǒng)；中心控制系統(tǒng)連接至信號發(fā)生器，控制信號發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號加載至分布式反饋激光器陣列組件，輸出監(jiān)控信號光；中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)控制DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長；監(jiān)控信號光由第一端口輸入定向耦合器，經(jīng)第二端口輸出至前端連接器，入射至待測器件發(fā)生反射；來自待測器件的反射光信號依次經(jīng)過前端連接器和定向耦合器；由定向耦合器的第三端口入射至高靈敏度探測器，并轉(zhuǎn)化為模擬電信號輸出；通過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入至中心控制系統(tǒng)；中心控制系統(tǒng)進(jìn)行信號采集與處理，并將數(shù)據(jù)輸出至終端設(shè)備。
[0009]分布式反饋激光器(Distributed Feedback Laser),內(nèi)置了布拉格光柵(BraggGrating)，屬于側(cè)面發(fā)射的半導(dǎo)體激光器。DFB激光器最大的特點(diǎn)是具有非常好的單色性(即光譜純度)，它的線寬普遍可以做到IMHz以內(nèi)，以及具有非常高的邊模抑制比SMSR，目前可高達(dá)40?50dB以上。DFB激光器包括光電二極管、測溫電阻、制冷電阻TEC和發(fā)光管芯；發(fā)光管芯發(fā)出監(jiān)控信號光；制冷電阻控制發(fā)光管芯的溫度，從而調(diào)諧監(jiān)控信號光的波長；測溫電阻監(jiān)測發(fā)光管芯的溫度；光電二極管實(shí)現(xiàn)發(fā)光管芯的功率監(jiān)控。
[0010]分布式反饋激光器陣列組件包括:m個DFB激光器、伺服電路、mX I合波器、半導(dǎo)體光放大器S0A、波長調(diào)諧端口組、調(diào)制信號輸入端和光纖輸出端；其中，m個DFB激光器在室溫下的激射波長分別為λ” λ2、…、λπ;波長調(diào)諧端口組包括η個管芯選擇輸入端、測溫數(shù)據(jù)輸出端、制冷信號輸入端和波長監(jiān)控輸出端；伺服電路根據(jù)經(jīng)η個管芯選擇輸入端輸入的管芯選擇指令[Atl, A1，…，An_J，使m個DFB激光器中的第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)；測溫電阻測量處于工作狀態(tài)的DFB激光器的溫度，通過伺服電路將測溫電阻的電阻值模數(shù)轉(zhuǎn)換后將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)測溫數(shù)據(jù)輸出端輸出至波長調(diào)諧系統(tǒng)；來自波長調(diào)諧系統(tǒng)的制冷電阻工作狀態(tài)指令經(jīng)制冷指令輸入端，通過伺服電路輸入，調(diào)節(jié)工作狀態(tài)的DFB激光器中的制冷電阻的工作電流方向和強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)DFB激光器的工作溫度；工作狀態(tài)的DFB激光器的監(jiān)控信號光的波長，經(jīng)波長監(jiān)控輸出端，反饋給波長調(diào)諧系統(tǒng)；mfDFB激光器組成陣列，經(jīng)mX I合波器連接至半導(dǎo)體光放大器；半導(dǎo)體光放大器連接至光纖輸出端；其中，m為彡2的自然數(shù)，η為自然數(shù)且η彡log2m, i為自然數(shù)且I彡i彡m。
[0011]m個DFB激光器在室溫下的激射波長分別為λ^λ2、…、λπ，波長間隔為Λ λ =入i_ λ 1-1 (3?5nm),可以是分立的DFB激光器,也可以是集成的DFB激光器陣列芯片。通常情況下單個DFB激光器的溫度調(diào)諧范圍為10°C?40°C，通過控制DFB激光器的溫度可以使其輸出的監(jiān)控信號光的波長發(fā)生約0.lnm/°C的改變，達(dá)到調(diào)諧波長的目的。本發(fā)明采用m個DFB激光器組成陣列，通過設(shè)定發(fā)光管芯的工作溫度，對激射長在Xi附近Λ λ范圍內(nèi)進(jìn)行精度優(yōu)于0.0lnm的調(diào)諧，整個組件的監(jiān)控信號光的波長可在λπ?λ1+Λ λ范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧，使得波長調(diào)諧范圍達(dá)到48nm，甚至更高。
[0012]波長調(diào)諧系統(tǒng)包括選擇開關(guān)裝置、溫度監(jiān)控裝置、波長監(jiān)控裝置、激光器陣列端口組和控制端口組；其中，激光器陣列端口組與波長調(diào)諧端口組相對應(yīng)連接，與DFB激光器陣列組件進(jìn)行通信，包括η個管芯選擇輸出端、測溫數(shù)據(jù)輸入端、制冷信號輸出端和波長監(jiān)控輸入端；控制端口組負(fù)責(zé)與中心控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括波長設(shè)定輸入端和監(jiān)控波長輸出端；來自中心控制系統(tǒng)的波長選擇指令λ (λ = λ j+ λ t)經(jīng)波長設(shè)定輸入端輸入；選擇開關(guān)裝置根據(jù)波長選擇指令選擇在室溫下激射波長λ i與λ最接近的第i個DFB激光器為工作狀態(tài)，并設(shè)定管芯選擇指令，將管芯選擇指令經(jīng)η個管芯選擇輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，使得第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)；同時，溫度監(jiān)控裝置根據(jù)波長漂移量入1選擇DFB激光器的工作溫度，設(shè)定制冷電阻的工作電壓指令，經(jīng)制冷指令輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，通過調(diào)諧第i個DFB激光器的工作溫度來調(diào)諧DFB激光器輸出的監(jiān)控信號光的波長漂移至λ ;通過監(jiān)控測溫電阻的阻值反映DFB激光器的實(shí)際工作溫度，反饋回的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)測溫數(shù)據(jù)輸入端輸入，溫度監(jiān)控裝置根據(jù)反饋回的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)，對DFB激光器的制冷電阻進(jìn)一步微調(diào)控，保證DFB激光器的工作溫度穩(wěn)定；DFB激光器陣列組件反饋回的波長監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)波長監(jiān)控輸入端輸入，由波長監(jiān)控裝置進(jìn)行處理分析；并將測得的實(shí)際DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長信息經(jīng)監(jiān)控波長輸出端反饋給中心控制系統(tǒng)；其中，λ = Ai+At, Xi SDFB激光器陣列中第i個DFB激光器在室溫下的激射波長，Xj該DFB激光器隨溫度漂移的波長。
[0013]進(jìn)一步，波長調(diào)諧系統(tǒng)還包括功率監(jiān)控裝置，相應(yīng)地，激光器陣列端口組還包括光放大器功率設(shè)定輸出端和輸出功率監(jiān)控輸入端；控制端口組還包括輸出功率設(shè)定輸入端和監(jiān)控功率輸出端。相應(yīng)地，DFB激光器陣列組件的波長調(diào)諧端口組還包括光放大器功率設(shè)定輸入端和輸出功率監(jiān)控輸出端。功率監(jiān)控裝置根據(jù)經(jīng)輸出功率設(shè)定輸入端輸入的輸出功率設(shè)定指令，給出半導(dǎo)體光放大器輸出功率指令，經(jīng)半導(dǎo)體光放大器功率設(shè)定輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，通過調(diào)節(jié)組件中半導(dǎo)體光放大器驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)DFB激光器陣列組件的監(jiān)測信號光的輸出功率；并根據(jù)經(jīng)輸出功率監(jiān)控輸入端反饋回的實(shí)際輸出功率值進(jìn)行調(diào)整，并將輸出功率控制的結(jié)果經(jīng)監(jiān)控功率輸出端反饋給中心控制裝置。這樣，波長控制裝置通過設(shè)定發(fā)光管芯的工作溫度對其激射波長在Xi附近Λ λ范圍內(nèi)進(jìn)行精度優(yōu)于
0.0lnm的調(diào)諧，并通過設(shè)定SOA的輸出功率實(shí)現(xiàn)對DFB激光器陣列組件輸出光功率的控制。
[0014]中心控制系統(tǒng)與終端設(shè)備相連接，終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)界面顯示、結(jié)果輸出以及用戶操作等功能，從而對中心控制系統(tǒng)進(jìn)行輸入和輸出的操作和控制。中心控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列(FieldProgrammable Gate Array, FPGA)片上系統(tǒng)、復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device,CPLD)片上系統(tǒng)和數(shù)字信號處理(digital signalprocessor, DSP)系統(tǒng)中的一種。高靈敏度探測器采用PIN光電二極管或雪崩光電二極管(Avalanche Photo D1de, APD)。終端設(shè)備采用計算機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)(Advanced RISCMachines, ARM)。
[0015]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計的控制方法。
[0016]本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計的控制方法，包括以下步驟:
[0017]I)中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)經(jīng)激光器陣列端口組，設(shè)定DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長；
[0018]2)中心控制系統(tǒng)控制信號發(fā)生器產(chǎn)生探測電脈沖信號，經(jīng)調(diào)制信號輸入端輸入至DFB激光器陣列組件，輸出監(jiān)控信號光；
[0019]3)DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光由第一端口輸入定向f禹合器,經(jīng)第二端口輸出至前端連接器，入射至待測器件，發(fā)生反射；
[0020]4)來自待測器件的反射光信號依次經(jīng)過前端連接器和定向耦合器，由定向耦合器的第三端口入射至高靈敏度探測器，并轉(zhuǎn)化為模擬電信號輸出；
[0021]5)通過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入至中心控制系統(tǒng)；
[0022]6)中心控制系統(tǒng)進(jìn)行信號采集與處理，并將數(shù)據(jù)輸出至終端設(shè)備。
[0023]其中，在步驟I)中，中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)經(jīng)激光器陣列端口組，控制DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長，包括以下步驟:
[0024]a)中心控制系統(tǒng)經(jīng)波長設(shè)定輸入端向波長調(diào)諧系統(tǒng)輸入波長選擇指令λ，其中入=入i+入t ;
[0025]b)選擇開關(guān)裝置根據(jù)波長選擇指令選擇在室溫下激射波長λ i與λ最接近的第i個DFB激光器為工作狀態(tài)，并設(shè)定管芯選擇指令，將管芯選擇指令經(jīng)η個管芯選擇輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，使得第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)；
[0026]c)同時，溫度監(jiān)控裝置根據(jù)λ 定制冷電阻的工作電壓指令，經(jīng)制冷電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，調(diào)諧第i個DFB激光器的監(jiān)控信號光的波長，并通過經(jīng)測溫電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端的測溫電阻反饋回的阻值數(shù)據(jù)對λ t進(jìn)行調(diào)控；
[0027]d)波長監(jiān)控裝置對經(jīng)輸出波長監(jiān)控輸入端的DFB激光器陣列組件反饋回的波長監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將測得的實(shí)際DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長信息經(jīng)監(jiān)控波長輸出端反饋給中心控制系統(tǒng)，其中，λ i為DFB激光器陣列中第i個DFB激光器在室溫下的激射波長，λ t為該DFB激光器隨溫度漂移的波長。
[0028]在步驟I)中，進(jìn)一步包括:中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)經(jīng)激光器陣列端口組，設(shè)定DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的功率。
[0029]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0030]本發(fā)明采用DFB激光器陣列，中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)控制監(jiān)控信號光的波長，通過選擇處于工作狀態(tài)的DFB激光器，并控制發(fā)光管芯的溫度，使得波長調(diào)諧范圍達(dá)到48nm,并且調(diào)諧精度優(yōu)于0.0lnm。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠、適合模塊化制造、易于工業(yè)化生產(chǎn)，而且可以廣泛應(yīng)用于光纖和光器件測試、光纖傳感和光網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測等領(lǐng)域。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖2為本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計的激光器陣列組件的示意圖；
[0033]圖3為本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計的一個實(shí)施例的示意圖；
[0034]圖4為本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計用于光纖布拉格光柵FBG分布式傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖5為光纖布拉格光柵的布拉格波長與所在區(qū)域的溫度之間的關(guān)系曲線圖；
[0036]圖6為本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計用于光纖布拉格光柵分布式傳感系統(tǒng)得到的測量曲線圖。

【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0038]如圖1所示，本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計包括:分布式反饋激光器陣列組件1、波長調(diào)諧系統(tǒng)2、信號發(fā)生器3、定向耦合器4、前端連接器5、待測器件6、高靈敏度探測器7、信號調(diào)理電路8、模數(shù)轉(zhuǎn)換器9、中心控制系統(tǒng)10和終端設(shè)備11 ;其中，DFB激光器陣列組件I通過波長調(diào)諧端口組連接波長調(diào)諧系統(tǒng)2，通過調(diào)制信號輸入端D連接信號發(fā)生器3，通過光纖輸出端44連接至定向耦合器4的第一端口 41 ;波長調(diào)諧系統(tǒng)2通過激光器陣列端口組連接DFB激光器陣列組件I，通過控制端口組連接中心控制系統(tǒng)10 ;中心控制系統(tǒng)10連接至信號發(fā)生器3，控制信號發(fā)生器3產(chǎn)生探測電脈沖信號經(jīng)調(diào)制信號輸入端D傳輸至DFB激光器陣列組件1，輸出監(jiān)控信號光；中心控制系統(tǒng)10通過波長調(diào)諧系統(tǒng)2控制DFB激光器陣列組件I的監(jiān)控信號光的波長；監(jiān)控信號光由第一端口 41輸入定向耦合器4，經(jīng)第二端口 42輸出至前端連接器5，入射至待測器件6發(fā)生反射；來自待測器件6的反射光信號依次經(jīng)過前端連接器5和定向耦合器4 ;由定向耦合器的第三端口 43入射至高靈敏度探測器7，并轉(zhuǎn)化為模擬電信號輸出；通過信號調(diào)理電路8和模數(shù)轉(zhuǎn)換器9，輸入至中心控制系統(tǒng)10 ;中心控制系統(tǒng)10進(jìn)行信號采集與處理，并將數(shù)據(jù)輸出至終端設(shè)備11。
[0039]如圖2所示，每一個DFB激光器陣列組件包括:m個DFB激光器DFB1?DFBm、伺服電路ll、mXl合波器12、半導(dǎo)體光放大器13、波長調(diào)諧端口組、調(diào)制信號輸入端D和光纖輸出端14 ;其中，m個DFB激光器DFB1?DFBm在室溫下的激射波長分別為λ ” λ2、…、Am；波長調(diào)諧端口組包括η個管芯選擇輸入端Ctl?Clr1、制冷電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入端CT1、測溫電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出端CT。、輸出波長監(jiān)控輸出端CM、半導(dǎo)體光放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入端Cpi和輸出功率監(jiān)控輸出端cp。；伺服電路11根據(jù)經(jīng)Ctl?Clri輸入的管芯選擇指令[Atl, A1,…，An_J，使m個DFB激光器中的第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)；處于工作狀態(tài)的DFB激光器的溫度通過伺服電路，經(jīng)測溫電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出端CT。輸出至波長調(diào)諧系統(tǒng)2 ;來自波長調(diào)諧系統(tǒng)的制冷電阻工作電壓指令經(jīng)制冷電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換輸入端CTi，通過伺服電路11輸入至處于工作狀態(tài)的第i個DFB激光器；經(jīng)輸出波長監(jiān)控輸出端Cm將處于工作狀態(tài)的第i個DFB激光器的監(jiān)控信號光的波長反饋給波長調(diào)諧系統(tǒng)2 ；m個DFB激光器組成陣列，經(jīng)mX I合波器12連接至半導(dǎo)體光放大器13 ;半導(dǎo)體光放大器13連接至光纖輸出端14 ;其中，m為> 2的自然數(shù)，η為自然數(shù)且η彡log2m, i為自然數(shù)且I彡i彡m。
[0040]波長調(diào)諧系統(tǒng)包括選擇開關(guān)裝置S、溫度監(jiān)控裝置T、波長監(jiān)控裝置M、激光器陣列端口組和控制端口組Btl?B3 ;其中，激光器陣列端口組與波長調(diào)諧端口組相對應(yīng)連接，與DFB激光器陣列組件進(jìn)行通信，包括η個管芯選擇輸出端Atl?Alr1、制冷電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端At。、測溫電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端AT1、輸出波長監(jiān)控輸入端AM、半導(dǎo)體光放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端AP。和輸出功率監(jiān)控模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端Api ;控制端口組Btl?B3負(fù)責(zé)與中心控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括波長設(shè)定輸入端Btl、監(jiān)控波長輸出端B1、輸出功率設(shè)定輸入端B2和監(jiān)控功率輸出端B3;來自中心控制系統(tǒng)的波長選擇指令λ (λ = Ai+At)經(jīng)波長設(shè)定輸入端輸入Btl ;選擇開關(guān)裝置S根據(jù)波長選擇指令，選擇在室溫下激射波長λ i與λ最接近的第i個DFB激光器為工作狀態(tài)，并設(shè)定管芯選擇指令[Atl, A1,…，AnJ，將管芯選擇指令經(jīng)η個管芯選擇輸出端A0?Alri傳輸至DFB激光器陣列組件，使得第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)；同時，溫度監(jiān)控裝置T根據(jù)λ t設(shè)定制冷電阻的工作電壓指令，經(jīng)制冷電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端Ατ。傳輸至DFB激光器陣列組件，調(diào)諧第i個DFB激光器的監(jiān)控信號光的波長，并通過經(jīng)測溫電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端ATi的測溫電阻反饋回的阻值數(shù)據(jù)對λ t進(jìn)行調(diào)控；DFB激光器陣列組件反饋回的波長監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)輸出波長監(jiān)控輸入端Am輸入，由波長監(jiān)控裝置M進(jìn)行處理分析；并將測得的實(shí)際DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長信息經(jīng)監(jiān)控波長輸出端B1反饋給中心控制系統(tǒng)10 ;同時，功率監(jiān)控裝置P根據(jù)經(jīng)輸出功率設(shè)定輸入端B2輸入的輸出功率設(shè)定指令，給出半導(dǎo)體光放大器輸出功率指令，經(jīng)半導(dǎo)體光放大器數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端AP。傳輸至DFB激光器陣列組件，并根據(jù)經(jīng)輸出功率監(jiān)控模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端Api反饋回的實(shí)際輸出功率值進(jìn)行調(diào)整，并將輸出功率控制的結(jié)果經(jīng)監(jiān)控功率輸出端B3反饋給中心控制裝置其中，λ =λ i+ λ t，λ i為DFB陣列中第i個DFB激光器在室溫下的激射波長，λ t為該DFB激光器隨溫度漂移的波長，管芯選擇指令[Atl, Az^Alri]為二進(jìn)制碼。
[0041]波長調(diào)諧系統(tǒng)2通過監(jiān)測并調(diào)控處于工作狀態(tài)的DFB激光器的發(fā)光管芯的溫度，可以使其輸出波長發(fā)生約0.lnm/°C的改變，并可對管芯溫度在10°C?50°C范圍內(nèi)進(jìn)行精度為0.10C的設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)約4nm的DFB激光器輸出波長調(diào)諧，整個DFB激光器陣列組件I的波長調(diào)諧范圍約40nm，調(diào)諧精度0.0lnm。
[0042]在本實(shí)施例中，DFB激光器陣列組件I包括12個DFB激光器，在室溫下的激射波長分別為 1530.33nm>1533.47nm>1536.61nm>1539.77nm>1542.94nm>1546.12nm>1549.32nm、1552.52nm、1555.75nm、1558.98nm、1562.23nm 和 1565.50nm ;均為商用 14 管腳蝶形封裝DFB激光器,每一 DFB激光器包括光電二極管、測溫電阻、制冷電阻TEC和發(fā)光管芯。由于m=12，η彡1g2Hi，則η = 4，4個管芯選擇輸出端Atl?Α3。中心控制系統(tǒng)10為現(xiàn)場可編程門陣列FPGA，如圖3所示。
[0043]如圖4所75,將光纖布拉格光柵FBG分布式傳感器作為待測器件6,光纖布拉格光柵FBG分布式傳感器包括N個光纖布拉格光柵FBGl?FBGN，通過傳輸光纖61連接入本發(fā)明的窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計O，62為線路終端，F(xiàn)BGl?FBGN與窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計O之間的距離分別LI?LN，第k個光纖布拉格光柵FBGk(l彡k彡N)與窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計O之間的距離為Lk。光纖布拉格光柵FBG在室溫(25°C)下的布拉格波長為1543.21nm，溫度系數(shù)0.011nm/°C，峰值反射率5%，3dB帶寬0.05nm。當(dāng)FBG所在區(qū)域的溫度發(fā)生改變時，布拉格波長相應(yīng)的發(fā)生變化，圖5為布拉格波長與所在區(qū)域的溫度之間的關(guān)系曲線圖，滿足正比關(guān)系，因此通過測量布拉格波長可以得到FBG所在區(qū)域的溫度。
[0044]波長可調(diào)諧光時域反射計在1542nm?1545nm波段，波長間隔0.005nm,逐點(diǎn)掃描發(fā)出監(jiān)測信號光，當(dāng)監(jiān)測信號光與第k個光纖布拉格光柵FBGk的布拉格波長相等時，在Lk處出現(xiàn)反射峰，反射峰的中心波長即為布拉格波長，也就是監(jiān)測信號光此時的波長，從而得到第k個光纖布拉格光柵所在區(qū)域的溫度。如圖6(a)所示，當(dāng)FBGl?FBGN均處在室溫(25°C )下時，當(dāng)掃描的監(jiān)測信號光的波長λ為1543.21nm(室溫下的布拉格波長)，LI?LN處均出現(xiàn)中心波長為1543.21的反射峰。如圖6(b)所示，當(dāng)掃描的監(jiān)測信號光的波長入為1543.65nm時，LI處出現(xiàn)反射峰，由圖5得到布拉格波長為1543.65nm所對應(yīng)的溫度為65°C，則FBGl所在區(qū)域的溫度為65°C ;如圖6(c)所示，當(dāng)掃描的監(jiān)測信號光的波長λ為1544.31nm時，L2處出現(xiàn)反射峰，由圖5得到布拉格波長為1544.31所對應(yīng)的溫度為125°C，則FBG2所在區(qū)域的溫度為125°C。因此，本發(fā)明可以應(yīng)用于對光纖布拉格光柵FBG分布式傳感器進(jìn)行溫度測量，且具有測量精度高，測量速度快，便于集成等特點(diǎn)。
[0045]最后需要注意的是，公布實(shí)施方式的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計，其特征在于，所述光時域反射計包括:分布式反饋DFB激光器陣列組件、波長調(diào)諧系統(tǒng)、信號發(fā)生器、定向耦合器、前端連接器、待測器件、高靈敏度探測器、信號調(diào)理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、中心控制系統(tǒng)和終端設(shè)備；其中，所述分布式反饋激光器陣列組件通過波長調(diào)諧端口組連接波長調(diào)諧系統(tǒng)，通過調(diào)制信號輸入端連接信號發(fā)生器，通過光纖輸出端連接至定向耦合器的第一端口 ；所述波長調(diào)諧系統(tǒng)通過激光器陣列端口組連接分布式反饋激光器陣列組件，通過控制端口組連接中心控制系統(tǒng)；所述中心控制系統(tǒng)連接至信號發(fā)生器，控制信號發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號加載至分布式反饋激光器陣列組件，輸出監(jiān)控信號光；所述中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)控制DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長；監(jiān)控信號光由第一端口輸入定向耦合器，經(jīng)第二端口輸出至前端連接器，入射至待測器件發(fā)生反射；來自待測器件的反射光信號依次經(jīng)過前端連接器和定向耦合器；由定向耦合器的第三端口入射至高靈敏度探測器，并轉(zhuǎn)化為模擬電信號輸出；通過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入至中心控制系統(tǒng)；所述中心控制系統(tǒng)進(jìn)行信號采集與處理，并將數(shù)據(jù)輸出至終端設(shè)備。
2.如權(quán)利要求1所述的光時域反射計，其特征在于，所述分布式反饋激光器陣列組件包括:m個DFB激光器、伺服電路、mX I合波器、半導(dǎo)體光放大器SOA、波長調(diào)諧端口組、調(diào)制信號輸入端和光纖輸出端；其中，m個DFB激光器在室溫下的激射波長分別為λρλρ…、λ m;波長調(diào)諧端口組包括η個管芯選擇輸入端、測溫數(shù)據(jù)輸出端、制冷信號輸入端和波長監(jiān)控輸出端；伺服電路根據(jù)經(jīng)η個管芯選擇輸入端輸入的管芯選擇指令，使m個DFB激光器中的第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)；測溫電阻測量處于工作狀態(tài)的DFB激光器的溫度，通過伺服電路將測溫電阻的電阻值模數(shù)轉(zhuǎn)換后將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度數(shù)據(jù)，經(jīng)測溫數(shù)據(jù)輸出端輸出至波長調(diào)諧系統(tǒng)；來自波長調(diào)諧系統(tǒng)的制冷電阻工作狀態(tài)指令經(jīng)制冷指令輸入端，通過伺服電路輸入，調(diào)節(jié)工作狀態(tài)的DFB激光器中的制冷電阻的工作電流方向和強(qiáng)度，從而調(diào)節(jié)DFB激光器的工作溫度；工作狀態(tài)的DFB激光器的監(jiān)控信號光的波長，經(jīng)波長監(jiān)控輸出端，反饋給波長調(diào)諧系統(tǒng);m個DFB激光器組成陣列，經(jīng)mX I合波器連接至半導(dǎo)體光放大器；半導(dǎo)體光放大器連接至光纖輸出端；其中，m為> 2的自然數(shù)，η為自然數(shù)且η > log2m,i為自然數(shù)且I彡i彡m。
3.如權(quán)利要求2所述的光時域反射計，其特征在于，所述波長調(diào)諧系統(tǒng)包括選擇開關(guān)裝置、溫度監(jiān)控裝置、波長監(jiān)控裝置、激光器陣列端口組和控制端口組；其中，激光器陣列端口組與波長調(diào)諧端口組相對應(yīng)連接，與DFB激光器陣列組件進(jìn)行通信，包括η個管芯選擇輸出端、測溫數(shù)據(jù)輸入端、制冷信號輸出端和波長監(jiān)控輸入端；控制端口組負(fù)責(zé)與中心控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括波長設(shè)定輸入端和監(jiān)控波長輸出端；來自中心控制系統(tǒng)的波長選擇指令λ經(jīng)波長設(shè)定輸入端輸入；選擇開關(guān)裝置根據(jù)波長選擇指令選擇在室溫下激射波長λ i與入最接近的第i個DFB激光器為工作狀態(tài)，并設(shè)定管芯選擇指令，將管芯選擇指令經(jīng)η個管芯選擇輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，使得第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)；同時，溫度監(jiān)控裝置根據(jù)波長漂移量λ t選擇DFB激光器的工作溫度，設(shè)定制冷電阻的工作電壓指令，經(jīng)制冷指令輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，通過調(diào)諧第i個DFB激光器的工作溫度來調(diào)諧DFB激光器輸出的監(jiān)控信號光的波長漂移至λ ;通過監(jiān)控測溫電阻的阻值反映DFB激光器的實(shí)際工作溫度，反饋回的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)測溫數(shù)據(jù)輸入端輸入，溫度監(jiān)控裝置根據(jù)反饋回的實(shí)時溫度數(shù)據(jù)，對DFB激光器的制冷電阻進(jìn)一步微調(diào)控，保證DFB激光器的工作溫度穩(wěn)定；DFB激光器陣列組件反饋回的波長監(jiān)測數(shù)據(jù)，經(jīng)波長監(jiān)控輸入端輸入，由波長監(jiān)控裝置進(jìn)行處理分析；并將測得的實(shí)際DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長信息經(jīng)監(jiān)控波長輸出端反饋給中心控制系統(tǒng)；其中，λ = λ t，λ i為DFB激光器陣列中第i個DFB激光器在室溫下的激射波長，λ t為該DFB激光器隨溫度漂移的波長。
4.如權(quán)利要求3所述的光時域反射計，其特征在于，所述波長調(diào)諧系統(tǒng)還包括功率監(jiān)控裝置，激光器陣列端口組還包括光放大器功率設(shè)定輸出端和輸出功率監(jiān)控輸入端；控制端口組還包括輸出功率設(shè)定輸入端和監(jiān)控功率輸出端；相應(yīng)地，所述DFB激光器陣列組件的波長調(diào)諧端口組還包括光放大器功率設(shè)定輸入端和輸出功率監(jiān)控輸出端。
5.如權(quán)利要求1所述的光時域反射計，其特征在于，所述中心控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA片上系統(tǒng)、復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD片上系統(tǒng)和數(shù)字信號處理DSP系統(tǒng)中的一種。
6.一種窄線寬波長可調(diào)諧光時域反射計的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步驟: 1)中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)經(jīng)激光器陣列端口組，設(shè)定DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長； 2)中心控制系統(tǒng)控制信號發(fā)生器產(chǎn)生探測電脈沖信號，經(jīng)調(diào)制信號輸入端輸入至DFB激光器陣列組件，輸出監(jiān)控信號光； 3)DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光由第一端口輸入定向耦合器，經(jīng)第二端口輸出至前端連接器，入射至待測器件，發(fā)生反射； 4)來自待測器件的反射光信號依次經(jīng)過前端連接器和定向耦合器，由定向耦合器的第三端口入射至高靈敏度探測器，并轉(zhuǎn)化為模擬電信號輸出； 5)通過信號調(diào)理電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，輸入至中心控制系統(tǒng)； 6)中心控制系統(tǒng)進(jìn)行信號采集與處理，并將數(shù)據(jù)輸出至終端設(shè)備。
7.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步驟I)中，中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)經(jīng)激光器陣列端口組，控制DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長，包括以下步驟: a)中心控制系統(tǒng)經(jīng)波長設(shè)定輸入端向波長調(diào)諧系統(tǒng)輸入波長選擇指令λ，其中λ=入i+入t ; b)選擇開關(guān)裝置根據(jù)波長選擇指令選擇在室溫下激射波長λi與λ最接近的第i個DFB激光器為工作狀態(tài)，并設(shè)定管芯選擇指令，將管芯選擇指令經(jīng)η個管芯選擇輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，使得第i個DFB激光器處于工作狀態(tài)； c)同時，溫度監(jiān)控裝置根據(jù)XtS定制冷電阻的工作電壓指令，經(jīng)制冷電阻數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出端傳輸至DFB激光器陣列組件，調(diào)諧第i個DFB激光器的監(jiān)控信號光的波長，并通過經(jīng)測溫電阻模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入端的測溫電阻反饋回的阻值數(shù)據(jù)對λ t進(jìn)行調(diào)控； d)波長監(jiān)控裝置對經(jīng)輸出波長監(jiān)控輸入端的DFB激光器陣列組件反饋回的波長監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并將測得的實(shí)際DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的波長信息經(jīng)監(jiān)控波長輸出端反饋給中心控制系統(tǒng)，其中，λ i為DFB激光器陣列中第i個DFB激光器在室溫下的激射波長，λ t為該DFB激光器隨溫度漂移的波長。
8.如權(quán)利要求6所述的控制方法，其特征在于，在步驟I)中，進(jìn)一步包括:中心控制系統(tǒng)通過波長調(diào)諧系統(tǒng)經(jīng)激光器陣列端口組，設(shè)定DFB激光器陣列組件的監(jiān)控信號光的功率。
【文檔編號】G01M11/02GK104198160SQ201410441549
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月1日
【發(fā)明者】陳根祥, 田愷, 黃金安, 馬雪芳, 謝小波, 陳笑, 王義全 申請人:江蘇宇特光電科技股份有限公司