[發明專利]基于FPGA自動溫控及自動功率控制的寬帶光源的實現方法

在審

• 申請號: 201710706929.X
• 申請日: 2017-08-17
• 公開（公告）號: CN107516807A
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發明（設計）人: 張衛方;謝宇寬;藍煜東;李英武;任飛飛;金博;張萌
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01S3/04
• 分類號: H01S3/04;H01S3/131;H01S3/13;H01S3/067
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

技術領域

本發明提供一種基于FPGA自動溫控及自動功率控制的寬帶光源的實現方法，整個設計包括光路和電路兩個部分。光路部分中的激光器產生泵浦光，摻鉺光纖在泵浦光泵浦下發生自發輻射，在光耦合器、波分復用器以及光隔離器的作用下最后輸出平坦寬帶光源；電路部分主要是針對激光器受環境因素的影響導致輸出不穩定來設計溫度控制電路和功率控制電路，在現場可編程門陣列(即Field－Programmable Gate Array,以下簡稱FPGA)的控制下保證激光器能夠穩定輸出平坦的泵浦光從而保證終端輸出光的穩定性。整個系統的設計主要涉及到了光纖傳感技術領域。

背景技術

光纖傳感技術早在上世紀就出現了，它是隨著光纖通信技術的發展快速發展而來的。光纖傳感技術已經應用于各行各業，目前應用市場十分廣闊。光纖本身具有占空間小、質量小、抗輻射等優點，加上光纖傳感器對信號比較敏感、測試信號易加載等優良特性，使其特別適用于空間受限、高溫高壓、高輻射等嚴酷環境。在如今的傳感器領域中，光纖傳感器已經能取代很多傳統傳感器。光纖傳感器的工作原理分為兩個部分:感應和傳輸，感應就是外界環境變化信號疊加在光纖中的光信號上，將這種變化采集下來；傳輸是指將加載有環境變化的光信號不失真地傳輸，并將環境變化信號解調出來的過程。因此，在光纖傳感技術的原理中傳輸的光信號很重要。現在的光纖傳感器系統中主要應用的是寬帶光源產生的激光，所以在光纖傳感技術的應用中寬帶光源的穩定性顯得尤為重要，關系到了整個系統的穩定性。而光源的工作溫度和輸出功率的變化是影響輸出光的穩定性的主要因素。現有的寬帶光源中很多都集成了溫控電路，另外驅動電路采用的是恒流源電路。本技術是針對光纖傳感系統中寬帶光源穩定性研究設計的寬帶光源自動溫度控制和自動功率控制的系統，引入了自動功率控制電路進一步提高了寬帶光源的穩定。

發明內容

(一)本發明的目的是：

光纖傳感系統的靈敏度很大程度取決于光纖中傳輸的激光的穩定性，而影響激光穩定性的主要因素是激光源的工作溫度和輸出功率。本發明的目的是提供一種基于FPGA自動溫控及自動功率控制的寬帶光源的實現方法，它是通過電路以及微控制器FPGA實現激光源的工作溫度穩定以及輸出功率的穩定。

(二)其具體技術方案如下：

本發明主要是實現基于FPGA技術的自動溫控和自動功率控制的寬帶光源的穩定光輸出，具體實現步驟如下所述。

本發明是一種基于FPGA自動溫控及自動功率控制的寬帶光源的實現方法，其實現步驟如下：

步驟一，搭建自動溫度控制電路，確定激光器內部集成的熱敏電阻型號以及溫度調節器TEC的型號，結合ADN8831溫控芯片實現恒溫控制；

步驟二，搭建光路系統，光路系統由集成980nm激光源、光耦合器、波分復用器、摻鉺光纖、光濾波器以及光隔離器組成；光路部分主要是產生激光；

步驟三，搭建自動功率控制電路，具體電路包括光探測器放大電路、模擬轉數字采樣電路(即Analog to Digital，以下簡稱AD)、激光器驅動電路；

步驟四，設計嵌入式控制語言，主要實現AD采樣的數字信號，并在FPGA中做自動PID控制算法實現功率控制；

步驟五，進行整個系統的功能測試。

其中，在步驟一中所述的“搭建自動溫度控制電路”，是指搭建外圍電路來控制溫度，具體采用的高度集成的溫控芯片ADN8831作為控制芯片，結合激光器中集成的熱敏電阻和熱電制冷器來實現的溫度控制。

其中，在步驟二中所述的“搭建光路系統”，是指通過有源器件和無源器件搭建光路系統；光路系統中的有源器件是980nm激光器，其內部集成有半導體激光器、熱敏電阻、光電探測器以及熱電制冷器；激光器作為泵浦源，泵浦光射入摻鉺光纖使其發生自發輻射，產生1550nm的激光，在光路系統其他無源器件的作用下，最終輸出平坦的寬帶激光。

其中，在步驟三中所述的“搭建自動功率控制電路”，是指通過搭建外圍驅動控制電路來控制輸出功率；功率控制電路具體包括光電探測器、AD采樣芯片、數字電位器以及驅動激光器電路，結合FPGA控制實現激光器自動功率控制。

其中，在步驟四中所述的“設計嵌入式控制語言”，是指在quartus軟件設計平臺下，采用Verilog語言編寫程序；FPGA作為功率控制回路的控制中心，設計控制語言實現功率控制的功能。