双层构造宽带光源.pdf

一种双层构造宽带光源，其中，泵浦光源输出端通过光纤与按预设功率比分两束输送泵浦光的耦合器连接，波分复用器借由光纤连接反射镜；光纤与波分复用器连接，波分复用器依次串接隔离器、长周期光栅、耦合器；电流控制部与泵浦光源连接；与泵浦光源连接的工作电流控制部装置在底层载体板上，装置温度控制芯片的上层载体板借由具有导线的支柱装置在底层载体板之上部。底层载体板上装置与泵浦光源连接的工作电流控制部，受控电流源与泵浦光源连接，光电二极管与第一耦合器的光反馈输出端连接；温度反馈处理电路与具有热敏电阻的泵浦光源连接；温度控制芯片装置在上层载体板上。

1、  一种双层构造宽带光源，包括泵浦光源，其特征在于，
所述的泵浦光源(1)具有热敏元件，其输出端通过光纤与按预设功率比分两束输送泵浦光的第二耦合器(20)连接，该第二耦合器的一端口与第一波分复用器(24)的一端口连接，输送一束泵浦光；第二耦合器的另一端口与第二波分复用器(27)的一端口连接，输送另一束泵浦光；
该第一波分复用器和第二波分复用器之间借由第一光纤(25)串接第二隔离器(26)；第二波分复用器的又一端口借由第二光纤(28)连接反射镜(29)；
第一光纤(25)受到来自第一波分复用器(24)输出的泵浦激光的激发，同时第一光纤受到来自接在另一端的第二隔离器(26)输出的，由第二光纤(28)自发和受激辐射光谱的激发。
第二光纤(28)接收来自第二波分复用器(27)的泵浦激光；第二光纤(28)同时接收反射镜反射回的光的激发，并送回第二波分复用器(27)，经由第二隔离器(26)发送到第一光纤(25)；
第一波分复用器(24)的输出端口依次串接第一隔离器(23)、长周期光栅(22)、第一耦合器(21)；
一电流控制部(31)与泵浦光源(1)连接，所述的电流控制部由依次串接的受控电流源(314)、功率运算处理电路(312)和光电二极管(311)构成，受控电流源(314)与泵浦光源连接，光电二极管(311)与第一耦合器(21)的光反馈输出端连接；光电二极管(311)接收来自第一耦合器(21)的光反馈信号，向功率运算处理电路(312)输出一作为工作电流控制部的原始信号的电压信号；
一温度控制部(32)由依次串接的温度反馈处理电路(323)、温度运算处理电路(322)、可控制预设的工作温度区间的温度控制芯片(321)构成；温度反馈处理电路(323)与具有热敏元件的泵浦光源连接，将接收到的原始光信号变成电压信号，输送到温度运算处理电路(322)，并将处理后的信息发送到与泵浦光源连接的温度控制芯片。

2、  如权利要求1所述的双层构造宽带光源，其特征在于，所述的温度控制芯片(321)具有符合预设加热值输出加热电流的加温控制电路和符合预设制冷值输出制冷电流的制冷控制电路。

3、  如权利要求1或2所述的双层构造宽带光源，其特征在于，所述的受控电流源(314)与功率运算处理电路(312)之间串接保护电路(313)。

4、  如权利要求3所述的双层构造宽带光源，其特征在于，所述的在第二波分复用器(27)和第一光纤(25)之间连接第二隔离器(26)；所述的长周期光栅(22)一端与第一隔离器(23)连接。

5、  如权利要求4所述的双层构造宽带光源，其特征在于，前述的泵浦光源为980nm激光的激光光源。

6、  如权利要求5所述的双层构造宽带光源，其特征在于，所述的第一耦合器(21)具有光输出终端(211)和光反馈输出端(212)；所述的泵浦光源具有热敏电阻。

7、  如权利要求6所述的双层构造宽带光源，其特征在于，所述的反射镜为终端金属镀膜光纤或由3dB耦合器接成反射环；前述的光纤为稀土元素掺杂光纤；所述的长周期光栅为封装的光栅。

8、  如权利要求7所述的双层构造宽带光源，其特征在于，所述的稀土元素掺杂光纤尤其是掺铒光纤；特别是980nm半导体激光光源。

9、  如权利要求8所述的双层构造宽带光源，其特征在于，一底层载体板(4)设置为可使光纤保持流线形盘绕的圆或椭圆的内切多边形，其第一边部(40)设置容置泵浦光源(1)的槽口(44)，该内切多边形的各边部与光源外壳恰恰形成容置光纤元件的腔室；
一上层载体板(5)借由具有导线的支柱(6)装置在底层载体板之上部；
所述的底层载体板(4)上装置与泵浦光源连接的工作电流控制部(31)，所述的工作电流控制部由依次串接的受控电流源(314)、保护电路(313)、功率运算处理电路(312)和光电二极管(311)构成，受控电流源(314)与泵浦光源连接，光电二极管(311)与第一耦合器(21)的光反馈输出端连接；所述的温度控制部(32)由依次串接的温度反馈处理电路(323)、温度运算处理电路(322)、温度控制芯片(321)构成；温度反馈处理电路与具有热敏电阻的泵浦光源连接；温度控制芯片装置在上层载体板上，由温度运算处理电路运算处理后的信息发送到与泵浦光源连接的温度控制芯片。

10、  如权利要求9所述的双层构造宽带光源，其特征在于，所述的一底层载体板设置为圆内切六边形，与第一边部(40)两端点相邻接设置第二边部(45)、第四边部(46)；与第一边部(40)相对设置第三边部(43)，分别形成容置光元件的区部，底层载体板设置定位槽口(41、42)。

双层构造宽带光源
                        技术领域
本发明属于光纤光源技术领域，尤其涉及分段泵浦及具有温控装置的超辐射光源，特别适用于光纤陀螺仪。
                        背景技术
由于光纤陀螺具有高精度、无损伤、无机械运动，寿命长等显著特点，在航天、航海、军事及许多民用领域得到了广泛地应用和重视，其中的关键部件---光源在研制中需要考虑波长、时间相干性、空间相干性、谱型、功率和中心波长稳定性，工作温度范围等因素，尤其是在军事领域，对光源的性能要求更加苛刻。习知的技术，如光纤陀螺用SLD光源，其旁瓣峰问题很难解决，而且输出功率低，当其功率提高时，往往会产生调制峰，变成多模，使得谱型变坏。
为解决这些问题，业界研发了掺铒光纤超荧光辐射光源，以提供较宽的稳定光谱，输出较高的功率，如：
中国专利CN97111588.5公开了一种超荧光光纤光源，在不显著降低输出功率效率的情况下输出高度偏振的光。其特征在于包括：具有第一端和第二端的光传播波导；泵光源，它在所述波导的所述第一端提供第一波长的泵信号，以便在所述波导内激发不同于所述第一波长的第二波长的光发射；以及偏振器，它设置在沿所述波导的一个位置上，以显著增大从所述波导的所述第一和所述第二端中的一端输出的最佳偏振的光发射。按照一个实施例，偏振器镶接在超荧光光纤内沿光纤长度方向的选定的位置(例如，接近光纤中点)上。按照另一个实施例，超荧光光纤的整个长度都是偏振的，以保证光的一种偏振基本上被消除，而光的另一种偏振的功率接近超荧光光纤内无偏振器时该偏振所具有的功率的两倍。
中国专利200410041815.0一种高功率、高平坦度的长波段掺铒光纤超荧光光源，包括第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤EDF3、泵浦光、波分复用器、泵浦功率耦合器构成，光纤的光输出端设有光隔离器，其特征是从光纤的输入端到输出端分别由第二掺铒光纤EDF2、第一掺铒光纤EDF1、第三掺铒光纤EDF3串联，第二掺铒光纤EDF2具有斜劈状的输入端，另设有泵浦功率耦合器连接泵浦光输出，并分成两束，一束泵浦光功率P1连接波分复用器用于泵浦第一掺铒光纤EDF1，而第二掺铒光纤EDF2则通过波分复用器连接在EDF1的输入端，它们产生的总输出前向光作为种子光，并联合另一束泵浦光P3共同泵浦EDF3。
中国专利申请N200320112294.4公开了一种光纤超双层构造宽带光源，它包括光纤、半导体激光器、光隔离器、掺铒光纤，其中，它还包括反射器、波分复用光耦合器；其中第一个半导体激光器通过第一个波分复用耦合器前向泵浦掺铒光纤，第二个半导体激光器通过第二个波分复用耦合器后向泵浦掺铒光纤；第一个波分复用器的另一端与光纤反射器相连，因此向左面传播的放大自发辐射光能被光纤反射器反射，重新进入掺铒光纤，作为掺铒光纤的二次泵浦源；第二个波分复用器的另一端与隔离器相连，构成双层构造宽带光源输出端。
习知的技术存在的问题：一是光源适用的工作温度范围较窄，泵浦光源的工作温度不能得到很好的控制，光源的局限性直接影响着光纤陀螺仪的适用性；二是习知的用于光纤陀螺仪的双层构造宽带光源体积较大，同样影响了光纤陀螺仪的适用领域。
                        发明内容
本发明所要解决的问题在于克服前述技术存在的上述缺陷，而提供一种双级结构分段泵浦、并可对泵浦光源的工作温度进行控制的宽带光源。
本发明目的是提供一种可控制泵浦光源工作温度的双层构造宽带光源；
本发明再一目的是提供一种双级结构分段泵浦的双层构造宽带光源。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案来实现的，依据本发明提供的一种双层构造宽带光源，包括泵浦光源，其中，
所述的泵浦光源具有热敏元件，其输出端通过光纤与按预设功率比分两束输送泵浦光的第二耦合器连接，该第二耦合器的一端口与第一波分复用器的一端口连接，输送一束泵浦光；第二耦合器的另一端口与第二波分复用器的一端口连接，输送另一束泵浦光；
该第一波分复用器和第二波分复用器之间借由第一光纤串接第二隔离器；第二波分复用器的又一端口借由第二光纤连接反射镜；
第一光纤受到来自第一波分复用器输出的泵浦激光的激发，同时第一光纤受到来自接在另一端的第二隔离器输出的，由第二光纤自发和受激辐射光谱的激发。
第二光纤接收来自第二波分复用器的泵浦激光的激发；第二光纤同时接收反射镜反射回的光的激发，并送回第二波分复用器，经由第二隔离器发送到第一光纤；
第一波分复用器的输出端口依次串接第一隔离器、长周期光栅、第一耦合器；一电流控制部与泵浦光源连接，所述的电流控制部由依次串接的受控电流源、功率运算处理电路和光电二极管构成，受控电流源与泵浦光源连接，光电二极管与第一耦合器的光反馈输出端连接；光电二极管接收来自第一耦合器的光反馈信号，向功率运算处理电路输出一作为工作电流控制部的原始信号的电压信号；
一温度控制部由依次串接的温度反馈处理电路、温度运算处理电路、可控制预设的工作温度区间的温度控制芯片构成；温度反馈处理电路与具有热敏元件的泵浦光源连接，将接收到的原始光信号变成电压信号，输送到温度运算处理电路，并将处理后的信息发送到与泵浦光源连接的温度控制芯片。
本发明解决其技术问题还可以采取以下技术方案进一步实现：
前述双层构造宽带光源，其中，温度控制芯片具有符合预设加热值输出加热电流的加温控制电路和符合预设制冷值输出制冷电流的制冷控制电路。
前述的双层构造宽带光源，其中，所述的受控电流源与功率运算处理电路之间串接保护电路。
前述的双层构造宽带光源，其中，所述的在第二波分复用器和第一光纤之间连接第二隔离器；所述的长周期光栅一端与第一隔离器连接。
前述的双层构造宽带光源，其中，所述；前述的泵浦光源为980nm激光的激光光源。
前述的双层构造宽带光源，其中，所述的第一耦合器具有光输出终端和光反馈输出端；所述的泵浦光源具有热敏电阻。
前述的双层构造宽带光源，其中，所述的反射镜为终端金属镀膜光纤或由3dB耦合器接成反射环；前述的光纤为稀土元素掺杂光纤；所述的长周期光栅为封装的光栅。
前述的双层构造宽带光源，其中，所述的稀土元素掺杂光纤尤其是掺铒光纤；特别是980nm半导体激光光源。
前述的双层构造宽带光源，其中，一底层载体板设置为可使光纤保持流线形盘绕的圆或椭圆的内切多边形，其第一边部设置容置泵浦光源的槽口，该内切多边形的各边部与光源外壳恰恰形成容置光纤元件的腔室；一上层载体板借由具有导线的支柱装置在底层载体板之上部；所述的底层载体板上装置与泵浦光源连接的工作电流控制部，所述的工作电流控制部由依次串接的受控电流源、保护电路、功率运算处理电路和光电二极管构成，受控电流源与泵浦光源连接，光电二极管与第一耦合器的光反馈输出端连接；
所述的温度控制部由依次串接的温度反馈处理电路、温度运算处理电路、温度控制芯片构成；温度反馈处理电路与具有热敏电阻的泵浦光源连接；温度控制芯片装置在上层载体板上，由温度运算处理电路运算处理后的信息发送到与泵浦光源连接的温度控制芯片。
前述的双层构造宽带光源，其中，所述的一底层载体板设置为圆内切六边形，与第一边部两端点相邻接设置第二边部、第四边部；与第一边部相对设置第三边部，分别形成容置光元件的区部，底层载体板设置定位槽口。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果。
由以上技术方案可知，本发明在优异的结构配置下，至少有如下的优点：本发明与现有技术相比具有显著的技术进步，堪称具有新颖性、创造性、实用性的好技术。
泵浦光源发出激光通过耦合器进入光路部分，经过对两段掺杂光纤的激发辐射，产生出宽带光谱，本案配置长周期光栅在适当波长位置的衰减，提高了输出光谱的平坦度。第一耦合器的配置使输出的光谱一部分作为反馈供控制电路部分使用；控制电路中的受控电流源和温度控制芯片可分别控制泵浦光源的工作电流和工作温度，保证光源在-40到+70摄氏度范围内都能正常可靠工作，且输出高度稳定；本案在运算放大器和受控电流源之间配置保护电路，进一步保证了泵浦光源的可靠运行。
本案设置双层结构的双层构造宽带光源，配置上层载体板可充分利用空间，增大摆放电子元器件和布线的有效面积，而确保光源体积很小；特别是将温度控制芯片至于上层载体板可减小温度控制芯片对泵浦源控制电路的干扰；本案双层构造设置还便于根据客户要求灵活调整两级铒光纤的长度或泵浦功率，以有效的提高中心波长的稳定性。
本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
                        附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图1a是本发明底层板结构示意图；
图1b是本发明上层板结构示意图；
图2是本发明光路及电路整体示意图；
图3是不加长周期光栅时输出的光谱图形；
图4是加长周期光栅后-40摄氏度时输出光谱图形；
图5是加长周期光栅后+70摄氏度时输出光谱图形；
图6是长周期光栅的透射光谱图形。
                      具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1-6所示，一种双层构造宽带光源，包括泵浦光源1，其中，所述的泵浦光源1输出端通过光纤与按预设功率比分两束输送泵浦光的第二耦合器20连接，该第二耦合器的一端口与第一波分复用器24的一端口连接，输送一束泵浦光；第二耦合器的另一端口与第二波分复用器27的一端口连接，输送另一束泵浦光；所述的泵浦光源具有热敏电阻；
该第一波分复用器和第二波分复用器之间借由第一光纤25串接第二隔离器26；第二波分复用器的又一端口借由第二光纤28连接反射镜29，用于将光纤中的右行光反射回光纤，以提高功率转化效率；所述的反射镜为终端金属镀膜光纤或采用3dB耦合器接成反射环来实现。
第一光纤25受到来自第一波分复用器24输出的泵浦激光的激发，光纤内离子数翻转，产生自发辐射；同时第一光纤25受到来自接在另一端的第二隔离器26输出的，由第二光纤28自发和受激辐射光谱的激发。
第二光纤28接收来自第二波分复用器27的泵浦激光的激发；第二光纤28同时接收反射镜反射回的光的激发，并送回第二波分复用器27，经由第二隔离器26发送到第一光纤25；
所述的第二耦合器根据两段掺杂光纤掺杂浓度和长度的不同，预设功率比，将泵浦光分两束输出分别去激励两段掺铒光纤25、28，以使输出谱型尽量平坦。
前述的光纤为稀土元素掺杂光纤，以使光纤纤芯内离子受激光激发发生离子数翻转，该光纤在两个方向上积累产生具有较宽的带宽的荧光；所述的稀土元素掺杂光纤尤其是掺铒光纤更为理想，稀土元素掺杂光纤是光增益介质，掺铒光纤对泵功率要求更低，输出的波长更稳定、更优异，更适合应用于光纤陀螺仪；所述掺杂光纤联结方式有效的提高了泵浦的转化效率和输出中心波长稳定性。
前述的泵浦光源1为可产生980nm激光的激光光源，特别是980nm半导体激光光源，更为适合；
通过前述光路构造，第一耦合器21可输出宽带平坦的光谱；
综上光路构造，第二耦合器20连接在泵浦光源和第一波分复用器24、第二波分复用器27之间，将来自泵浦光源的泵浦光按功率分成两部分，从该第一耦合器两端口分别输出给该两个波分复用器；
第二掺铒光纤28一端与第二波分复用器27的一端口273连接，接受泵浦激光的泵浦，使其离子数翻转，产生自发辐射光，该自发辐射光通过第二波分复用器27的端口273送回第二波分复用器，经由第二波分复用器的另一端口输出到隔离器26向左传输；
所述的第二掺铒光纤28另一端连接反射镜，掺铒光纤28产生的前述自发辐射光谱通过反射镜反射重新进入掺铒光纤28，产生受激辐射，这部分光谱也从第二波分复用器27的端口273输送到第二波分复用器，经由第二波分复用器的另一端口输出到隔离器26向左传输；
第一掺铒光纤25一端与第一波分复用器24的一端口243连接，接受泵浦激光的泵浦，使其离子数翻转，产生自发辐射光；
第一掺铒光纤25另一端与第二隔离器26的输出端连接，接受的来自第二光纤28的自发和受激辐射光谱对第一光纤25的激发，所有光谱从第一掺铒光纤25进入第一波分复用器24，并从第一波分复用器的输出端241输出，发送到到第一隔离器23；
在第二波分复用器27和第一光纤25之间连接第二隔离器26，防止第一光纤中的光谱通过第二波分复用器27传入自第二光纤28，避免引起激发振荡，提高稳定性。
一长周期光栅22一端与第一隔离器23连接，对该隔离器输出光谱特定波长范围内的光谱进行衰减，以得到更加平坦的输出谱型；
该长周期光栅22的另一端与第一耦合器21的输入端连接；
第一耦合器21具有光输出终端211和光反馈输出端212，它将输出光按功率分成两部分，一部分作为输出，一部分作为反馈信号，增加控制精度，提高了输出的精度，光反馈输出端向电路构造3提供原始控制信号。
所述的电路构造3用于控制泵浦光源的工作电流和工作温度，以保证光源在-40到+70摄氏度范围内都能正常可靠工作，且输出高度稳定。
电路构造3由与泵浦光源连接的工作电流控制部31和工作温度控制部32构成；
所述的工作电流控制部31由依次串接的受控电流源314、保护电路313、功率运算处理电路312和光电二极管311构成，受控电流源314与泵浦光源1连接，光电二极管311与第一耦合器21的光反馈输出端连接；
光电二极管311接收来自第一耦合器21的光反馈信号，向功率运算处理电路312输出一电压信号，此电压信号作为工作电流控制部的原始信号，通过功率运算处理去控制受控电流源，保护电路保证受控电流源输出电流值不超出泵浦光源的正常工作范围，保证泵浦光源的可靠运行。
温度控制部32由依次串接的温度反馈处理电路323、温度运算处理电路322、温度控制芯片321构成；温度反馈处理电路323与具有热敏电阻的泵浦光源1连接，将接收到的原始光信号变成电压信号，输送到温度运算处理电路322进行运算处理，并将处理后的信息发送到与泵浦光源连接的温度控制芯片；所述的温度控制芯片321采用双向温度控制芯片，双向温度控制芯片是指具有符合预设加热值输出加热电流的加温控制电路和符合预设制冷值输出制冷电流的制冷控制电路；使泵浦源工作温度恒定，使光源能够在-40到+70摄氏度环境温度范围内正常工作且输出稳定。
当泵浦光源工作温度低于设定温度时，加热电流从温度控制芯片一输出端口3211对泵浦光源加热，当泵浦光源工作温度高于设定温度时，制冷电流从温度控制芯片又一端口3212输出对泵浦光源制冷。
综上电路构造3，第一耦合器21将终端输出的光信号分出一小部分作为反馈，提供给功率控制最为控制原始信号，大大提高了输出功率控制精度。
反馈光信号通过电路控制部3的光电二极管31转换成电路控制部可以直接使用的电压信号。
温度控制部32根据输出功率设定值及光电二极管31提供的反馈电压信号对输出进行实时调整控制。其控制是通过调整受控电流源34的输出电流来实现的，受控电流源和功率运算处理部分之间的保护电路起保护作用，保证受控电流源输出电流不会超出泵浦源正常工作电流范围。温度控制芯片根据温度运算处理部分的控制信号工作，控制泵浦源的工作温度，保证泵浦源工作温度在正常范围内，保证泵浦源的工作寿命，另一方面有利于提高泵浦源输出功率的稳定性。温度控制采用本领域技术人员熟知的双向控制电路。
一种双级结构双层构造宽带光源，具有承载前述光路及电路电子元件的载体板，其中，
一与光纤光源的壳体匹配结合的底层载体板4，概为圆的内切六边形，以便于光纤沿载体板外缘成弧线盘绕，以使光纤的传输效率更高，底层载体板横轴上的两个顶点设置用于将载体板固定于光源外壳内的定位槽口41、42；该底层载体板第一边部40设置容置泵浦光源1的槽口44，与第一边部40两端点相邻接设置第二边部45、第四边部46；与第一边部40相对设置第三边部43，各边部与光源外壳恰恰形成容置光纤元件的腔室；泵浦光源经由光纤串接的耦合器20、波分复用器24、隔离器21分别对应于所述的各个圆内切边部，以使各光元件舒适的磐卧在光源壳体内，光纤保持流线形盘绕；
一上层载体板5借由具有导线的支柱6装置在底层载体板4之上部，形成双层电路板构造；
所述的底层载体板4上装置与泵浦光源连接的工作电流控制部31，其中，所述的工作电流控制部31由依次串接的受控电流源314、保护电路313、功率运算处理电路312和光电二极管311构成，受控电流源314与泵浦光源1连接，光电二极管311与第一耦合器21的光反馈输出端连接；
所述的温度控制部32由依次串接的温度反馈处理电路323、温度运算处理电路322、温度控制芯片321构成；温度反馈处理电路323与具有热敏电阻的泵浦光源1连接；温度控制芯片321装置在上层载体板上，由温度运算处理电路322运算处理后的信息发送到与泵浦光源连接的温度控制芯片321。
配置上层载体板可充分利用空间，增大摆放电子元器件和布线的有效面积，而确保光源体积很小；将温度控制芯片至于上层载体板可减小温度控制芯片对泵浦源控制电路的干扰；实现双级结构分段泵浦的目的，本案双层构造便于根据要求灵活调整两级铒光纤的长度或泵浦功率，可有效的提高中心波长的稳定性。
光纤陀螺仪对双层构造宽带光源要求的另一个性能指标是平坦度，由于掺铒光纤的发射谱并不平坦，所以造成掺铒光纤超荧光光源的输出谱型也是不平坦的，在输出端接无源滤波器，让滤波器的透射谱和掺铒光纤的谱型相反，这样可以使输出平坦，或者让滤波器在1530处对光谱有衰减作用，将功率过高的部分削平，但这也使得输出功率受到了损失，同时引入了滤波器的温度影响。我们采用长周期光栅对输出进行平坦化，对光栅的写入和封装上采取措施得到了较好的效果。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。