一種閉環反饋控制的光纖放大器及其反饋控制方法
【專利摘要】本發明為一種閉環反饋控制的光纖放大器及其反饋控制方法，本放大器的環形器、窄帶濾波器、摻雜光纖、波分復用器、光纖反射鏡和泵浦激光器構成光學結構，環形器所接分束器的一輸出端為放大器輸出端，另一個輸出端接監測端口，監測端口與電控組件的光電探測器連接。電控組件的光電探測器，峰值保持電路，AD模塊，微處理器，DA模塊和泵浦驅動電路依次連接，再連接泵浦激光器。微處理器由反饋信號獲得控制量，對泵浦激光器的反饋控制。本反饋控制方法：I、先對反饋信號采樣N次平均為穩定值AD0；Ⅱ、采樣N次平均為轉換值ADk，由二者的相對誤差求得泵浦驅動電路當前控制量；重復執行Ⅱ。本發明有效抑制擾動，放大器高增益、低噪聲、高穩定。
【專利說明】
一種閉環反饋控制的光纖放大器及其反饋控制方法
技術領域
[0001] 本發明屬于激光脈沖放大技術領域，具體涉及一種閉環反饋控制的光纖放大器及 其反饋控制方法。
【背景技術】
[0002] 自摻雜光纖研制成功以來，光纖激光系統得到了巨大的發展，許多大型光纖激光 系統如雨后春筍般出現。大型光纖激光系統往往包含多級放大，涉及器件眾多。在系統運行 期間，由于溫度、振動、器件老化等多種因素的影響，激光系統的輸出會出現波動。脈沖型激 光系統涉及的電光器件更多，而且激光脈沖對擾動更敏感，因此脈沖型激光系統的輸出更 容易受到環境影響。激光系統輸出的波動直接影響其工作表現，提高輸出穩定性激光系統 才能勝任正常的工作。
[0003] 光纖放大器是光纖激光系統的增益部件，特別是大型光纖激光系統有多級光纖放 大器，整個光纖激光系統的穩定，首先取決于各級光纖放大器的穩定增益。顯然，保證光纖 激光系統穩定，首先需要解決關鍵問題是保證光纖放大器的穩定輸出。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是設計一種閉環反饋控制的光纖放大器，在現有的光纖放大器的輸 出端接分束器，分出的監測信號連接電控組件，電控組件含有微處理器和對監測信號進行 處理的電路，電控組件得到對栗浦驅動電路的控制量，經栗浦驅動電路連接控制栗浦激光 器的輸入電流，從而保證了光纖放大器的穩定輸出。
[0005] 本發明的目的是設計一種閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法，微處理器 調節栗浦驅動電路達到栗浦激光器設定值，先對監測信號N次采樣平均后得到穩定值AD〇， 再N次采樣平均后得到轉換值ADk，由ADk和ADo求得相對誤差e，由e獲得對栗浦驅動電路的 控制值u。反饋控制有效抑制輸入信號以及放大器本身的擾動，保證放大器的高增益、低噪 聲和高穩定輸出。
[0006] 本發明設計的一種閉環反饋控制的光纖放大器，包括環形器、窄帶濾波器、摻雜光 纖、波分復用器、光纖反射鏡和栗浦激光器，栗浦激光器輸出的栗浦激光接入波分復用器第 一端口，波分復用器的第二端口連接摻雜光纖的一端，波分復用器的第三端口連接光纖反 射鏡。脈沖信號光接入環形器第一端口，從環形器第二端口輸出接入窄帶濾波器，窄帶濾波 器連接摻雜光纖另一端。本發明在環形器的第三端口接分束器輸入端，分束器的一個輸出 端為本放大器的輸出端，分束器的另一個輸出端連接監測端口，監測端口與電控組件的光 電探測器連接，電控組件的輸出端為栗浦驅動電路的輸出端，栗浦驅動電路連接栗浦激光 器，控制其輸入電流。
[0007] 所述電控組件包括依次連接的光電探測器、峰值保持電路、模數轉換模塊、微處理 器、數模轉換模塊和栗浦驅動電路，其中光電探測器與分束器監測端口連接，接收輸出的放 大后的脈沖光并轉換為電信號，峰值保持電路有效響應脈沖信號，并提取脈沖信號光的峰 值信息。峰值保持電路將脈沖信號光峰值信息經模數轉換模塊轉換為數字信號，作為反饋 信號傳輸給微處理器，微處理器由反饋信號獲得栗浦驅動的控制量，控制量經數模轉換模 塊轉換為模擬信號，送入栗浦驅動電路，控制輸出的栗浦驅動電流，實現對栗浦激光器的閉 環反饋控制。
[0008]所述的環形器、窄帶濾波器、摻雜光纖、光纖反射鏡、分束器和波分復用器均適用 于脈沖信號光的波長，其中波分復用器同時適用于栗浦光的波長。
[0009]所述的窄帶濾波器的帶寬為1~8nm。
[0010]所述的脈沖信號光為脈沖寬度ns級、頻率IHz~IOkHz的平頂脈沖光；
[0011] 所述的分束器的分束比為(90/10)~(99/1)，接到本放大器的輸出端的光束較大， 占90~99%，其余光束接到監測端口，輸出到電控組件的光電探測器。
[0012] 所述的光電探測器為PIN型光電二極管，可響應ns級脈沖光信號。
[0013] 所述的峰值保持電路為跨導型峰值保持電路，響應速度Sins。
[0014] 所述的微處理器為Cortex-M4系列芯片，或者為主頻大于72MHz，RAM大于64k的微 處理器。
[0015] -種閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法包含以下步驟：
[0016] 步驟I、確定脈沖信號光穩定值
[0017] 輸入脈沖信號光，設置栗浦電流，栗浦電流小于或等于栗浦激光器的最大限定值， 啟動反饋控制，微處理器連續N次對模數轉換模塊送入的反饋信號采樣，并取N次采樣值的 平均值作為穩定值ADo。所述N為10~20。
[0018] 反饋信號是峰值保持電路提取的本裝置輸出的脈沖信號光的峰值信息轉換的數 字信號，故反饋信號直接反映本裝置輸出的激光脈沖信號光的峰值大小。
[0019] 微處理器對模數轉換模塊的反饋信號的采樣頻率為10~50次/秒。
[0020] 步驟Π 、反饋控制
[0021] 微處理器繼續連續N次對模數轉換模塊送入的反饋信號采樣，并取N次采樣值的平 均值作為當前轉換值ADk，k為當前采樣序號。微處理器比較當前轉換值ADk與穩定值ADo,得 到當前的相對誤差e(k) = (ADk-ADQ)/ADo,基于當前相對誤差e(k)得到栗浦驅動電路當前控 制量u(k)，當前控制量u (k)的值決定栗浦激光器栗浦電流的當前電流修正量的大小，電流 修正量Δ I=u(k)Ik，求得下一時刻，即k+Ι時刻設置的反饋控制的栗浦電流Ik+i = Ik · (1+u (k))〇
[0022] 其中，Ik+1為修正后的k+1時刻設置的反饋控制的栗浦電流值，Ik為當前k時刻設置 的栗浦電流值，u(k)為當前微處理器輸出的控制量。
[0023] 栗浦驅動電路按Ik+丨輸出栗浦電流。
[0024]重復執行步驟Π ，直到關閉反饋控制。
[0025]所述微處理器基于當前相對誤差e(k)得到栗浦驅動電路控制量u(k)的方法為:對 當前的相對誤差e(k)進行比例積分微分計算，即PID算法，獲得當前控制量u(k) IID算法是 一種廣泛應用于工業領域的反饋計算方法，具有簡單、實用、魯棒性強等優點。所述比例積 分微分計算公式如下：
[0026]
[0027] 其中，u (k)為當前控制量，kP比例系數，ki為積分系數，kd為微分系數，e (k)為當前 轉換值ADk與穩定值ADo的相對誤差。
[0028] 與現有技術相比，本發明一種閉環反饋控制的光纖放大器及其反饋控制方法的優 點為：1、電控組件的反饋控制結構，能夠有效抑制輸入信號以及放大器本身的擾動，保證放 大器的高增益、低噪聲和高穩定;2、電控組件的峰值保持電路能夠有效獲取ns級脈沖的峰 值大小，減少了高速電器件的使用，有效降低成本，降低系統的復雜性;3、微處理器采用PID 控制算法由相對誤差取得栗浦驅動電路控制量，一方面有利于PID參數的整定，具有更寬泛 的適應性，另一方面能夠及時獲取控制量，更快速有效地抑制輸入信號以及放大器本身的 擾動;4、光路結構新穎，脈沖信號光兩次通過摻雜光纖，具有雙程放大作用，可以獲得更高 的增益，同時有利于減少放大器的自發福射(ASE); 5、光路結構內含窄帶濾波器，脈沖信號 光兩次通過窄帶濾波器，有效抑制非信號光成分，獲得更高的信噪比。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本閉環反饋控制的光纖放大器實施例結構框圖；
[0030] 圖2為圖1中電控組件結構框圖；
[0031 ]圖3為本閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法實施例流程圖；
[0032]圖4為本閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法實施例脈沖信號光輸出狀態 圖；
[0033]圖5為本閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法實施例未使用反饋控制時的 脈沖信號光輸出狀態圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明進行詳細說明。
[0035] 閉環反饋控制的光纖放大器實施例
[0036] 本閉環反饋的光纖放大器實施例如圖1所示，圖中的虛線連接符號表示光路，實線 連接符號表示電路。本實施例包括環形器、窄帶濾波器、摻雜光纖、波分復用器、光纖反射 鏡、栗浦激光器、分束器和電控組件，栗浦激光器輸出的栗浦激光接入波分復用器第一端 口，波分復用器的第二端口連接摻雜光纖的一端，波分復用器的第三端口連接光纖反射鏡。 脈沖信號光接入環形器第一端口，從環形器第二端口輸出接入窄帶濾波器，窄帶濾波器連 接摻雜光纖另一端。本例環形器的第三端口接分束器輸入端，分束器的一個輸出端為本放 大器的輸出端，分束器的另一個輸出端連接監測端口，監測端口與電控組件的光電探測器 連接，電控組件的輸出端為栗浦驅動電路輸出端，栗浦驅動電路連接栗浦激光器，控制其輸 入電流。
[0037] 本例電控組件如圖2所示，包括依次連接的光電探測器、峰值保持電路、模數轉換 模塊(AD轉換模塊）、微處理器、數模轉換模塊(DA轉換模塊)和栗浦驅動電路。
[0038]本例的脈沖信號光為波長1053nm、脈沖寬度5ns的方波，重復頻率IkHz。
[0039]本例栗浦光波長為976nm〇
[0040]本例的環形器、窄帶濾波器、摻雜光纖、光纖反射鏡、分束器和波分復用器等各光 器件為保偏器件，適用于脈沖信號光的波長l〇53nm，其中波分復用器還適用于栗浦光的波 長976nm〇
[00411本例的窄帶濾波器的帶寬為2nm。
[0042] 本例的分束器的分束比為99/1,99%的光束接到本放大器的輸出端口，1%的光束 接入監測端口。
[0043] 本例光電探測器為PIN型光電二極管，能有效響應ns級脈沖光信號，具體為China Daheng Group提供的GCPD-IP系列光電探測器。光電探測器與分束器監測端口連接，接收輸 出的放大后的脈沖光并轉換為電信號。
[0044] 本例的微處理器為CortexHM系列芯片，具體為Stm32f407vgt6。
[0045] 閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法實施例
[0046] 本反饋控制方法實施例采用上述的閉環反饋控制的光纖放大器實施例，其流程圖 如圖3所示，包含以下步驟：
[0047] 步驟I、確定脈沖信號光穩定值
[0048] 輸入脈沖信號光，設置栗浦電流值小于或等于栗浦激光器的最大限定值，啟動反 饋控制，微處理器連續15次對模數轉換模塊送入的反饋信號采樣，并取15次采樣值的平均 值作為穩定值ADo。
[0049] 本例微處理器對模數轉換模塊的反饋信號的采樣頻率為15次/秒。
[0050] 步驟Π 、反饋控制
[0051] 微處理器繼續連續15次對模數轉換模塊送入的反饋信號采樣，并取15次采樣值的 平均值作為當前轉換值ADk，k為當前采樣序號。微處理器比較當前轉換值ADk與穩定值ADo， 得到當前的相對誤差e(k) = (ADk-AD〇)/AD〇,采用比例積分微分(PID)計算公式計算當前控 制量u(O.
[0052]
[0053] 其中，e(k)為當前轉換值ADk與穩定值ADo的相對誤差。
[0054] 本例比例系數kP = -0.05，積分系數ki = -0.02，本例應用中的擾動并非快速擾動， 微分項影響極小，為了簡化計算，舍棄此式中的微分項，即設微分系數kd = 0。
[0055] 求得下一時刻，即k+Ι時刻設置的反饋控制栗浦電流Ik+i = Ik · (l+u(k))，
[0056] 其中，I k+i為修正后的k+1時刻設置的反饋控制栗浦電流值，I k為當前k時刻設置的 栗浦電流值。
[0057] 栗浦驅動電路按〖!^輸出栗浦電流。
[0058]重復執行步驟Π ，直到關閉反饋控制。
[0059]本例的輸入脈沖信號光的單脈沖能量約5nJ。開啟上述光纖放大器實施例，設置栗 浦驅動電路輸出的栗浦電流800mA，輸出能量約為550nJ。
[0060] 當關閉本閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制時，光纖放大器的能量輸出狀態 如圖4所示，圖中橫坐標為時間T(min)，縱坐標為能量E(nJ)，圖4中的曲線波動較大，系統運 行1小時輸出均方根(RMS)偏差值為4.5%，峰谷值(PV)偏差值為20.1 %。
[0061] 按上述反饋控制方法實施例對光纖放大器進行閉環反饋控制，光纖放大器的能量 輸出狀態如圖5所示，圖中縱橫坐標與圖4相同。圖5中可見輸出穩定性大幅提升，運行1小時 輸出均方根(RMS)偏差值僅為0.8%，與未采用反饋控制時相比縮小至1 /5，峰谷值(PV)偏差 值為6.0%，也縮小到I/3。
[0062] 顯然，本發明的一種閉環反饋控制的光纖放大器及其反饋控制方法，使光纖放大 器具備高增益、低噪聲、高穩定等優點，有效地克服光纖放大器自身以及激光放大系統的擾 動。
[0063] 上述實施例，僅為對本發明的目的、技術方案和有益效果進一步詳細說明的具體 個例，本發明并非限定于此。凡在本發明的公開的范圍之內所做的任何修改、等同替換、改 進等，均包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種閉環反饋控制的光纖放大器，包括環形器、窄帶濾波器、摻雜光纖、波分復用器、 光纖反射鏡和栗浦激光器，栗浦激光器輸出的栗浦激光接入波分復用器第一端口，波分復 用器的第二端口連接摻雜光纖的一端，波分復用器的第三端口連接光纖反射鏡;脈沖信號 光接入環形器第一端口，從環形器第二端口輸出接入窄帶濾波器，窄帶濾波器連接摻雜光 纖另一端;其特征在于： 所述環形器的第三端口接分束器輸入端，分束器的一個輸出端為本放大器的輸出端， 分束器的另一個輸出端連接監測端口，監測端口與電控組件的光電探測器連接，電控組件 的輸出端為栗浦驅動電路的輸出端，栗浦驅動電路連接栗浦激光器，控制其輸入電流； 所述電控組件包括依次連接的光電探測器、峰值保持電路、模數轉換模塊、微處理器、 數模轉換模塊和栗浦驅動電路。2. 根據權利要求1所述的閉環反饋控制的光纖放大器，其特征在于： 所述的環形器、窄帶濾波器、摻雜光纖、光纖反射鏡、分束器和波分復用器均適用于脈 沖信號光的波長，其中波分復用器同時適用于栗浦光的波長。3. 根據權利要求2所述的閉環反饋控制的光纖放大器，其特征在于： 所述的窄帶濾波器的帶寬為lnm~8nm。4. 根據權利要求1所述的閉環反饋控制的光纖放大器，其特征在于： 所述的脈沖信號光為脈沖寬度ns級、頻率1Hz~10kHz的平頂脈沖光。5. 根據權利要求1所述的閉環反饋控制的光纖放大器，其特征在于： 所述的分束器的分束比為（90/10)~（99/1)，接到本放大器的輸出端的光束占90~ 99%，其余光束接到監測端口，輸出到電控組件的光電探測器。6. 根據權利要求1所述的閉環反饋控制的光纖放大器，其特征在于： 所述的光電探測器為PIN型光電二極管。7. 根據權利要求1所述的閉環反饋控制的光纖放大器，其特征在于： 所述的峰值保持電路為跨導型峰值保持電路，響應速度< Ins。8. 根據權利要求1至7中任一項所述的閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法，其 特征在于包含以下步驟： 步驟I、確定脈沖信號光穩定值 輸入脈沖信號光，設置栗浦電流，栗浦電流值小于或等于栗浦激光器的最大限定值；啟 動反饋控制，微處理器連續N次對模數轉換模塊送入的反饋信號采樣，并取N次采樣值的平 均值作為穩定值ADo;所述N為10~20; 步驟Π 、反饋控制 微處理器繼續連續N次對模數轉換模塊送入的反饋信號采樣，并取N次采樣值的平均值 作為當前轉換值ADk，k為當前采樣序號;微處理器比較當前轉換值ADk與穩定值ADo,得到當 前的相對誤差e(k) = (ADk-ADQ)/ADo,基于當前相對誤差e(k)得到栗浦驅動電路當前控制量 u(k)，當前控制量u(k)的值決定栗浦激光器栗浦電流的當前電流修正量的大小，電流修正 量Δ I=u(k)Ik;求得下一時刻，即k+Ι時刻設置的反饋控制栗浦電流Ik+i = Ik · (l+u(k))， 其中，Ik+1為修正后的k+1時刻設置的反饋控制栗浦電流值，Ik為當前k時刻設置的栗浦 電流值； 栗浦驅動電路按11<+1輸出栗浦電流； 重復執行步驟π，直到關閉反饋控制。9. 根據權利要求8所述的閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法，其特征在于： 所述微處理器基于當前相對誤差e(k)得到栗浦驅動電路控制量u(k)的方法為:對當前 的相對誤差e(k)進行比例積分微分計算，獲得當前控制量u(k);所述比例積分微分計算公 式如下：其中kP為比例系數，ki為積分系數，kd為微分系數。10. 根據權利要求8或9所述的閉環反饋控制的光纖放大器的反饋控制方法，其特征在 于： 所述微處理器對模數轉換模塊的反饋信號的采樣頻率為10~50次/秒。
【文檔編號】H01S3/067GK106058629SQ201610583572
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月22日 公開號201610583572.6, CN 106058629 A, CN 106058629A, CN 201610583572, CN-A-106058629, CN106058629 A, CN106058629A, CN201610583572, CN201610583572.6
【發明人】呂宏偉, 陳 峰, 韋佳天, 許黨朋, 謝征, 伍能, 張新立, 楊小亮, 蔣中平, 劉志強, 覃波
【申請人】中國電子科技集團公司第三十四研究所, 桂林大為通信技術有限公司, 桂林信通科技有限公司