用于光纤传感的激光器波长控制器的设计与开发毕业设计说明书(编辑修改稿)

用于光纤传感的激光器波长控制器的设计与开发毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

光纤传感是 20世纪 70年代伴随着光纤通信迅速发展起来的一种崭新的传感技术。 它以光波为载体，光纤为媒质，实现被测量信号的感知和传输 [36]。 从本质上讲，光纤传感就是利用外界信号对光纤中传播的光进行调制 [23]。 光纤传感系统 光纤传感系统概述 光纤传感是以光为载体、光纤为媒质，感知和传输外界信号的传感技术 [51]。 光纤传感的基本原理是光纤中的光波参数如光强 I、频率 ω 、波长 λ 、相位 Φ 以及偏振态等随外界参数的变化而变化， 通过检测光纤中光波参数的变化而达到检测外界被测物理量的目的 [52]。 光纤传感系统一般包括光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等。 光源相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤是传输媒质，负责信号的传输；传感头感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责信号转换，将光纤送来的光信号转换成电信号；信号处理电路的功能是还原外界信息，相当于解调器、调制和解调是光纤传感技术研究的主要内容 [53]。 系统结构图如图 所示。 图 光纤传感系统结构框图 光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区 （ 测量区 ），在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号， 使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光 ； 再经过光纤送入光 探 测器，光 探 测器对进来的光信号进行 光电 转换，输出电信号 ； 最后对电信号进行信号处理而得到可用信号，从而获得被测参数。 光纤传感器 可以测量的环境参量主要有应力、温度、振动、化学浓度及电磁场等等。 光纤传感 系统 从原理上讲，就是 ： 发出光信号 — 调制 — 传输 — 接收光信号 — 电信号，从而实现检测功能 [54]。 可用信号 被测量 光纤 电信号 光纤 光 源 传感头 光探测器 信号处理 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 8 页 共 49 页 光纤传感 系统 突出的优点是光信号不仅能直接感知，而且还可以利用半导体二极管，进行光电转换，还具有灵敏度高、可靠性好、体积小、重量轻、原材料硅资源丰富、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可挠曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。 同时，它还便于与计算机相连， 以 实现智能化和远距离监控 [20]。 光纤传感光源 在光纤传感系统中，所选光源的类型很大程度上决定了传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及解调精度，因而选择合适的光源对光纤传感系统的设计起着重要的作用 [55]。 光纤传感用光源必须满足如下原则 [56]： （ 1） 光源的激射波长必须在传输光纤的低损耗窗口波段： （ 通常称作短波长波段 ） 、 和 波段 （ 通常将 和 称为长波长波段 ）； （ 2） 光源的发射功率要大； （ 3）调制特性和发光 /消光（响应速度）特性要好； （ 4）可靠性要高，寿命要长； （ 5）光源必须轻巧，适应振动、温度、湿度等环境变化； （ 6） 能批量生产，价格便宜。 目前光纤传感系统中常用的光源主要有半导体激光器 （ Laser Diode， LD） 、半导体发光二极管 （ Light Emitting Diode， LED） 、放大自发辐射 （ Amplified Spontaneous Emission， ASE） 光源和分布式反馈 （ Distributed FeedBack， DFB） 激光器等 [57]。 其中半导体激光器 LD（ Laser Diode） 和半导体发光二极管 LED 是 使用最多也是最重要的光源。 其主要优点是体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、供电电源简单 、 易于控制调节 、 发光亮度和发光效率高， 并 且抗冲击、耐振动、工作电压低、耗电小、单色性好、能在环境恶劣的条件下使用。 它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用 [58,59]。 DFB激光器 DFB 激光器由于其输出 激光的线宽窄、凋啾小、动态特性好、单纵模特性好、可输出特定波长、 易规模生产等优点 [60,61]， 成为目前实用光纤传感系统中优选的理想光源 [62]。 DFB 激光器简介 分布反馈式（ Distributed Feedback， DFB）半导体激光器（ DFBLD）与普通半导体激光器的区别在于 DFB 激光器不是由激光器端面的集中反射提供，而是由内藏布拉格清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 9 页 共 49 页 光栅来实现光的反馈。 由于 DFB 激光器的光栅分布在整个谐振腔中，所以称之为分布反馈 [63]。 DFB 激光器是在有源区或邻近波导层上刻蚀所需的周期波纹光栅而构成的， DFB 激光器的激光振荡是由光栅形成的光耦合来提供，其基本原理是布拉格反射原理，当电流注入激光器后，有源区内电子 空穴复合，辐射出相应能量的光子，这些光子将受到有源层表面每一 个光栅的反射 [64]。 有源区内周期性波纹的周期即布拉格光栅的栅距为 ，只要用泵浦 （ 光泵浦或电泵浦 ） 激发，形成足够的粒子数反转，则介质就具备了增益条件，如果波纹深度满足一定要求，两端就可以得到激光输出，所发射的激光波长满足： （ 式 ） 这种激光器的工作原理并不复杂，是熟知的布拉格散射原理。 当一束入射角为 的光波照射到一个周期变化的波纹结构上时，入射光波被周期性波纹结构所散射，这些散射波相互之间有一定相位关系，只有那些出射方向的角度满足下列关系时： （ 式） 各散射波才有叠加增强的作用，而在其他方向上的散射波互相抵消。 所以，只有在一系列 值上才有反射的光波，这就是所谓的“ Bragg 反射”，此光波的波长称为布拉格波长，这就是波长的选择性。 把介质内部由左向右和由右向左传播的光波看作是 和都为 90186。 ，这时 （ 式 ）变为（ 式 ），只有波长满足 （ 式 ）的光波才被允许在介质中来回反射，这种反射不是由某个反射面提供，而是由周期性波纹结构提供反向行进的两列光波的相互耦合，耦合的程度由周期性调制的调制深度决定。 分布反馈式结构中的激光振荡为两列反向行进的光波，一列向左传播，另一列朝右传播 [65]。 各光波在有源区周期性波纹结构的传播过程中接收来自反向传输光波的布拉格散射光，这样在波纹结构上产生了反馈机制，由于波纹结构具有增益，所以只要有足够的反馈，就能产生激光振荡，此激射光波的波长正好在布拉格波长处。 由于布拉格效应能对波长进行选择， 因此这种分布反馈式结构不但紧凑而且有高度的光谱选择性。 DFB 激光器的主要优点包括 ： 由于只存在一个纵模 （ 主模 ） ，其他边模都被抑制了，清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 10 页 共 49 页 所以 DFB 激光器 的线宽主要由主模的线宽决定，比多模激光器的线宽要窄的多，发光功率较高。 这种线宽很窄的激光器尤其适用于高速率、高功率预算系统的应用。 另外，由于光栅的稳定性好， DFB 激光器输出功率的线性较好，这对于多路信号的传输效果较好，因为可以减少传输过程中的互调干扰。 DFB 激光器的性能稳定，很少受时间和外部环境的影响 [66]。 DFBLD与普通半导体激光器一样，是靠电流泵浦的。 改变光栅区的偏置电流值，可以改变折射率进而改变布拉格波长，最终改变激射波长。 所以， DFBLD 的波长是可变的 [67]。 波长调谐 波长可调谐半导体激光器从 20 世纪 80 年代起开发就很活跃，按调谐机理划分，有电调谐、热调谐和机械调谐三大类 [68]。 半导体激光器的波长调谐基本原理是用各种方式引起禁带宽度发生变化，从而实现输出光波长的调谐 [69]。 半导体激光器与其它传统激光器相比，激光二极管的输出光功率和频率受温度和注入电流的影响显著。 因此激光二极管的波长调谐可采用温度调谐和注 入 电流调谐 [70]。 波长可调谐激光器一般主要由三个基本部分组成：具有有源增益区和谐振腔的二极管激光器；改变和选择波长的可调装置；稳定输出波长的装置（波长锁定器或标准具）。 波长可调谐半导体激光器是在 DFB 激光器基础上发展的。 DFB 激光器具有较好的稳定性、良好的光谱和噪声特性以及快速频响特性，并有较好的功率输出，成本低，技术成熟 [71]。 波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。 目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。 电流调谐是通过改变不同位置的 光纤光栅和相位控制部分的注入电流，使光纤光栅的相对折射率发生变化，产生不同的光谱，实现波长的调谐，调谐速度为 ms 级，调谐带宽较窄、但输出功率较小，主要有多电极 DFB 激光器，波长可调范围一般都可达到510nm[72]。 电流 调谐机理可以解释为 ： 注入电流的变化引起载流子浓度改变 ，而 载流子浓度的变化不但会引起材料折射率的改变 ， 而且会改变增益系数 ；由于 半导体激光器的发射波长既与增益系数有依赖关系 ， 又受折射率变化的影响 ，从而 实现 了波长调谐。 热调谐 是 通过调整 DFB 激光器腔内温度，改变有源区折射率来改变波长。 一般采用清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 11 页 共 49 页 热电冷却器（ TEC）来保证波长的精度，技术简单。 一般来说 ，激光二极管 的波长 温度曲线有很好的线性 ， 能够通过温度的改变精确地控制波长 ， 但是温度调制速度较慢 [73]。 在半导体中 ， 温度和能隙之间存在着依赖关系 ，有 以下经验公式 [74]： (式 ) 式中 ， 为绝对零度时的能隙 ， 和 为经验参量 ， 能隙的变化又引起波长的变化 ，如式 所示： (式 ) 所以通过控制有源区的温度 ， 可以改变半导体激光器有源区的能隙 ， 从而使激光器的波长得到调谐。 激光控制器 随着技术的进步、工艺水平的提高和计算机技术在光纤传感系统中的应用，光纤传感系统的可靠性不断提高。 在半导体激光器作为光源的系统中，对激光器工作的准确度、可靠性以及温度 控制的 精确度的要求也越来越高，人们采用大规模集成电路技术研制出了半导体激光器的专用驱动器和温度控制器 [75]，并结合 接口电路 、保护电路以及显示控制对激光器的工作进行监控。 继而形成了专用的激光控制器，用来测试和控制激光二极管，以保证激光器稳定工作。 目前，已经有一些商业化的激光控制器被应用到光纤传感中。 激光控制器简介 半导体激光器对工作条件要求苛刻， 瞬态电 流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器，会造成性能的急剧恶化， 电流、温度的起伏会引起光功率的变化，影响输出的准确、稳定。 驱动电流的波动，不仅会引起激光器的激光强度噪声，还会造成输出波长光谱线宽的展宽。 而 温度 的改变，不仅会造成 半导体激光器二极管 输出波长的不稳定，还会 引起输出功率产生波动，同时会影响激光器的使用寿命。 所以需要对激光器的工作进行监控。 对激光器的保护措施要足够完备，因为 在 一些电学瞬变 的 过程，如电源的瞬间启动、电源的电涌、 AC电路的辐射等，都会引起激光器的性能变差，甚至损坏器件 ，所以 激光控制器通过外加元件构成了激光器的保护电路。 它不仅能够为半导体激光器提供稳定的输出，而且还对半导体激光器提供更加可靠、有效的保护 [76]。 清华 大学 20xx 届毕业设计说明书 第 12 页 共 49 页 半导体激光器控制器 通常包括 两大部分：驱动部分和恒温控制部分。 驱动部分又包括恒流驱动、恒功率驱动和调制驱动，以及保护电路。 恒流驱动通过外围设置提供恒定的直流电流、恒功率驱动通过 PD 检测到驱动电流的变 化来调节驱动电流，达到恒定光功率输出、调制驱动通过外接调制信号， 使半导体激光器输出调制的光信号。 恒温控制电路通过监测激光器表面的热敏电阻的阻值变化来获取温度的变化，然后通过半导体热电制冷器对半导体激光器进行制冷或加热，从而实现半导体激光器温度控制 [77,78,79]。 ITC4001 激光控制器 ITC4001激光控制器 是美国 Thorlabs公司 ITC4000系 列的激光二极管 /温度控制器。 ITC4001 激光控制器包括一个激光二极管电流控制器加上一个 TEC 元件控制器。 从本质上讲，这是 LDC4000 系列电流控制器和一个 TED4015 温度控制器的组合。 它旨在为激光二极管提供一个精确稳定的电流，其注入电流为 1安至 20安，并具有 24小时内 摄氏度 的优异温度稳定性。 它支持所有的激光二极管和监测二极管引脚配置 ，并且 可使用大多数常用的温度传感器。 ITC4001 激光控制器 的 激光二极管可用两种模式驱动：恒电流（ CC）模式，其激光电流可精确保持在用户调节的水平；或恒功率（ CP）模式，此模式下光学功率传感器用于监测激光器的输出功率以进行主动功率控制。 当需要最低噪声和最高响应速度时，应选择 CC模式，但这种模式一般也要求温度稳定。 在 CP 模式下，来自集成到大多数激光二极管封装的内部光电二极管，或外部光电二极管的反馈用于主动稳定激光 器的输出功率。 ITC4001 激光控制器具有 增强的激光二极管保护功能。 精密可调节的电流限制确保了最大激光器电流不会超出。 Th。