遲榮華,呂 濤,孫小菡*

(1.無(wú)錫科技職業(yè)學(xué)院物聯(lián)網(wǎng)與軟件工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214068;2.東南大學(xué)光傳感/通信綜合網(wǎng)絡(luò)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心,南京 210096)

實(shí)用的基于布拉格光纖光柵的傳感系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并安裝在一系列應(yīng)用中,如溫度傳感和結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)等[1-6]。這種基于光纖光柵的傳感系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的問(wèn)題是如何增加傳感信號(hào)的傳輸距離,因?yàn)樗麄兊淖畲髠鬏斁嚯x一般由于光纖瑞利散射損耗等因素而被限制在25 km以內(nèi)。為了增加傳輸距離,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙感功能,研究者們提出基于拉曼放大器的傳感方法[7-8]。例如,Nakajima Y等人提出了一種利用拉曼放大的基于FBG的遠(yuǎn)程傳感方法[8]。但是這種方法需要同時(shí)具備拉曼放大器的泵浦源和用于傳感信號(hào)的寬帶光源。需要兩個(gè)獨(dú)立的光源是實(shí)現(xiàn)這些傳感系統(tǒng)的一個(gè)限制因素。文獻(xiàn)[9]在46 km的傳感光纖上提出了一種改進(jìn)的多點(diǎn)雙向傳感器網(wǎng)絡(luò),大大改善了傳感信號(hào)的信噪比;王子南等人[10-11]提出了一種基于隨機(jī)激光半開(kāi)腔的遠(yuǎn)程遙感系統(tǒng),用1階和2階拉曼泵浦光泵浦增益?zhèn)鞲泄饫w激發(fā)出傳感信號(hào),這種方式可實(shí)現(xiàn)100 km距離的光纖傳感,獲得OSNR大于20 dB的傳感信號(hào),但是同時(shí)需要數(shù)瓦以上的高泵浦功率。Peng P C等人提出了基于光纖光柵和光纖環(huán)鏡的線性腔拉曼激光結(jié)構(gòu)的遠(yuǎn)程應(yīng)變傳感系統(tǒng)[12]。雖然使用拉曼激光配置消除了對(duì)額外寬帶光源的需求,但通常需要超過(guò)250 mW的泵浦功率,成本代價(jià)較高。

本文提出了一種遠(yuǎn)程無(wú)源傳感系統(tǒng),該系統(tǒng)包含拉曼放大器和摻鉺光纖激光器,具有低閾值功率和高信噪比的特點(diǎn)。該遠(yuǎn)程無(wú)源傳感系統(tǒng)只包含一個(gè)用于分布式拉曼放大的泵浦源而不需要任何其他寬帶光源作為傳感信號(hào)。拉曼泵浦源的剩余泵浦功率用作摻鉺光纖激光器的泵浦源對(duì)摻鉺光纖進(jìn)行放大,產(chǎn)生出的激光信號(hào)作為傳感信號(hào),同時(shí)拉曼泵浦源又對(duì)產(chǎn)生的激光傳感信號(hào)進(jìn)行分布式放大。當(dāng)傳感光纖50 km時(shí),140 mW低泵浦功率就可以得到信噪比大于50 dB的傳感信號(hào)。當(dāng)傳感光纖75 km時(shí),500 mW泵浦功率可以得到信噪比大于40 dB的傳感信號(hào)。

圖1 基于拉曼放大和摻鉺光纖激光器的遠(yuǎn)程無(wú)源傳感系統(tǒng)

1 實(shí)驗(yàn)原理

無(wú)源遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)包括一個(gè)摻鉺光纖激光器,其中一個(gè)諧振腔鏡是由光纖環(huán)形鏡構(gòu)成的,光纖環(huán)形鏡具有高反射率和寬反射帶寬的特點(diǎn);另外一個(gè)諧振腔鏡由布拉格光纖光柵構(gòu)成,設(shè)計(jì)中為了同時(shí)保證低閾值和較高的激光輸出功率,光柵的反射率做了優(yōu)化。

該系統(tǒng)的工作過(guò)程是:拉曼放大器的剩余泵浦光經(jīng)過(guò)由兩個(gè)波分復(fù)用耦合器構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)進(jìn)入摻鉺光纖的光學(xué)諧振腔,泵浦摻鉺光纖。由光纖環(huán)形鏡和光纖光柵構(gòu)成的摻鉺光纖激光諧振腔的工作原理如下:當(dāng)光波在諧振腔內(nèi)往返一周所獲得的增益等于腔內(nèi)的總損耗時(shí),激光器就達(dá)到了閾值。設(shè)諧振腔鏡的反射率分別為R1和R2,摻鉺光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng),則閾值條件為:

G2R1R2exp(-2αintL)=1

(1)

式中:G為單程增益,αint為腔內(nèi)損耗因子,它包括耦合損耗和其他一些類(lèi)型的損耗。單程增益可由下式求得

(2)

式中:增益系數(shù)g(z)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)有關(guān),

g(z)=σs[N2(z)-N1(z)]

(3)

式中:σs為發(fā)射截面,N1和N2分別受激輻射過(guò)程中低能態(tài)和高能態(tài)上的粒子數(shù)密度。將式(1.2)代入式(1.1),閾值條件變?yōu)?/p>

(4)

式中:αmir=-ln(R1R2)/(2L)是腔鏡有效損耗因子,αcav是腔內(nèi)總損耗因子。閾值與總損耗的關(guān)系是:在其他條件不變的情況下,閾值隨總的損耗的增加而增加。當(dāng)鉺纖的增益等于腔內(nèi)的總損耗的時(shí)候,就會(huì)有激光激射出來(lái),激光波長(zhǎng)等于布拉格光纖光柵的反射波長(zhǎng)。當(dāng)外界的溫度發(fā)生變化時(shí),經(jīng)過(guò)涂覆的溫度敏感性光纖光柵的中心波長(zhǎng)發(fā)生變化,導(dǎo)致激光激射波長(zhǎng)發(fā)生變化,這種變化會(huì)經(jīng)過(guò)傳輸光纖到達(dá)信號(hào)探測(cè)系統(tǒng)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1給出基于拉曼放大和摻鉺光纖激光器的遠(yuǎn)程無(wú)源傳感系統(tǒng)。傳感光纖為G.652單模光纖,長(zhǎng)度為50 km/75 km。此傳感光纖同時(shí)又是拉曼增益光纖,當(dāng)激光器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過(guò)單模光纖時(shí),會(huì)在單模光纖中產(chǎn)生拉曼增益。拉曼放大選取的泵浦波長(zhǎng)為1 470 nm,此波長(zhǎng)既可以對(duì)1 550 nm信號(hào)產(chǎn)生拉曼增益,又適合做摻鉺光纖激光器的泵浦源。兩個(gè)波長(zhǎng)為1 470 nm的半導(dǎo)體激光器由偏振隔離泵浦合波器(IPBC)合波后,經(jīng)由1 550 nm/1 470 nm合波器(WDM)進(jìn)入傳感光纖,合波后最大泵浦功率為500 mW。剩余的泵浦光經(jīng)由兩個(gè)WDM構(gòu)成的橋式結(jié)構(gòu)進(jìn)入摻鉺光纖激光器。這里WDM橋式結(jié)構(gòu)將G.652光纖之后的泵浦光和信號(hào)光分成兩束,其中含有隔離器的是泵浦光通道,拉曼放大器剩余的1 470 nm泵浦光正向通過(guò)該通道,進(jìn)入由光柵和環(huán)形鏡構(gòu)成的線性激光諧振腔,并且充當(dāng)摻鉺光纖激光器的泵浦光。摻鉺光纖激光器由長(zhǎng)度為7 m,濃度在1 530 nm處為6.3 dB/m的鉺纖,光纖光柵及光纖環(huán)鏡構(gòu)成。由摻鉺光纖激光器產(chǎn)生的1 550.2 nm的信號(hào)就是傳感信號(hào)光,該傳感信號(hào)反向通過(guò)不含隔離器的通道,經(jīng)由G.652光纖,最后到達(dá)探測(cè)器處。選擇光纖環(huán)形鏡做腔鏡是因?yàn)楣饫w環(huán)形鏡具有高反射率和寬反射帶寬的特點(diǎn),可以同時(shí)反射泵浦光和信號(hào)光;另外一個(gè)諧振腔鏡由經(jīng)過(guò)涂覆的具有溫度敏感性的的布拉格光柵構(gòu)成。布拉格光纖光柵,是經(jīng)過(guò)涂覆提高了溫度靈敏度的光纖光柵,常溫下中心波長(zhǎng)為1 550.2 nm,為了平衡激光器的閾值功率和輸出功率,反射率需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖2給出光譜儀在傳感信號(hào)接收端探測(cè)到的光譜圖。當(dāng)拉曼放大器的泵浦功率為75 mW時(shí),檢測(cè)到傳輸光纖末端的剩余泵浦功率為5.25 mW。此時(shí)剩余泵浦功率是低于摻鉺光纖激光器的閾值功率(腔內(nèi)總損耗)的。進(jìn)一步增加拉曼放大器的泵浦功率,光纖末端剩余泵浦功率也隨之增加。當(dāng)剩余泵浦功率等于摻鉺光纖激光器的閾值的時(shí)候,就有激光開(kāi)始激射。圖中,曲線a是泵浦功率低于激光器閾值的情況,此時(shí)沒(méi)有激光激射;曲線b是剩余泵浦功率等于諧振腔閾值的情況,曲線c是泵浦功率大于激光器閾值,開(kāi)始有波長(zhǎng)為1 550.2 nm激光激射,此時(shí)拉曼泵浦功率為85 mW,剩余泵浦功率為5.7 mW。

圖2 摻鉺激光器閾值附近的激光光譜

在線性腔結(jié)構(gòu)中,優(yōu)化的布拉格光纖光柵的反射率為85%。當(dāng)鉺纖增益和腔內(nèi)損耗相等的時(shí)候產(chǎn)生的激光,85%留在諧振腔內(nèi),15%作為輸出。這樣保證了激光器具有很低的閾值。當(dāng)構(gòu)成拉曼泵浦單元的半導(dǎo)體激光器功率為80 mW時(shí),就能在信號(hào)探測(cè)端探測(cè)到很微弱的激光,但是此時(shí)激光信號(hào)的信噪比很小,不足以利用。繼續(xù)增大半導(dǎo)體激光器的泵浦功率,探測(cè)到的激光信號(hào)功率越來(lái)越大,輸出信噪比越來(lái)越高,圖3(a)給出傳感光纖50 km,拉曼放大器的泵浦輸出功率為140 mW時(shí),獲得摻鉺光纖的泵浦功率為10.9 mW,從信號(hào)探測(cè)端探測(cè)到的激光光譜,信號(hào)的信噪比高達(dá)50 dB?？梢?jiàn)在50 km的傳感系統(tǒng)中一個(gè)140 mW的泵浦就可以獲得很好的傳感檢測(cè)效果。

進(jìn)一步的,我們也實(shí)驗(yàn)了75 km的長(zhǎng)距傳感系統(tǒng)。圖3(b)給出信號(hào)探測(cè)端得到的常溫下的激光光譜圖,此時(shí)的拉曼放大器的泵浦功率為500 mW,探測(cè)到的信號(hào)信噪比大于40 dB。

圖3 探測(cè)到激光光譜

圖4 傳感光纖長(zhǎng)度75 km時(shí)探測(cè)到的光譜和波長(zhǎng) 隨FBG溫度變化關(guān)系(L=75 km)

將傳感光纖光柵置于溫度循環(huán)箱中,調(diào)節(jié)溫箱的溫度從-20 ℃到100 ℃之間變化。我們從探測(cè)端用光譜儀探測(cè)到的激光波長(zhǎng)隨溫度變化的結(jié)果如圖4 所示。

當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí),作為激光器選頻元件的光纖光柵的反射波長(zhǎng)會(huì)隨溫度發(fā)生線性變化,激光器的激射波長(zhǎng)也隨之發(fā)生變化。光柵的反射波長(zhǎng)與溫度變化呈現(xiàn)一定的變化關(guān)系,所以可用探測(cè)到的激光波長(zhǎng)反映環(huán)境的溫度變化。圖4(a)給出激光光譜隨溫度變化情況,箭頭標(biāo)出了溫度增加的時(shí)候,光譜溫漂的方向。探測(cè)信號(hào)的OSNR超過(guò)40 dB。圖4(b)給出激光激射波長(zhǎng)隨溫度變化關(guān)系,我們看到溫度傳感系數(shù)為9.571 pm/℃,激光波長(zhǎng)與光柵溫度呈現(xiàn)線性變化關(guān)系。

圖5給出了傳感信號(hào)探測(cè)端探測(cè)到的信號(hào)功率和拉曼泵浦激光器的泵浦功率之間的關(guān)系。隨著拉曼放大器泵浦功率增加,剩余泵浦功率增加,剩余泵浦功率同時(shí)又用做摻鉺光纖激光器的泵浦源。當(dāng)此功率值超過(guò)諧振腔內(nèi)損耗閾值的時(shí)候,就有信號(hào)激發(fā)出來(lái)。激射信號(hào)的功率隨著泵浦功率的增加而增加。

由于拉曼增益的緣故,激發(fā)出來(lái)的信號(hào)在通過(guò)傳感光纖的時(shí)候又會(huì)被拉曼泵浦光放大,所以我們?cè)跈z測(cè)端可以得到高信噪比的探測(cè)激光信號(hào)。圖5中同時(shí)給出了激光信號(hào)及OSNR隨泵浦功率的變化關(guān)系,從中可以看出,當(dāng)泵浦功率80 mW左右的時(shí)候,開(kāi)始探測(cè)到激光信號(hào),但是此時(shí)OSNR非常小。但是當(dāng)激光信號(hào)一旦產(chǎn)生出來(lái),OSNR增加非?？?。當(dāng)泵浦功率超過(guò)一定值,例如100 mW,OSNR接近40 dB,此后,即使進(jìn)一步的提高拉曼泵浦功率,信號(hào)的OSNR增加非常緩慢,達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定值。

圖5 檢測(cè)到的激光功率/OSNR與拉曼泵浦功率 的關(guān)系(L=50 km)

為了測(cè)試遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)中拉曼放大的增益效果,我們?cè)趫D1中光纖末端接入一個(gè)輸入信號(hào)光源,光源波長(zhǎng)從1 528 nm到1 562 nm可調(diào),輸入信號(hào)功率為-11.5 dBm。圖6給出75 km遠(yuǎn)程傳感系統(tǒng)探測(cè)到的信號(hào)光增益,解釋了為什么光纖傳感器置于75 km之外,在信號(hào)檢測(cè)端仍能得到較大的信號(hào)功率和較高的信噪比。從圖中可以看到,在泵浦光功率為500 mW的時(shí)候,信號(hào)光在1 550.2 nm處可以獲得11.5 dB以上的增益。如果選擇反射波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光柵(例如1 565 nm),則可以獲得14 dB以上的拉曼增益,預(yù)計(jì)信號(hào)信噪比也會(huì)更高。

如果增大拉曼泵浦功率或者選用拉曼增益系數(shù)高的光纖做傳感光纖,運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)的無(wú)源傳感系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)75 km以上距離的傳感信號(hào)探測(cè)。進(jìn)一步的,調(diào)節(jié)光纖環(huán)鏡內(nèi)的偏振控制器(PC)還可以調(diào)整信號(hào)和泵浦光的反射率,可以進(jìn)一步優(yōu)化摻鉺光纖激光器閾值和輸出激光信號(hào)功率等。

圖6 傳感系統(tǒng)測(cè)試的拉曼增益

4 結(jié)束語(yǔ)

拉曼放大器可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)分布式放大,在遠(yuǎn)程無(wú)源傳感系統(tǒng)中,引入拉曼放大器可實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳感,同時(shí)拉曼放大的剩余泵浦功率又可以作為后級(jí)摻鉺光纖激光器的泵浦源而無(wú)需采用任何其他傳感光源。在拉曼泵浦功率為80 mW左右就獲得了傳感激光信號(hào)輸出。泵浦功率140 mW,傳感距離50 km的情況下,OSNR大于50 dB;泵浦功率500 mW,傳感距離75 km的情況下,OSNR大于40 dB。此低閾值高信噪比的無(wú)源傳感系統(tǒng)可以用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)源傳感。