史衍方，陳永超，宋秋衡，肖 倩，唐 璜，賈 波

(復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系，上海 200433)

分布式光纖傳感器作為一種新型傳感器，可用于復(fù)雜環(huán)境中的動(dòng)、靜態(tài)物理量測量，它具有結(jié)構(gòu)簡單、高精度、高靈敏度、抗電磁干擾等眾多優(yōu)點(diǎn)[1].與基于反射光的布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)和基于后向散射光的布里淵光時(shí)域反射儀(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, BOTDR)相比，依賴于相位變化的光纖干涉儀具有更快的響應(yīng)速度和更高的靈敏度[2]，常用于長距離傳感監(jiān)測.在長距離的光纖系統(tǒng)中，通常會(huì)使用摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier， EDFA)來補(bǔ)償光纖中信號光的過度損耗.因此，EDFA的工作狀態(tài)是影響信號傳輸距離和系統(tǒng)信噪比的關(guān)鍵因素之一[3-4].

在傳統(tǒng)的長距離光纖傳感系統(tǒng)中[5]，信號傳輸往往都是單向的.為了滿足雙向傳輸?shù)男枨螅p向摻鉺光纖放大器(Bidirectional Erbium-Doped Fiber Amplifier， Bi-EDFA)[6-7]得到研究開發(fā)，它可以同時(shí)對正向光和反向光進(jìn)行放大，尤其對于線型Sagnac干涉儀具有重要意義.線型Sagnac干涉儀是單芯傳輸[8-9]，它不僅節(jié)省了光纖資源而且簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在長距離傳感監(jiān)測中廣泛應(yīng)用，如管道泄漏監(jiān)測、周界安全監(jiān)測以及光纜故障監(jiān)測等[10-12].為了抑制長距離傳感線路中色散帶來的影響并提升信號傳輸距離，可以在線路中添加一段色散補(bǔ)償光纖(Dispersion Compensation Fiber， DCF)[13].但是與單向EDFA相比，為了實(shí)現(xiàn)雙向放大功能，Bi-EDFA輸入和輸出兩端沒有隔離器，因此線路中產(chǎn)生的散射光不可避免地會(huì)對Bi-EDFA造成一定影響[14].而DCF中的散射特性與單模光纖(Single Mode Fiber， SMF)中的不同，它對于Bi-EDFA的影響是未知的，這是將DCF用于補(bǔ)償傳感線路色散時(shí)存在的主要問題，目前很少有文章對此進(jìn)行研究.

因此，本文利用線型Sagnac干涉儀，研究并對比了帶有色散補(bǔ)償光纖線路的和僅有單模光纖線路的散射光對基于Bi-EDFA的光纖傳感器性能的影響.理論分析并實(shí)際測試了DCF和SMF中產(chǎn)生的散射光大??；理論推導(dǎo)并實(shí)驗(yàn)記錄了系統(tǒng)信噪比值.針對SMF-DCF、SMF-SMF和SMF-DCF-SMF 3種傳感鏈路組成情況，對比分析了不同信號光強(qiáng)度下系統(tǒng)信噪比的變化趨勢.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所研究的基于線型Sagnac干涉儀的分布式光纖傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(見第474頁)所示.光源采用相干長度為微米量級的超輻射發(fā)光二極管(Super Luminescent Diode， SLD).FWDM(Filter Wavelength Division Multiplexer)是信道間隔為200 GHz的波分復(fù)用器.3×3耦合器(C1)和2×2耦合器(C2)將光信號分為沿順時(shí)針和逆時(shí)針傳播的兩部分,時(shí)間延遲光纖(Time Delay Fiber， TDF)用于在這兩條傳播路徑中產(chǎn)生固定時(shí)間差.

圖1 基于線型Sagnac干涉儀的分布式光纖傳感器Fig.1 Distributed optical fiber sensor based on line-structure Sagnac interferometer

在傳感部分，利用兩個(gè)雙向放大器(Bi-EDFA1， Bi-EDFA2)對信號光進(jìn)行調(diào)節(jié).為了對比帶有色散補(bǔ)償光纖線路與僅有單模光纖線路的信噪比區(qū)別，傳感鏈路(Sensing Link， SL)采用3種連接方式： (a) 由80 km SMF和8 km DCF組成；(b) 由80 km SMF和20 km SMF組成；(c) 由40 km SMF、8 km DCF和40 km SMF組成，分別如圖1(a)、(b)和(c)所示.由于單模光纖和色散補(bǔ)償光纖的衰減分別為0.2 dB/km和0.5 dB/km，8 km DCF可替換為20 km SMF，兩者損耗一致可作為對照實(shí)驗(yàn).在1 550 nm窗口，單模光纖的正色散值為17 ps /nm·km；相對地，色散補(bǔ)償光纖有約為-150 ps/nm·km的負(fù)色散值.LiNbO3相位調(diào)制器(Phase Modulator， PM)和信號發(fā)生器(Signal Generator， SG)對光相位起電光調(diào)制作用.法拉第旋轉(zhuǎn)鏡(Faraday Rotator Minor， FRM)用于控制光路偏振特性并反射光波.最終，光信號由光電探測器(Photo Detector， PD)接收，并由采樣率為2.5 GSa/s的示波器進(jìn)行采集用于LabVIEW程序的信噪比分析與計(jì)算.在圖1所示的傳感系統(tǒng)中，共有4條傳播路徑可以進(jìn)行光傳輸：

Ⅰ： 1→4→TDF→6→8→9→10→11→12→FRM→12→11→10→9→8→7→5→C1

Ⅱ： 1→4→TDF→6→8→9→10→11→12→FRM→12→11→10→9→8→6→TDF→4→C1

Ⅲ： 1→5→7→8→9→10→11→12→FRM→12→11→10→9→8→6→TDF→4→C1

Ⅳ： 1→5→7→8→9→10→11→12→FRM→12→11→10→9→8→7→5→C1

由于SLD光源的相干長度很短，只有路徑Ⅰ和路徑Ⅲ中的光束最后會(huì)在耦合器C1處產(chǎn)生干涉現(xiàn)象.另外有必要指出的是，另一個(gè)耦合比為99∶1的耦合器(C3)用來評估進(jìn)入到Bi-EDFA2中的后向散射光和信號光的大小.光功率由高精度光功率計(jì)(Optical Power Meter, OPM)進(jìn)行測量.

2 理論分析

對于使用Bi-EDFA的分布式光纖傳感器，Bi-EDFA的工作狀態(tài)在系統(tǒng)信噪比上起重要作用.光纖中產(chǎn)生的后向散射光屬于系統(tǒng)噪聲，而Bi-EDFA不能區(qū)分有用光和無用光，因此它會(huì)影響B(tài)i-EDFA的有效放大.

2.1 光纖中的后向散射特性

瑞利散射(Rayleigh Scattering， RS)是光纖中散射光的主要構(gòu)成.RS作為一種線性散射過程，散射光的強(qiáng)度與光纖入射光的強(qiáng)度成正比.在光纖中，由正向、反向傳輸光組成的電場表達(dá)式可以表示為[15]

E=E0eiβz+Ψ(z,β)e-iβz.

(1)

其中：β為傳播常數(shù)；z為光波在光纖中的傳播距離；E0和Ψ分別為正向光和反向光的場振幅.在瑞利散射較弱的情況下，后向散射光的近似解可以表示為

(2)

其中：Ψ(0,β)代表能被檢測到的反向光信號；Ψ(z=L,β)為光纖端面反射光的振幅；L為光纖長度；ε為材料的介電常數(shù)；Δε為自發(fā)散射的局部波動(dòng).考慮到光纖衰減系數(shù)α，傳播常數(shù)β應(yīng)更改為β+iα.通過式(2)可以看出，光纖中后向散射光的強(qiáng)度與光纖損耗有關(guān).而與單模光纖SMF相比，色散補(bǔ)償光纖DCF具有更高的衰減系數(shù).因此，在入射光相同時(shí)，DCF中的后向散射電場要強(qiáng)于相同長度的SMF中的.

2.2 傳感器信噪比

由于系統(tǒng)信噪比主要由傳感線路決定，接下來對該線路輸出端的信噪比進(jìn)行理論推導(dǎo)，傳感線路的簡化圖如圖2所示.

圖2 傳感線路簡化圖Fig.2 Simplified diagram of sensing line

假定輸入端信號光功率為Pin，Bi-EDFA1與Bi-EDFA2之間損耗為L1，Bi-EDFA2與FRM之間損耗為L2，Bi-EDFA1和Bi-EDFA2對正向光和反向光的增益分別為G1和G4，G2和G3.由于Bi-EDFA要對正、反兩個(gè)方向上的光進(jìn)行放大，其兩端沒有添加隔離器，需要考慮長距離傳感鏈路SL中產(chǎn)生的后向散射光.因此輸出光Pout主要由信號光Ps、自發(fā)輻射光Pase總和后向散射光Pbs總組成，其中后兩項(xiàng)是該系統(tǒng)的噪聲信號.這3種光可以分別表示為

(3)

(4)

(5)

其中：L1和L2為與光纖性質(zhì)相關(guān)的常數(shù).對于式(4),自發(fā)輻射光Pase=2nsp(G-1)hνBf，其中：nsp為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)系數(shù)；h為普朗克常數(shù)；ν為光頻率；Bf為濾波器光帶寬.Pase1和Pase4，Pase2和Pase3分別是Bi-EDFA1和Bi-EDFA2在正向和反向光放大時(shí)產(chǎn)生的自發(fā)輻射光.對于式(5)，Pbs2是反向信號光在傳感鏈路SL中產(chǎn)生并到達(dá)Bi-EDFA2左側(cè)的后向散射光；Pbs1是正向信號光在傳感鏈路SL中產(chǎn)生并到達(dá)Bi-EDFA1右側(cè)的后向散射光.

(6)

3 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

3.1 傳感線路散射光的影響分析

為了評估光纖中實(shí)際散射光的大小，首先采用基于光環(huán)形器(Optical Circulator， OC)的光路系統(tǒng)測試后向散射光與光纖入射光之間的關(guān)系，其結(jié)構(gòu)如圖3所示.光功率計(jì)OPM在環(huán)形器3端口處可以測量到光纖段反饋的后向散射光.待測光纖分為兩大組.第1組，待測光纖又分為圖3(a)、(b)和(c)3種情況.圖3(a)和圖3(c)是對照組實(shí)驗(yàn)，為了研究色散補(bǔ)償光纖在不同位置對線路整體散射光的影響.圖3(b)和圖3(a)、(c)對比是為了考察單模光纖線路和帶有色散補(bǔ)償光纖線路的區(qū)別.第2組中，僅對圖3(a)中第1段8 km DCF和圖3(c)中第1段40 km SMF進(jìn)行測試，與第1組形成對比.測試時(shí)首先調(diào)節(jié)SLD光源強(qiáng)度，使得Bi-EDFA輸入光功率為100 μW；然后以每次10 mA的幅度將Bi-EDFA的泵浦電流從200 mA調(diào)節(jié)到470 mA，并依次對后向散射光進(jìn)行記錄.

圖3 測試光纖后向散射光的系統(tǒng)Fig.3 System for measuring the back-scattered power in fibers

測試結(jié)果如圖4所示，可見后向散射光大小與入射光強(qiáng)度呈線性關(guān)系，其擬合函數(shù)也已標(biāo)記在圖中.首先觀察圖4(a)，相同入射光強(qiáng)度下，當(dāng)色散補(bǔ)償光纖位于信號入射端時(shí)(黑線)后向散射光是單模光纖線路(紅線)中的2倍.調(diào)整色散補(bǔ)償光纖位置至兩段單模光纖中間可以降低整段線路反饋的散射光強(qiáng)度，接近于只有單模光纖的線路.然后觀察圖4(b)，圖中紫線的測量值略高于黑線，是因?yàn)闇y試過程中存在誤差.總體上對于DCF-SMF和SMF-DCF-SMF兩種情況，線路整體反饋的后向散射光與僅由信號入射端一側(cè)光纖反饋的大小基本一致.原因有兩重： 一是輸入光到達(dá)后端光纖時(shí)光強(qiáng)已經(jīng)降低，產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度較??；二是光纖本身存在吸收損耗，后端光纖中產(chǎn)生的后向散射光經(jīng)過前端光纖后大大減弱，如果前端光纖損耗足夠，這部分散射光甚至可以消耗殆盡.

圖4 后向散射光隨入射光的變化曲線Fig.4 Back-scattered power as a function of the incident power

因此，對于圖2(a)～(c) 3種情況，Pbs1和Pbs2主要由位于故Bi-EDFA信號輸出端的光纖散射特性決定.由于位于Bi-EDFA1正向信號輸出端的都是一段單模光纖，3種情況下Pbs1的大小一致.與圖2(b)相比，圖2(a)中位于Bi-EDFA2反向信號輸出端的是一段8 km DCF，因此該情況下Pbs2應(yīng)較大，系統(tǒng)輸出端信噪比較差；而將DCF移至兩段單模光纖中間后，圖2(c)中Pbs2大小變?yōu)橛蓡文９饫w決定，系統(tǒng)信噪比應(yīng)有所提升.

圖5 基于LabVIEW的信號處理算法Fig.5 Block diagram of the data processing algorithm basedon LabVIEW

圖6 散射光占比的計(jì)算方法Fig.6 Method to calculate the proportion of scattered power

圖1(a)和(b) 2種情況下的散射光占比如圖7(a)(見第478頁)所示.可見與SMF-SMF(紅線)情況相比，SMF-DCF(黑線)情況下的散射光占比較大，且兩者間的差值隨著泵浦電流的增加而增大.相同條件下，系統(tǒng)信噪比的對比結(jié)果如圖7(b)所示，可見信噪比與散射光占比情況良好對應(yīng).綜合圖7(a)和(b)可以看出，由于SMF-DCF情況下散射噪聲占比的增加，Bi-EDFA2的有效放大性受到更大抑制，系統(tǒng)信噪比始終低于SMF-SMF情況下的信噪比.因此，與單模線路中相比，帶有色散補(bǔ)償光纖線路中產(chǎn)生的散射光會(huì)對Bi-EDFA的工作狀態(tài)造成更為嚴(yán)重的影響，系統(tǒng)信噪比明顯降低，這是將色散補(bǔ)償光纖用于傳感線路色散補(bǔ)償時(shí)存在的主要問題之一.

圖7 帶有色散補(bǔ)償光纖線路和單模光纖線路的散射光占比和信噪比對比Fig.7 Comparison of the scattered power proportion and SNR between the two cases of SMF-DCF and SMF-SMF

3.2 系統(tǒng)信噪比提升方案分析

對于圖1(a)和(c)，即SMF-DCF和SMF-DCF-SMF 2種情況，為了詳細(xì)分析不同信號光強(qiáng)度下改變DCF分布位置對系統(tǒng)信噪比的影響，調(diào)節(jié)Bi-EDFA1的泵浦電流，使得進(jìn)入Bi-EDFA2的正向信號光功率分別為20、30、40、50 μW，其他器件的參數(shù)設(shè)置與第1組實(shí)驗(yàn)中保持一致.然后在每一種信號光強(qiáng)度下，以同樣的方式調(diào)節(jié)Bi-EDFA2的泵浦電流并記錄信噪比，同時(shí)利用耦合器C3計(jì)算出散射光在Bi-EDFA2入射光中所占的比例.

散射光占比的變化曲線如圖8所示，圖8(a)至(d)分別對應(yīng)于20～50 μW不同信號光強(qiáng)度下的測試結(jié)果.可以看出，散射光占比與Bi-EDFA2泵浦電流成正比例關(guān)系，這是因?yàn)殡S著Bi-EDFA2泵浦電流的增加，反向光信號隨之增強(qiáng)，傳感光纖所反饋的后向散射光也隨之增大.在上述幾種信號光強(qiáng)度下，與SMF-DCF-Bi-EDFA2連接情況相比，將DCF位置調(diào)整到兩段單模光纖中間后，散射光在Bi-EDFA2正向輸入光中所占比例都有大幅減小，如圖8中紅線所示.這說明通過改變傳感光纖中DCF的位置，可以有效抑制該線路反饋給Bi-EDFA2的后向散射噪聲.

系統(tǒng)的信噪比的變化曲線如圖9(見第480頁)所示.對比圖9與圖8的測試結(jié)果可以看出，信噪比的變化趨勢與散射光占比情況高度對應(yīng).當(dāng)色散補(bǔ)償光纖放置在2個(gè)單模光纖中間時(shí)，由于后向散射光占比的減少，Bi-EDFA2的有效放大性得到改善，系統(tǒng)信噪比同步提升；當(dāng)Bi-EDFA2泵浦電流提升到一定程度后，由于Bi-EDFA2增益飽和，信噪比趨于穩(wěn)定.但是對于SMF-DCF-Bi-EDFA2的連接情況，信噪比在曲線末端有所下降，這是因?yàn)樯⑸涔庹急壬仙胶芨叩乃?，超過了Bi-EDFA穩(wěn)定工作的閾值.

圖8 散射光在Bi-EDFA2入射光中所占比例Fig.8 The proportion of back-scattered power in the incident power of Bi-EDFA2

為了更直觀地呈現(xiàn)SMF-DCF和SMF-DCF-SMF 2種分布情況間的信噪比差異(ΔSNR)，將圖9中紅線和黑線的信噪比相減，并繪制出如圖10(見第480頁)所示的信噪比提升效果圖.可見，將DCF位置調(diào)整到兩段單模光纖之間后，隨著Bi-EDFA2泵浦電流的增強(qiáng)，系統(tǒng)信噪比提升效果也越來越明顯.圖中存在幾個(gè)波動(dòng)點(diǎn)，這可能是因?yàn)樯⑸湓肼暤脑黾邮沟肂i-EDFA2的工作狀態(tài)趨于不穩(wěn)定.當(dāng)信號光強(qiáng)度為20 μW時(shí)，信噪比提升幅度最大，最大可達(dá)到3.5 dB.而隨著光信號強(qiáng)度從20 μW逐步提升到50 μW，由于2種情況間散射光占比差距的縮小(如圖8所示)，信噪比整體的差異性也同步減小.綜上，當(dāng)傳感線路中的DCF與Bi-EDFA直接相連時(shí)，該線路產(chǎn)生的散射光會(huì)嚴(yán)重影響B(tài)i-EDFA的有效放大，甚至破壞Bi-EDFA的穩(wěn)定工作點(diǎn)，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比惡化；而通過調(diào)整DCF分布位置，能夠有效抑制進(jìn)入Bi-EDFA中的后向散射噪聲，提升系統(tǒng)信噪比，對解決該工程應(yīng)用問題具有重要意義.

圖9 兩種DCF分布情況下的系統(tǒng)信噪比對比Fig.9 Comparison of the SNR in the two cases of different DCF distributions

圖10 系統(tǒng)信噪比的提升效果Fig.10 Improvement of the system SNR

4 結(jié) 語

本文針對傳感線路中的散射光，就其對基于Bi-EDFA的光纖傳感系統(tǒng)信噪比的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，線路反饋給Bi-EDFA的散射光強(qiáng)主要由與之直接相連的光纖散射特性決定，相同條件下DCF中產(chǎn)生的散射光強(qiáng)約為SMF中的2倍.因此，帶有色散補(bǔ)償光纖線路中產(chǎn)生的散射光對Bi-EDFA的有效放大限制程度更大.針對這一問題，通過將色散補(bǔ)償光纖放置到2個(gè)單模光纖之間的簡單方式，有效抑制了進(jìn)入Bi-EDFA中的后向散射噪聲，提升了系統(tǒng)信噪比.由于信噪比是影響系統(tǒng)靈敏度和精度的關(guān)鍵因素，本文研究可以為將基于Bi-EDFA的分布式光纖傳感系統(tǒng)應(yīng)用于長距離傳感監(jiān)測提供理論支持.