分布式光纖傳感雙通道調制光源設計與測試

張曉青，賈豫東，董建晶

(1.北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院測控技術與儀器系，北京100192;2.北京信息科技大學光電測試技術北京市重點實驗室，北京100101)

引 言

基于布里淵光時域分析(Brillouin optical time-domain analysis，BOTDA)的分布式光纖傳感技術較其它布里淵傳感技術檢測信號強度更大、測量精度更高以及傳感距離更長，已成為該領域研究熱點［1］。但BOTDA光源需要頻差約為布里淵頻移的兩種激光輸出［2］，造成了其光源系統的復雜性和高成本，是制約其應用的關鍵問題。本文中提出并設計了基于布里淵頻移環形腔的雙通道調制光源系統，實現脈沖探測光和掃頻抽運光雙通道光輸出，從而避免采用雙激光器、聲光調制器、微波信號源(大于10GHz)等器件［3-6］，實現低頻相干信號檢測，可有效降低系統成本，提高系統的普遍適用性。

1 BOTDA雙通道調制光源系統設計

1．1 基本結構

BOTDA雙通道調制光源系統基本結構如圖1所示，由脈沖探測光與掃頻抽運光兩個通道組成，采用單只激光器耦合分光，利用光纖布里淵頻移環行腔實現布里淵頻移。由于電光強度調制器受環境及自身工作特性的影響會出現工作點漂移現象［7-8］，為消除其影響，加入基于抖動信號的調制器偏壓控制電路。

Fig.1 Configuration of dual-channel modulated light source

1．2 脈沖探測光通道

激光器發出偏振光，經90/10偏振耦合器分成兩部分。其中，90%部分通過布里淵光纖環形頻移器產生約為1kHz窄線寬的布里淵頻移光(頻率低于入射光1550nm，頻移量約11.2GHz，對應的波長量約為0.1nm)，該布里淵頻移光由電光強度調制器調制得到系統所需脈沖光，該脈沖光的各種參量，如脈寬、重復頻率等均由加載在電光調制器的電脈沖控制。脈沖寬度直接影響BOTDA傳感系統的空間分辨率，如光脈沖寬度為10ns或20ns，理論上BOTDA傳感系統的空間分辨力分別為1m或2m。一般地，脈沖越窄，空間分辨力越高。脈沖重復頻率和傳感系統的測量范圍有關，應根據測量長度來確定脈沖重復頻率。若測量距離是10km，光纖中的光速為2×105km/s，可算得 f≤10kHz。該通道的調制脈沖光進入摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifer，EDFA)進行功率放大，然后作為探測光進入傳感光纖，以實現長距離光纖的背向散射光測量。當電光強度調制器工作在線性調制區域時，脈沖信號將不失真地調制到光波上。調制后的脈沖光表現為梳狀光譜，如圖2所示。

Fig.2 Output light spectrum of pulse intensity modulation

改變強度調制器上下兩臂的偏置電壓分別為4V和10V，使其偏離調制器的線性工作區，則會造成輸出脈沖光功率明顯地降低。所以測量調制器的半波電壓并設置最佳偏置電壓，使系統工作在線性調制區，是電光強度調制的關鍵步驟。

1．3 掃頻抽運光通道

從激光器分出的10%光信號由電光相位調制器(electro-optical phase modulator，EOPM)調制產生掃頻光，該信號經過光隔離器后作為抽運光進入傳感光纖，光隔離器只允許抽運光單向通過，以防止測量光路中抽運掃頻光產生的后向傳輸光、脈沖探測光的散射光對光源輸出功率穩定性產生不良影響。其頻率掃描偏移量由加載在EOPM上的掃頻電信號控制，在EOPM之前需加偏振控制器(polarization controller，PC)進行偏振態的控制以獲得最大的輸出信號以及穩定的傳輸特性。若設置連續激光源中心波長1550nm(頻率194.415THz)，抽運功率10dBm(10mW)，激光線寬1MHz，仿真得到的光譜如圖3所示。為更好地觀察波形，設定頻率為fs=10GHz的正弦信號進入相位調制器，通過光譜儀檢測輸出光譜。輸出光譜如圖4所示。

Fig.3 Laser spectrum

Fig.4 Light spectrum after phase modulation

與圖3比較，圖4中的相位調制產生了一系列的邊帶，這些邊帶之間的頻率間隔為fs，而且各邊帶的幅度和載波之間有特定的關系(由調頻波各階貝塞爾函數決定)。在實際系統中，需要通過調節及控制調制電壓以及輸入光信號功率以獲得最佳的調制深度，使得1階貝塞爾函數所對應的1階光強作為所需要的頻移光。另外，實際應用時掃頻量還需要根據溫度或應變導致的布里淵頻移改變量來設定［9-10］。

2 光源測試與分析

2．1 布里淵頻移光測試

考慮到成本，實驗中傳感光纖采用通信用普通單模光纖，為了使損耗降低，采用1550nm中心波長激光器，選取9km長單模光纖進行布里淵頻移器實驗研究。在環境溫度為20℃的情況下，實測中心波長為1551.28nm，輸出功率為13dBm(20mW)的分布式反饋(distributed feedback，DFB)激光器經過光衰減器進入環形腔。調節可調諧光耦合器的耦合系數為κ=0.5，通過衰減器改變進入環形腔的光功率。當加大進入環形腔的光功率到2.3mW時，斯托克斯光光功率發生突然性增大，且其它波長的散射光急劇衰減，此時光譜上只表現為布里淵斯托克斯光，且斯托克斯光光功率隨著入腔光功率的增加而逐漸增加，激光器輸出功率與頻移器輸出功率呈線性增長趨勢。實驗中得到此時的光光平均轉換效率約為45%，頻移器閾值為2.3mW。與不加環形腔的閾值測試相比，頻移器有了大約4倍的降低，這說明腔型結構的反饋機制能大幅降低受激布里淵散射閾值。圖5為激光器輸出功率為13dBm(20mW)情況下，激光器與頻移輸出光譜對比圖，可以看到布里淵斯托克斯頻移量約為0.1nm。

Fig.5 Comparison between laser spectrum and light spectrum with frequency shift

改變光耦合器的耦合系數κ從0.1開始一直到0.9，每次改變量為0.1，按照前面的實驗步驟，記錄數據，得到頻移器閾值、光光轉換效率與耦合器耦合比的曲線關系圖，如圖6所示。

從圖6可以看到，所設計的9km環形腔頻移器在κ≤0．4時，閾值功率隨著κ的增大而急劇減小，而在κ≥0.4之后頻移器的閾值功率幾乎沒有變化，約為2.3mW。結果表明，頻移器腔內的受激布里淵散射隨著κ的增加而增強，到達κ=0．4之后，受激布里淵散射效應一直處于較強狀態。結合頻移器光光轉換效率與耦合器耦合比關系，可得到9km單模光纖構成的環形腔頻移器的最佳工作狀態，此時，耦合器耦合比為0.4，光光轉換效率為49%。

Fig.6 Relationship between coupling ratio and threshold power，coupling ratio and conversion efficiency

2．2 脈沖探測光測試

在脈沖探測光通道，激光脈沖輸出由電脈沖驅動源控制電光強度調制器得到，電光強度調制器選用10Gbit/s高速電光調制器，根據實測電光強度調制器的半波電壓，給調制器加上3V直流偏置電壓，使調制器工作在線性調制區。在示波器上觀察電脈沖和光脈沖的調節一致性，如圖7所示。在圖7中，示波器上顯示的CH1通道(上方的脈沖)為光電探測器探測到的波形，CH2通道(下方的脈沖)為加載到調制器上的信號源波形，兩組波形的重復頻率都是100kHz。

Fig.7 Comparison between input light and output light of intensity modulator with different pulse widtha—modulating pulse width of 500ns b—modulating pulse width of20ns

圖7a中信號的脈沖寬度為500ns，圖7b中信號的脈沖寬度為20ns，通過調節電脈沖驅動信號的寬度，實現了光脈沖寬度的調節，兩組脈沖一致性好，符合快速光纖測量系統的要求。當脈沖信號驅動源脈寬調節到10ns及以下時，調制后的信號出現比較大的展寬和功率減小。造成這種情況的主要原因是由于窄脈寬情況下，信號功率本身減小，電光強度調制器的調制速度也產生了一定的滯后，致使調制后的信號出現展寬。另外，電脈沖驅動源的重復頻率可調范圍設計為30Hz～100kHz，從而得到光脈沖信號的重復頻率可調范圍也為30Hz～100kHz，多次實驗表明，調制前后信號一致性好，波形穩定。

2．3 掃頻抽運光測試

利用所選電光相位調制器的獨立雙路特性，將其中一路加入調制信號源，另一路不做調制，兩路輸出通過2×1光纖耦合器，利用光相干原理，對兩路光進行拍頻，實現相位調制信號的檢測。根據5.8V的半波電壓，調節信號源的電壓為2.9V，使調制器工作在線性區中點，得到實驗測試結果如圖8所示，圖中的掃描頻率偏移量約為1MHz，上方曲線是現場可編程門陣列掃頻信號驅動源波形，下方是調制后檢測出的1階邊帶頻率偏移量的信號波形。

Fig.8 Phase modulation signal with frequency of 1MHz

在掃頻光輸出通道，掃頻驅動源基于現場可編程門陣列和數字頻率合成技術進行設計，選擇相應的頻率控制字，使頻率步進值為30Hz［11］，輸出的部分頻率值與實測頻率值如表1所示。

Table 1 Test results of sweeping frequency of drive source

電光相位調制可以改變光波的頻率，并通過確定半波電壓，調節信號源幅度(即調制電壓)，使其最大程度地抑制高階邊帶而得到1階邊帶調制光，從而得到理想的相位調制光輸出。掃頻設計范圍是0MHz～90MHz，實驗表明，用通用的低頻光電探測器件能完成該范圍內相位調制光的相干檢測。

3 結論

基于布里淵環形腔頻移器、電光強度調制器以及電光相位調制器的BOTDA雙通道調制光源系統(包括脈沖探測光和抽運掃頻光兩個通道)，可以得到頻差為布里淵頻移的兩路光輸出，脈沖探測光通道具有窄線寬的布里淵頻移光譜輸出，光脈沖寬度低至10ns，抽運掃頻光的掃頻范圍為0MHz～90MHz，掃頻步進值為30Hz，這些主要技術指標滿足BOTDA系統對光源的指標要求。實驗結果表明，該光源適用于BOTDA系統，結構簡單、激光輸出參量可靈活配置、提高了系統穩定性和適用性、降低了系統成本。

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