饒云江，封 莎，冉曾令，蔣 祺

(1. 電子科技大學(xué)寬帶光纖傳輸和通信網(wǎng)技術(shù)教育部重點實驗室 成都 611731;2. 重慶大學(xué)光電技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室 重慶 沙坪壩區(qū) 400044)

光纖布拉格光柵作為一種新型的傳感器具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，以及小尺寸和對電磁波不敏感性，適于在高溫、腐蝕性或危險性環(huán)境使用[1-3]。因此，基于光纖布拉格光柵的各種傳感系統(tǒng)得到了快速的發(fā)展，部分光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)較為成熟并已商用化[4]。但是，由于激光器功率的限制、光纖本身的傳輸損耗、散射及器件間連接損耗等原因，導(dǎo)致隨著傳感距離的增加，傳感信號的功率和系統(tǒng)信噪比(SNR)大幅度降低，使光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離受到限制[5]。在許多場合，如鐵道、輸油(氣) 管道、海岸線等超長距離遙測中，需要能傳輸上百公里甚至幾百公里距離且信噪比優(yōu)良的系統(tǒng)。近年來，已有增加光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)的傳輸距離[6-11]的報道。文獻(xiàn)[10]提出基于掃描激光器和光放大的100 km光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了100 km長距離FBG傳感系統(tǒng)，其信噪比約為7 dB。文獻(xiàn)[11]提出基于EDFA的FBG傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)了230 km長距離FBG傳感系統(tǒng)，但其信噪比僅有4 dB，且對系統(tǒng)光源要求高。因此本文提出了對基于可調(diào)激光器的光纖布拉格光柵傳感系統(tǒng)進(jìn)行EDFA/FRA混合放大的方法，使整個系統(tǒng)的探測距離能夠達(dá)到300 km，并具有良好的信噪比。

1 實驗原理

實驗系統(tǒng)裝置如圖1所示。從光源發(fā)出的掃描光經(jīng)過聲光調(diào)制器后形成脈沖光，經(jīng)EDFA放大后進(jìn)入一個99:1的耦合器，99%的脈沖光作為信號光從環(huán)行器1端口進(jìn)入，經(jīng)環(huán)行器2端口進(jìn)入光纖，后向泵浦經(jīng)過波分多路復(fù)用(wavelength division multiplex，WDM) 進(jìn)入光纖對信號光進(jìn)行拉曼放大，從放置在光纖末端的FBG反射回的信號光經(jīng)環(huán)行器3端口進(jìn)入探測器，與1%的脈沖光(用于校正光源功率抖動)一起進(jìn)入信號處理單元，最后經(jīng)過計算機(jī)處理并顯示結(jié)果。

圖1 實驗系統(tǒng)裝置

圖2所示為探測器2得到的時域信號示意圖。設(shè)FBG的中心波長為λFBG，反射率為Rref，傳輸光纖長度為L，折射率為n，那么FBG反射譜的功率為：

式中，0P為光源的輸出功率；α為傳輸光纖的損耗[12]。

瑞利散射光功率可描述為：

圖2 探測器信號示意圖

通常，α和R分別取值為0.2 dB/km和0.002 2。

2 實驗結(jié)果及分析

圖3所示為FBG分別安放在系統(tǒng)50,100,200,250,275,300 km處的反射譜。當(dāng)FBG安放在50 km和100 km處時，由于入射光強(qiáng)度很大，所以FBG反射信號非常強(qiáng)，此時未加入后向泵浦放大，當(dāng)系統(tǒng)超過200 km處時，由于傳輸光纖距離延長引起信號光損耗過大，反射回來的FBG信號光已經(jīng)非常微弱，此時加入后向泵浦對信號光進(jìn)行放大，實現(xiàn)了系統(tǒng)距離延長至300 km。本文系統(tǒng)中200,250,275,300km處的泵浦功率分別為0.56,0.76,0.92,1.1W。如圖4所示，在50 km與100 km處未加入后向泵浦時，系統(tǒng)的信噪比均在25 dB以上，當(dāng)系統(tǒng)延長至200 km并加入后向泵浦后，系統(tǒng)的信噪比為28.5 dB，比100 km不加泵浦時還要好。隨著距離的增加，F(xiàn)BG反射信號減弱，整個系統(tǒng)的信噪比也不斷下降，但是在300 km處信噪比仍然達(dá)到了4 dB，反射信號亦非常明顯。

圖3 FBG反射信號的實驗測量圖

圖4 不同距離處FBG反射信號的信噪比

如圖5所示分別為系統(tǒng)在100,200,250,300 km處的靜態(tài)應(yīng)變實驗，從圖中可以很明確地看出不管FBG安放在系統(tǒng)的哪個位置，其靜態(tài)應(yīng)變的線性度均在0.999以上。

圖5 不同距離處FBG靜態(tài)應(yīng)變實驗

3 結(jié) 論

本文系統(tǒng)采用可調(diào)激光器作為光源，發(fā)出的掃描光經(jīng)過聲光調(diào)制器后成為脈沖光。脈沖光經(jīng)EDFA放大再經(jīng)拉曼放大，系統(tǒng)傳輸距離低于275 km時信噪比大于15 dB，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了300 km超長距離的FBG傳感。系統(tǒng)中，F(xiàn)BG在不同距離處的靜態(tài)應(yīng)變線性度均在0.999以上，故系統(tǒng)可用于超長距離應(yīng)變監(jiān)測。通過優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)以及光放大方案有望進(jìn)一步延長系統(tǒng)傳輸距離。

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