張曉青，賈豫東，董建晶

(1.北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院測控技術(shù)與儀器系，北京100192;2.北京信息科技大學(xué)光電測試技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)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(shù)較其它布里淵傳感技術(shù)檢測信號強(qiáng)度更大、測量精度更高以及傳感距離更長，已成為該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)［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(tǒng)的復(fù)雜性和高成本，是制約其應(yīng)用的關(guān)鍵問題。本文中提出并設(shè)計了基于布里淵頻移環(huán)形腔的雙通道調(diào)制光源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脈沖探測光和掃頻抽運(yùn)光雙通道光輸出，從而避免采用雙激光器、聲光調(diào)制器、微波信號源(大于10GHz)等器件［3-6］，實(shí)現(xiàn)低頻相干信號檢測，可有效降低系統(tǒng)成本，提高系統(tǒng)的普遍適用性。

1 BOTDA雙通道調(diào)制光源系統(tǒng)設(shè)計

1．1 基本結(jié)構(gòu)

BOTDA雙通道調(diào)制光源系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，由脈沖探測光與掃頻抽運(yùn)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(huán)行腔實(shí)現(xiàn)布里淵頻移。由于電光強(qiáng)度調(diào)制器受環(huán)境及自身工作特性的影響會出現(xiàn)工作點(diǎn)漂移現(xiàn)象［7-8］，為消除其影響，加入基于抖動信號的調(diào)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(fā)出偏振光，經(jīng)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(huán)形頻移器產(chǎn)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(yīng)的波長量約為0.1nm)，該布里淵頻移光由電光強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制得到系統(tǒng)所需脈沖光，該脈沖光的各種參量，如脈寬、重復(fù)頻率等均由加載在電光調(diào)制器的電脈沖控制。脈沖寬度直接影響B(tài)OTDA傳感系統(tǒng)的空間分辨率，如光脈沖寬度為10ns或20ns，理論上BOTDA傳感系統(tǒng)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(fù)頻率和傳感系統(tǒng)的測量范圍有關(guān)，應(yīng)根據(jù)測量長度來確定脈沖重復(fù)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(diào)制脈沖光進(jìn)入摻鉺光纖放大器(erbium-doped fiber amplifer，EDFA)進(jìn)行功率放大，然后作為探測光進(jìn)入傳感光纖，以實(shí)現(xiàn)長距離光纖的背向散射光測量。當(dāng)電光強(qiáng)度調(diào)制器工作在線性調(diào)制區(qū)域時，脈沖信號將不失真地調(diào)制到光波上。調(diào)制后的脈沖光表現(xiàn)為梳狀光譜，如圖2所示。

Fig.2 Output light spectrum of pulse intensity modulation

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

1．3 掃頻抽運(yùn)光通道

從激光器分出的10%光信號由電光相位調(diào)制器(electro-optical phase modulator，EOPM)調(diào)制產(chǎn)生掃頻光，該信號經(jīng)過光隔離器后作為抽運(yùn)光進(jìn)入傳感光纖，光隔離器只允許抽運(yùn)光單向通過，以防止測量光路中抽運(yùn)掃頻光產(chǎn)生的后向傳輸光、脈沖探測光的散射光對光源輸出功率穩(wěn)定性產(chǎn)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(jìn)行偏振態(tài)的控制以獲得最大的輸出信號以及穩(wěn)定的傳輸特性。若設(shè)置連續(xù)激光源中心波長1550nm(頻率194.415THz)，抽運(yùn)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(shè)定頻率為fs=10GHz的正弦信號進(jìn)入相位調(diào)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(diào)制產(chǎn)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(guān)系(由調(diào)頻波各階貝塞爾函數(shù)決定)。在實(shí)際系統(tǒng)中，需要通過調(diào)節(jié)及控制調(diào)制電壓以及輸入光信號功率以獲得最佳的調(diào)制深度，使得1階貝塞爾函數(shù)所對應(yīng)的1階光強(qiáng)作為所需要的頻移光。另外，實(shí)際應(yīng)用時掃頻量還需要根據(jù)溫度或應(yīng)變導(dǎo)致的布里淵頻移改變量來設(shè)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(shí)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(jìn)行布里淵頻移器實(shí)驗研究。在環(huán)境溫度為20℃的情況下，實(shí)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(jīng)過光衰減器進(jìn)入環(huán)形腔。調(diào)節(jié)可調(diào)諧光耦合器的耦合系數(shù)為κ=0.5，通過衰減器改變進(jìn)入環(huán)形腔的光功率。當(dāng)加大進(jìn)入環(huán)形腔的光功率到2.3mW時，斯托克斯光光功率發(fā)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(xiàn)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(shí)驗中得到此時的光光平均轉(zhuǎn)換效率約為45%，頻移器閾值為2.3mW。與不加環(huán)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(jié)構(gòu)的反饋機(jī)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(shù)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(shí)驗步驟，記錄數(shù)據(jù)，得到頻移器閾值、光光轉(zhuǎn)換效率與耦合器耦合比的曲線關(guān)系圖，如圖6所示。

從圖6可以看到，所設(shè)計的9km環(huán)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(jié)果表明，頻移器腔內(nèi)的受激布里淵散射隨著κ的增加而增強(qiáng)，到達(dá)κ=0．4之后，受激布里淵散射效應(yīng)一直處于較強(qiáng)狀態(tài)。結(jié)合頻移器光光轉(zhuǎn)換效率與耦合器耦合比關(guān)系，可得到9km單模光纖構(gòu)成的環(huán)形腔頻移器的最佳工作狀態(tài)，此時，耦合器耦合比為0.4，光光轉(zhuǎn)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(qū)動源控制電光強(qiáng)度調(diào)制器得到，電光強(qiáng)度調(diào)制器選用10Gbit/s高速電光調(diào)制器，根據(jù)實(shí)測電光強(qiáng)度調(diào)制器的半波電壓，給調(diào)制器加上3V直流偏置電壓，使調(diào)制器工作在線性調(diào)制區(qū)。在示波器上觀察電脈沖和光脈沖的調(diào)節(jié)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(diào)制器上的信號源波形，兩組波形的重復(fù)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(diào)節(jié)電脈沖驅(qū)動信號的寬度，實(shí)現(xiàn)了光脈沖寬度的調(diào)節(jié)，兩組脈沖一致性好，符合快速光纖測量系統(tǒng)的要求。當(dāng)脈沖信號驅(qū)動源脈寬調(diào)節(jié)到10ns及以下時，調(diào)制后的信號出現(xiàn)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(qiáng)度調(diào)制器的調(diào)制速度也產(chǎn)生了一定的滯后，致使調(diào)制后的信號出現(xiàn)展寬。另外，電脈沖驅(qū)動源的重復(fù)頻率可調(diào)范圍設(shè)計為30Hz～100kHz，從而得到光脈沖信號的重復(fù)頻率可調(diào)范圍也為30Hz～100kHz，多次實(shí)驗表明，調(diào)制前后信號一致性好，波形穩(wěn)定。

2．3 掃頻抽運(yùn)光測試

利用所選電光相位調(diào)制器的獨(dú)立雙路特性，將其中一路加入調(diào)制信號源，另一路不做調(diào)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(jìn)行拍頻，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制信號的檢測。根據(jù)5.8V的半波電壓，調(diào)節(jié)信號源的電壓為2.9V，使調(diào)制器工作在線性區(qū)中點(diǎn)，得到實(shí)驗測試結(jié)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(xiàn)場可編程門陣列掃頻信號驅(qū)動源波形，下方是調(diào)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(qū)動源基于現(xiàn)場可編程門陣列和數(shù)字頻率合成技術(shù)進(jìn)行設(shè)計，選擇相應(yīng)的頻率控制字，使頻率步進(jìn)值為30Hz［11］，輸出的部分頻率值與實(shí)測頻率值如表1所示。

Table 1 Test results of sweeping frequency of drive source

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

3 結(jié)論

基于布里淵環(huán)形腔頻移器、電光強(qiáng)度調(diào)制器以及電光相位調(diào)制器的BOTDA雙通道調(diào)制光源系統(tǒng)(包括脈沖探測光和抽運(yùn)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(yùn)掃頻光的掃頻范圍為0MHz～90MHz，掃頻步進(jìn)值為30Hz，這些主要技術(shù)指標(biāo)滿足BOTDA系統(tǒng)對光源的指標(biāo)要求。實(shí)驗結(jié)果表明，該光源適用于BOTDA系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、激光輸出參量可靈活配置、提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和適用性、降低了系統(tǒng)成本。

［1］ BAO X Y，CHEN L.Recent progress in optical fiber sensors based on Brillouin scattering at university of Ottawa［J］.Photonic Sensors，2011，1(2):102-117.

［2］ GALINDEZ-JAMIOY C A，L’OPEZ-HIGUERA J M.Brillouin distributed fiber sensors an overview and applications［J］.Journal of Sensors，2012，2012:204121.

［3］ SONG M P.The technique of Brillouin scattering-distributed optical fiber sensing based on microwave electrooptical modulation［J］.Acta Optica Sinaca，2004，24(8):1111-1114(in Chinese).

［4］ CHEN F C，HU J C，ZHANG C T，et al.Distributed Brillouin optical fiber temperature sensor based on high frequency microwave technology［J］.Chinese Journal of Lsaers，2012，39(6):1-5(in Chinese).

［5］ URRICELQUI J，ZORNOZA A，SAGUES M，et al.Dynamic BOTDA measurements based on Brillouin phase-shift and RF demodulation［J］.Optics Express，2012，20(24):26942-26949.

［6］ JIANG S，CHANG J，ZHANG S，et al.A method for eliminating the impact of microwave sweeper power fluctuation in BOTDA system［J］.Photonics Sensors，2014，4(1):86-91.

［7］ LI X，ZHAO S H，LI Y J，et al.An automatic bias control method applied to all bias points of electro-optic modulator［J］.Laser Technology，2013，37(4):473-477(in Chinese).

［8］ REN T T，XU C，ZHENG S L，et al.Effect of dither tone-based electro-optic modulator bias control on radio-frequency signal［J］.Laser Journal，2013，37(6):773-776(in Chinese).

［9］ HU J H，ZHANG D W，TAO C X，et al.Research and development of distributed optic fiber sensors based on Brillouin scattering［J］.Laser Journal，2011，32(6):1-3(in Chinese).

［10］ HUANG M S，ZENG L，TAO B Q，et al.Parameter calculation of distributed optical fiber strain sensor based on Brillouin scattering［J］.Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，1999，20(2):137-140(in Chinese).

［11］ DONG J J，ZHANG X Q.Design of broadband frequency-sweep signal generator based on FPGA and AD9854［J］.Foreign Electronic Measurement Technology，2013，32(11):65-69(in Chinese).