曹翠新,李永倩,李曉娟,張 敏

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系,河北保定071003）

基于多波光源的BOTDR系統(tǒng)的研究進(jìn)展

曹翠新,李永倩,李曉娟,張 敏

（華北電力大學(xué) 電子與通信工程系,河北保定071003）

根據(jù)光源的特性對(duì)多波長光源進(jìn)行了分類，分析了基于多波長光源的布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)的特性，包括SBS閾值和布里淵譜的波長依賴性，同時(shí)介紹了基于多波長光源的布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。

光纖傳感；多波長光纖激光器；多縱模FP激光器；布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)

0 引言

基于布里淵散射的光纖傳感技術(shù)是一種基于測量光波在光纖中傳播時(shí)產(chǎn)生布里淵散射光的傳感方式。近年來，有學(xué)者針對(duì)布里淵傳感系統(tǒng)性能低的問題，將多波長光源應(yīng)用于傳感系統(tǒng)并做了相應(yīng)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，采用多波長光源的布里淵散射傳感系統(tǒng)獲得的系統(tǒng)性能均高于采用傳統(tǒng)的基于窄譜光源的系統(tǒng)性能。本文從多波長光源出發(fā)，介紹近年來研究中出現(xiàn)的多種類型的多波長光源，對(duì)基于多波長光源的布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。

1 多波長激光光源

目前，多波長光源主要有3種：多波長光纖激光器、外調(diào)制產(chǎn)生多波長探測光和多縱模FP激光器。

圖1 Lyot-Sagnac濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.1 多波長光纖激光器

多波長光纖激光器一般采用摻鉺光纖作為增益介質(zhì)，采用非線性損耗引起峰值限制效應(yīng)，從而有效抑制激光器的模式競爭，在腔內(nèi)梳狀濾波器的共同作用下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的多波長輸出[1]。近年來，多波長光纖激光器的腔結(jié)構(gòu)常采用的是Lyot-Sagnac濾波器結(jié)構(gòu)[2]和M-Z梳狀濾波器結(jié)構(gòu)[3]。腔結(jié)構(gòu)為Lyot-Sagnac濾波器結(jié)構(gòu)的多波長光纖激光器如圖1所示，由兩段保偏光纖（PMF）、兩個(gè)偏振控制器（PC）和一個(gè)耦合器（OC）組成。通過調(diào)節(jié)偏振角度和PMF1、PMF2的長度Leff達(dá)到改變波長間隔和波長數(shù)量的目的。

腔濾波器結(jié)構(gòu)為M-Z濾波器結(jié)構(gòu)的多波長光纖激光器如圖2所示，由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)偏振片、兩個(gè)3dB OC1和OC2、兩個(gè)不等長的干涉臂L1和L2、兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡（FRM）組成，F(xiàn)RM1和FRM2控制兩個(gè)干涉臂的偏振方向。通過改變L1和L2的長度或雙折射率的大小調(diào)節(jié)波長間隔。

圖2 M-Z濾波器結(jié)構(gòu)圖

1.2 外調(diào)制產(chǎn)生多波長探測光

用電光調(diào)制器（EOM）調(diào)制單波長激光器產(chǎn)生多波長探測光的主要原理是：對(duì)單波長激光作周期性相位調(diào)制時(shí)，會(huì)在原光頻兩側(cè)產(chǎn)生頻移為調(diào)制頻率倍數(shù)的一系列頻率邊帶，因此使電光調(diào)制器工作在特定的調(diào)制深度，可以獲得多波長探測光[4]。電光調(diào)制器有電光相位調(diào)制器和電光強(qiáng)度調(diào)制器。電光強(qiáng)度調(diào)制器是用一對(duì)電光相位調(diào)制器構(gòu)成雙臂的M-Z干涉儀，加載在兩臂的電場大小相等、符號(hào)相反，輸入光場沿波導(dǎo)被平均分成兩部分，每一部分都各自受到相位調(diào)制。改變EOM的調(diào)制深度獲得不同的邊帶數(shù)，而調(diào)制深度與調(diào)制器半波電壓和射頻信號(hào)幅度有關(guān)。因此為了獲取理想光頻數(shù)，需要通過調(diào)節(jié)射頻信號(hào)幅度和調(diào)制器半波電壓，改變調(diào)制深度達(dá)到實(shí)現(xiàn)多波長的目的。

1.3 多縱模FP激光器

多縱模FP激光器受到激光增益曲線和諧振腔縱模共同作用，實(shí)現(xiàn)了輸出包含N個(gè)超過SBS閾值的縱模[5]，如圖3所示。腔長為L的多縱模FP激光器的縱模間隔Δvq為：

圖3 多模FP激光器的激光增益曲線與諧振腔縱模的相互作用

式（1）中，vq+1和vq分別是縱模q+1和q的頻率，c為光速。一般情況下，多個(gè)縱模的相位相互之間沒有關(guān)聯(lián)，但受到激光工作物質(zhì)及腔長的熱變形、泵浦能量的變動(dòng)等影響時(shí)，多個(gè)縱模的相位是不穩(wěn)定的，所以多縱模FP激光器的各縱模的振幅及相位均不固定。激光輸出隨時(shí)間的變化是各縱模無規(guī)則疊加的結(jié)果，是一種時(shí)間平均的統(tǒng)計(jì)值。

2 多波長光源BOTDR系統(tǒng)特性

基于多波長光源的BOTDR系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是在保證不發(fā)生單端SBS的前提下提高入纖光功率。然而，布里淵傳感方案采用多波長光源時(shí)受布里淵譜波長依賴性的影響，在接收端產(chǎn)生的布里淵散射光如果波長間隔太近會(huì)存在疊加效應(yīng)影響系統(tǒng)特性，因此需考慮多波長光源的波長間隔。

2.1 SBS閾值

在保證空間分辨率不變時(shí)，傳統(tǒng)的基于單波長光源的BOTDR系統(tǒng)通常通過增加脈沖光峰值功率和測量平均次數(shù)來提高系統(tǒng)信噪比。采用單波長窄譜光源時(shí)，光纖SBS閾值可表示為[6]：

式（2）中，Aeff為有效纖芯面積，gB為布里淵增益，xSBS為SBS的偏振因子，Leff是光纖的有效作用長度，Leff= [1-exp(-αL)]/α，L是光纖長度，α是光纖衰減系數(shù)。本文選取 G.652光纖參數(shù)的典型值 Aeff=50μm2，α= 0.2dB/km，gB=5×10-11m/W，xSBS=2/3[7]。當(dāng)L=25km時(shí)，由式（2）可得，SBS閾值Pcr≈2.1448mW。因此采用單波長窄譜光源時(shí)，SBS閾值限制了入纖脈沖功率，系統(tǒng)傳感性能的提高受限。

在連續(xù)光受激布里淵散射實(shí)驗(yàn)中，可測得在多波長光源的每個(gè)波長下產(chǎn)生單端SBS閾值與采用單波長光源時(shí)相同[4]。另外，如果光源波長間隔大于布里淵譜寬，且在光纖中產(chǎn)生SBS的有效相互作用長度大于激光相干長度，則各波長獨(dú)立地產(chǎn)生SBS。傳感光纖的SBS閾值與多波長光源的波長數(shù)成正比，與光源的譜寬無關(guān)。由于Leff僅與光纖有關(guān)，因此在考慮基于多波長激光器的BOTDR系統(tǒng)的SBS閾值時(shí)可只考慮單個(gè)波長的SBS閾值。在保證每個(gè)波長的入纖光功率均低于光纖SBS閾值時(shí)，系統(tǒng)的SBS閾值遠(yuǎn)大于采用單波長光源時(shí)的SBS閾值，從而可使系統(tǒng)的入纖功率大大提高，進(jìn)而有效地提高系統(tǒng)的傳感性能。

2.2 布里淵譜的波長依賴性

假設(shè)聲波以exp(-ΓBt)衰減，則布里淵增益譜服從洛倫茲形譜線分布[7]，其歸一化頻譜可表示為：

式（3）中，ΓB為阻尼時(shí)間，布里淵自然線寬ΔvB與 ΓB滿足ΔvB=ΓB/(2π)，其中ΓB與聲子壽命（TB＜10ns）的關(guān)系為TB=ΓB-1；ΩB為聲波頻率，布里淵頻移vB=ΩB/2π= 2npvA/λp，vA為光纖中聲速，np為波長λp處的有效模折射率。

由布里淵頻移公式可知，布里淵頻移vB依賴于光波長，為了使多波長光產(chǎn)生的布里淵散射譜不發(fā)生譜混疊現(xiàn)象，應(yīng)選擇合適的波長頻率間隔。本文選取vA= 5960m/s，nP=1.45，根據(jù)布里淵頻移公式可計(jì)算得到波長為1550nm時(shí)的布里淵頻移約為11GHz。當(dāng)多波長光源的中心波長為1550nm時(shí)，選取布里淵線寬ΔvB為 35MHz，因此頻率間隔分別為 1ΔvB、2ΔvB、3ΔvB、4ΔvB、5ΔvB、6ΔvB和7ΔvB時(shí)的兩個(gè)布里淵譜產(chǎn)生的歸一化布里淵散射疊加譜如圖4所示。由圖4分析可得，當(dāng)頻率間隔大于等于6ΔvB時(shí)，各波長產(chǎn)生的布里淵頻譜不產(chǎn)生混疊，則頻率間隔應(yīng)大于等于6ΔvB=6× 35MHz=210MHz。

圖4 不同頻率間隔的布里淵散射譜圖

根據(jù)公式c=λf可求得波長1550nm對(duì)應(yīng)的頻率為193.5THz。即在1550nm時(shí)的頻率波長變化率為124.8GHz/nm。因此，當(dāng)布里淵譜的間隔為210MHz時(shí)，對(duì)應(yīng)的多波長光源的波長間隔約為0.0017nm。根據(jù)布里淵頻移vB與光波長λp的公式可得圖5的線性關(guān)系，波長為1550nm時(shí)布里淵頻移的波長依賴關(guān)系為-7.194MHz/nm。因此為提高測量精度，要使各波長布里淵頻移的差異小于2MHz，則光源的最大波長差要小于2/7.194nm=0.2780nm。通過上述分析可得，為滿足布里淵頻譜不產(chǎn)生混疊且頻移差小于2MHz，使用多波長光源波長間隔的取值范圍為 0.0017～0.2780nm。

圖5 布里淵頻移與泵浦波長的關(guān)系

3 多波長光源BOTDR系統(tǒng)的研究進(jìn)展

目前，基于多波長光源的BOTDR傳感系統(tǒng)主要分為基于外調(diào)制產(chǎn)生多頻探測光的BOTDR系統(tǒng)和基于多縱模FP激光器的BOTDR系統(tǒng)。

3.1 基于外調(diào)制產(chǎn)生多頻探測光的BOTDR系統(tǒng)

圖6 基于多頻探測光的BOTDR系統(tǒng)

基于外調(diào)制產(chǎn)生多頻探測光的BOTDR系統(tǒng)如圖6所示[8]，系統(tǒng)光源由單波長激光器、電光調(diào)制器（EOM1）和微波源1組成。微波源1發(fā)出的2GHz微波信號(hào)通過EOM1對(duì)連續(xù)激光輸出進(jìn)行外調(diào)制，實(shí)現(xiàn)0階和±1階三個(gè)光頻為主且光功率近似相等的多波長光波輸出。波長間隔為0.016nm的三波長信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器（EDFA）放大，通過耦合器1將光源分為兩路。其中一路光信號(hào)經(jīng)PC1和EOM2調(diào)制成脈沖光并經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入光纖，光纖末端的加熱箱用以對(duì)光纖加溫，以改變光纖的布里淵散射譜，光纖產(chǎn)生的布里淵散射光通過環(huán)形器從3端口輸出；另一路光信號(hào)經(jīng)PC2、微波源2和EOM3調(diào)制用以對(duì)三波長連續(xù)光產(chǎn)生11GHz的頻移作為參考光，擾偏器（PS）用以擾動(dòng)移頻連續(xù)光的偏振態(tài)以避免相干探測時(shí)出現(xiàn)的偏振衰落。參考光和布里淵散射光形成拍頻信號(hào)，該拍頻信號(hào)通過帶寬為800MHz的光電檢測器進(jìn)行相干檢測，通過調(diào)節(jié)頻譜分析儀（ESA）的測量頻率實(shí)現(xiàn)掃頻。該系統(tǒng)產(chǎn)生的信噪比RSN為：

式（4）中，R為PD響應(yīng)度，N為波長數(shù)，PB(t)和PLO分別是單個(gè)波長產(chǎn)生的布里淵散射光和參考光功率，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為材料的熱力學(xué)溫度，B為光電檢測器帶寬，RL為負(fù)載阻值，q為電荷量，為儀器ESA的噪聲。N=1時(shí)對(duì)應(yīng)基于單波長光源的BOTDR系統(tǒng)的信噪比。

實(shí)驗(yàn)表明，三波長BOTDR系統(tǒng)的信噪比比單波長系統(tǒng)提高4.2dB，在光纖溫度系數(shù)為1.05MHz/℃時(shí)，基于三波長和單波長光源的系統(tǒng)溫度分辨率分別為0.8℃和1.6℃。由此可見，隨著波長數(shù)的增加，系統(tǒng)的信噪比和性能均提高。

3.2 基于多模FP激光器的BOTDR系統(tǒng)

基于多縱模FP激光器外調(diào)制和布里淵散射光與本振光外差的BOTDR傳感系統(tǒng)[9]如圖7所示。多縱模FP激光器可直接產(chǎn)生多個(gè)縱模，無需通過改變電光調(diào)制器的調(diào)制深度實(shí)現(xiàn)多波長輸出。FP激光器可輸出30個(gè)線寬為10nm、波長間隔為0.25nm的波長，各波長布里淵頻移的差異小于2MHz，F(xiàn)P激光器產(chǎn)生的入纖功率為15dBm，經(jīng)90/10 OC1分為兩路光，10%光作為本振光（OLO）通過PS擾動(dòng)連續(xù)光的偏振態(tài)避免相干探測時(shí)出現(xiàn)的偏振衰落；90%光經(jīng)PC進(jìn)入M-Z干涉儀（MZI），通過127位Simplex編碼調(diào)制成350ns的脈沖光。脈沖光經(jīng)環(huán)形器進(jìn)入25km的光纖，光纖末端的加熱箱用以對(duì)光纖加溫，以產(chǎn)生不同的布里淵譜，產(chǎn)生的背向散射光通過環(huán)形器3端口進(jìn)入接收端。本振光和布里淵散射光通過12.5GHz的光電檢測器和互阻抗放大器（TIA），參考光和布里淵散射光形成拍頻信號(hào)通過帶寬為40GHz且工作在zero-span模式的ESA。當(dāng)光源使用傳統(tǒng)的單波長DFB激光器時(shí)，受到單端入纖SBS閾值的限制，入纖功率為1.5dBm，在25km光纖末端實(shí)現(xiàn)的溫度和應(yīng)變的分辨率分別為20℃和470με；采用多模FP激光器時(shí)，保證每個(gè)波長產(chǎn)生的功率均低于SBS閾值，獲得的入纖功率為15dBm，在25km光纖末端可實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變分辨率分別為1.2℃和100με。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用多縱模FP激光器的入纖功率遠(yuǎn)大于采用DFB激光器的入纖功率，并且采用多波長激光器時(shí)獲得的系統(tǒng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于采用單波長激光器的系統(tǒng)性能。

圖7 基于多縱模FP激光器的BOTDR系統(tǒng)

4 結(jié)束語

本文介紹了基于多波長光源的BOTDR系統(tǒng)進(jìn)展情況，針對(duì)不同多波長光源的特性和BOTDR系統(tǒng)的性能要求，應(yīng)該選擇合適的多波長光源?？傮w來說，由于采用多波長光源BOTDR系統(tǒng)可獲得高系統(tǒng)性能，因此多波長光源在BOTDR系統(tǒng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

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Research progress of BOTDR system based on multi wavelength light source

CAO Cui-xin,LI Yong-qian,LI Xiao-juan,ZHANG Min
(Dept.of Electronics and Communication Engineeering, North China Elecrtic Power University,Baoding Hebei 071003,China)

According to the properties of the light source,the paper classified multiple wavelength light source,and analyzed the characteristics of Brillouin optical time domain reflectometry based on multi-wavelength light source,including the SBS threshold and the wavelength dependence of the Brillouin spectrum,introduced the advantages of Brillouin optical time domain reflectometry system based on multi-wavelength light source at the same time.

optical fiber sensing,multi wavelength laser,multi longitudinal mode FP laser,Brillouin optical time domain reflectometry system

TN929.11

A

1002-5561（2016）03-0036-04

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.03.011

2015-11-12。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61377088）資助；河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（F2015502059、E2012502045、F2014502098）資助；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目（2014XS77、2015XS114）資助。

曹翠新（1991-），女，碩士生，主要從事光通信與光傳感研究。