单模光纤中受激布里渊散射的Stokes光频移的温度传感特性研究*

周 豫,周雪芳,樊 冰*,李曾阳,胡 淼,毕美华,杨国伟,王天枢

(1.杭州电子科技大学通信工程学院,杭州 310018;2.长春理工大学空间光电技术国家有地方联合工程研究中心,长春 130022;3.长春理工大学空间光电技术研究所,长春 130022)

自1964年来首次观察到SBS现象以来,人们对它进行了多方面的研究。其中多波长布里渊光纤激光器(MBFL),得到了广泛应用。MBFL可以在较低的抽运功率下实现、功率转化效率高、多波长产生容易实现、可以很好的和光纤进行耦合。各种结构的MBFL在光通信器件、微波光子学、精密光学和密集光波分复用系统等领域中得到广泛应用[1-7]。光纤的SBS的阈值和温度之间的变化关系已讨论过[8-9],但基于SBS效应的MBFL的波长间隔受温度的影响尚未报道。本文主要研究了温度对MBFL的波长频移影响的机理与特性,对MBEFL进行了不同温度的实验测试,这对研究MBFL的温度稳定性和波长温度调谐以及温度传感都是有帮助的。

1 理论分析

Brillouin散射过程中有3个参数可以描述布里渊增益传感特性:在半高全宽(FWHM)处测量的布里渊线宽,布里渊频移(BFS)和布里渊增益系数。Brillouin线宽不随应变和温度的变化而变化,而BFS和Brillouin增益系数这两个基本参数会因为沿光纤分布的应变/温度不同而有所改变。基于布里渊散射的光纤传感器利用纤芯中传播的泵浦光、声学声子和斯托克斯信号之间的相互作用。在光纤中声速VA的参数E、k、ρ是与温度T、应变ε相关的函数,有效折射率也与温度T和应变ε相关,其传感模型可表示为[10-11]:

(1)

很明显,vB(即stokes频移量)变成了与温度T和应变ε相关的函数。而且随着光纤的温度和应变的改变,vB将发生线性变化,该线性关系如下所示[10-11]:

vB(T,ε)=vB,T0,ε0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(2)

式中:CT是BFS的温度系数,Cε是BFS的应变系数,vB,T0,ε0是在参考温度T0、参考应变ε0下的初始Brillouin频移。

只考虑温度变化,vB(T)就代表着各阶Stokes波(BS)的BFS对温度的线性依赖关系,温度从T0变化为T时,该表达式如下:

vB(T)=vB,T0+CT(T-T0)=vB,T0+CTΔT

(3)

当发生级联的SBS即产生多阶Stokes波时,将第1阶Stokes波的中心频率记作fBS1,BP波的中心频率记作fBP,则有:

(4)

Δf1是BS1相对于BP的中心频移量,那么第k阶Stokes波的的中心频率可表示为:

(5)

所以,当温度发生从T0变化为T时,第k阶Stokes波相对于BP的中心频移量Δfk为

(6)

2 实验装置

基于SBS的多波长光纤激光器MFL的温度特性测量系统如图1所示,实物连线测试图如图2所示。线性腔由两端放置3 dB耦合器(OC)构成的高反射率的sagnac环组成。980 nm泵浦激光器与980/1 550波分复用器(WDM)以及6 m长、吸收率为6 dB/m的掺铒光纤(EDF)构成了掺铒光纤放大器(EDFA),将可调谐光源(TLS)发出的种子光(SP)功率放大至布里渊阈值,作为布里渊泵浦光(BP)。EDFA同时为多波长振荡提供功率。25 km的单模光纤(SMF)的非线性系数等于1.1 W-1·km-1,有效面积为83.97 μm2作为布里渊增益介质,产生多阶stokes光,并作为温度控制对象。环行器用于控制光路沿顺时针单向传输的作用。激光器输出由3 dB的OC4分成两部分,一部分光信号直接由光谱仪(AQ6370B)进行分析,另一部分经过带宽为26.5 GHz的高速PD和分辨率为1 Hz的电频谱分析仪转换成电信号输出。

图1 多波长Brillouin光纤激光器结构示意图

图2 多波长Brillouin光纤激光器实验连接图

工作原理:SP光通过cir和OC1进入激光腔,经过EDFA放大,作为BP进入SMF,在SMF中,BP功率大于SMF的布里渊阈值时,则会产生第1阶后向传播的BS光,一阶BS光经过OC1后50%功率从环行器输出,剩余的50%BS功率经Sagnac环2反射重新作为BP,经EDFA放大,进入SMF产生第2阶BS光,依次循环下去,直至BP功率小于单模光纤的布里渊阈值后,才不会产生下一阶的Stokes光。

3 实验结果与数据分析

如图3为室温下(20 ℃),TLS输出的SP光波长为1 550 nm,SP光功率为0.5 mW当980泵浦功率达到33 WM时,图3所示测试系统的多波长光纤激光器产生第1阶stokes光,stokes光频移vB为0.084 nm。

图3 第1阶Stokes线

测试温度保持常温不变,依次增加980 nm泵浦功率,stokes阶数也随之增加,当泵浦功率增加到600 mW时,产生了如图4所示的30阶稳定stokes线。

在研究温度对stokes光输出特性的影响时,激光器自身的稳定性是非常重要的。因此先观察实验用多波长布里渊掺铒光纤激光器在室温下stokes光输出的稳定性。在一小时内间隔10 min连续观察stokes光输出,其中SP功率固定在0.5 mW,得到图5波长稳定性曲线。在实验中观察到从第1阶stokes光BS1到第25阶BS25,未发现明显波长偏移,且功率波动在1 dBm以内。从BS26到BS30,功率波动较大,最高达2.5 dBm。因此,在研究stokes输出特性时只选取稳定部分波长stokes光,以保证结果的准确性。

在实验过程中,仅考虑温度对stokes光输出特性的影响。因此在恒温恒湿箱中,将相对湿度设置为0,而且单模光纤不受应力。sp光光功率固定在0.5 mW,波长为1 550 nm,980泵浦功率为600 mW。温度从0 ℃调节到100 ℃,温度梯度为10 ℃,并在上述设置下进行了一系列实验测试。

依次将温度控制在0 ℃,50 ℃和100 ℃。在图6和图7中记录多波长激光器26个通道(BP和25阶stokes)稳定状态下的波形。ΔT=50 ℃和ΔT=100 ℃情况下,从图6和图7中可以看出stokes光中心波长的漂移情况。

图5 波长稳定性

图6 T=0、50 ℃下对应的BP和BS1～BS25输出波形

图7 T=0、100 ℃下对应的BP和BS1～BS25输出波形

测试结果表明:对于同一阶stokes光,温度越高,即ΔT越大,stokes光相对于BP的波长偏移量越大;对于相同的ΔT,阶数越高的stokes光的波长偏移量也越高。因此,理论上温度对高阶stokes光的输出特性影响更显著。

图8 1至25阶stokes线相对BP光中心频 移漂移量拟合曲线

在10 ℃的温度梯度下进行了一系列的测量,以BP光中心频率为参照,记录BS1到BS25的25阶stokes光中心频率的漂移情况,绘制在图8中,图8很好的反映了温度、stokes阶数和stokes光中心频率漂移量之间的关系。

从图8中可以看出,每一阶stokes光相对于BP的中心频率漂移量都与温度表现出良好的线性关系,随着stokes阶数的增加,拟合直线的斜率也越大,斜率从1.086 MHz/℃变化到27.15 MHz/℃。且每阶stokes光中心频率变化拟合直线的斜率的变化也表现出一定的线性关系,阶数每增加一阶,近似的可以认为斜率相对增加1.086 MHz/℃,既对于相同的ΔT第25阶stokes光BS25中心频率漂移量是BS1的25倍。

4 结论

搭建了一个线性腔结构的布里渊掺铒光纤光纤激光器测试系统,通过调节BP和980 nm的泵浦激光器输出功率,实现了31通道的多波长输出,且在一小时内保持良好的输出稳定性。接着将前25阶稳定stokes线作为研究对象,通过恒温箱对布里渊腔的温度进行变化,观察到了stokes光的中心频率漂移量和温度之间的良好线性关系,且随着温度的升高,高阶Stokes光信号的频移较低阶的变化明显,实验数据说明温度对第25阶stokes光输出频率的影响可达27.15 MHz/℃。因此在研究基于受激布里渊散射的多波长光纤激光器应用时,需考虑温度对不同阶的波长信号的频移影响,具有一定的参考意义;另外,在研究基于受激布里渊散射的光纤传感技术领域中,为高阶Stokes光信号对温度的敏感性来进行温度的测量,提供了良好的实验依据。