基于拉曼放大和掺铒光纤激光器的远程无源传感系统*

迟荣华,吕 涛,孙小菡*

(1.无锡科技职业学院物联网与软件工程学院,江苏 无锡 214068;2.东南大学光传感/通信综合网络国家地方联合工程研究中心,南京 210096)

实用的基于布拉格光纤光栅的传感系统已经实现并安装在一系列应用中,如温度传感和结构应变监测等[1-6]。这种基于光纤光栅的传感系统在实际应用中面临的问题是如何增加传感信号的传输距离,因为他们的最大传输距离一般由于光纤瑞利散射损耗等因素而被限制在25 km以内。为了增加传输距离,从而实现远程遥感功能,研究者们提出基于拉曼放大器的传感方法[7-8]。例如,Nakajima Y等人提出了一种利用拉曼放大的基于FBG的远程传感方法[8]。但是这种方法需要同时具备拉曼放大器的泵浦源和用于传感信号的宽带光源。需要两个独立的光源是实现这些传感系统的一个限制因素。文献[9]在46 km的传感光纤上提出了一种改进的多点双向传感器网络,大大改善了传感信号的信噪比;王子南等人[10-11]提出了一种基于随机激光半开腔的远程遥感系统,用1阶和2阶拉曼泵浦光泵浦增益传感光纤激发出传感信号,这种方式可实现100 km距离的光纤传感,获得OSNR大于20 dB的传感信号,但是同时需要数瓦以上的高泵浦功率。Peng P C等人提出了基于光纤光栅和光纤环镜的线性腔拉曼激光结构的远程应变传感系统[12]。虽然使用拉曼激光配置消除了对额外宽带光源的需求,但通常需要超过250 mW的泵浦功率,成本代价较高。

本文提出了一种远程无源传感系统,该系统包含拉曼放大器和掺铒光纤激光器,具有低阈值功率和高信噪比的特点。该远程无源传感系统只包含一个用于分布式拉曼放大的泵浦源而不需要任何其他宽带光源作为传感信号。拉曼泵浦源的剩余泵浦功率用作掺铒光纤激光器的泵浦源对掺铒光纤进行放大,产生出的激光信号作为传感信号,同时拉曼泵浦源又对产生的激光传感信号进行分布式放大。当传感光纤50 km时,140 mW低泵浦功率就可以得到信噪比大于50 dB的传感信号。当传感光纤75 km时,500 mW泵浦功率可以得到信噪比大于40 dB的传感信号。

图1 基于拉曼放大和掺铒光纤激光器的远程无源传感系统

1 实验原理

无源远程传感系统包括一个掺铒光纤激光器,其中一个谐振腔镜是由光纤环形镜构成的,光纤环形镜具有高反射率和宽反射带宽的特点;另外一个谐振腔镜由布拉格光纤光栅构成,设计中为了同时保证低阈值和较高的激光输出功率,光栅的反射率做了优化。

该系统的工作过程是:拉曼放大器的剩余泵浦光经过由两个波分复用耦合器构成的桥式结构进入掺铒光纤的光学谐振腔,泵浦掺铒光纤。由光纤环形镜和光纤光栅构成的掺铒光纤激光谐振腔的工作原理如下:当光波在谐振腔内往返一周所获得的增益等于腔内的总损耗时,激光器就达到了阈值。设谐振腔镜的反射率分别为R1和R2,掺铒光纤长度为L,则阈值条件为:

G2R1R2exp(-2αintL)=1

(1)

式中:G为单程增益,αint为腔内损耗因子,它包括耦合损耗和其他一些类型的损耗。单程增益可由下式求得

(2)

式中:增益系数g(z)与粒子数反转有关,

g(z)=σs[N2(z)-N1(z)]

(3)

式中:σs为发射截面,N1和N2分别受激辐射过程中低能态和高能态上的粒子数密度。将式(1.2)代入式(1.1),阈值条件变为

(4)

式中:αmir=-ln(R1R2)/(2L)是腔镜有效损耗因子,αcav是腔内总损耗因子。阈值与总损耗的关系是:在其他条件不变的情况下,阈值随总的损耗的增加而增加。当铒纤的增益等于腔内的总损耗的时候,就会有激光激射出来,激光波长等于布拉格光纤光栅的反射波长。当外界的温度发生变化时,经过涂覆的温度敏感性光纤光栅的中心波长发生变化,导致激光激射波长发生变化,这种变化会经过传输光纤到达信号探测系统。

2 实验装置

图1给出基于拉曼放大和掺铒光纤激光器的远程无源传感系统。传感光纤为G.652单模光纤,长度为50 km/75 km。此传感光纤同时又是拉曼增益光纤,当激光器产生的信号经过单模光纤时,会在单模光纤中产生拉曼增益。拉曼放大选取的泵浦波长为1 470 nm,此波长既可以对1 550 nm信号产生拉曼增益,又适合做掺铒光纤激光器的泵浦源。两个波长为1 470 nm的半导体激光器由偏振隔离泵浦合波器(IPBC)合波后,经由1 550 nm/1 470 nm合波器(WDM)进入传感光纤,合波后最大泵浦功率为500 mW。剩余的泵浦光经由两个WDM构成的桥式结构进入掺铒光纤激光器。这里WDM桥式结构将G.652光纤之后的泵浦光和信号光分成两束,其中含有隔离器的是泵浦光通道,拉曼放大器剩余的1 470 nm泵浦光正向通过该通道,进入由光栅和环形镜构成的线性激光谐振腔,并且充当掺铒光纤激光器的泵浦光。掺铒光纤激光器由长度为7 m,浓度在1 530 nm处为6.3 dB/m的铒纤,光纤光栅及光纤环镜构成。由掺铒光纤激光器产生的1 550.2 nm的信号就是传感信号光,该传感信号反向通过不含隔离器的通道,经由G.652光纤,最后到达探测器处。选择光纤环形镜做腔镜是因为光纤环形镜具有高反射率和宽反射带宽的特点,可以同时反射泵浦光和信号光;另外一个谐振腔镜由经过涂覆的具有温度敏感性的的布拉格光栅构成。布拉格光纤光栅,是经过涂覆提高了温度灵敏度的光纤光栅,常温下中心波长为1 550.2 nm,为了平衡激光器的阈值功率和输出功率,反射率需要优化设计。

3 实验结果与讨论

图2给出光谱仪在传感信号接收端探测到的光谱图。当拉曼放大器的泵浦功率为75 mW时,检测到传输光纤末端的剩余泵浦功率为5.25 mW。此时剩余泵浦功率是低于掺铒光纤激光器的阈值功率(腔内总损耗)的。进一步增加拉曼放大器的泵浦功率,光纤末端剩余泵浦功率也随之增加。当剩余泵浦功率等于掺铒光纤激光器的阈值的时候,就有激光开始激射。图中,曲线a是泵浦功率低于激光器阈值的情况,此时没有激光激射;曲线b是剩余泵浦功率等于谐振腔阈值的情况,曲线c是泵浦功率大于激光器阈值,开始有波长为1 550.2 nm激光激射,此时拉曼泵浦功率为85 mW,剩余泵浦功率为5.7 mW。

图2 掺铒激光器阈值附近的激光光谱

在线性腔结构中,优化的布拉格光纤光栅的反射率为85%。当铒纤增益和腔内损耗相等的时候产生的激光,85%留在谐振腔内,15%作为输出。这样保证了激光器具有很低的阈值。当构成拉曼泵浦单元的半导体激光器功率为80 mW时,就能在信号探测端探测到很微弱的激光,但是此时激光信号的信噪比很小,不足以利用。继续增大半导体激光器的泵浦功率,探测到的激光信号功率越来越大,输出信噪比越来越高,图3(a)给出传感光纤50 km,拉曼放大器的泵浦输出功率为140 mW时,获得掺铒光纤的泵浦功率为10.9 mW,从信号探测端探测到的激光光谱,信号的信噪比高达50 dB。可见在50 km的传感系统中一个140 mW的泵浦就可以获得很好的传感检测效果。

进一步的,我们也实验了75 km的长距传感系统。图3(b)给出信号探测端得到的常温下的激光光谱图,此时的拉曼放大器的泵浦功率为500 mW,探测到的信号信噪比大于40 dB。

图3 探测到激光光谱

图4 传感光纤长度75 km时探测到的光谱和波长 随FBG温度变化关系(L=75 km)

将传感光纤光栅置于温度循环箱中,调节温箱的温度从-20 ℃到100 ℃之间变化。我们从探测端用光谱仪探测到的激光波长随温度变化的结果如图4 所示。

当外界环境温度发生变化时,作为激光器选频元件的光纤光栅的反射波长会随温度发生线性变化,激光器的激射波长也随之发生变化。光栅的反射波长与温度变化呈现一定的变化关系,所以可用探测到的激光波长反映环境的温度变化。图4(a)给出激光光谱随温度变化情况,箭头标出了温度增加的时候,光谱温漂的方向。探测信号的OSNR超过40 dB。图4(b)给出激光激射波长随温度变化关系,我们看到温度传感系数为9.571 pm/℃,激光波长与光栅温度呈现线性变化关系。

图5给出了传感信号探测端探测到的信号功率和拉曼泵浦激光器的泵浦功率之间的关系。随着拉曼放大器泵浦功率增加,剩余泵浦功率增加,剩余泵浦功率同时又用做掺铒光纤激光器的泵浦源。当此功率值超过谐振腔内损耗阈值的时候,就有信号激发出来。激射信号的功率随着泵浦功率的增加而增加。

由于拉曼增益的缘故,激发出来的信号在通过传感光纤的时候又会被拉曼泵浦光放大,所以我们在检测端可以得到高信噪比的探测激光信号。图5中同时给出了激光信号及OSNR随泵浦功率的变化关系,从中可以看出,当泵浦功率80 mW左右的时候,开始探测到激光信号,但是此时OSNR非常小。但是当激光信号一旦产生出来,OSNR增加非常快。当泵浦功率超过一定值,例如100 mW,OSNR接近40 dB,此后,即使进一步的提高拉曼泵浦功率,信号的OSNR增加非常缓慢,达到一个相对稳定值。

图5 检测到的激光功率/OSNR与拉曼泵浦功率 的关系(L=50 km)

为了测试远程传感系统中拉曼放大的增益效果,我们在图1中光纤末端接入一个输入信号光源,光源波长从1 528 nm到1 562 nm可调,输入信号功率为-11.5 dBm。图6给出75 km远程传感系统探测到的信号光增益,解释了为什么光纤传感器置于75 km之外,在信号检测端仍能得到较大的信号功率和较高的信噪比。从图中可以看到,在泵浦光功率为500 mW的时候,信号光在1 550.2 nm处可以获得11.5 dB以上的增益。如果选择反射波长更长的光栅(例如1 565 nm),则可以获得14 dB以上的拉曼增益,预计信号信噪比也会更高。

如果增大拉曼泵浦功率或者选用拉曼增益系数高的光纤做传感光纤,运用本实验的无源传感系统可以实现75 km以上距离的传感信号探测。进一步的,调节光纤环镜内的偏振控制器(PC)还可以调整信号和泵浦光的反射率,可以进一步优化掺铒光纤激光器阈值和输出激光信号功率等。

图6 传感系统测试的拉曼增益

4 结束语

拉曼放大器可以实现信号分布式放大,在远程无源传感系统中,引入拉曼放大器可实现信号的远程传感,同时拉曼放大的剩余泵浦功率又可以作为后级掺铒光纤激光器的泵浦源而无需采用任何其他传感光源。在拉曼泵浦功率为80 mW左右就获得了传感激光信号输出。泵浦功率140 mW,传感距离50 km的情况下,OSNR大于50 dB;泵浦功率500 mW,传感距离75 km的情况下,OSNR大于40 dB。此低阈值高信噪比的无源传感系统可以用于实现远程无源传感。