基于拉曼放大和摻鉺光纖激光器的遠程無源傳感系統*

遲榮華,呂 濤,孫小菡*

(1.無錫科技職業學院物聯網與軟件工程學院,江蘇 無錫 214068;2.東南大學光傳感/通信綜合網絡國家地方聯合工程研究中心,南京 210096)

實用的基于布拉格光纖光柵的傳感系統已經實現并安裝在一系列應用中,如溫度傳感和結構應變監測等[1-6]。這種基于光纖光柵的傳感系統在實際應用中面臨的問題是如何增加傳感信號的傳輸距離,因為他們的最大傳輸距離一般由于光纖瑞利散射損耗等因素而被限制在25 km以內。為了增加傳輸距離,從而實現遠程遙感功能,研究者們提出基于拉曼放大器的傳感方法[7-8]。例如,Nakajima Y等人提出了一種利用拉曼放大的基于FBG的遠程傳感方法[8]。但是這種方法需要同時具備拉曼放大器的泵浦源和用于傳感信號的寬帶光源。需要兩個獨立的光源是實現這些傳感系統的一個限制因素。文獻[9]在46 km的傳感光纖上提出了一種改進的多點雙向傳感器網絡,大大改善了傳感信號的信噪比;王子南等人[10-11]提出了一種基于隨機激光半開腔的遠程遙感系統,用1階和2階拉曼泵浦光泵浦增益傳感光纖激發出傳感信號,這種方式可實現100 km距離的光纖傳感,獲得OSNR大于20 dB的傳感信號,但是同時需要數瓦以上的高泵浦功率。Peng P C等人提出了基于光纖光柵和光纖環鏡的線性腔拉曼激光結構的遠程應變傳感系統[12]。雖然使用拉曼激光配置消除了對額外寬帶光源的需求,但通常需要超過250 mW的泵浦功率,成本代價較高。

本文提出了一種遠程無源傳感系統,該系統包含拉曼放大器和摻鉺光纖激光器,具有低閾值功率和高信噪比的特點。該遠程無源傳感系統只包含一個用于分布式拉曼放大的泵浦源而不需要任何其他寬帶光源作為傳感信號。拉曼泵浦源的剩余泵浦功率用作摻鉺光纖激光器的泵浦源對摻鉺光纖進行放大,產生出的激光信號作為傳感信號,同時拉曼泵浦源又對產生的激光傳感信號進行分布式放大。當傳感光纖50 km時,140 mW低泵浦功率就可以得到信噪比大于50 dB的傳感信號。當傳感光纖75 km時,500 mW泵浦功率可以得到信噪比大于40 dB的傳感信號。

圖1 基于拉曼放大和摻鉺光纖激光器的遠程無源傳感系統

1 實驗原理

無源遠程傳感系統包括一個摻鉺光纖激光器,其中一個諧振腔鏡是由光纖環形鏡構成的,光纖環形鏡具有高反射率和寬反射帶寬的特點;另外一個諧振腔鏡由布拉格光纖光柵構成,設計中為了同時保證低閾值和較高的激光輸出功率,光柵的反射率做了優化。

該系統的工作過程是:拉曼放大器的剩余泵浦光經過由兩個波分復用耦合器構成的橋式結構進入摻鉺光纖的光學諧振腔,泵浦摻鉺光纖。由光纖環形鏡和光纖光柵構成的摻鉺光纖激光諧振腔的工作原理如下:當光波在諧振腔內往返一周所獲得的增益等于腔內的總損耗時,激光器就達到了閾值。設諧振腔鏡的反射率分別為R1和R2,摻鉺光纖長度為L,則閾值條件為:

G2R1R2exp(-2αintL)=1

(1)

式中:G為單程增益,αint為腔內損耗因子,它包括耦合損耗和其他一些類型的損耗。單程增益可由下式求得

(2)

式中:增益系數g(z)與粒子數反轉有關,

g(z)=σs[N2(z)-N1(z)]

(3)

式中:σs為發射截面,N1和N2分別受激輻射過程中低能態和高能態上的粒子數密度。將式(1.2)代入式(1.1),閾值條件變為

(4)

式中:αmir=-ln(R1R2)/(2L)是腔鏡有效損耗因子,αcav是腔內總損耗因子。閾值與總損耗的關系是:在其他條件不變的情況下,閾值隨總的損耗的增加而增加。當鉺纖的增益等于腔內的總損耗的時候,就會有激光激射出來,激光波長等于布拉格光纖光柵的反射波長。當外界的溫度發生變化時,經過涂覆的溫度敏感性光纖光柵的中心波長發生變化,導致激光激射波長發生變化,這種變化會經過傳輸光纖到達信號探測系統。

2 實驗裝置

圖1給出基于拉曼放大和摻鉺光纖激光器的遠程無源傳感系統。傳感光纖為G.652單模光纖,長度為50 km/75 km。此傳感光纖同時又是拉曼增益光纖,當激光器產生的信號經過單模光纖時,會在單模光纖中產生拉曼增益。拉曼放大選取的泵浦波長為1 470 nm,此波長既可以對1 550 nm信號產生拉曼增益,又適合做摻鉺光纖激光器的泵浦源。兩個波長為1 470 nm的半導體激光器由偏振隔離泵浦合波器(IPBC)合波后,經由1 550 nm/1 470 nm合波器(WDM)進入傳感光纖,合波后最大泵浦功率為500 mW。剩余的泵浦光經由兩個WDM構成的橋式結構進入摻鉺光纖激光器。這里WDM橋式結構將G.652光纖之后的泵浦光和信號光分成兩束,其中含有隔離器的是泵浦光通道,拉曼放大器剩余的1 470 nm泵浦光正向通過該通道,進入由光柵和環形鏡構成的線性激光諧振腔,并且充當摻鉺光纖激光器的泵浦光。摻鉺光纖激光器由長度為7 m,濃度在1 530 nm處為6.3 dB/m的鉺纖,光纖光柵及光纖環鏡構成。由摻鉺光纖激光器產生的1 550.2 nm的信號就是傳感信號光,該傳感信號反向通過不含隔離器的通道,經由G.652光纖,最后到達探測器處。選擇光纖環形鏡做腔鏡是因為光纖環形鏡具有高反射率和寬反射帶寬的特點,可以同時反射泵浦光和信號光;另外一個諧振腔鏡由經過涂覆的具有溫度敏感性的的布拉格光柵構成。布拉格光纖光柵,是經過涂覆提高了溫度靈敏度的光纖光柵,常溫下中心波長為1 550.2 nm,為了平衡激光器的閾值功率和輸出功率,反射率需要優化設計。

3 實驗結果與討論

圖2給出光譜儀在傳感信號接收端探測到的光譜圖。當拉曼放大器的泵浦功率為75 mW時,檢測到傳輸光纖末端的剩余泵浦功率為5.25 mW。此時剩余泵浦功率是低于摻鉺光纖激光器的閾值功率(腔內總損耗)的。進一步增加拉曼放大器的泵浦功率,光纖末端剩余泵浦功率也隨之增加。當剩余泵浦功率等于摻鉺光纖激光器的閾值的時候,就有激光開始激射。圖中,曲線a是泵浦功率低于激光器閾值的情況,此時沒有激光激射;曲線b是剩余泵浦功率等于諧振腔閾值的情況,曲線c是泵浦功率大于激光器閾值,開始有波長為1 550.2 nm激光激射,此時拉曼泵浦功率為85 mW,剩余泵浦功率為5.7 mW。

圖2 摻鉺激光器閾值附近的激光光譜

在線性腔結構中,優化的布拉格光纖光柵的反射率為85%。當鉺纖增益和腔內損耗相等的時候產生的激光,85%留在諧振腔內,15%作為輸出。這樣保證了激光器具有很低的閾值。當構成拉曼泵浦單元的半導體激光器功率為80 mW時,就能在信號探測端探測到很微弱的激光,但是此時激光信號的信噪比很小,不足以利用。繼續增大半導體激光器的泵浦功率,探測到的激光信號功率越來越大,輸出信噪比越來越高,圖3(a)給出傳感光纖50 km,拉曼放大器的泵浦輸出功率為140 mW時,獲得摻鉺光纖的泵浦功率為10.9 mW,從信號探測端探測到的激光光譜,信號的信噪比高達50 dB。可見在50 km的傳感系統中一個140 mW的泵浦就可以獲得很好的傳感檢測效果。

進一步的,我們也實驗了75 km的長距傳感系統。圖3(b)給出信號探測端得到的常溫下的激光光譜圖,此時的拉曼放大器的泵浦功率為500 mW,探測到的信號信噪比大于40 dB。

圖3 探測到激光光譜

圖4 傳感光纖長度75 km時探測到的光譜和波長 隨FBG溫度變化關系(L=75 km)

將傳感光纖光柵置于溫度循環箱中,調節溫箱的溫度從-20 ℃到100 ℃之間變化。我們從探測端用光譜儀探測到的激光波長隨溫度變化的結果如圖4 所示。

當外界環境溫度發生變化時,作為激光器選頻元件的光纖光柵的反射波長會隨溫度發生線性變化,激光器的激射波長也隨之發生變化。光柵的反射波長與溫度變化呈現一定的變化關系,所以可用探測到的激光波長反映環境的溫度變化。圖4(a)給出激光光譜隨溫度變化情況,箭頭標出了溫度增加的時候,光譜溫漂的方向。探測信號的OSNR超過40 dB。圖4(b)給出激光激射波長隨溫度變化關系,我們看到溫度傳感系數為9.571 pm/℃,激光波長與光柵溫度呈現線性變化關系。

圖5給出了傳感信號探測端探測到的信號功率和拉曼泵浦激光器的泵浦功率之間的關系。隨著拉曼放大器泵浦功率增加,剩余泵浦功率增加,剩余泵浦功率同時又用做摻鉺光纖激光器的泵浦源。當此功率值超過諧振腔內損耗閾值的時候,就有信號激發出來。激射信號的功率隨著泵浦功率的增加而增加。

由于拉曼增益的緣故,激發出來的信號在通過傳感光纖的時候又會被拉曼泵浦光放大,所以我們在檢測端可以得到高信噪比的探測激光信號。圖5中同時給出了激光信號及OSNR隨泵浦功率的變化關系,從中可以看出,當泵浦功率80 mW左右的時候,開始探測到激光信號,但是此時OSNR非常小。但是當激光信號一旦產生出來,OSNR增加非常快。當泵浦功率超過一定值,例如100 mW,OSNR接近40 dB,此后,即使進一步的提高拉曼泵浦功率,信號的OSNR增加非常緩慢,達到一個相對穩定值。

圖5 檢測到的激光功率/OSNR與拉曼泵浦功率 的關系(L=50 km)

為了測試遠程傳感系統中拉曼放大的增益效果,我們在圖1中光纖末端接入一個輸入信號光源,光源波長從1 528 nm到1 562 nm可調,輸入信號功率為-11.5 dBm。圖6給出75 km遠程傳感系統探測到的信號光增益,解釋了為什么光纖傳感器置于75 km之外,在信號檢測端仍能得到較大的信號功率和較高的信噪比。從圖中可以看到,在泵浦光功率為500 mW的時候,信號光在1 550.2 nm處可以獲得11.5 dB以上的增益。如果選擇反射波長更長的光柵(例如1 565 nm),則可以獲得14 dB以上的拉曼增益,預計信號信噪比也會更高。

如果增大拉曼泵浦功率或者選用拉曼增益系數高的光纖做傳感光纖,運用本實驗的無源傳感系統可以實現75 km以上距離的傳感信號探測。進一步的,調節光纖環鏡內的偏振控制器(PC)還可以調整信號和泵浦光的反射率,可以進一步優化摻鉺光纖激光器閾值和輸出激光信號功率等。

圖6 傳感系統測試的拉曼增益

4 結束語

拉曼放大器可以實現信號分布式放大,在遠程無源傳感系統中,引入拉曼放大器可實現信號的遠程傳感,同時拉曼放大的剩余泵浦功率又可以作為后級摻鉺光纖激光器的泵浦源而無需采用任何其他傳感光源。在拉曼泵浦功率為80 mW左右就獲得了傳感激光信號輸出。泵浦功率140 mW,傳感距離50 km的情況下,OSNR大于50 dB;泵浦功率500 mW,傳感距離75 km的情況下,OSNR大于40 dB。此低閾值高信噪比的無源傳感系統可以用于實現遠程無源傳感。