一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)，包括基于四波混頻的掃頻光源系統(tǒng)、測試光路系統(tǒng)、接收機(jī)及信號處理系統(tǒng)，掃頻光源系統(tǒng)使用窄線寬激光器作為原始光源，出射光經(jīng)過外部調(diào)制產(chǎn)生掃頻范圍展寬的高階邊帶掃頻光。高階邊帶掃頻光經(jīng)過四波混頻過程實(shí)現(xiàn)掃頻范圍的進(jìn)一步增強(qiáng)。四波混頻過程將掃頻邊帶光作為泵浦光，得到的閑頻光擁有雙倍于泵浦光的掃頻范圍，利用窄帶光學(xué)濾波器濾波得到掃頻閑頻光。所述的掃頻閑頻光作為掃頻載波光源導(dǎo)入光路系統(tǒng)，采集背向散射和反射的光信號，通過本地的相干檢測和信號處理，實(shí)現(xiàn)光頻域反射分析。利用非線性光纖四波混頻過程可以高效擴(kuò)大掃頻范圍從而提高光頻域反射計(jì)的空間分辨率。
【專利說明】一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電光調(diào)制、非線性光纖光學(xué)、分布式光纖傳感、光學(xué)反射計(jì)等【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光纖傳感技術(shù)是伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術(shù)。電子傳感器數(shù)十年來一直作為測量物理與機(jī)械現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。盡管已受到廣泛應(yīng)用，電子傳感器卻存在局限性，在許多應(yīng)用中不夠安全、不切實(shí)際或無法使用。光纖的特點(diǎn)是絕緣、無源、不受電磁干擾產(chǎn)生的噪聲的影響，并且能在極少損失甚至不損失信號完整性的前提下遠(yuǎn)距離傳輸數(shù)據(jù)。光纖傳感技術(shù)相比較于傳統(tǒng)的電子傳感技術(shù)，具有無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢，是近年來國際上迅速發(fā)展的高新技術(shù)之一。光纖傳感特別適合于分布式以及多點(diǎn)式的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。
[0003]光纖分布反射計(jì)是分布式光纖傳感技術(shù)的核心，能夠?qū)饫w進(jìn)行非破壞性檢測，提供被測量參數(shù)沿光纖長度分布的各類細(xì)節(jié)。目前最具有代表性的光纖分布反射計(jì)是采用光脈沖技術(shù)的光時域反射計(jì)(Optical Time Domain Reflectometer, OTDR)。該技術(shù)通過測試光纖反射、背向散射的分布來判斷光纖鏈路上的“事件點(diǎn)”，例如光纖鏈路中的熔接點(diǎn)、連接器、彎曲、斷裂等可以引起光傳輸特性變化的缺陷。0TDR技術(shù)的空間分辨率取決于測試光脈沖的寬度，而可用的光脈沖寬度則受限于光電探測器的頻率響應(yīng)以及噪聲基底，實(shí)際空間分辨率很難達(dá)到一米以下。如果相鄰的“事件點(diǎn)”很接近，基于0TDR技術(shù)的光纖傳感器就無法給出準(zhǔn)確的測試結(jié)果。
[0004]0TDR技術(shù)由于空間分辨率受到限制，不能滿足許多高端監(jiān)測的需求。為了提高空間分辨率和測量敏感度等性能，背向散射法被應(yīng)用于光頻域，研制出了光頻域反射計(jì)(Optical Frequency Domain Ref lectometer, 0FDR) ? 0FDR 系統(tǒng)的空間分辨率取決于光源的波長可調(diào)范圍，只要光源具有足夠?qū)挼牟ㄩL可調(diào)范圍，就能實(shí)現(xiàn)足夠高的空間分辨率。0FDR的高空間分辨率將使其更加廣泛地應(yīng)用于眾多對測量精度有高要求的領(lǐng)域[Opt.Express 19，19790-19796 (2011)]?？梢酝ㄟ^光源內(nèi)部調(diào)制或外部調(diào)制實(shí)現(xiàn)掃頻，內(nèi)部調(diào)制掃描速度較慢并且可能出現(xiàn)非線性掃頻的情況，這將影響系統(tǒng)性能[Electron.Letters 33，408-410 (1997)]。利用外部調(diào)制，比如通過射頻信號對窄線寬激光器進(jìn)行單邊帶調(diào)制，得到線性掃頻的光信號，用于相應(yīng)的0FDR系統(tǒng)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了長距離和高空間分辨率的線路檢測[J.Lightwave Technol.6，3287-3294 (2008)]。然而，射頻掃頻信號的掃描范圍受限于電子元件，一般只能達(dá)到GHz量級。0FDR的高空間分辨率需要寬掃頻范圍，因此，研究新型的寬帶掃頻光源技術(shù)成為必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于·在0FDR系統(tǒng)中，為了克服光源內(nèi)部調(diào)制速度較慢以及可能產(chǎn)生非線性掃頻等問題，可以使用光源外部調(diào)制如利用電光調(diào)制器進(jìn)行單邊帶調(diào)制實(shí)現(xiàn)掃頻。但是由于受器件電子瓶頸的限制，射頻信號掃描頻率范圍有限，為了擴(kuò)大掃頻范圍從而提高空間分辨率，本發(fā)明基于四波混頻的頻率啁啾放大效應(yīng)，提供了一種提高掃頻帶寬的方法，從而得到高空間分辨率的光頻域反射計(jì)系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案:
一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)，包括掃頻光源系統(tǒng)、測試光路系統(tǒng)、接收機(jī)及信號處理系統(tǒng)；其特征在于:所述掃頻光源系統(tǒng)包括第一激光器、馬赫曾德爾調(diào)制器、射頻信號發(fā)生器、射頻放大器、環(huán)行器、光纖布拉格光柵、多個摻鉺光纖放大器、光濾波器、第二激光器和非線性介質(zhì)；
所述第一激光器發(fā)出的窄線寬激光根據(jù)射頻信號發(fā)生器發(fā)出、射頻放大器放大的射頻信號并加載偏置電壓后連接到所述馬赫曾德爾調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，形成一個擁有多邊帶的光梳；將得到的光梳導(dǎo)入連接了光纖布拉格光柵的環(huán)行器，反射回來的光波經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大和光濾波器濾波后作為泵浦光，與第二激光器產(chǎn)生的信號光通過非線性介質(zhì)發(fā)生四波混頻過程；四波混頻產(chǎn)生的閑頻光再經(jīng)過光學(xué)濾波器濾波和摻鉺光纖放大器放大后作為掃頻載波光源導(dǎo)入測試光路系統(tǒng)，與本地光發(fā)生干涉并最終由接收機(jī)接收，和信號處理系統(tǒng)處理。
[0007]其進(jìn)一步特征在于:所述非線性介質(zhì)為高非線性光纖或高非線性硅波導(dǎo)。
[0008]上述高非線性光纖長度不低于100m，光纖損耗不高于ldB/km，光纖的非線性系數(shù)不低與10/W/km。
[0009]其進(jìn)一步特征還在于:所述光濾波器為基于光纖布拉格光柵的窄帶濾波器或衍射光柵的光濾波器。
[0010]進(jìn)一步的:所述第二激光器產(chǎn)生中心頻率為的窄線寬連續(xù)光作為信號光，所述泵浦光為中心頻率為忍、掃頻寬度為J /的掃頻邊帶光，兩束光在非線性介質(zhì)中基于四波混頻過程產(chǎn)生閑頻光，得到一階閑頻光的掃頻帶寬為2J /，二階閑頻光的掃頻范圍為f ；N階閑頻光的掃頻范圍為(N+l) Z八
[0011]上述掃頻閑頻光功率高出信號光、泵浦光10dB以上。
[0012]本發(fā)明的技術(shù)效果:
1.采用光源外部調(diào)制，將產(chǎn)生的高階掃頻邊帶作為泵浦光，與另一信號光經(jīng)過四波混頻效應(yīng)產(chǎn)生的閑頻光可以得到兩倍于泵浦光的掃頻范圍。
[0013]2.采用光纖放大器和窄帶光學(xué)濾波器，可以將四波混頻后的光功率放大后從中濾出具有足夠功率和兩倍邊帶掃頻范圍的閑頻光作為導(dǎo)入0FDR光路系統(tǒng)的掃頻載波光源。
[0014]3.采用高階邊帶掃頻光作為四波混頻泵浦光以產(chǎn)生翻倍掃頻范圍的閑頻光作為掃頻光源的光頻域反射計(jì)系統(tǒng)可以獲得倍幅提高的空間分辨率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中包含:FL:光纖激光器；PC:偏振控制器；MZ-m0dulat0r:馬赫曾德爾調(diào)制器；RF synthesizer:射頻信號發(fā)生器；RF Amplifier:射頻放大器；Trigger source:觸發(fā)信號；Bias:偏置電壓；CIR:環(huán)行器；FBG:光纖布拉格光柵；EDFA:摻鉺光纖放大器；BPF:光濾波器；HNLF:高非線性光纖；FUT:待測光纖；BH):平衡光電探測器Polarizationdiversity:偏振分集；0C:3dB光稱合器；ADC:模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊；Computer:計(jì)算機(jī)。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例利用半波電壓較低的馬赫曾德爾調(diào)制器調(diào)制得到的具有多階邊帶的光頻率梳示意圖；
圖中 Power:信號強(qiáng)度；Optical Comb:光梳；ffavelength:波長。
[0017]圖3為本發(fā)明使用光纖布拉格光柵和可調(diào)光濾波器從調(diào)制出的光頻率梳中濾出的第十一階邊帶作為泵浦光與另一信號光進(jìn)行四波混頻后產(chǎn)生了閑頻光的光譜示意圖；
圖中 Power:信號強(qiáng)度；+llth order sideband:第十一階邊帶；Wavelength:波長；Signal:信號光；Pump:泵浦光；Idler:閑頻光。
[0018]圖4為放大濾波后得到的閑頻光及其掃頻后的光譜；
圖4 (a)為經(jīng)過EDFA和窄帶光學(xué)濾波器后得到的閑頻光光譜，圖4 (b)為將泵浦光掃頻后獲得的閑頻光光譜；
圖中Power:信號強(qiáng)度；Wavelength:波長；Pump:泵浦光；Idler:閑頻光。
[0019]圖5為本發(fā)明空間分辨率實(shí)驗(yàn)值測量方法示意圖；
圖中Reflectivity:反射系數(shù)；Distance:距離；FWHM:菲涅爾反射峰寬度。
[0020]圖6為本發(fā)明在射頻信號等效掃頻范圍變化時，不同射頻信號掃頻范圍對應(yīng)的空間分辨率理論值和實(shí)驗(yàn)值對比圖；
圖中Spatial resolution:空間分辨率；RF sweep frequency span:射頻信號掃頻帶寬；Measured value:測量值；theoretical value:理論值。
[0021]
【具體實(shí)施方式】
[0022]實(shí)施例一:
圖1顯示了本實(shí)施例所述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本示意圖。第一激光器FL1連接到馬赫曾德爾調(diào)制器MZ-modulator,調(diào)制后輸出擁有多邊帶的光梳。通過所設(shè)計(jì)和匹配的光纖布拉格光柵FBG和可調(diào)濾波器BPF，可以在較高的抑制比下濾出所需的邊帶。經(jīng)過摻鉺光纖放大器EDFA1、EDFA2放大光功率并用光學(xué)濾波器BPF1、BPF2過濾噪聲，將濾出的擁有足夠高功率的高階掃頻邊帶作為泵浦光，由第二激光器FL2產(chǎn)生信號光，兩光通過高非線性光纖HNLF發(fā)生四波混頻過程。四波混頻產(chǎn)生的閑頻光經(jīng)過窄帶光學(xué)濾波器BPF3濾波后再經(jīng)摻鉺光纖放大器EDFA3放大作為掃頻載波光源導(dǎo)入光路系統(tǒng)，使用單模光纖作為待測光纖，從待測光纖中反射的光與本地光發(fā)生干涉并最終由8位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊8-bit ADC配合計(jì)算機(jī)Computer進(jìn)行檢測。
[0023]圖2顯示了本實(shí)施例利用半波電壓較低的馬赫曾德爾調(diào)制器調(diào)制得到的具有多階邊帶的光頻率梳示意圖。圖中最高的為載波，該光頻率梳可見有超過22個子載波，本實(shí)施例我們?yōu)V波得到第十一階邊帶作為泵浦光。
[0024]圖3顯示了本實(shí)施例使用光纖布拉格光柵和可調(diào)光濾波器從調(diào)制出的光頻率梳中濾出的第十一階邊帶作為泵浦光與另一信號光進(jìn)行四波混頻后產(chǎn)生了閑頻光的光譜示意圖。圖中閑頻光功率較低，所以需要經(jīng)過功率放大并濾波后作為掃頻載波光源導(dǎo)入光路系統(tǒng)。
[0025]圖4顯示了本實(shí)施例放大濾波后得到的閑頻光及其掃頻后的光譜。其中圖4(a)為經(jīng)過摻鉺光纖放大器EDFA放大光功率并經(jīng)過窄帶光學(xué)濾波器BPF后得到的閑頻光光譜，圖4 (b)為將泵浦光進(jìn)行掃頻后獲得的閑頻光光譜，閑頻光功率高出其他頻率光信號25dB。
[0026]圖5顯示了本實(shí)施例的空間分辨率實(shí)驗(yàn)值測量方法示意圖。所示方法是測量待測光纖末端反射菲涅爾峰值的半高全寬，越大的寬度代表越低的空間分辨率。圖示為在射頻信號等效掃頻范圍640MHz時使用第十一階掃頻邊帶作為泵浦光時得到的菲涅爾反射峰，峰值的半高全寬作為本次空間分辨率實(shí)驗(yàn)值，為0.75cm。
[0027]圖6顯示了本實(shí)施例在射頻信號等效掃頻范圍從100MHz變化到640MHz時使用第十一階掃頻邊帶作為泵浦光時得到的空間分辨率。圖中黑色實(shí)點(diǎn)線表示空間分辨率實(shí)驗(yàn)值曲線，虛線表示空間分辨率理論值曲線，實(shí)驗(yàn)測得的空間分辨率數(shù)值曲線基本與理論值曲線一致。本實(shí)施例獲得的空間分辨率是傳統(tǒng)單邊帶調(diào)制使用第一階邊帶掃頻時獲得的空間分辨率的1/22。
【權(quán)利要求】
1.一種基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)，包括掃頻光源系統(tǒng)、測試光路系統(tǒng)、接收機(jī)及信號處理系統(tǒng)；其特征在于:所述掃頻光源系統(tǒng)包括第一激光器、馬赫曾德爾調(diào)制器、射頻信號發(fā)生器、射頻放大器、環(huán)行器、光纖布拉格光柵、多個摻鉺光纖放大器、光濾波器、第二激光器和非線性介質(zhì)；所述第一激光器發(fā)出的窄線寬激光根據(jù)射頻信號發(fā)生器發(fā)出、射頻放大器放大的射頻信號并加載偏置電壓后連接到所述馬赫曾德爾調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制，形成一個擁有多邊帶的光梳；將得到的光梳導(dǎo)入連接了光纖布拉格光柵的環(huán)行器，反射回來的光波經(jīng)過摻鉺光纖放大器放大和光濾波器濾波后作為泵浦光，與第二激光器產(chǎn)生的信號光通過非線性介質(zhì)發(fā)生四波混頻過程；四波混頻產(chǎn)生的閑頻光再經(jīng)過光學(xué)濾波器濾波和摻鉺光纖放大器放大后作為掃頻載波光源導(dǎo)入測試光路系統(tǒng)，與本地光發(fā)生干涉并最終由接收機(jī)接收，和信號處理系統(tǒng)處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:所述非線性介質(zhì)為高非線性光纖或高非線性硅波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)；其特征在于:所述高非線性光纖長度不低于100m，光纖損耗不高于ldB/km，光纖的非線性系數(shù)不低與10/W/km。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；其特征在于:所述光濾波器為基于光纖布拉格光柵的窄帶濾波器或衍射光柵的光濾波器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:所述第二激光器產(chǎn)生中心頻率為的窄線寬連續(xù)光作為信號光，所述泵浦光為中心頻率為厶、掃頻寬度為的掃頻邊帶光，兩束光在非線性介質(zhì)中基于四波混頻過程產(chǎn)生閑頻光，得到一階閑頻光的掃頻帶寬為2」/，二階閑頻光的掃頻范圍為f ；N階閑頻光的掃頻范圍為(N+l) Afa
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、5任一項(xiàng)所述的基于四波混頻過程的高空間分辨率光頻域反射計(jì)系統(tǒng)，其特征在于:所述掃頻閑頻光功率高出信號光、泵浦光10dB以上。
【文檔編號】G01D5/353GK103674082SQ201310656137
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月6日
【發(fā)明者】杜江兵, 何祖源, 樊昕昱, 劉慶文, 謝峰, 馬麟 申請人:何祖源, 上海正海資產(chǎn)管理有限公司