技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及到基于自發(fā)布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)所需的寬帶移頻技術(shù)，尤其是一種布里淵單縱模移頻光纖激光器。

背景技術(shù)：

在基于自發(fā)布里淵散射的分布式光纖傳感（BOTDR）系統(tǒng)中，布里淵自發(fā)散射光相對(duì)于入射光的頻移受到溫度和應(yīng)變的影響，針對(duì)通信波段的單模光纖，布里淵自發(fā)散射光相對(duì)于入射光的頻移約為11GHz，其中溫度引起布里淵散射光頻移量變化的線性系數(shù)為1.09±0.08MHz/℃，應(yīng)變引起布里淵散射光頻移量變化的線性系數(shù)為0.052±0.004MHz/με，在此11GHz的超高頻率基底上實(shí)現(xiàn)提取10^-4相對(duì)頻率變化量是BOTDR系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變傳感的關(guān)鍵技術(shù)。使用寬帶移頻方案，選擇合適的本地拍頻光，可使得布里淵自發(fā)散射光與本地拍頻光的差頻信號(hào)由11GHz降至100MHz量級(jí)，有利于信號(hào)的提取和系統(tǒng)器件成本的降低。

因此，發(fā)展有多種寬帶移頻技術(shù)方案，如方案一采用一臺(tái)與種子光頻率差接近布里淵頻移的激光器作為本地激光器（參見 Toshio Kurashima, et al, IEICE TRANS. COMMUN., E76-B(4) (1993)），這種技術(shù)方案中BOTDR系統(tǒng)需要使用兩臺(tái)激光器，使得成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)此方案對(duì)于兩臺(tái)激光器的頻率及頻率差的穩(wěn)定度都有著極其高的要求；方案二采用聲光移頻環(huán)進(jìn)行寬帶移頻（參見 Kaoru Shimizu, et al., J. Lightwave Technol., 12, 730-736 (1994)），但聲光移頻器通常一次只能移頻一百多MHz，需經(jīng)上百次的循環(huán)移頻才可實(shí)現(xiàn)11GHz的頻率變化，這些都對(duì)聲光移頻器的性能提出了很高的要求。并且，聲光移頻環(huán)路的采用增加了系統(tǒng)中光學(xué)部分的復(fù)雜度，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量精度。方案三采用電光調(diào)制器進(jìn)行寬帶電光調(diào)制移頻（參見 宋牟平, 光學(xué)學(xué)報(bào), 24, 1110-1114 (2004)），電光調(diào)制器一次就可以實(shí)現(xiàn)移頻11GHz，相對(duì)簡(jiǎn)化了光路，但是電光調(diào)制器對(duì)光路的偏振控制特性提出了很高的要求。同時(shí)利用電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)寬帶移頻的能量損失過大，獲取的移頻光功率偏小。

與上述這些方案相比，利用布里淵激光器實(shí)現(xiàn)寬帶移頻是一種高效低成本的新技術(shù)方案（參見 Jihong Geng, et al., Appl. Opt. 46, 5928-5932 (2007)），吸引了很多研究人員進(jìn)行相關(guān)方面的研究和應(yīng)用。由于布里淵增益譜寬大約為30MHz，而有源環(huán)形腔布里淵激光器的腔長(zhǎng)一般為幾十米量級(jí)（對(duì)應(yīng)腔縱模間隔為2~10MHz），因此很容易出現(xiàn)多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)模式，導(dǎo)致移頻量存在較大波動(dòng)，直接導(dǎo)致BOTDR系統(tǒng)中測(cè)量精度的降低。為了避免出現(xiàn)多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，有研究學(xué)者通過激光穩(wěn)頻的方案，將注入泵浦種子光的頻率和布里淵激光運(yùn)轉(zhuǎn)頻率同時(shí)鎖定在諧振腔的某兩個(gè)腔縱模上，從而實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的布里淵激光輸出（參見Jihong Geng, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 1813-1815 (2006)），但這種方案涉及到復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)，穩(wěn)定性不容易做好，在外界擾動(dòng)下，還容易出現(xiàn)穩(wěn)頻失鎖，會(huì)使得整個(gè)BOTDR系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，并且成本增加很多。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服在先技術(shù)的缺點(diǎn)，更好地滿足BOTDR系統(tǒng)對(duì)寬帶移頻布里淵激光器的實(shí)際需求，本發(fā)明提供一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的布里淵激光器。

本發(fā)明的基本原理是：構(gòu)建一個(gè)有源環(huán)形腔布里淵激光器，該激光器主要由泵浦光源和有源環(huán)形腔構(gòu)成。泵浦光源需選用線寬小于1MHz的通信C波段的單頻激光器。環(huán)形腔中包括三端口環(huán)形器、光放大器、移頻光纖構(gòu)成的光纖復(fù)合腔單元及光纖耦合器。使用環(huán)形器的單向特性，構(gòu)建只能沿單方向傳輸?shù)沫h(huán)形腔，光放大器用于在腔內(nèi)提供放大，而移頻光纖作為非線性介質(zhì)為布里淵散射光的放大提供增益，耦合器用于腔內(nèi)激光的輸出。

布里淵型單縱模移頻光纖激光器，包括光源模塊、光纖環(huán)行器、光放大器、光纖隔離器、第一光纖耦合器、第一移頻光纖、第二移頻光纖、第二光纖耦合器；其中，光源模塊的尾纖輸出和光纖環(huán)行器的第一端口相連，光纖環(huán)行器的第二端口和光放大器的輸入端口相連，光放大器的輸出端口和第一光纖耦合器的第一端口相連；第一光纖耦合器的第二端口和第四端口之間利用光纖連接成一個(gè)環(huán)路，此環(huán)路中接入的器件包括光纖隔離器和第一移頻光纖，其中光纖隔離器的正向?qū)ㄝ斎攵丝谂c第一光纖耦合器的第二端口相連，光纖隔離器的正向?qū)ㄝ敵龆丝谂c第一移頻光纖相連，第一移頻光纖的另一端與第一光纖耦合器的第四端口相連；第二移頻光纖的一端與第一光纖耦合器的第三端口相連，另一端與第二光纖耦合器的第一端口相連；第二光纖耦合器的第三端口與光纖環(huán)行器的第三端口相連，閉合成一個(gè)大的光纖環(huán)路，第二光纖耦合器的第二端口作為單縱模布里淵激光器的輸出端口；基于光纖復(fù)合腔的技術(shù)方案，利用復(fù)合腔的選模特性，使得腔縱模間隔大于布里淵增益譜譜寬，在增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱?？梢云鹫癫⑿纬杉す獬錾?，最終高效低成本實(shí)現(xiàn)布里淵型單縱模移頻光纖激光輸出。

進(jìn)一步地，光源模塊為窄線寬激光器，線寬小于1MHz，輸出功率可達(dá)到20mW。

進(jìn)一步地，所述的光纖環(huán)行器，是一個(gè)三端口光纖環(huán)行器，單向?qū)?，光纖環(huán)行器能用接入光纖耦合器和隔離器的方式代替以起到光纖環(huán)行器的作用。

進(jìn)一步地，所述的光放大器，主要用于放大泵浦光信號(hào)和微弱的布里淵散射信號(hào)，需要采取光學(xué)作用長(zhǎng)度短一些的光學(xué)放大器，可選用高增益系數(shù)摻鉺光纖作為增益介質(zhì)來搭建光纖放大器，或者選用1550nm波段半導(dǎo)體光放大器（SOA）。

進(jìn)一步地，所述的光放大器，可以選用1m長(zhǎng)的高增益系數(shù)的摻鉺光纖搭建摻鉺光纖放大器（EDFA）。

進(jìn)一步地，所述的光纖隔離器用于單向?qū)ǚ乐狗聪蛑C振，可以采用商用的1550nm波段的光纖隔離器。

進(jìn)一步地，所述的第一光纖耦合器采用普通單模光纖1550nm波段、端口2×2、分光比為50:50的耦合器。

進(jìn)一步地，第一移頻光纖和第二移頻光纖，采用普通通信單模光纖，可以采用商用G652型號(hào)的通信單模光纖；第一移頻光纖和第二移頻光纖的長(zhǎng)度選擇有兩種方式：一是形成復(fù)合腔的兩個(gè)腔長(zhǎng)相當(dāng)或接近；二是形成復(fù)合腔的一個(gè)腔長(zhǎng)是另一個(gè)腔長(zhǎng)的多倍。

進(jìn)一步地，所述的第二光纖耦合器，為1×2的普通單模光纖耦合器，中心波長(zhǎng)1550nm，分束比為10:90，其中10%的端口作為布里淵激光器的輸出端。

當(dāng)在輸入端沒有泵浦光注入時(shí)，該激光器相當(dāng)于摻鉺光纖激光器，輸出波長(zhǎng)取決于腔內(nèi)凈增益分布以及自由振蕩建立的最終激光模式。當(dāng)激光器輸入端有泵浦光注入時(shí)，且泵浦光強(qiáng)達(dá)到腔內(nèi)受激布里淵散射光諧振的閾值，該激光器將工作于布里淵型光纖激光器模式。當(dāng)泵浦光從環(huán)形器的輸入端注入到環(huán)形腔經(jīng)過光放大器的放大后進(jìn)入移頻光纖，在移頻光纖中激發(fā)后向散射光，泵浦光繼續(xù)傳輸至環(huán)形器截止。而散射光可以在腔內(nèi)循環(huán)傳輸，散射光經(jīng)過光放大器時(shí)會(huì)被放大，經(jīng)過移頻光纖時(shí)，散射光中的布里淵信號(hào)光與入射泵浦光相向傳輸過程中發(fā)生非線性布里淵作用，可獲得非線性布里淵增益放大，而同樣后向傳輸?shù)娜鹄⑸涔庠诖颂巹t不能得到放大。如此循環(huán)，若布里淵散射光信號(hào)在腔內(nèi)的綜合增益大于瑞利散射光和自發(fā)輻射噪聲光，則在腔內(nèi)經(jīng)歷多次循環(huán)傳輸放大建立振蕩，最終可形成穩(wěn)定的布里淵激光輸出。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)與傳統(tǒng)的寬帶移頻技術(shù)方案相比，本發(fā)明是基于光纖布里淵非線性作用的單縱模激光器，其激光頻率始終跟隨種子光，因此寬帶移頻效果穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無復(fù)雜控制要求。

(2)與穩(wěn)頻布里淵激光器相比，本發(fā)明利用光纖復(fù)合腔進(jìn)行模式選擇，使得腔縱模大于布里淵增益譜譜寬，從而在布里淵增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱模可以起振并形成激光出射。而穩(wěn)頻布里淵激光器需要搭建誤差信號(hào)提取和反饋調(diào)節(jié)種子光的復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定單縱模布里淵激光輸出。此單縱模布里淵激光技術(shù)方案，原理簡(jiǎn)單，無需復(fù)雜的反饋控制，光學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，成本降低了90%以上，且可以很好的應(yīng)用于BOTDR傳感系統(tǒng)中作為寬帶移頻本地光源。

附圖說明

圖1實(shí)例中一種復(fù)合腔縱模選頻的示意圖；

圖2 實(shí)例中的另一種復(fù)合腔縱模選頻的示意圖；

圖3 實(shí)例中基于光纖復(fù)合腔的單縱模布里淵激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細(xì)說明之過程或參數(shù)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明為了獲得布里淵激光的輸出，需要解決兩個(gè)問題：一、避免光放大器自發(fā)輻射噪聲建立振蕩形成激光；二、避免瑞利散射光諧振形成激光。第一個(gè)問題，需要將光放大器的放大性能設(shè)置在較低的位置，使得布里淵散射信號(hào)獲得的綜合增益中，光放大器提供的增益所占比例盡可能小一點(diǎn)。此問題通過設(shè)置光放大器的增益系數(shù)，可以很好的解決；第二個(gè)問題，需要盡量提高布里淵非線性增益，使得瑞利散射光僅僅靠光放大器提供的增益無法在腔內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)超過布里淵散射光，而最終使得瑞利散射無法諧振形成激光出射。

上述第二個(gè)問題，為了抑制瑞利散射光形成激光輸出，需要盡量提高布里淵非線性增益，可以通過提高泵浦光源的功率或者增長(zhǎng)用于提供布里淵非線性增益的移頻光纖長(zhǎng)度。單純依靠提高泵浦光源的功率，會(huì)造成能量轉(zhuǎn)移以及利用率降低，且窄線寬激光器的成本也隨功率的提升而急劇上升，因此最簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方式就是盡量增長(zhǎng)腔內(nèi)移頻光纖的長(zhǎng)度。在此情況下，就引入了新的問題：在通信波段單模光纖中（實(shí)現(xiàn)移頻成本最低的光纖），布里淵增益譜寬大約為30MHz，而有源環(huán)形腔布里淵激光器的腔長(zhǎng)一般為幾十米量級(jí)（對(duì)應(yīng)腔縱模間隔為2~10MHz），因此很容易出現(xiàn)多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)模式，為了避免出現(xiàn)多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，本發(fā)明沒有采用頻率鎖定技術(shù)，而是提出一種基于光纖復(fù)合腔的技術(shù)方案，利用復(fù)合腔的選模特性，使得腔縱模間隔大于布里淵增益譜譜寬，在增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱?？梢云鹫癫⑿纬杉す獬錾洹Ｒ虼死脧?fù)合腔的方案，可以高效低成本的實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)的布里淵激光輸出。

復(fù)合腔實(shí)現(xiàn)選縱模的基本原理如圖1和圖2所示，設(shè)復(fù)合腔的腔長(zhǎng)分別為L₁、L₂，則兩個(gè)腔分別對(duì)應(yīng)的腔縱模序列間隔為△f₁=c/nL₁，△f₂=c/nL₂，兩個(gè)腔構(gòu)成復(fù)合腔激光器的諧振頻率必須同時(shí)對(duì)準(zhǔn)上述的兩套縱模間隔的某一階頻率，才能形成有效諧振最終形成激光輸出。因此，根據(jù)游標(biāo)卡尺原理，復(fù)合腔的腔縱模序列間隔為：

△f= m₁c/(nL₁)= m₂c/(n L₂); L₂/ L₁=m₂/m₁

其中，m₁、m₂為沒有公約數(shù)的正整數(shù)。

這時(shí)存在兩種情況可以實(shí)現(xiàn)較好的縱模選擇，一種情況是如圖1所示，腔長(zhǎng)L₁與腔長(zhǎng)L₂基本相當(dāng)，這時(shí)復(fù)合腔的腔縱模間隔基本上與兩個(gè)腔的腔長(zhǎng)差成反比，也即△f≈c/(nL₁-nL₂)，這時(shí)腔長(zhǎng)L₁與腔長(zhǎng)L₂可以選擇較長(zhǎng)的光纖，充分滿足激光器對(duì)布里淵非線性增益的要求，同時(shí)選擇腔長(zhǎng)L₁與腔長(zhǎng)L₂長(zhǎng)度接近，這時(shí)可以充分保證復(fù)合腔的腔縱模間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于布里淵增益譜寬，進(jìn)而在增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱?？梢云鹫癫⑿纬杉す獬錾?。

另一種情況是如圖2所示，一個(gè)腔長(zhǎng)L₂比另一個(gè)腔長(zhǎng)L₁長(zhǎng)很多倍，這時(shí)復(fù)合腔的腔縱模間隔基本上等于短腔L₁的腔縱模，也即△f≈c/(n L₁)，腔長(zhǎng)L₁選擇較短，可選擇腔長(zhǎng)小于4m，從而△f₁>50MHz，大于布里淵增益譜寬，腔長(zhǎng)L₂可以選擇比腔長(zhǎng)L₁長(zhǎng)十倍，充分滿足激光器對(duì)布里淵非線性增益的要求，這種情況也可滿足在增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱?？梢云鹫癫⑿纬杉す獬錾?。

根據(jù)以上基本原理，本實(shí)例基于光纖復(fù)合腔的單縱模布里淵激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，包括光源模塊（1）、光纖環(huán)行器（2）、光放大器（3）、光纖隔離器（4）、第一光纖耦合器（5）、第一移頻光纖（6）、第二移頻光纖（7）、第二光纖耦合器（8）；光源模塊1的尾纖輸出和光纖環(huán)行器2的第一端口201相連，光纖環(huán)行器2的第二端口202和光放大器3的輸入端口301相連，光放大器3的輸出端口302和光纖耦合器5的第一端口501相連，光纖耦合器5的第二端口502和第四端口504之間接入幾個(gè)光學(xué)器件，利用光纖連接成一個(gè)環(huán)路，此環(huán)路中接入的器件包括光纖隔離器4和移頻光纖6，其中光纖隔離器4的正向?qū)ㄝ斎攵丝?01與光纖耦合器5的第二端口502相連，光纖隔離器4的正向?qū)ㄝ敵龆丝?02與移頻光纖6相連，移頻光纖6的另一端與光纖耦合器5的第四端口504相連。另一段移頻光纖7的一端與光纖耦合器5的第三端口503相連，另一端與光纖耦合器8的第一端口801相連，光纖耦合器8的第三端口803與光纖環(huán)行器的第三端口203相連，閉合成一個(gè)大的光纖環(huán)路，光纖耦合器8的第二端口802作為單縱模布里淵激光器的輸出端口。

各器件模塊的具體實(shí)施舉例說明如下。

光源模塊1，是基于光纖復(fù)合腔的單縱模布里淵激光器的泵浦光源。由于布里淵增益譜只有幾十MHz量級(jí)，因此需要泵浦種子光源的線寬較窄。本實(shí)例采用的光源為1550nm波段窄線寬單頻光纖激光器，其線寬為2kHz，激光功率可達(dá)到100mW；也可以采用其他類型的窄線寬激光器，但線寬不能超過10MHz。

光纖環(huán)行器2，是一個(gè)三端口光纖環(huán)行器，單向?qū)?，也可采用接入光纖耦合器和隔離器的辦法，起到光纖環(huán)行器的作用。

光放大器3，主要用于放大環(huán)路中的泵浦光信號(hào)和微弱的布里淵散射信號(hào)，為了不影響布里淵激光輸出的性能，需要采取光學(xué)作用長(zhǎng)度短一些的光學(xué)放大器，如可選用2cm長(zhǎng)的高增益系數(shù)的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖作為增益介質(zhì)來搭建光纖放大器，或者直接采用商用的1550nm波段的半導(dǎo)體光放大器（SOA）。

光纖隔離器4，主要用于單向?qū)üδ埽驅(qū)ㄝ斎攵丝?01到正向?qū)ㄝ敵龆丝?02導(dǎo)通，反過來則不導(dǎo)通，因此泵浦光不能在光纖耦合器5構(gòu)成的環(huán)路中循環(huán)傳輸，而背向布里淵散射則可以。

光纖耦合器5，普通單模光纖1550nm波段，端口2×2，分光比為50:50的耦合器。

第一移頻光纖6和第二移頻光纖7，此處的移頻光纖起到提供自發(fā)布里淵散射光和布里淵非線性放大增益的功能，可以采用商用G652型號(hào)的通信單模光纖，根據(jù)原理部分的討論，此處關(guān)于第一移頻光纖6和第二移頻光纖7的長(zhǎng)度方面具體實(shí)施方式有兩種：一是形成復(fù)合腔的兩個(gè)腔長(zhǎng)接近，此處可以設(shè)置第一移頻光纖的長(zhǎng)度為1m左右，兩個(gè)腔長(zhǎng)的長(zhǎng)度可以為差為1m，可以在布里淵增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱模；二是形成復(fù)合腔的一個(gè)腔長(zhǎng)是另一個(gè)腔長(zhǎng)的多倍，此處可以設(shè)置第一移頻光纖6的長(zhǎng)度為30m，而第二移頻光纖7的長(zhǎng)度為3m左右，則長(zhǎng)腔長(zhǎng)度是短腔的10倍，復(fù)合腔的縱模間隔基本與短腔的縱模間隔一致，可完全滿足在布里淵增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱模。

光纖耦合器8，普通單模光纖1550nm波段，端口1×2，中心波長(zhǎng)1550nm，分束比為10:90，其中10%的端口作為布里淵激光器的輸出端。

通過光纖環(huán)形器2構(gòu)建環(huán)形腔，環(huán)形器內(nèi)級(jí)聯(lián)有光放大器3、用于隔離反向光的光纖隔離器4、用于構(gòu)建復(fù)合腔的光纖耦合器5、用于耦合輸出的光纖耦合器8以及用于提供布里淵非線性增益的移頻光纖6和7。種子激光通過環(huán)形器的第一端口輸入，只能在腔內(nèi)沿順時(shí)針方向傳輸，后向布里淵散射光可以在復(fù)合腔內(nèi)循環(huán)傳輸，最終在布里淵增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱模起振形成布里淵激光出射。

本發(fā)明構(gòu)建單向有源環(huán)形諧振腔，基于光纖復(fù)合腔技術(shù)方案，利用復(fù)合腔的選模特性，使得腔縱模間隔大于布里淵增益譜譜寬，從而在布里淵增益譜范圍內(nèi)有且只有一個(gè)腔縱?？梢云鹫癫⑿纬杉す獬錾洌M(jìn)而高效低成本實(shí)現(xiàn)布里淵型單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)移頻光纖激光輸出。此布里淵單頻激光頻率始終跟隨泵浦種子光，寬帶移頻效果穩(wěn)定，基于復(fù)合腔實(shí)現(xiàn)單縱模運(yùn)轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無復(fù)雜控制要求，可充分滿足基于自發(fā)布里淵散射型的分布式光纖溫度應(yīng)變傳感系統(tǒng)對(duì)寬帶移頻技術(shù)的苛刻應(yīng)用需求。