CN102307061B - 超短光纤中布里渊散射高精度测量系统 - Google Patents

Abstract

一种超短光纤中布里渊散射高精度测量系统，包括激光器，在激光器的输出方向接光纤耦合器的输入端，光纤耦合器的一个输出端依次经第一偏振控制器、光纤隔离器、探测光纤接环形器的一端；光纤耦合器的另一个输出端依次经第二偏振控制器接单边带调制器的一个输入端，单边带调制器的输出端经光纤放大器接环形器的另一输入端，环形器的输出端经光电探测器接锁相放大器的第一输入端，锁相放大器的输出端接数据采集处理系统，一个方波信号发生器分别与单边带调制器的第二输入端和锁相放大器的第二输入端相连。同时利用受激布里渊散射增益和受激布里渊散射损耗两个过程，提高了整段传感光纤上探测的灵敏度，避免了端面反射等干扰信号的影响，降低了成本。

Description

超短光纤中布里渊散射高精度测量系统

技术领域

本发明涉及一种超短光纤中布里渊散射高精度测量系统，具体是涉及的一种基于受激布里渊散射的探测系统。

背景技术

受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering)可以描述为两束光在介质中（如石英光纤）产生的非线性作用。当两束相向光束（泵浦光                                                

与探测光

）在光纤中相遇，并且两束光的频率满足布里渊频移，就会发生能量交换。受激布里渊散射的过程如图1，两束光泵浦光

、探测光

在光纤中相向相遇，当的频率减去

的频率满足布里渊频移的时候，即时，由于受激布里渊散射效应，

的能量转移到

，

光产生布里渊散射的增益，即

₂光被放大，

被衰减。

布里渊频移由以下公式来衡量

其中是声波在光纤中的传播速率，

是光纤折射率，是泵浦光的波长。在石英单模光纤中，布里渊频移约为10~11GHz。

布里渊散射中的布里渊频移与传感光纤的温度和应变有特定关系，通过对传感光纤中布里渊频移的分布式测量，即可实现布里渊分布式传感测量。

传统的布里渊散射探测系统的工作原理为：激光器用于产生布里渊泵浦光及探测光。通过一个电光调制器来调制布里渊泵浦光的强度，并通过另一个电光调制器产生频率下移10~11GHz的布里渊探测光。探测光经过一个光放大器放大后，耦合入传感光纤的一端。调制后的泵浦光由另一个光放大器放大后，经过环形器耦合入传感光纤的另一端。同时经过放大的布里渊探测光通过环形器进入光探测器转化成电信号，并由数据采集和处理系统进行数据采集和处理。传统的系统需要使用至少2个光放大器和2个电光调制器，并且只能探测单一的受激布里渊增益，容易受到端面反射等噪声干扰的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种超短光纤中布里渊散射高精度测量系统，直接使用激光器发出的光作为探测光，减少了一个电光调制器和一个光放大器，降低了成本。并且使用单边带调制器分别对泵浦光进行频率上移和频率下移的单边带调制，同时利用了布里渊散射的增益和损耗两个过程，从而提高了整段传感光纤上布里渊探测信号的灵敏度，降低了系统对光纤中端面反射、瑞利散射等的影响。

本发明的技术解决方案如下：

一种超短光纤中布里渊散射高精度测量系统，其特点在于该系统的构成包括激光器,在该激光器的输出方向接光纤耦合器的输入端，该光纤耦合器的一个输出端依次经第一偏振控制器、光纤隔离器、探测光纤接环形器的一端；所述的光纤耦合器的另一个输出端依次经第二偏振控制器接单边带调制器的一个输入端，该单边带调制器的输出端经光纤放大器接所述的环形器的另一输入端，该环形器的输出端经光电探测器接锁相放大器的第一输入端，该锁相放大器的输出端接数据采集处理系统，一个方波信号发生器分别与所述的单边带调制器的第二输入端和所述的锁相放大器的第二输入端相连。

优选的，所述的光纤放大器是两级放大的掺铒光纤放大器（EDFA），第一级放大器是小信号放大器，将调制后较低功率的泵浦光放大到合适水平，然后通过宽带光滤波器过滤EDFA的自发辐射噪声。第二级放大器是大信号放大器，将第一级放大的泵浦光进一步放大到探测短光纤布利渊散射所需的光功率。采用两级EDFA放大能显著放大泵浦光中被调制的上边频光或下边频光的功率，减少放大中产生的噪声源，因此可以提高泵浦光的有效功率，进一步提高了探测灵敏度和精度。

优选的，所述的激光器为保偏光纤输出激光器，所述的光纤耦合器为保偏光纤耦合器，所述的光纤隔离器为保偏光纤隔离器，所述的环形器为保偏环形器，实现对超短保偏光纤中的布里渊散射的高精度测量，且不受外界扰动对光纤偏振的干扰和影响。

优选的，所述的激光器为1550nm的半导体激光器。

所述的的单边带调制器为双Mach—Zehnder型单边带调制器，通过所述的方波信号发生器，使泵浦光进行上下边频周期交替变换，使得探测光前半个周期处于布里渊增益过程，后半个周期处于布里渊损耗过程。

本发明在探测布里渊散射的过程中，同时利用了受激布里渊散射增益和受激布里渊散射损耗两个过程。其受激布里渊散射的原理如背景技术介绍。单边带调制器-双Mach—Zehnder型单边带调制器是依据Mach-Zehnder干涉仪原理制作的光调制器，可以调制出双边带、单边带、QPSK、QAM等不同的光信号。当利用双Mach—Zehnder型单边带调制器调制泵浦光时，调制器可以将微波信号调制在泵浦光上，并可以通过一个控制电平改变调制方式。控制电平可以是周期方波电信号，当方波信号为低电平时，单边带调制器抑制下边带，进行上边带调制（如图2a），当方波信号为高电平时，单边带调制器抑制上边带，进行下边带调制（如图2b）。当输入调制器的微波频率为10~11GHz时，可以产生相对于探测光频率上移或下移10~11GHz的泵浦光。

当方波信号为高电平的半个周期内，泵浦光频率相对于探测光频率下移布里渊频移，泵浦光的能量转移到探测光，探测光处于受激布里渊增益状态。当方波信号为低电平的半个周期内，泵浦光频率相对于探测光频率上移布里渊频移，与前一状态相反，探测光的能量转移到泵浦光，因此探测光处于受激布里渊损耗状态。

在将探测光信号转化为电信号后，通过锁相放大器与参考信号（即控制调制器的方波信号）进行相关放大。锁相放大器可以有效去除信号中的噪声干扰，准确探测布里渊信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明同时利用了布里渊散射的增益和损耗两个过程，从而提高了整段传感光纤上布里渊信号探测的灵敏度。

2、本发明直接使用激光器发出的光分光后作为探测光，减少了一个电光调制器和一个光放大器，降低了成本。

3、本发明使用特制的两级放大的掺铒光纤放大器，提高了泵浦光的有效功率，进一步提高了布里渊散射的探测灵敏度。

4、本发明中的探测光信号是布里渊增益和损耗的交替信号，它和方波驱动的单边带调制产生的泵浦光信号完全相干，也是个方波交流信号；光纤端面反射、光纤瑞利散射等则是直流分量。在通过锁相放大器时，直流信号被过滤掉，从而实现受激布里渊散射的高精度测量。

5、本发明和已有的探测方法有着本质区别，传统方法中因传感光纤端面反射、瑞利散射等的影响会额外引入交流信号干扰，该干扰也是锁相放大器检测的主要噪声来源。相比之下，本发明在同等条件下探测精度高、效果好，尤其适合于超短光纤上的小信号探测。

6、本发明的系统可以实现超短光纤上的布里渊频移的测量及其传感应用。

7、本发明的通过改进后（比如使用交变电流驱动的半导体激光器作为光源），可以实现高分辨率、高精度的基于时频混合域的布里渊光纤分布式传感。

附图说明

图1 为受激布里渊散射过程。

图2a为上边带调制实验图。

图2b为下边带调制实验图。

图3为本发明超短光纤中布里渊散射高精度测量系统的组成示意图。

图中：1激光驱动器（电流驱动、温度控制）、2激光器、3光纤耦合器、4第一偏振控制器、5光纤隔离器、6传感光纤、7双Mach—Zehnder型单边带调制器、8光纤放大器、9环形器、10光电探测器、11锁相放大器、12数据采集处理系统、 13第二偏振控制器、14方波信号发生器、 15 微波信号。

图4 为超短光纤中布里渊散射高精度测量系统测量一段3cmDSF光纤受到不同应力时，布里渊频移的变化。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图3，图3为本发明超短光纤中布里渊散射高精度测量系统的组成示意图。如图所示，一种超短光纤中布里渊散射高精度测量系统，该系统的构成包括激光器2,在该激光器2的输出方向接光纤耦合器3的输入端，该光纤耦合器3的一个输出端依次经第一偏振控制器4、光纤隔离器5、探测光纤6接环形器9的一端；所述的光纤耦合器3的另一个输出端依次经第二偏振控制器13接双Mach—Zehnder型单边带调制器7的一个输入端，该单边带调制器7的输出端经光纤放大器8接所述的环形器9的另一输入端，该环形器9的输出端经光电探测器10接锁相放大器11的第一输入端，该锁相放大器11的输出端接数据采集处理系统12，一个方波信号发生器14分别与所述的单边带调制器7的第二输入端和所述的锁相放大器11的第二输入端相连。

所述的光纤放大器8是两级放大的掺铒光纤放大器（EDFA），第一级放大器是小信号放大器，第二级放大器是大信号放大器。

所述的激光器2为保偏光纤输出激光器，所述的光纤耦合器3为保偏光纤耦合器，所述的光纤隔离器5为保偏光纤隔离器，所述的环形器9为保偏环形器，实现对超短保偏光纤中的布里渊散射的高精度测量，且不受外界扰动对光纤偏振的干扰和影响。

本发明超短光纤中布里渊散射高精度测量系统的工作方法如下：

①　高精度电流控制的激光驱动器驱动1550nm的半导体激光器，用于输出布里渊泵浦光和探测光，其输出通过光纤耦合器3分成两路。

②　其中一路的探测光经过第一偏振控制器4和光纤隔离器5，直接作为探测光被耦合入传感光纤6中。

③　在另一路上，经第二偏振控制器13后，用单边带调制器7将微波信号15调制到泵浦光上。单边带调制器17由方波信号14控制，当方波信号14为低电平时，单边带调制器17进行上边带调制，当方波信号14为高电平时，单边带调制器17进行下边带调制。从而产生相对于探测光频率上移或下移10~11GHz的布里渊泵浦光。

④　在进行探测前，为了消除反射光的影响，调整第二偏振控制器13和单边带调制器7偏置电压，使得单边带调制器7输出的上边频和下边频功率相同、载波抑制比也相同。调制后泵浦光经过所述的光纤放大器8放大通过环形器9耦合入传感光纤6中。

⑤　探测光和泵浦光在传感光纤中经过受激布里渊作用后，再通过环形器9进入光电探测器10转换为电信号。

⑥　电信号通过锁相放大器11与参考信号进行相关放大，去除噪声干扰，并由数据采集卡进行数据采集和处理。

Claims (4)

1.一种布里渊散射高精度测量系统，其特征在于该系统的构成包括激光器（2）,在该激光器（2）的输出方向接光纤耦合器（3）的输入端，该光纤耦合器（3）的一个输出端依次经第一偏振控制器（4）、光纤隔离器（5）、探测光纤（6）接环形器（9）的第2端口；所述的光纤耦合器（3）的另一个输出端依次经第二偏振控制器（13）接单边带调制器（7）的一个输入端，该单边带调制器（7）的输出端经光纤放大器（8）接所述的环形器（9）的第1端口，该环形器（9）的第3端口经光电探测器（10）接锁相放大器（11）的第一输入端，该锁相放大器（11）的输出端接数据采集处理系统（12），一个方波信号发生器（14）分别与所述的单边带调制器（7）的第二输入端和所述的锁相放大器（11）的第二输入端相连；所述的单边带调制器（7）为双Mach—Zehnder型单边带调制器，通过所述的方波信号发生器（14），使泵浦光进行上下边频周期交替变换，使得探测光前半个周期处于布里渊增益过程，后半个周期处于布里渊损耗过程。

2.根据权利要求1所述的布里渊散射高精度测量系统，其特征在于所述的光纤放大器（8）是两级放大的掺铒光纤放大器（EDFA），第一级放大器是小信号放大器，第二级放大器是大信号放大器。

3.根据权利要求1所述的布里渊散射高精度测量系统，其特征在于所述的激光器（2）为保偏光纤输出激光器，所述的光纤耦合器（3）为保偏光纤耦合器，所述的光纤隔离器（5）为保偏光纤隔离器，所述的环形器（9）为保偏环形器。

4.根据权利要求1所述的布里渊散射高精度测量系统，其特征在于所述的激光器（2）为1550nm的半导体激光器。

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