CN102393182B

CN102393182B - 基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪

Info

Publication number: CN102393182B
Application number: CN201110339651.XA
Authority: CN
Inventors: 张旭苹; 王如刚; 赵晓东
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2013-07-10
Anticipated expiration: 2031-10-31
Also published as: CN102393182A

Abstract

本发明公开一种基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，包括光脉冲产生单元（200），产生的光脉冲经扰偏器（206）后进入环形器（207）的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤（208），脉冲光在传感光纤208中的背向散射光经环形器的第三个端口进入到滤波器单元（209），滤波器单元输出的光与本振光单元（210）输出的光经耦合器（216）耦合进探测与信号处理单元（217）。脉冲发生器用于驱动调制器产生脉冲和时钟控制。本发明的传感光纤不仅能够提高布里渊阈值增加传感距离，而且能够降低布里渊频移减小探测器的带宽；通过设计出布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，大大降低了探测器的带宽，提高布里渊光时域反射仪的测量精度。

Description

基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪

技术领域

本发明涉及一种基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，主要应用于光纤传感网技术领域。

背景技术

在目前分布式光纤传感技术中，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能够实现对光纤中的温度和应变的连续分布式测量，可应用于大型建筑、公路、隧道、桥梁、大坝、通信光缆、油气管道等健康状况的监测和测量，有着广阔的应用前景。基于自发布里渊散射光时域反射仪(BOTDR)相对于其他分布式光纤传感器，具有单端进行传感测量和能对温度和应变同时传感的优点。布里渊散射光的强度和频移受光纤所处环境的温度和应力影响，所以通过测量背向布里渊散射信号的强度或频移就可以得到光纤的温度和应变的分布情况。对BOTDR而言，由于利用的自发布里渊散射光比较弱，且在普通单模光纤中对于1550nm的入射光，布里渊频移约为11GHz，所以利用直接探测的方法很难获得准确的布里渊散射信号，这就带来了较大的测量误差。随着探测器带宽的增加，等效噪声功率值越大，即可探测到的最小功率越大，影响了BOTDR系统的温度和应变的分辨率，而且高带宽探测器的价格又比较昂贵。此外，BOTDR系统的空间分辨率受探测脉冲宽度和探测器的带宽限制，要提高空间分辨率必须减小探测脉冲宽度，且需要增加探测器的带宽，而探测器带宽越宽，因此系统的空间分辨率和温度、应变的分辨率难以同时提高。由于普通单模光纤自身结构的限制，使得在普通单模光纤的受激布里渊阈值较低，当发生受激布里渊散射时，绝大部分入射光转换成背向散射光，这就影响了传感的距离。为了增加传感距离，必须提高探测信号的功率；而随着传感距离的增加，受激布里渊散射的阈值在降低，越容易产生受激布里渊散射，这就限制了BOTDR中的传感距离。路元刚等提出的发明专利，授权号：CN100504309C采用微波源和电光调制器的方法降低了探测器的带宽，但是，在微波段11GHz电子学检测难度较大，而且价格很昂贵。有的学者提出了取代相干检测系统中的微波信号源的方案，2007年美国的J.Geng(J.Geng，S.Staines，M.Blake，and S.Jiang，“Distributed fiber temperature andstrain sensor using coherent radio-frequency detection of spontaneous Brillouin scattering，”App.Opt.46，5928-5932，2007)报道了一种不需要微波信号源的布里渊时域反射仪，其核心是利用一个布里渊激光器作为本振光，这种方法可以降低探测器的带宽，但是该本振光的系统比较复杂，而且必须采用另外一个高精度的微波源和电光调制器，微波源和调制器的精度限制了系统的性能，也增加了系统的成本。2009年日本NTT公司的D.Iida(D.Iida and F.Ito，“Cost-effective bandwidth-reduced Brillouin opticaltime domain reflectometry using a reference Brillouin scattering beam，”App.Opt.48，4302-4309，2009)报道了另外一种不需要微波源的布里渊光时域反射仪，利用的是一根与传感光纤不同的光纤产生的布里渊散射光作为本振光，通常在光纤中布里渊散射光(约30MHz)的线宽比一般的DFB激光器的线宽(1-5MHz)宽好几倍，由于本振光的线宽较宽影响了测量的精度。

发明内容

本发明目的是：克服现有技术的以上缺点，为了提高布里渊光时域反射仪的测量精度和传感长度，以及降低探测器的电子带宽等问题，本发明提供一种基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪及其基于三层结构的传感光纤，提出的传感光纤不仅能够提高布里渊阈值增加传感距离，而且能够降低布里渊频移减小探测器的带宽；通过设计出简单的布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，大大降低了探测器的带宽，提高布里渊光时域反射仪的测量精度。

本发明的目的是这样实现的：布里渊光时域反射用传感光纤，是三层结构的光纤，包括纤芯内层、纤芯外层和包层，而纤芯外层和包层是由两层不同掺杂的结构构成，纤芯内层即内层纤芯为传统二氧化硅光纤，半径为6-7.5微米，掺杂GeO₂的浓度约为2.9±0.3wt.％，纤芯外层的厚度为9-20微米，掺杂Al₂O₃的浓度约为0.6±0.1wt.％，包层的掺杂F₂的浓度约为0.2±0.05wt.％，掺杂后的折射率分布为纤芯内层的折射率＞纤芯外层的折射率＞包层的折射率。

布里渊光时域反射用传感光纤，是三层结构的光纤，包括纤芯内层、纤芯外层和包层，而纤芯外层和包层是由两层不同掺杂的结构构成，纤芯内层即内层纤芯为传统二氧化硅光纤，半径为6-7.5微米，掺杂GeO₂后的折射率分布为纤芯内层的折射率约为1.46±0.001，掺杂Al₂O₃后的纤芯外层的折射率约为1.456±0.001，掺杂F₂包层的折射率约为1.45±0.001。

本发明技术方案还包括，基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，它包括光脉冲产生单元200，产生的光脉冲进入环形器207的第一个端口，从环形器的第二个端口接到传感光纤208，脉冲光在传感光纤208中的背向散射光经环形器207的第三个端口进入到滤波器单元209，滤波器单元209输出的光与本振光单元210输出的光经耦合器216耦合进探测与信号处理单元217。布里渊散射光与本振光在耦合器上耦合由探测和信号处理单元对信号进行采集和处理。

产生的光脉冲经扰偏器206后接环形器207。

所述光脉冲产生单元200是由激光器201发出的连续光，经耦合器202分光后，一路连续光进入到偏振控制器203，经调制器205调制成一定脉宽的光脉冲信号，该调制器由脉冲发生器204驱动与控制，为了改变脉冲信号的偏振状态，脉冲信号经过扰偏器206改变偏振状态，扰偏后的脉冲光通过环形器207进入到传感光纤208。

所述光脉冲产生单元200也可以是能产生一定脉冲宽度的窄线宽脉冲激光器。脉冲发生器用于驱动调制器产生脉冲和时钟控制。布里渊光时域反射用传感光纤采用的是三层结构的光纤。

所述光脉冲产生单元200中的调制器205可以是电光调制器，也可以是声光调制器等；所述调制器205可以是单个调制器也可以是多个调制器组成。

该布里渊光时域反射仪采用的是三层结构的新型单模传感光纤208，纤芯内层为掺杂GeO₂，纤芯外层掺杂Al₂O₃，包层掺杂F₂的结构，光纤的半径根据实际需要进行调整。

所述本振光单元210为单频布里渊激光器，它是由掺铒光纤放大器211，单模光纤213，环形器212，隔离器214和耦合器215构成的布里渊激光器。

所述滤波器单元209可以是能达到将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离的反射式光纤光栅，两个光纤光栅及隔离器组成的双光纤光栅滤波器，法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪，或窄带宽的其他光滤波器等中的一种。

所述探测和信号处理单元217是由探测器218和信号处理器219组成；所述探测器218可以是平衡探测器，也可以是其他的高灵敏度的探测器。

所述信号处理器219可以由高速数字示波器或频谱分析仪，或者采集卡与计算机组合等。

1、本发明采用新型的三层结构光纤作为传感光纤来提高布里渊光时域反射仪的传感长度，降低探测器的带宽等。传感光纤采用的是一种三层结构的光纤，包括纤芯内层、纤芯外层和包层，而纤芯外层和包层是由两层不同掺杂的结构构成，这种结构可以有效的控制色散等特性，而且可以减小在纤芯与包层界面之间的附加光损耗。

2、为了提高布里渊散射阈值，就要在布里渊散射过程中减小入射光波与所产生的声波之间的作用面积。而这种方法的本质是利用各种掺杂物所产生的声场和光场的大小差异，控制它们之间的作用面积。在光纤掺杂方面，我们选取了纤芯内层掺杂GeO₂，纤芯外层掺杂Al₂O₃，包层掺杂F₂的单模光纤。

3、通过研究可以得出，当纤芯外层的半径一定时，光纤的布里渊频移随着纤芯半径的增加而减小；当纤芯内层半径一定时，随着纤芯外层半径的增加，布里渊频移在减小。在保证单模光纤的前提下，根据实际需要调整光纤的半径大小，以便减小光纤的布里渊频移，提高BOTDR系统的测量精度和空间分辨率。具体见实施例3。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪及其基于三层结构的传感光纤，可以提高布里渊光时域反射仪的测量精度和传感长度，降低探测器的电子带宽等，能够降低布里渊频移减小探测器的带宽；本发明通过设计出简单的布里渊环形腔激光器作为相干探测的本振光，降低了探测器的带宽，提高了布里渊光时域反射仪的测量精度。

附图说明

图1是本发明中传感光纤的结构示意图。

图2是本发明实施例一的结构示意图。

图3是本发明实施例二的结构示意图。

图4是本发明实施例三的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明和描述。

实施例1：本实施例提供一种基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪。如图2所示，本实施例包括光脉冲产生单元200，产生的光脉冲经扰偏器206改变偏振状态后，进入到环形器207的第一个端口，经环形器207的第二个端口耦合进传感光纤208，脉冲光在传感光纤208中产生的背向散射光经环形器207的第三个端口进入到光滤波单元209后，与本振光单元210输出的光一起经耦合器216耦合进探测和信号处理单元217。所述光脉冲产生单元200是由激光光源201，耦合器202，偏振控制器203，脉冲发生器204和调制器205组成；在本振光单元210中，激光器201发出的光经耦合器202分出的一路光进入到掺铒光纤放大器211的输入端，掺铒光纤放大器211的输出端连接环形器212的第一个端口，环形器212的第二个端口连接单模光纤213的一端，环形器212的第三个端口连接隔离器214的输入端，隔离器214的输出端连接耦合器215，耦合器215的输出端一个连接单模光纤213的另一端，耦合器215的另一个输出端连接耦合器216的输入端；所述探测和信号处理单元217是由光电探测器218和信号处理单元219组成。

光脉冲产生单元200用于产生所需的光脉冲信号，窄线宽激光器201发出的连续光，经耦合器202(95:5)分成两束光，其中95％的一路光用来调制成脉冲光，由于电光调制器205是偏振敏感器件，所以连续光进入调制器205之前采用偏振控制器203控制光的偏振态，减小偏振态的影响，调制器205由脉冲发生器204驱动控制，产生脉冲信号。由于布里渊散射效率是依赖脉冲光的偏振态，所以脉冲光先经过扰偏器206，经过扰偏器206后的脉冲信号再通过环形器207进入到传感光纤208，扰偏后的脉冲光在传感光纤208中产生的背向散射信号经环形器207进入到滤波器单元209。为了将背向布里渊散射光信号从总的背向散射信号中分离出来，光滤波单元209是法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪，经滤波单元209滤除瑞利散射后，与本振光一起经耦合器216耦合进探测和信号处理单元217。

窄线宽激光器201发出的连续光，经耦合器202分出的5％的一路光，进入到本振光单元210，本振光单元210包括掺铒光纤放大器211，环形器212，普通单模光纤213，其长度为20m，光隔离器214，耦合器215。经掺铒光纤放大器211放大后的光作为环形腔布里渊激光器的泵浦，从耦合器215的10％的输出端输出的光作为本振光，与脉冲光在传感光纤208中的布里渊散射信号一起经耦合器216耦合到探测和信号处理单元217。

探测和信号处理单元217包括光电探测器218和信号处理系统219，光电探测器218是把从耦合器输出的光信号转换成电信号，采用的是平衡探测器，信号处理系统219进行数据采集和处理，得出光纤沿线上的背向布里渊散射信号光的强度和频移分布，从而得出沿光纤分布的温度和应变的信息，实现光纤分布式传感，219采用的是安捷伦的频谱分析仪和计算机结合的信号处理系统。

实施例2：本实施例提供一种基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪。如图3所示，本实施例包括光脉冲产生单元300，扰偏器308，环形器309，传感光纤310，光滤波单元311，本振光单元312，耦合器318，探测和信号处理单元319。

与图2结构的基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪相比，不同之处在于：光脉冲产生单元300增加了掺铒光纤放大器306和滤波器307。掺铒光纤放大器306是为了进一步放大探测光脉冲，滤波器307是为了滤除由放大器引起的自发辐射噪声(ASE noise)。

实施例3：本实施例提供一种基于三层结构传感光纤的布里渊频移与纤芯半径的关系，如图4所示，光纤的结构如图1所示，纤芯内层1、纤芯外层2和包层3。通过研究可以得出，当纤芯外层的半径一定时，光纤的布里渊频移随着纤芯半径的增加而减小；当纤芯半径一定时，随着纤芯外层半径的增加，布里渊频移在减小。在保证单模光纤的前提下，根据实际需要调整光纤的半径大小，以便减小光纤的布里渊频移，提高BOTDR系统的测量精度和空间分辨率。

布里渊光时域反射用传感光纤，是三层结构的光纤，包括纤芯内层、纤芯外层和包层，而纤芯外层和包层是由两层不同掺杂的结构构成，纤芯内层即内层纤芯为传统二氧化硅光纤，半径为6或7微米，掺杂GeO₂的浓度约为2.9wt.％，纤芯外层的厚度为12或20微米，掺杂Al₂O₃的浓度约为0.6wt.％，包层的掺杂F2的浓度约为0.2wt.％，掺杂后的折射率分布为纤芯内层的折射率大于纤芯外层的折射率大于包层的折射率。包层的厚度不作限定，一般在200微米以上。以上工艺条件均是有益的，布里渊频移值均在10.53G以下。

另一种控制折射率的方法，掺杂GeO₂后的折射率分布为纤芯内层的折射率约为1.46，掺杂Al₂O₃后的纤芯外层的折射率约为1.456，掺杂F₂包层的折射率约为1.45。折射率的控制与上述掺杂浓度的控制有一定的对应关系。

本发明光纤制造时仍采用现有硅烷气相淀积工艺，如通过Ge的气相有机(三甲基锗)或无机化合物(如氯气带入生长的光纤表面层)、F₂原料气体的掺杂本身通过HF的掺杂。

虽然本发明通过具体实施例进行了描述，但具体实施例和附图并非用来限定本发明。本领域技术人员可在本发明的精神的范围内，做出各种变形和改进，所附的权利要求已包括这些变形和改进。

Claims

1.一种基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，其特征在于：它包括光脉冲产生单元（200），产生的光脉冲经扰偏器（206）后进入环形器（207）的第一个端口，从环形器的第二个端口进入到传感光纤（208），脉冲光在传感光纤（208）中的背向散射光经环形器（207）的第三个端口进入到滤波器单元（209），滤波器单元（209）输出的光与本振光单元（210）输出的光经耦合器（216）耦合进探测与信号处理单元（217）；所述光脉冲产生单元（200）是由激光器（201）发出的连续光，经耦合器（202）分光后，一路连续光进入到偏振控制器（203），经调制器（205）调制成一定脉宽的光脉冲信号，该调制器由脉冲发生器（204）驱动与控制，为了改变脉冲信号的偏振状态，脉冲信号经过扰偏器（206 ）改变偏振状态，扰偏后的脉冲光通过环形器（207）进入到传感光纤（208）。

2.根据权利要求1所述的基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，其特征在于：所述光脉冲产生单元（200）是能产生一定脉冲宽度的窄线宽脉冲激光器。

3.根据权利要求1所述的基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，其特征在于：所述光脉冲产生单元（200）中的调制器（205）是电光调制器或声光调制器；所述调制器（205）是单个调制器或多个调制器组成。

4.根据权利要求1所述的基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，其特征在于：该布里渊光时域反射仪采用的传感光纤是三层结构的单模传感光纤（208），纤芯内层为掺杂GeO₂，纤芯外层掺杂Al₂O₃，包层掺杂F₂的结构，纤芯内层即内层纤芯为传统二氧化硅光纤，半径为6-7.5微米，掺杂GeO₂的浓度为2.9±0.3wt.%，纤芯外层的厚度为9-20微米，掺杂Al₂O₃的浓度为0.6±0.1wt.%，包层的掺杂F₂的浓度为0.2±0.05wt.%，掺杂后的折射率分布为纤芯内层的折射率>纤芯外层的折射率>包层的折射率；或者是掺杂GeO₂后的折射率分布为纤芯内层的折射率为1.46±0.001，掺杂Al₂O₃后的纤芯外层的折射率为1.456±0.001，掺杂F₂包层的折射率为1.45±0.001。

5.根据权利要求1所述的基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，其特征在于：所述本振光单元（210）为单频布里渊激光器，它是由掺铒光纤放大器(211)，单模光纤(213)，环形器(212)，隔离器(214)和耦合器(215)构成的布里渊激光器。

6.根据权利要求1所述的基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，其特征在于：所述滤波器单元(209)是能达到将背向瑞利散射光和背向布里渊散射光分离的反射式光纤光栅、两个光纤光栅及隔离器组成的双光纤光栅滤波器或法布里-珀罗干涉仪。

7.根据权利要求1所述的基于三层结构传感光纤的窄带宽布里渊光时域反射仪，其特征在于：所述探测和信号处理单元（217）由探测器（218）和信号处理器（219）组成；所述探测器（218）是平衡探测器；所述信号处理器（219）为高速数字示波器或频谱分析仪或者采集卡与计算机组合。