CN103196540A - 一种基于非对称分布反馈光纤激光器阵列的水听器系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于非对称分布反馈光纤激光器阵列的水听器系统，属光纤光栅与激光传感技术领域。包括980nm泵浦光源、非对称分布反馈光纤激光器的阵列、隔离器及解调系统等。其特征在于非对称分布反馈光纤激光器阵列中的非对称分布反馈光纤激光器各自具有不同的波长和不同的非对称度。本发明利用非对称分布反馈光纤激光器长光栅端输出激光功率低而短光栅端输出功率高的特点。在近泵浦端，泵浦光通过非对称分布反馈光纤激光器的长光栅端输入；在远泵浦端，泵浦光通过非对称分布反馈光纤激光器的短光栅端输入。选用合适非对称度的非对称分布反馈光纤激光器进行优化排列构成阵列，能有效克服泵浦光功率均衡问题并改善水听器阵列输出光的平坦度。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)阵列的水听器系统，属于光纤光栅与激光传感技术领域。
背景技术
光纤激光水听器是一种新型有源光纤水听器，其采用分布反馈光纤激光器(DFB-FL)作为传感元件，水声压变化引起DFB-FL的激光波长移动，通过采用高分辨率的干涉式波长位移解调和相位载波调制解调技术，可以达到极高的探测灵敏度和极大的动态范围。由于DFB-FL具有波长编码特性，可利用波分复用技术，在同一根光纤中串联多个不同波长的DFB-FL组成光纤激光水听器阵列。DFB-FL具有灵敏度高、动态范围大、易于复用组阵、重量轻和体积小等优点。在国防水声检测领域以及海洋环境检测、海洋油气资源勘探等民用领域具有广阔的应用前景。
DFB-FL水听器主要利用波分复用技术，在同一根光纤中串联多个不同波长的DFB-FL组成光纤激光水听器阵列。但是在DFB-FL水听器阵列中，尤其是多元阵列，如40元DFB-FL阵列，由于泵浦功率的衰减和传输损耗以及不同波长DFB-FL增益特性的差异将造成DFB-FL阵元激光功率的剧烈波动，从而会导致水听器阵列的输出光的平坦性较差。而且在整个阵列的光传输过程中存在多种无法消除的损耗，包括泵浦光的吸收损耗、光纤的传输损耗、熔接损耗、光无源器件的插入损耗等。而传输进入最后一个DFB-FL的泵浦功率取决于光源功率和这些损耗的总和。对于多元DFB-FL阵列，上述的问题经常会导致阵列中最后元的DFB-FL无法达到阈值条件而无激光输出。而这些问题正是阻碍DFB-FL水听器大规模复用及传感组网技术进一步发展和应用的关键所在。如中科院北京半导体所2010年的博士论文《分布反馈(DFB)光纤激光器的研究》中第103到第112页给出了对DFB光纤激光器阵列的研究，第112页图6.7给出的是16元阵列的光谱图，水听器阵列的输出光的平坦性较差大于20dB，这主要是由于上面给出的各类不可消除的损耗引起的，而增加降低损耗的装置会使得系统更为复杂，并且操作和实现难度也较大。所以我们需要一种更为简单易行的方法来解决上述问题。
发明内容
为了克服现有技术存在的缺陷和不足，本发明提出了一种基于非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的水听器阵列系统，旨在提高DFB-FL的复用能力和解决泵浦功率均衡的问题，并且可以有效地提高DFB-FL阵列输出激光的平坦度。
本发明的技术方案是按以下方式实现的。
一种基于非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的水听器阵列系统，包括980nm泵浦光源(LD)、波分复用器(WDM)、隔离器(ISO)、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)阵列、以及解调系统，将980nm泵浦光源通过其所带尾纤与波分复用器(WDM)的980nm输入端相连；波分复用器(WDM)的公共端由普通的单模光纤与非对称DF-FL阵列连接；波分复用器(WDM)的1550nm端通过普通光纤接到隔离器(ISO)的正向输入端，隔离器(ISO)的另一端连接入解调系统；解调系统包括非平衡迈克尔逊(Michelson)干涉仪、相位载波产生器、密集波分复用器、探测器及放大电路、数据采集器以及相位生成载波（PGC）解调器，解调系统中的上述仪器、电路和器件顺序连接；980nm泵浦光源发出的980nm泵浦光经一段传输光纤后进入波分复用器(WDM)，然后逐级进入由不同波长的非对称相移光栅构成的非对称分布反馈光纤激光器（DFB-FL）阵列，该阵列中各非对称分布反馈光纤激光器（DFB-FL）输出的激光经波分复用器(WDM)的1550nm端及隔离器传输进入解调系统，其特征在于非对称分布反馈光纤激光器（DFB-FL）阵列中的非对称分布反馈光纤激光器各自具有不同的波长和不同的非对称度。
本发明中所使用的非对称DFB-FL是指π相移在光栅的非中间位置，如图2所示，图2上图是非对称DFB-FL的结构示意图，在一段掺杂稀土元素的光纤中写入布拉格(Bragg)光栅并且在写光栅的过程中插入一个π相移，π相移在光栅的非中间位置。图2下图是非对称DFB-FL的折射率调制深度的横截面图，折射率调制深度沿光纤的横截面均匀分布且在非中间位置存在一个π相移突变。对于非对称DFB-FL，π相移两端是长度不同的布拉格(Bragg)光栅，分别为长光栅(FBG1)和短光栅(FBG2)。通常对称DFB-FL的前后向输出激光功率相同，而非对称DFB-FL可以获得前后向输出功率不同的激光，接近相移区的短光栅(FBG2)输出端的功率比远离相移区的长光栅(FBG1)输出功率要高并且泵浦阈值越低。DFB-FL两端输出功率的比率最大取值为100，即非对称DFB-FL的两端输出功率比最大可达到100:1，而比率为1时指DFB-FL两端输出功率相等。在相同泵浦条件下，非对称DFB-FL可以得到更高功率的单向输出。图3给出的是两支长度都为4cm且制作条件相同的DFB-FL的输出激光功率，其中一支为对称π相移DFB-FL，一支为非对称π相移DFB-FL且相移位置在0.4倍相移光栅长度处。可以看出对称DFB-FL的两端输出功率基本相等，即输出功率比为1:1，其中偏差由于测量误差和制作误差造成。非对称DFB-FL两端的输出功率相差较大，两端输出功率的斜率效率分别为0.36237和0.03186，用R来表示DFB-FL两端输出功率斜率效率的比率，得到R=11.374。并且非对称DFB-FL的短光栅(FBG2)端输出激光的泵浦阈值最小，说明在泵浦功率很小的情况下就可以达到阈值条件产生激光输出。可以看出在相同的制作条件下，只改变相移在光栅中的位置就可以使DFB-FL的两端输出相差较大的功率。而相移的位置决定了两端输出功率的比率。
本发明是用非对称DFB-FL进行组阵来构成水听器阵列系统，图4是8元非对称DFB-FL阵 列的组阵结构图。根据指标的要求选择合适的波长间隔，同时参考光纤通信的国际标准，以便提高DFB-FL阵列的兼容性，我们采用的波长间隔为2.4nm，且每个波长都满足国际电信联盟(ITU)的波长标准。每支DFB-FL通过普通单模光纤熔接连接。考虑在整个阵列光路上的各类损耗，以及在阵列中用于弥补器件老化以及将来可能加入附加器件或熔接引起的损耗而需有的约3dB的泵浦功率富裕度，对泵浦功率进行了预算，可以计算出最大允许传输距离。而对于DFB-FL都会受来自传输光纤的背向瑞利散射的影响，应用非对称相移光栅的参数耦合系数κ和光栅长度L以及相移位置Lp可以估算出DFB-FL的瑞利散射临界长度。通过对8支非对称DFB-FL的临界长度的估算，选取最短的临界长度并且考虑泵浦光的最大允许传输距离，可以确定8元非对称DFB-FL阵列的总长度。如图4所示的阵列中，靠近泵浦端的非对称DFB-FL1、DFB-FL2、DFB-FL3和DFB-FL4，由于其泵浦功率高，泵浦光可以通过非对称DFB-FL的长光栅(FBG1)端输入DFB-FL。而远离泵浦的非对称DFB-FL5、DFB-FL6、DFB-FL7和DFB-FL8，由于泵浦的衰减和损耗，泵浦光可以通过非对称DFB-FL的短光栅(FBG2)端输入DFB-FL。且8支DFB-FL含有不同的非对称度，用非对称DFB-FL两端输出功率斜率效率的比(R)来表示非对称度，R最大可为100。这里选取的8支非对称DFB-FL的非对称度，按照:R(DFB-FL1)>R(DFB-FL2)>R(DFB-FL3)>R(DFB-FL4)，R(DFB-FL8)>R(DFB-FL7)>R(DFB-FL6)>R(DFB-FL5)的序列排列。在DFB-FL阵列中，泵浦光功率按照逐级衰减的方式向下一级阵元传输，而DFB-FL输出激光的驰豫振荡频率在组阵前后保持不变且与泵浦功率保持固定的非线性关系，所以在DFB-FL阵列中，可以通过测量每个阵元驰豫振荡频率的方法来推得各阵元实际获得的泵浦光功率。通过合适搭配具有不同非对称度的非对称DFB-FL，可以有效的克服泵浦光功率均衡的问题并提高DFB-FL的复用能力和改善水听器阵列输出光的平坦度。
本发明具有以下优点：结构简单，可以有效均衡泵浦光的功率并提高泵浦光的利于率，可以提高DFB-FL的复用能力以及水听器阵列输出光的平坦度，适合于更多元的DFB-FL组阵，增大了水听器阵列系统的远程传输能力并且更有利于实现大规模复用和传感组网。
附图说明
图1是本发明水听器阵列系统结构示意图。
其中：1、980nm泵浦光源，2、波分复用器，3、普通单模光纤，4、非对称分布反馈光纤激光器阵列，5、隔离器，6、非平衡迈克尔逊干涉仪，7、相位载波产生器，8、密集波分复用器，9、探测器及放大电路，10、数据采集器，11、相位生成载波解调器。
图2上图是本发明中使用的非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的结构示意图，下图是本发明中使用的非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的折射率调制深度的横截面图。
其中：12、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的长光栅(FBG1)，13、π相移，14、非对 称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的短光栅(FBG2)，15、折射率调制深度沿光纤横截面的分布，16、π相移。
图3是本发明中π相移位置在0.4倍相移光栅长度处的非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的长光栅(FBG1)端和短光栅(FBG2)端的输出功率，以及普通对称π相移分布反馈光纤激光器(DFB-FL)两端的输出功率。可以看出非对称DFB-FL两端的输出功率相差较大，两端输出功率斜率效率的比为11.374，即非对称度为11.374，而对称DFB-FL两端的输出功率基本相等。
其中：17、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的长光栅(FBG1)端的输出功率，18、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的短光栅(FBG2)端的输出功率，19、对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)两端的输出功率。
图4是本发明基于非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)的8元阵列的结构示意图。
其中:20、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL1)，21、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL2)，22、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL3)，23、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL4)，24、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL5)，25、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL6)，26、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL7)，27、非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL8)，28、熔接点及普通单模光纤。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
本发明实施例1如图1所示，一种基于非对称分布反馈光纤激光器的8元水听器阵列系统，包括980nm泵浦光源1、波分复用器2、普通单模光纤3、非对称分布反馈光纤激光器阵列4、隔离器5、非平衡迈克尔逊干涉仪6、相位载波产生器7、密集波分复用器8、探测器及放大电路9、数据采集器10、相位生成载波解调器11，将980nm泵浦光源1通过其所带尾纤与波分复用器2的980nm输入端相连；波分复用器2的公共端由普通的单模光纤3与8元非对称分布反馈光纤激光器阵列4连接；波分复用器2的1550nm端通过普通光纤接到隔离器5的正向输入端，隔离器5的另一端连接入解调系统；解调系统包括非平衡迈克尔逊干涉仪6、相位载波产生器7、密集波分复用器8、探测器及放大电路9、数据采集器10以及相位生成载波解调器11，解调系统中的上述仪器、电路和器件顺序连接；980nm泵浦光源1发出的980nm泵浦光经一段传输光纤后进入波分复用器2，然后逐级进入由不同波长的非对称相移光栅构成的非对称分布反馈光纤激光器阵列4，该阵列中各非对称分布反馈光纤激光器输出的激光经波分复用器2的1550nm端及隔离器5传输进入解调系统；
8元非对称DFB-FL阵列的排列顺序如图4所示，分别为：非对称分布反馈光纤激光器 (DFB-FL1)，非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL2)，非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL3)，非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL4)，非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL5)，非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL6)，非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL7)，非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL8)。8支DFB-FL的波长间隔为2.4nm，波长按照1到8的排列顺序依次为：1532nm，1534.4nm，1536.8nm，1539.2nm，1541.6nm，1544nm，1546.4nm，1548.8nm。且8支非对称DFB-FL的非对称度(R)，按照排列顺序前4支依次为：5，4，3，2，后4支依次为：7，8，10，12。且前4支非对称DFB-FL为长光栅(FBG1)端接泵浦输入，后4支非对称DFB-FL为短光栅(FBG2)端接泵浦输入。
此阵列的特征在于应用非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)两端输出功率不同的特点，进行优化排列构成阵列，来均衡泵浦功率的使用率，并且可以有效地提高DFB-FL阵列输出光的平坦度。
实施例2：
和实施例1相同，只是非对称分布反馈光纤激光器阵列为16元。16支DFB-FL的波长间隔为0.8nm和2.4nm，波长按照排列顺序依次为：1532nm，1532.8nm，1535.2nm，1536nm，1538.4nm，1539.2nm，1541.6nm，1542.4nm，1544.8nm，1545.6nm，1548nm，1548.8nm，1551.2nm，1552nm，1554.4nm，1555.2nm。且16支非对称DFB-FL的非对称度(R)，按照排列顺序前8支依次为：6，5.4，4.8，4.2，3.6，2.8，2，1.2，后8支的非对称度(R)依次为：3，4，5，6.5，8，10，12，15。且前8支非对称DFB-FL的长光栅(FBG1)端接泵浦输入，后8支非对称DFB-FL为短光栅(FBG2)端接泵浦输入。
实施例3：
和实施例1相同，只是非对称分布反馈光纤激光器(DFB-FL)阵列为40元。40支DFB-FL的波长间隔为0.8nm，波长按照排列顺序依次为：1528nm，1528.8nm，1529.6nm，1530.4nm，1531.2nm，1532nm，1532.8nm，1533.6nm，1534.4nm，1535.2nm，1536nm，1536.8nm，1537.6nm，1538.4nm，1539.2nm，1540nm，1540.8nm，1541.6nm，1542.4nm，1543.2nm，1544nm，1544.8nm，1545.6nm，1547.4nm，1548.2nm，1549nm，1549.8nm，1550.6nm，1551.4nm，1552.2nm，1553nm，1553.8nm，1554.6nm，1555.4nm，1556.2nm，1557nm，1557.8nm，1558.6nm，1559.4nm，1560.2nm。且40支非对称DFB-FL的非对称度(R)，按照排列顺序前20支依次为：11，10.7，10.4，10.1，9.8，9.5，9.1，8.7，8.3，7.9，7.4，6.9，6.4，5.8，5.2，4.4，3.6，2.8，2，1.2，后20支的非对称度(R)依次为：3，4，5，6，7，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，32，38，45，52，60。且前20支非对称DFB-FL的长光栅(FBG1)端接泵浦输入，后20支非对称DFB-FL为短光栅(FBG2)端接泵浦输入。
Claims (1)
1.一种基于非对称分布反馈光纤激光器的水听器阵列系统，包括980nm泵浦光源、波分复用器、隔离器、非对称分布反馈光纤激光器阵列、以及解调系统，将980nm泵浦光源通过其所带尾纤与波分复用器的980nm输入端相连；波分复用器的公共端由普通的单模光纤与非对称分布反馈光纤激光器阵列连接；波分复用器的1550nm端通过普通光纤接到隔离器的正向输入端，隔离器的另一端连接入解调系统；解调系统包括非平衡迈克尔逊干涉仪、相位载波产生器、密集波分复用器、探测器及放大电路、数据采集器以及相位生成载波解调器，解调系统中的上述仪器、电路和器件顺序连接；980nm泵浦光源发出的980nm泵浦光经一段传输光纤后进入波分复用器，然后逐级进入由不同波长的非对称相移光栅构成的非对称分布反馈光纤激光器阵列，该阵列中各非对称分布反馈光纤激光器输出的激光经波分复用器的1550nm端及隔离器传输进入解调系统，其特征在于非对称分布反馈光纤激光器阵列中的非对称分布反馈光纤激光器各自具有不同的波长和不同的非对称度。
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