CN106124029B - 基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其是一种基于微纳光纤全光相位调制生成载波方法的光纤水听器系统。本发明基于微纳光纤全光相位调制生成载波方法的光纤水听器系统在干涉仪部分无电全光纤，在系统光源部分不再进行频率调制得以保证低相位噪声，而是采用一个强度调制光信号，通过波分复用器，经由连接光探测器的上行光纤，远程给干涉仪内的微纳光纤全光相位调制器施加信号，实现外调制。本发明一方面在干涉仪端不包含电子元件，保持水下探头的无电全光优势，另一方面采用了准平衡干涉仪结构，避免非平衡干涉结构引入的环境噪声，并消除了光源调制导致的相位噪声，改善了光纤水听器系统的整体传感能力。

Description

基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统

技术领域

本发明涉及一种光纤传感技术，尤其是一种基于微纳光纤全光相位调制生成载波方法的光纤水听器系统。

背景技术

随着光纤传感技术及光电子技术的日趋成熟，光纤水听器已由实验室研究走向工程应用。目前，光纤水听器已在水面舰艇、潜艇、鱼雷等军事目标的探测，以及水声物理研究、石油勘探、海洋渔业等应用方面发挥重要作用，并成为现代光纤传感技术和水声探测技术的重要发展方向之一。

目前，典型的光纤水听器主要为干涉型和光纤光栅型，其基本传感原理是利用声波调制传感光纤系统内传输光波的相位参量和波长参量，然后再采用相应的信号处理技术解调出相位信息或波长信息，进而获取待测水声信号。其中，波长参量信息可以通过干涉仪转换成相位参量进行信号解调。

对于光纤水听器，传感探头的无电即全光特性是其重要的性能要求和技术优势，这就需要对其传感探头结构、解调技术进行相应的设计。对于干涉型光纤水听器(以光纤干涉仪为例)，目前有光源内调制数字化相位生成载波的调制解调、外差解调、远程匹配3X3光纤耦合器干涉仪解调等解调技术。其中，相位生成载波的调制解调技术(PGC)较为常用，其不但可以直接解调光纤水听器相位参量信号，还可用于光纤水听器波长参量信号解调。

相位生成载波调制解调技术(PGC)的相位生成载波法主要有光源内调制法和干涉仪外加调制法。其中，干涉仪外加调制法需在置于干涉仪中的调制器上外加电信号，故不满足全光光纤水听器探头需求。而基于光源内调制法的相位生成载波调制解调技术(PGC)，可使光纤水听器探头处于全光工作状态。但采用光源内调制的调制解调技术时，光源需要一定频率的快速调谐，光纤水听器内的干涉仪必须有一定臂差，这使得该类水听器系统存在光源相位噪声大和非平衡干涉仪结构引入额外相位噪声等问题。如果能够在干涉仪内实现全光相位调制，并将干涉仪保持在准平衡干涉仪结构，将在解决上述光纤水听器噪声问题方面大有作为。

微纳光纤是一种将光约束在微米甚至亚微米量级尺度范围的新型微米量级光纤，因其具有大比例倏逝波传输、强光场约束性、大波导色散和弯曲半径小等诸多优良的光学特性，近些年备受关注。微纳光纤主要是通过高温物理拉伸玻璃材料或玻璃光纤至亚波长或者纳米尺度的波导纤维制作而成。与其他类型的微纳光波导相比，微纳光纤具有易制备、结构简单、均匀度高、传输损耗低、物化性能稳定和机械强度高等优点，而且可以方便地与现有光纤系统耦合和集成。因此，微纳光纤在近场光学、光纤光学、非线性光学、量子光学等基础研究方面和微纳尺度的光传输、耦合、调制、谐振、放大、传感等应用研究方面都具有巨大的科研价值。

值得关注的是，微纳光纤拉制过程引入外来杂质等因素也是引起光纤吸收损耗的重要因素，这导致微纳光纤具备比常规通信光纤更高的非本征吸收。这些被吸收的光的部分能量将转化成热量，进而使微纳光纤的波导产生热致折射率变化。显然，波导折射率变化时，会对传输光相位产生调制作用。微纳光纤的强光约束能力及较强的光吸收致热能力，使其相比常规光纤将具备更大的光热相位调制响应幅度。并且微纳光纤单位长度的体积更小，因此所需产生光吸收制热效应的调制光功率将更小。另外，微纳光纤具有更小的尺寸，表面积体积比更大，因此相对于常规光纤，微纳光纤将具备更高的热传导效率，即微纳光纤本身更容易被加热，且吸收的光热量更容易释放出去，这将使其具备更高的光致热效应的调制响应速率。因此，微纳光纤可以被开发成基于光吸收制热效应的内光注入式全光相位调制器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一种基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，克服现有技术的不足，使得光纤水听器系统在相位噪声方面有一定改善。系统采用微纳光纤全光相位调制器作为全光纤结构的光纤水听器系统中的远程光调制的光纤相位调制器，通过将微纳光纤全光相位调制器插入到光纤水听器干涉仪或解调干涉仪内，实现相位生成载波调制解调功能。该方案一方面在干涉仪端不包含电子元件，保持水下探头的无电全光优势，另一方面采用了准平衡干涉仪结构，避免非平衡干涉结构引入的环境噪声，并消除了光源调制导致的相位噪声，改善了光纤水听器系统的整体传感能力。

本发明采用的技术方案为：一种基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，由信号光源、光纤隔离器、光纤耦合器、水声传感单元、一号法拉第旋镜(FRM)、二号法拉第旋镜、微纳光纤全光相位调制器、980/1550nm波分复用器(WDM)、980nm泵浦激光器、980nm泵浦激光器泵浦驱动源、信号发生器、光电探测器、信号采集卡、数字信号处理计算机组成，一号法拉第旋镜(FRM)、水声传感单元组成的臂Ⅰ、二号法拉第旋镜、微纳光纤全光相位调制器组成的臂Ⅱ和光纤耦合器组成准平衡Michelson型光纤干涉仪；

信号光源经光纤隔离器与光纤耦合器的一号输入端口相连，将信号光源发出的1550nm信号光注入准平衡Michelson型干涉仪，信号光在准平衡Michelson型干涉仪中被光纤耦合器分成两路：一路光从光纤耦合器的三号端口输出经过水声传感单元，到达一号法拉第旋镜，被一号法拉第旋镜反射后，反射光再次经过水声传感单元返回光纤耦合器；另一路光从光纤耦合器的四号端口输出经过微纳光纤全光相位调制器，到达二号法拉第旋镜，被二号法拉第旋镜反射后，反射光再次经过微纳光纤全光相位调制器，返回光纤耦合器；两路返回光在光纤耦合器处汇合，并从光纤耦合器的二号端口输出，经过980/1550nm波分复用器(WDM)后到达光电探测器，在光电探测器内进行光电信号转换，再通过信号采集卡进行模数转换，最后将数字信号输入到数字信号处理计算机，在数字信号处理计算机内进行PGC处理；

信号发生器的一路信号输出端口通过一个一分二转接器同时与980nm泵浦激光器的泵浦驱动源和信号采集卡相连，一方面用于输出信号控制980nm泵浦激光器的泵浦驱动源实现对驱动源的不同调制信号控制，另一方面用于与光电探测器探测到的返回光信号的同步时延测量以及计算机内的PGC数字信号处理同步；980nm泵浦激光器泵浦驱动源与980nm泵浦激光器相连，实现对980nm泵浦激光器输出980nm泵浦激光的强度调制，980nm泵浦激光器输出的经强度调制的980nm泵浦激光经980/1550nm波分复用器(WDM)后注入准平衡Michelson型光纤干涉仪中的微纳光纤全光相位调制器，实现基于光热效应的微纳光纤相位调制，进而实现准平衡Michelson型光纤干涉仪内的用于PGC数字信号处理的全光相位生成。

所述980/1550nm波分复用器(WDM)一方面用于将980nm泵浦调制光耦合到准平衡Michelson型光纤干涉仪中，使其进入微纳光纤全光相位调制器；另一方面，980/1550nm波分复用器(WDM)用于在通过由准平衡Michelson型光纤干涉仪返回的1550nm信号光时，有效隔断返回光中混有的980nm泵浦光使其不进入光电探测器。

当将本发明所述光纤水听器系统的准平衡Michelson型光纤干涉仪制成光纤水听器湿端探头时，所用信号光源为激光器。

当将本发明所述光纤水听器系统的准平衡Michelson型光纤干涉仪作为单纯的光纤水听器干端信号解调干涉仪时，所用信号光源为光纤水听器(例如光纤光栅型水听器)反射回的信号光。

所述水声传感单元为传统光纤缠绕结构，抗弯曲光纤缠绕在水声弹性材料上，当水声传感单元在水中受到声压信号作用时，弹性材料发生相应的形变，引起缠绕的光纤发生形变，导致光纤内的传输光相位发生变化，通过干涉检测该相位变化，即可实现水声信号的传感。

为使微纳光纤全光相位调制器达到足够高的调制频率和充分的相位生成效率，以满足光纤水听器特殊的水声应用环境，增强其工作稳定性，延长其使用寿命，减少环境温度波动等噪声对其功能的影响，并便于其与其他光学器件相连集成，本发明还提供一种微纳光纤全光相位调制器的制作及封装方法，所述微纳光纤全光相位调制器由微纳光纤、石英玻璃管、二氧化硅多孔膜及粘结剂组成，具体制作及封装方法如下：

步骤一、采用温度可控的改进型非接触式加热扫描法将常规光纤拉制成具有特定损耗的微纳光纤，拉制成的微纳光纤为双锥束腰结构，包括一个微纳光纤均匀腰区、两个锥形过渡区和两段由常规光纤构成的尾纤，所述锥形过渡区为微纳光纤的常规光纤尾纤和微纳光纤均匀腰区的连接过渡段。由于拉制后的微纳光纤天然带有常规通信光纤尾纤，方便与现有光纤系统连接。微纳光纤的波导吸收源主要包括自有掺杂、拉制过程引入的金属离子、OH-离子等杂质，鉴于980nm泵浦光源较为通用，并且980nm波段恰好处于OH-吸收峰和光纤内杂质金属吸收强度较高波段，故本发明采用980nm泵浦光作为加热微纳光纤全光相位调制器的调制光源。

步骤二、将拉制成的微纳光纤置于氢氟酸中清洗，清洗时微纳光纤两端尾纤的光纤保护层不得与氢氟酸接触，然后将微纳光纤的均匀腰区及锥形过渡段浸入二氧化硅溶液中，将微纳光纤缓慢提出溶液，其表面将形成一层二氧化硅多孔膜，最后将微纳光纤放入氨气挥发室内保持时间12小时以上，使微纳光纤表面的二氧化硅多孔膜硬化；

步骤三、采用如步骤二所述方法使石英玻璃管内壁形成二氧化硅多孔膜；

步骤四、将微纳光纤的一端从石英玻璃管穿过，使石英玻璃管中心位于微纳光纤中点附近，再用粘接剂(通常为紫外胶水)将微纳光纤两端的常规光纤尾纤与石英玻璃管两端粘接封装。

在微纳光纤的裸露部分及石英玻璃管内壁涂敷二氧化硅多孔膜的目的为：在最大限度不破坏微纳光纤倏逝场传输、强光约束能力及损耗特性的情况下，防止微纳光纤封装时碰壁造成二次污染及光学特性发生变化。

本发明采用基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统的基本设计思路为：基于微纳光纤的光吸收致热效应，本发明利用一路强度调制的泵浦光注入微纳光纤所在全光纤调制器以加热微纳光纤波导材料，进而对其中传输的一路信号光产生基于光热效应的相位调制作用。若将受光热调制的微纳光纤调制器置于光纤水听器干涉仪一臂中，就会使光纤水听器干涉系统实现全光相位生成载波调制功能。

对于微纳光纤，通过推导热传导方程，可获得其在光致热效应下的相位变化大小的数学表达式。因微纳光纤直径较小(在微米量级附近)，其波导内径向温度梯度可以忽略不计。而微纳光纤均匀腰区长度可控制在几毫米到几十毫米，同样可忽略纵向温度梯度，即忽略沿微纳光纤纵向的热传导。假设泵浦调制光为正弦形式强度调制光，即调制光功率为P₀sin(2πft)，其中，P₀为调制光功率幅度，f为调制频率。则可得微纳光纤全光相位调制器在泵浦光的光热效应下的相位响应幅度为(以M-Z型干涉仪为例)：

其中，

λ_s是信号光波长，

是折射率温度系数(这里可忽略光纤的热膨胀系数，因为热膨胀系数对相位的贡献要比折射率系数小的多)，η是吸收损耗的光能量到热能量的传递效率，h是空气的热传导系数，r是微纳光纤的腰区半径，ρ和c_v是微纳光纤的密度以及比热,L是微纳光纤腰区长度,α是微纳光纤腰区损耗系数,θ是微纳光纤对热响应的相位延迟(与泵浦光激光器响应特性及微纳光纤材料参数等有关)。

由微纳光纤全光相位调制器在泵浦光的光热效应下的相位响应幅度公式可见，微纳光纤调制器的结构是影响其调制效率和调制带宽的决定性因素之一。为满足相位生成载波技术的相位解调应用，PGC调制解调系统所用微纳光纤全光相位调制器的调制带宽需足够大。

采用上述方法设计的微纳光纤全光相位调制器，在综合考虑了系统的信号解调带宽、调制器调制响应效率、系统噪声特性、解调干涉仪相干度、系统插损、便于封装集成等因素后，满足以下参数条件：微纳光纤均匀腰区长度约为20mm，微纳光纤均匀腰区直径约为2μm，调制器调制带宽大于10kHz，器件整体损耗小于3dB。

采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明采用微纳光纤全光相位调制器置于光纤干涉仪内实现相位生成载波，可有效满足光纤水听器探头特殊应用环境的湿端全光探头光路要求；

2.本发明采用全新的相位载波生成机制，与光源调制相位生成载波技术相比，其突出优势在信号光源不再需要频率调制，可表现出更加优良的频率稳定或相位稳定性。同时，该发明所用解调干涉仪可以为准平衡性，这有助于消除外界引起的相位噪声对系统性能的影响；

3.本发明设计的基于光热效应的微纳光全光纤相位调制器，满足PGC调制解调系统所用调制器的大调制带宽要求；

4.本发明还提出一种微纳光全光纤相位调制器的制作及封装方法，即采用石英管和二氧化硅多孔模封装结构，使调制器器件满足了光纤水听器特殊的水声应用环境，增强了器件和系统工作稳定性，延长了器件得使用寿命，减小了环境温度波动等噪声对器件功能的影响，并便于其与其他光学器件相连集成。

附图说明

图1是本发明系统的总体结构示意图；

图2是由常规光纤拉制而成的微纳光纤的结构示意图；

图3是微纳光纤全光相位调制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明所述基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统由信号光源1(系统选用1550nm的高相干光作为信号光)、光纤隔离器2、光纤耦合器3、水声传感单元4、一号法拉第旋镜5、微纳光纤全光相位调制器6、二号法拉第旋镜7、980/1550nm波分复用器(WDM)8、980nm泵浦激光器9、980nm泵浦激光器泵浦驱动源10、光电探测器11、信号发生器12、信号采集卡13、数字信号处理计算机14及若干常规光纤组成，一号法拉第旋镜(FRM)5、水声传感单元4组成的臂Ⅰ、二号法拉第旋镜7、微纳光纤全光相位调制器6组成的臂Ⅱ和光纤耦合器3组成准平衡Michelson型光纤干涉仪，微纳光纤全光相位调制器6通过内光加热使干涉仪产生相位调制，进而使系统实现相位生成载波调制解调功能。

若将该系统的准平衡Michelson型光纤干涉仪制成光纤水听器湿端探头时，系统所用信号光源为激光器101。而若将该系统的准平衡Michelson型光纤干涉仪作为单纯的光纤水听器干端信号解调干涉仪时，系统所用信号光源为光纤水听器(例如光纤光栅型水听器)反射回的信号光102。

光纤耦合器3的输出端口33经水声传感单元4与一号法拉第旋镜5相连构成准平衡Michelson型光纤干涉仪臂I；光纤耦合器3的输出端口34与微纳光纤全光相位调制器6的一端口61相连，微纳光纤全光相位调制器6的另一端口62与二号法拉第旋镜7相连，构成准平衡Michelson型光纤干涉仪臂II。

信号光源1经光纤隔离器2与光纤耦合器3输入端口31相连，将发出的1550nm信号光注入准平衡Michelson型光纤干涉仪，光纤耦合器3输入端口32与980/1550nm波分复用器(WDM)8相连，WDM可将980nm泵浦调制光耦合到干涉仪中，并有效隔断干涉仪反射回的1550nm信号光中可能混有的980nm泵浦光。

干涉仪反射回的1550nm干涉信号光经980/1550nm波分复用器(WDM)8后进入光电探测器11进行光电信号转换，并通过信号采集卡13输入数字信号处理计算机14进行PGC数字信号处理。

信号发生器10一路信号输出端口与980nm泵浦激光器泵浦驱动源10相连，实现对驱动源不同调制信号的控制，该路信号输出端口同时也与信号采集卡13相连，供数字信号处理计算机14进行PGC数字信号处理同步所用。

980nm泵浦激光器泵浦驱动源10与980nm泵浦激光器9相连，进而实现对980nm泵浦激光器9输出980nm泵浦激光的强度调制。980nm泵浦激光器9输出的980nm强度调制泵浦激光经980/1550nm波分复用器(WDM)8注入干涉仪，以实现内光加热并调制微纳光纤全光相位调制器6。

如图2所示，本发明所用的微纳光纤由常规光纤采用温度可控的改进型非接触式加热扫描法拉制而成，其带有常规通信光纤尾纤61、62，并包括均匀腰区63和两个锥形过渡区64，锥形过渡区64为常规光纤尾纤和微纳光纤腰区的连接过渡段。

如图3所示，采用本发明所述方法设计的微纳光纤全光相位调制器由带常规光纤尾纤的微纳光纤、粘结剂、二氧化硅多孔膜及石英玻璃管组成。其中，微纳光纤的均匀腰区部分、锥形过渡区及部分常规通信光纤尾纤被悬空封装于石英玻璃管内部，微纳光纤两端的常规光纤尾纤与石英玻璃管两端由粘接剂(通常为紫外胶水)粘接。微纳光纤裸纤部分及石英玻璃管内壁皆涂敷有二氧化硅多孔膜。涂敷二氧化硅多孔膜的目的是，在最大限度不破坏微纳光纤倏逝场传输、强光约束能力及损耗特性的情况下，防止微纳光纤封装时碰壁造成二次污染及光学特性发生变化。本发明设计的微纳光纤全光相位调制器微纳光纤均匀腰区长度约为20mm，微纳光纤均匀腰区直径约为2μm，调制器调制带宽大于10kH z，整体损耗小于3dB。

Claims (3)

1.一种基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，其特征在于：由信号光源(1)、光纤隔离器(2)、光纤耦合器(3)、水声传感单元(4)、一号法拉第旋镜(5)、微纳光纤全光相位调制器(6)、二号法拉第旋镜(7)、980/1550nm波分复用器(8)、980nm泵浦激光器(9)、980nm泵浦激光器泵浦驱动源(10)、光电探测器(11)、信号发生器(12)、信号采集卡(13)、数字信号处理计算机(14)组成，一号法拉第旋镜(5)、水声传感单元(4)组成的臂Ⅰ、二号法拉第旋镜(7)、微纳光纤全光相位调制器(6)组成的臂Ⅱ和光纤耦合器(3)组成准平衡Michelson型光纤干涉仪；

信号光源(1)经光纤隔离器(2)与光纤耦合器(3)的一号输入端口(31)相连，将信号光源(1)发出的1550nm信号光注入准平衡Michelson型光纤干涉仪，信号光在准平衡Michelson型光纤干涉仪中被光纤耦合器(3)分成两路：一路光从光纤耦合器(3)的三号端口(33)输出经过水声传感单元(4)，到达一号法拉第旋镜(5)，被一号法拉第旋镜(5)反射后，反射光再次经过水声传感单元(4)返回光纤耦合器(3)；另一路光从光纤耦合器(3)的四号端口(34)输出经过微纳光纤全光相位调制器(6)，到达二号法拉第旋镜(7)，被二号法拉第旋镜(7)反射后，反射光再次经过微纳光纤全光相位调制器(6)，返回光纤耦合器(3)；两路返回光在光纤耦合器(3)处汇合，并从光纤耦合器的二号端口(32)输出，经过980/1550nm波分复用器(8)后到达光电探测器(11)，在光电探测器(11)内进行光电信号转换，再通过信号采集卡(13)进行模数转换，最后将数字信号输入到数字信号处理计算机(14)，在数字信号处理计算机(14)内进行PGC处理；

信号发生器(12)的一路信号输出端口通过一个一分二转接器同时与980nm泵浦激光器泵浦驱动源(10)和信号采集卡(13)相连，一方面用于输出信号控制980nm泵浦激光器泵浦驱动源(10)实现对驱动源的不同调制信号控制，另一方面用于与光电探测器(11)探测到的返回光信号的同步时延测量以及数字信号处理计算机(14)内的PGC处理同步；980nm泵浦激光器泵浦驱动源(10)与980nm泵浦激光器(9)相连，用于实现对980nm泵浦激光器(9)输出980nm泵浦激光的强度调制，980nm泵浦激光器(9)输出的经强度调制的980nm泵浦激光经980/1550nm波分复用器(8)后注入准平衡Michelson型光纤干涉仪中的微纳光纤全光相位调制器(6)，实现基于光热效应的微纳光纤相位调制，进而实现准平衡Michelson型光纤干涉仪内的用于PGC数字信号处理的全光相位生成。

2.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，其特征在于：所述信号光源(1)为激光器。

3.根据权利要求1所述基于微纳光纤全光相位调制器的光纤水听器系统，其特征在于：所述信号光源(1)为光纤水听器反射回的信号光。

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