CN111947893A - 一种有源光纤分布式测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种有源光纤分布式测量装置及测量方法，属于有源光纤的测量表征领域，有源光纤的测量装置包括宽谱光源、光纤环形器、泵浦光源、光纤波分复用器、待测有源光纤、光纤耦合器、光纤布拉格光栅组、扫描延迟线、光电探测器，装置中的光学元件由单模光纤连接。并匹配该测量装置提出一种有源光纤分布式测量表征的系统化方法流程，通过干涉测量结果，区分出有源光纤的各项参数，尤其是利用光纤布拉格光栅组，识别有源光纤在不同波长下的吸收和增益。本发明改进现有低相干反射计装置，创新性引入光纤布拉格光栅作为干涉仪中的反射镜，可以针对性测量有源光纤在某一波长下的参数。
Description
技术领域
本发明涉及一种有源光纤分布式测量装置及测量方法，具体涉及一种基于白光干涉的新型分布式测量装置及配套的检测方法，属于有源光纤的测量表征领域。
背景技术
有源光纤是指在纤芯中掺杂一种或多种稀土元素的光导纤维，以有源光纤作为增益介质的光纤激光器或光纤放大器，因其良好的性能以及光纤通讯的必须，其研究价值变得尤为突出。近些年，随着各类光纤掺杂和拉制技术的发展，可以满足各类需求的有源光纤的种类层出不穷。但是在新型有源光纤的研制方面，各类参数仍存在很大的不确定性，在有源光纤的实际应用前，有必要对其进行全面的测试表征，便于实验室研究分析的同时，为光纤的商品化应用提供性能保障。根据有源光纤的参数表征需求，发展了很多种测试方法，尤其是在光纤长度方向的分布式测量方面，有很多种技术被应用，包括截断法、光时域反射计(optical time domain reflectometry，OTDR)、光低相干反射计(optical low-coherencereflectometry，OLCR)、光频域反射计(Optical Frequency-Domain Reflectometry，OFDR)等。目前应用这些分布式测量技术，已经有效测量了有源光纤的断点[Fan N Y,Huang S,Alavie AT,et al.Rare earth doped fibre for structural damage assessment[J].Smart Materials&Structures,1995,4(3):179.]、散射损耗[Yataghene A,Himbert M,Tardy A.Distributed temperature sensor using holmium-doped optical fiber andspread-spectrum techniques[J].Review of scientific instruments,1995,66(7):3894-3900.]、增益[Von Der Weid J P,Passy R,Huttner B,et al.High-resolutiondistributed-gain measurements in erbium-doped fibers[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters,1998,10(7):949-951.]、色散[Gabet R,Hamel P,
Y,etal.Versatile characterization of specialty fibers using the phase-sensitiveoptical low-coherence reflectometry technique[J].Journal of LightwaveTechnology,2009,27(15):3021-3033.]、缺陷[Jeong Y,Jauregui C,Richardson D J,etal.In situ spatially-resolved thermal and Brillouin diagnosis of high-powerytterbium-doped fibre laser by Brillouin optical time domain analysis[J].Electronics Letters,2009,45(3):153.]，以及光暗化[Broer M M,Simpson J R,Digiovanni D J.Studying pump light-induced darkening in erbium-doped fiberamplifiers with optical time domain reflectometry[J].IEEE PhotonicsTechnology Letters,1992,4(11):1264-1266.]。针对其中一个重要的参数，即增益分布的测量，目前的测量技术还存在一定的局限性，特别是不能有效区分不同波长的增益，这对一些新型共掺有源光纤的性能研究来说十分重要。
白光干涉技术因其在准静态绝对量测量方面的优势，而被广泛应用，尤其是光低相干反射计(OLCR)。其中以移动反射镜作为关键部件的扫描延迟线结构，是实现分布式测量的核心，通过反射镜的移动，匹配光纤干涉仪两臂的光程，对待测光纤不同位置的后向散射光信号进行干涉测量。针对现有分布式测量手段，一个主要问题就是不能够有效区分出不同波长的增益或吸收，这主要源于信号采集系统通常采用光电探测器实时接收光信号，而非采用光谱仪的波长域探测方式。光纤布拉格光栅作为一种常见的光纤传感和滤波器件，自从1978年Hill K.O.[Hill K O,Fujii Y,Johnson D C,et al.Photosensitivity inoptical fiber waveguides:Application to reflection filter fabrication[J].Applied Physics Letters,1978,32(10):647-649.]首次研制以来，其相关理论研究和实际应用均实现飞速发展。本发明采用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)作为干涉仪的反射镜，与扫描延迟线分别作为干涉仪的两臂，同时，多个光纤布拉格光栅串联成光栅组，对有源光纤的增益光信号实现各个波长区分测量。扫描延迟线连续扫描的过程中，配合光电探测器的实时采集干涉信号，实现对有源光纤的分布式测量。并针对这种新型测量装置，提供配套的系统化检测方法，尤其涉及有源光纤散射损耗、吸收和增益三个重要参数的有效区分。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种有源光纤分布式测量装置及测量方法，针对有源光纤的分布式检测需求，并克服现有的分布式测量技术不能有效识别波长的问题，提出一种新型的有源光纤分布式测量装置，运用光纤布拉格光栅组有效区分不同波长的有源光纤吸收或增益，并提供与该装置相配套的系统化检测方法，获得有源光纤在不同波长下的散射、吸收、增益分布。
本发明的目的是这样实现的：一种有源光纤分布式测量装置，包括宽谱光源1、光纤环形器2、泵浦光源3、光纤波分复用器4、待测有源光纤5、光纤耦合器6、光纤布拉格光栅组7、扫描延迟线8、光电探测器9以及连接光学元件间的单模光纤；宽谱光源1的光信号经过光纤环形器2和光纤波分复用器4进入待测有源光纤5中，不同位置处的后向散射信号连续返回，此过程泵浦光源3的泵浦激励光通过光纤波分复用器4进入待测有源光纤5，使有源光纤中粒子数反转，对宽谱光源1的光信号产生增益放大，放大的宽谱光信号返回再次经过光纤波分复用器4和光纤环形器2，进入光纤耦合器6，被分为两臂，一臂光经过光纤布拉格光栅组7反射，另一臂经过扫描延迟线8反射，两臂的反射光再次经过光纤耦合器6，实现干涉，并被光电探测器9探测。
本发明还包括这样一些结构特征：
1.待测有源光纤5为铒掺杂光纤。
2.光纤布拉格光栅组7中的每个光栅中心波长不同，且这些波长均匀分布于宽谱光源1的波长范围内。
3.一种有源光纤分布式测量方法，包括所述有源光纤分布式测量装置，步骤如下：
步骤一：根据待测有源光纤的长度，调整装置中光纤布拉格光栅组的间距和扫描延迟线的扫描范围；
步骤二：在泵浦光源关闭状态下，应用有效避开有源光纤吸收波长的宽谱光源，测量有源光纤的散射分布；
步骤三：应用有源光纤增益波长范围的宽谱光源，测量有源光纤在非泵浦状态下的吸收分布；
步骤四：在泵浦光源打开状态下，测量有源光纤的增益分布初步结果；
步骤五：将步骤四中增益分布减去步骤二中散射分布和步骤三中吸收分布，获得增益分布结果。
4.步骤一中的光纤布拉格光栅组中光栅的间距大于待测有源光纤的长度。
5.步骤四中，泵浦光源功率逐渐增大至饱和的过程，每个固定功率值下，进行一次分布式增益测量。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.改进现有低相干反射计装置，创新性引入光纤布拉格光栅作为干涉仪中的反射镜，可以针对性测量有源光纤在某一波长下的参数；2.多个光栅串联成光纤布拉格光栅组，有效识别有源光纤在不同波长下的吸收和增益，实现分布式测量中光谱的获取；3.提出一套与该测量装置相匹配的系统化测量方法，可以为有源光纤质量评估提供有效参考。
附图说明
图1是本发明的新型有源光纤分布式测量装置示意图；
图2是本发明的有源光纤增益信号后向散射的原理示意图；
图3是本发明的有源光纤后向散射信号干涉测试的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的测量装置包括宽谱光源1、光纤环形器2、泵浦光源3、光纤波分复用器4、待测有源光纤5、光纤耦合器6、光纤布拉格光栅组7、扫描延迟线8、光电探测器9、以及连接光学元件间的单模光纤。
其中待测有源光纤5为铒掺杂光纤(erbium doped fiber，EDF)，是常见的有源光纤，在1550nm左右存在吸收，且在该波长可以产生自发辐射和受激放大。因此，宽谱光源选取1310nm中心波长和1550nm中心波长两种，前者用于EDF静态后向散射分布的测量，后者用于EDF吸收和增益分布的测量。
泵浦光源选取980nm光纤激光器，且功率可调，可以有效泵浦EDF实现对宽谱光源的增益放大。光纤布拉格光栅组同样需要两组，分别对应1310nm和1550nm波长附近，且均匀分布，每个光栅组中光栅的数量为10，光栅的半高宽4nm。
光纤布拉格光栅组7中的每个光栅中心波长不同，且这些波长均匀分布于宽谱光源1的波长范围内。
测量装置中光路的具体传输过程：如图1中，宽谱光源1的光信号经过光纤环形器2和光纤波分复用器4进入待测有源光纤EDF5中，不同位置处的后向散射信号连续返回，此过程泵浦光源3的980nm泵浦激励光通过光纤波分复用器4进入待测有源光纤EDF5，使有源光纤EDF中粒子数反转，这样会对宽谱光源1的光信号产生增益放大，这样的放大宽谱光信号返回再次经过光纤波分复用器4和光纤环形器2，进入光纤耦合器6，被分为两臂，一臂光经过光纤布拉格光栅组7反射，另一臂经过扫描延迟线8反射，两臂的反射光再次经过光纤耦合器6，实现干涉，并被光电探测器9探测。
针对上述新型的有源光纤分布式测量装置的配套检测方法，具体实施方式如下：
步骤一，根据待测有源光纤EDF的长度，调整装置中光纤布拉格光栅组的间距和扫描延迟线的扫描范围，以待测EDF的长度是5m为例，则光纤布拉格光栅组中每个光栅间距大于5m，以单模光纤连接各个光栅即可。扫描延迟线的可扫描范围应满足整个串联光栅组的长度范围。
步骤二，泵浦光源980nm激光关闭，使用中心波长在1310nm的宽谱光源，避开EDF的吸收，运用测量装置测量EDF的散射分布。对于散射的测量过程，扫描延迟线中移动反射镜的移动范围，不需要扫描整个光纤布拉格光栅组，只需扫描某一个波长的光栅即可。
步骤三，运用中心波长在1550nm的宽谱光源，测量EDF在非泵浦的状态下的吸收分布，此过程需要延迟线扫描范围覆盖整个光纤布拉格光栅组。
步骤四，泵浦光源980nm激光打开，测量EDF的增益分布，同时调整泵浦光源的功率，逐渐增大，直至饱和。测量不同泵浦光源功率下EDF的增益。
步骤五，步骤四中增益分布的测量结果包含有吸收和散射的影响，因此需要将步骤四中增益分布减去步骤二中散射分布和步骤三种的吸收分布，获得更加准确的EDF增益分布结果。
步骤一中，为便于信号的解调识别，光纤布拉格光栅组中光栅的间距应大于待测有源光纤的长度。
步骤四中，泵浦光源功率逐渐增大至饱和的过程，每个固定功率值下，进行一次分布式增益测量。
待测的有源光纤可以是各类掺杂一种稀土元素或共掺杂多种稀土元素的光纤，可以根据其吸收或增益的预期工作波长，设定宽谱光源的波长，主要是涉及到两种波长的宽谱光源，一种是避开有源光纤吸收波长的宽谱光源，用于有源光纤散射损耗的测量，一种是符合有源光纤增益波长的宽谱光源，用于有源光纤的吸收和增益的测量。
光纤中不可避免会存在一定的不均匀散射，其中后向散射通常会被有效利用进行分布式测试。对于有源光纤而言，尤其是新型掺杂有源光纤，可能因为其掺杂元素的特殊或制造工艺的特殊，导致其光纤内部散射不均匀程度增加，特别是局部不均匀程度的突变，不利于光纤的分布式增益检测，因此有必要运用避开有源光纤增益波长范围的宽谱光源，进行散射损耗的分布式测试。
对于有源光纤的增益分布式测量过程，同样是基于后向散射的原理，宽谱光信号增益即为受激放大的过程，可以将有源光纤视为很多个小段的微元，宽谱光信号在这样的很多个串联的微元中传输时，在经过其中的一段z(i)时，对前端入射的光信号产生增益放大，这样被增益的光信号同时后向散射，反向传输回光纤的入射端，如图2所示。在整段的有源光纤中，入射光是稳定持续的，这样的后向散射过程连续发生，且宽谱光信号的增益随着向右传输距离的增大而逐渐增大。
有源光纤中连续的后向散射信号，分布于光纤的整个待测区间内，为便于分析阐述，如图3简化为三个主要的信号，他们分别对应于有源光纤空间距离的三个不同位置，最右侧的为光纤末端面，属于菲涅尔反射面，因此其反射系数要大于前面的后向散射系数。这样三个不同空间位置处的光信号，陆续传输回入射端，再次经过图1中光纤波分复用器4、光纤环形器2，然后进入光纤耦合器6被分成两臂，经过扫描延迟线的一臂，在移动反射镜连续扫描的过程，如图3由(a)到(b)再到(c)，这样的扫描过程，实现了以有源光纤末端菲涅尔反射面为基准，对整个有源光纤的分布式干涉测量。
光纤布拉格光栅组的采用，尤其涉及到光栅的栅区长度问题，在扫描延迟线中反射镜移动的过程中，类似于运用OLCR测量光纤布拉格光栅的研究问题，因为OLCR的空间分辨率很高，可以识别出光栅轴向的周期折射率调制分布，Lambelet等人[Lambelet P,Fonjallaz P Y.Bragg grating characterization by optical low-coherencereflectometry[J].IEEE Photonics Technology Letters,1993,5(5):565-567.]和Fonjallaz等人[Fonjallaz P Y,Limberger H G,Salathe R P,et al.Directdetermination of main fibre Bragg grating parameters using OLCR[J].IeeProceedings of Optoelectronics,1994,141(2):687-689.]运用OLCR分别对长光栅和短光栅进行了测量，这样的过程类似于本发明的测量过程，不同的是本发明涉及到以光栅作为反射镜，对空间上连续分布的光信号进行干涉测试，所以在延迟线扫描的过程中，本发明的测量结果相当于以OLCR扫描光纤布拉格光栅的栅区，作为分布式测量的单点分辨，取其包络峰值即作为有源光纤分布式测量的单点分辨测量值。对于中心波长固定的光纤布拉格光栅而言，可以通过减小光纤布拉格光栅长度、增加折射率调制深度，来提高本发明的分布式测量分辨率。
光纤布拉格光栅组的串联，可以有效实现对后向散射信号不同波长的区分。光栅组中各个光栅的中心波长均匀分布于宽谱光源波长区间内，光栅之间的距离要大于有源光纤的待测长度，这样才能保证不同波长数据的有效区分。
综上，本发明属于有源光纤的测量表征领域，具体涉及一种基于白光干涉的新型分布式测量装置及配套的检测方法。有源光纤的测量装置包括宽谱光源、光纤环形器、泵浦光源、光纤波分复用器、待测有源光纤、光纤耦合器、光纤布拉格光栅组、扫描延迟线、光电探测器，装置中的光学元件由单模光纤连接。并匹配该测量装置提出一种有源光纤分布式测量表征的系统化方法流程，通过干涉测量结果，区分出有源光纤的各项参数，尤其是利用光纤布拉格光栅组，识别有源光纤在不同波长下的吸收和增益。有益效果：改进现有低相干反射计装置，创新性引入光纤布拉格光栅作为干涉仪中的反射镜，可以针对性测量有源光纤在某一波长下的参数；多个光栅串联成光纤布拉格光栅组，有效识别有源光纤在不同波长下的吸收和增益，实现分布式测量中光谱的获取；提出一套与该测量装置相匹配的系统化测量方法，可以为有源光纤质量评估提供有效参考。
Claims (6)
1.一种有源光纤分布式测量装置，其特征在于：包括宽谱光源(1)、光纤环形器(2)、泵浦光源(3)、光纤波分复用器(4)、待测有源光纤(5)、光纤耦合器(6)、光纤布拉格光栅组(7)、扫描延迟线(8)、光电探测器(9)以及连接光学元件间的单模光纤；宽谱光源(1)的光信号经过光纤环形器(2)和光纤波分复用器(4)进入待测有源光纤(5)中，不同位置处的后向散射信号连续返回，此过程泵浦光源(3)的泵浦激励光通过光纤波分复用器(4)进入待测有源光纤(5)，使有源光纤中粒子数反转，对宽谱光源(1)的光信号产生增益放大，放大的宽谱光信号返回再次经过光纤波分复用器(4)和光纤环形器(2)，进入光纤耦合器(6)，被分为两臂，一臂光经过光纤布拉格光栅组(7)反射，另一臂经过扫描延迟线(8)反射，两臂的反射光再次经过光纤耦合器(6)，实现干涉，并被光电探测器(9)探测。
2.根据权利要求1所述的一种有源光纤分布式测量装置，其特征在于：待测有源光纤(5)为铒掺杂光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种有源光纤分布式测量装置，其特征在于：光纤布拉格光栅组(7)中的每个光栅中心波长不同，且这些波长均匀分布于宽谱光源(1)的波长范围内。
4.一种有源光纤分布式测量方法，包括所述有源光纤分布式测量装置，其特征在于：步骤如下：
步骤一：根据待测有源光纤的长度，调整装置中光纤布拉格光栅组的间距和扫描延迟线的扫描范围；
步骤二：在泵浦光源关闭状态下，应用有效避开有源光纤吸收波长的宽谱光源，测量有源光纤的散射分布；
步骤三：应用有源光纤增益波长范围的宽谱光源，测量有源光纤在非泵浦状态下的吸收分布；
步骤四：在泵浦光源打开状态下，测量有源光纤的增益分布初步结果；
步骤五：将步骤四中增益分布减去步骤二中散射分布和步骤三中吸收分布，获得增益分布结果。
5.根据权利要求4所述的一种有源光纤分布式测量方法，其特征在于：步骤一中的光纤布拉格光栅组中光栅的间距大于待测有源光纤的长度。
6.根据权利要求4或5所述的一种有源光纤分布式测量方法，其特征在于：步骤四中，泵浦光源功率逐渐增大至饱和的过程，每个固定功率值下，进行一次分布式增益测量。
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| Yücel et al. | Using single-mode fiber as temperature sensor | |
| Obaton et al. | Tilted fibre Bragg gratings and phase sensitive-optical low coherence interferometry for refractometry and liquid level sensing | |
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| Koeppel et al. | Fiber sensor identification based on incoherent Rayleigh backscatter measurements in the frequency domain | |
| Bergman et al. | Increasing the measurement dynamic range of Rayleigh-based OFDR interrogator using an amplifying add-on module | |
| Sheng et al. | Distributed Temperature Sensing System Based on Brillouin Scattering Effect Using a Single‐Photon Detector | |
| Krivosheina et al. | Coherent Optical Frequency Reflectometer Based on a Self-sweeping Fiber Laser for Distributed Measurements | |
| Wait et al. | Reduction of coherent noise in the Landau Placzek ratio method for distributed fibre optic temperature sensing | |
| Ma et al. | Pump-enhanced evaluation scheme of Rayleigh backscattering coefficient distribution of EDF based on optical low-coherence domain reflectometry | |
| Takada et al. | Resolution control of low-coherence optical time-domain reflectometer between 14 and 290 mu m | |
| Takada et al. | Loss distribution measurement of silica-based waveguides by using a jaggedness-free optical low coherence reflectometer | |
| Hayashi et al. | First demonstration of distributed Brillouin measurement with centimeter-order resolution based on plastic optical fibers | |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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