CN1877264A

CN1877264A - 实现长距离光纤激光器布喇格光纤光栅传感系统的方法

Info

Publication number: CN1877264A
Application number: CN 200610021326
Authority: CN
Inventors: 冉曾令; 饶云江; 吴敏; 陈容睿
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-07-05
Filing date: 2006-07-05
Publication date: 2006-12-13

Abstract

本发明公开了一种实现长距离光纤激光器布喇格光纤光栅传感系统的方法。该方法是以环形腔掺铒光纤激光器作为传感光源，以布喇格光纤光栅为传感器，另外再在传感系统中设置了喇曼放大器，并在光纤传输途中增设了一个基于双环行器的掺铒光纤放大结构。该方法引入到准分布式布喇格光纤光栅传感系统中，提高了泵浦的效率，可以极大地延长传感系统的距离，提高传感系统的性能，大大降低了系统成本，有极其重要的实用价值。

Description

实现长距离光纤激光器布喇格光纤光栅传感系统的方法

技术领域

本发明专利属光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于掺铒光纤/喇曼混合放大的光纤激光器布喇格光栅传感系统(FBG)的实现方法。

技术背景

布喇格光纤光栅是一种传输方向相反的模式之间发生耦合而反射特定波长的光纤滤波器，它在受到外界的温度、应力、压力时其中心波长会发生变化，可以通过对其波长量的变化的监测来测量外界的物理量的变化。以其成本较低、体小、抗电磁干扰、复用能力强、易于封装、可大规模生产等突出优点而成为光纤传感器家庭中最为重要的一员，可用于温度、应变、压力、位移、声波物理量的测量(见A.D.Kersey et al.1997 J.LightwaveTechnol.15 1442；Y.J.Rao，Measure.1997 Sci.&Technol.8 355等)，目前已经广泛的用于民用建筑、大坝、桥梁、隧道、飞机、军舰等的健康检测以及复合材料、智能结构的无损检测(见Y.J.Rao 1999 Opt.and Laser.In Eng.31 297)，是目前光纤传感器中产业化最好的传感器，被誉为光纤传感领域里程碑式的革命。基于其线宽窄的特点，可以在一根光纤上大量的复用而实现准分布式测量，然而随着FBG数量和传感距离不断增加，由于后向瑞利散射光和光纤的背景损耗以及传感器本身的插入损耗，必须会使传感器光信号的强度和信噪比不断的下降，传感长度一般限制在25km，一直以来长距离测量和大容量传感器复用是一个亟待解决又悬而未决的难题。为了实现长距离遥测，曾经报道过几个基于喇曼放大的方法。Y.Nakajima等曾提出在被动FBG传感系统中使用分布式喇曼放大来延长传输距离(Y.Nakajima，Y.Shindo，and T.Yoshikawa，“Novel concept as long-distancetransmission FBG sensor system using distributed Raman amplification，”inProc.16th International Conference on Optical Fiber Sensors (Nara Japan，October)，Th1-4，2003)。P.C.Peng等提出使用基于FBG和光纤环路反射的线性腔喇曼激光结构来获得高分辨率和光学信噪比(P.-C.Peng，H.-YTseng，and Sien Chi，“Long-distance FBG sensor system using a linear-cavityfiber Raman laser scheme，”IEEE Photon.Technol.Lett.16，pp.575-577，2004)。Ju Han Lee等提出基于喇曼放大的，使用带EDF和FBG的探头来同时测量温度和应力。此外，他们还提出了基于喇曼放大，使用EDF宽带光源重复利用喇曼泵浦的剩余光进行长距离FBG应力遥感(Ju Han Lee，YouMin Chang，Young-Geun Han，et al.“Raman amplifier-based long-distanceremote，strain and temperature sensing system using an erbium-doped fiber anda fiber Bragg grating”.Optics Express，12，No.15，pp.3515-3520，2004)。Peng-Chun Peng等提出使用半导体光放大器(SOA)和掺铒光纤波导放大器(EDWA)混合放大的长距离传感系统，使用FBG和光纤环来产生传感激光，SOA和EDWA提供传感信号的混合放大。(Peng-Chun Peng，Kai-MingFeng，Wei-Ren Peng，Hung-Yu Chiou，Ching-Cheng Chang，Sien Chi.“Long-distance fiber grating sensor system using a fiber ring laser with EDWAand SOA”.Optics Communications.No.252.pp 127-131.2005).

我们提出的基于掺铒光纤/喇曼混合放大的光纤激光器布喇格光栅传感系统的实现方法可望彻底解决长距离传感的难题。

发明内容

本发明的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种实现基于掺铒光纤/喇曼混合放大的光纤激光器布喇格光栅传感系统的方法。该方法将喇曼放大器和掺铒光纤放大器混合使用的方案引入到准分布式布喇格光栅传感系统中，从而提高了泵浦的效率，极大地延长了传感系统的距离，大大降低了系统成本，有着极其重要的实用价值。

本发明所采用的技术方案如下：该方法首先选用环形腔掺铒光纤激光器作为传感光源，并以布喇格光纤光栅为传感器。其独道创新之处是先在环形腔掺铒光纤激光器中的环形器A的端口3之后，设置了一个由14xxnm泵浦和14xx/15xxnm波分复用器组成的喇曼放大器；另外再在传输光纤途中的任意一处增设了一个基于双环行器的掺铒光纤放大结构，串接在光纤之中。该放大结构是由两个14xx/15xxnm波分复用器、环形器B、环形器C和一段掺铒光纤组成。其中，一个14xx/15xxnm波分复用器的前端口与分布在前段的光纤相接。该波分复用器后端口的一端与环形器B的端口2相接。同时该波分复用器后端口的另一端还与另一个14xx/15xxnm波分复用器的前端口相接，这个14xx/15xxnm波分复用器的后端口与掺铒光纤相接，并且环形器B的端口3也与掺铒光纤相接。另外，环形器C的端口1与后一个14xx/15xxnm波分复用器的前端口相接。环形器C的端口2与分布在后段的光纤相接，同时环形器C的端口3还与环形器B的端口1相接。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1.与采用宽带光源的传感系统相比，光纤激光器光源的方式使得传感器的信噪比大大提高。

2.将喇曼放大器的低噪声特性和掺铒光纤放大器的高增益很好地结合在一起，使得系统性能大为提高，通过重新利用喇曼泵浦的残余光用于泵浦掺铒光纤放大器，降低了系统对泵浦功率的要求，提高了泵浦的效率。

3.掺铒光纤放大器和喇曼放大器之间采用两个环行器连接，可以隔离掺铒光纤放大器放大的自发辐射噪声，使得在环行器之后噪声不会对前端的传感器性能产生影响，系统中传感信号的信噪比高，这对大容量的传感器复用相当有利。

4.系统中传感器的复用能力强，可以实现从大于1500nm-1630nm范围内的传感器的复用。

总之，该方法利用较低泵浦功率解决了基于宽带光源的传感系统随着布喇格光栅数量和传感距离不断增加而导致传感器光信号的强度和信噪比不断地下降的难题，实现了高性价比、大容量、长距离、高精度的布喇格光栅传感系统，有着较高的性价比和实用价值。

附图说明

图1为本发明的传感系统示意图。

1.9xxnm泵浦 2.14xx/15xxnm波分复用器

3.掺铒光铒 4.可调滤波器

5.耦合器 6.光谱仪

7.环形器A 8.14xxnm泵浦

9.14xx/15xxnm波分复用器

10.分布在前25km单模光纤上的布喇格光纤光栅

11.14xx/15xxnm波分复用器 12.环形器B

13.掺铒光纤 14.14xx/15xxnm波分复用器

15.环形器C 16.分布在后25km单模光纤上的布喇格光纤光栅

图2为喇曼和掺铒光纤混合放大系统放大前后4只布喇格光纤光栅各自反射信号的谱图：(a)1544nm、(b)1548nm、(c)1552nm、(d)1556nm。

图3为光纤可调滤波器频谱图。

图4为布喇格光纤光栅信号的反射谱图。

具体实施方案

下面将结合附图对本发明的实施例作详细描述：该方法首先选用环形腔掺铒光纤激光器作为传感光源，并以布喇格光纤光栅为传感器。另外还先在环形腔掺铒光纤激光器之后设置了一个由14xxnm泵浦8和14xx/15xxnm波分复用器9组成的喇曼放大器。然后再在25km光纤处增设一个基于双环行器的掺铒光纤放大结构。以上所述的环形腔掺铒光纤激光器由9xxnm泵浦1、14xx/15xxnm波分复用器2、掺铒光纤3、可调滤波器4、耦合器5、光谱仪6和环形器A7组成。其中9xxnm泵浦1与14xx/15xxnm波分复用器2的前端口相接，而该波分复用器2的后端口又与掺铒光纤3相接。掺铒光纤3之后串接可调滤器4，然后再与耦合器5的前端口相接，而耦合器5的后端口的其中一端与光谱仪6相接；另一端与环形器A7的端口1相接。环形器A7的端口3还与14xx/15xxnm波分复用器2的前端口相接。环形器A7的端口2与喇曼放大器中的14xx/15xxnm波分复用器9的前端口相接，并且该波分复用器9的后端口又与分布在前25km单模光纤上的布喇格光纤光栅10相接。而前面所述的基于双环行器的掺铒光纤放大结构是由两个14xx/15xxnm波分复用器11、14、环形器B12、环型器C15和一段15m长的掺铒光纤13组成。其中，一个14xx/15xxnm波分复用器11的前端口与分布在前25km单模光纤上的布喇格光纤光栅10相接。该波分复用器11的后端口的一端与环形器B12的端口2相接。同时该波分复用器11的后端口的另一端还与另一个14xx/15xxnm波分复用器14的前端口相接。这个14xx/15xxnm波分复用器14的后端口又与一段15m长的掺铒光纤13相接，并且环形器B12的端口3也与这一段15m长的掺铒光纤13相接。另外，环形器C15的端口1与后一个14xx/15xxnm波分复用器14的前端口相接。环形器C15的端口2与分布在后25km单模光纤上的布喇格光纤16相接。同时环形器C15的端口3还与环形器B12的端口1相接。

在本发明中采用了掺铒光纤激光器结构，它具有备较宽的带宽，而且工作在光纤最低损耗窗口范围。掺铒光纤激光器中的9xxnm泵浦发出的光经过一只9xx/15xxnm的波分复用器进入掺铒光纤，再经过可调滤波器，滤波器后的耦合器将光分为两束。其中x％(x＝1～20)的光进入光谱仪，剩余的光经环形器A进入14xx/15xxnm波分复用器前端口的一端，然后进入前25km的光纤。而该波分复用器前端口的另一端接一只14xxnm的泵浦，为传感信号提供喇曼放大。在25km光纤处，经过喇曼放大了的残余的ASE光经过双环行器的掺铒光纤放大结构中的掺铒光纤放大器后，将被放大并混合掺铒光纤放大器的自发辐射光来照明后25km的传感器即λ_M+1，λ_M+2，λ_M+3，……λ_N，这样就为距离较远的传感器提供较强的光，其中掺铒光纤放大器的泵浦光来自残余的喇曼泵浦光。光谱仪用于测量布喇格光纤光栅传感器的波长，一系列不同波长的布喇格光纤光栅串联在光纤上用于准分布测量。环形腔掺铒光纤激光器中的掺铒光纤在9xxnm泵浦光的作用下产生的荧光与掺铒光纤的增益谱近似一致，可调滤波器仅允许很窄频带的光通过，通过调节滤波器的电压来改变其通带频率λ，当λ与布喇格光纤光栅的工作波入相同时，光信号被分布在光纤上的布喇格光纤光栅反射，反射光通过环形器进入环形结构，在环形结构中以逆射时针方向传播一周，由掺铒光纤放大器对光信号进行放大，从而形成正反馈，反复循环多次后产生激光输出。

为了说明本发明的方案，现将四个波长分别为1544nm、1546nm、1552nm、1556nm反射率大于90％的布喇格光纤光栅分别两两安放在25km和50km处。使用一只40mW的9xxnm泵浦和一只170mW的14xxnm泵浦，四个布喇格光纤光栅的信号分别被放大了约5dB和37dB，信噪比分别被提高了约4dB和3dB，信号幅值差别很小约1～2dB，结果如图2所示。

因此，采用本发明的方法在指标上有极大的优势，与没有放大和只有喇曼放大的方案相比，在信号的放大倍数、信噪比以及信号幅值差方面有明显的优势。这说明采用本方法是一种实现长距离、准分布式布喇格光纤光栅传感系统极为有效的方案，传感器的信噪比达到58dB以上，完全能满足实际测量的需要。

Claims

1.一种选用环形腔掺铒光纤激光器作为传感光源，并以布喇格光纤光栅为传感器来实现长距离光纤激光器布喇格光纤光栅传感系统的方法，其特征是先在环形腔掺铒光纤激光器中环形器A(7)的端口3之后，设置了一个由14xxnm泵浦(8)、14xx/15xxnm波分复用器(9)组成的喇曼放大器，另外再在传输光纤途中任意一处增设了一个基于双环行器的掺铒光纤放大结构，串接在光纤之中，该放大结构是由两个14xx/15xxnm波分复用器(11)、(14)、环形器B(12)、环形器C(15)和一段掺铒光纤(13)组成，其中一个14xx/15xxnm波分复用器(11)的前端口与分布在前段的光纤相接，该波分复用器(11)后端口的一端与环形器B(12)的端口2相接，同时该波分复用器(11)后端口的另一端还与另一个14xx/15xxnm波分复用器(14)的前端口相接，这个14xx/15xxnm波分复用器(14)的后端口与掺铒光纤(13)相接，另外环形器C(15)的端口1与后一个14xx/15xxnm波分复用器(14)的前端口相接，环形器C(15)的端口2与分布在后段的光纤相接，同时环形器C(15)的端口3还与环形器B(12)的端口1相接。