CN1925372A - 一种远程传感系统 - Google Patents

Abstract

一种远程传感系统，属于光通信技术领域。按照本发明提供的设计方案，远程传感系统包括一个拉曼放大器和一个由掺铒光纤、布拉格光纤光栅及光纤反射镜构成的掺铒光纤激光器；其特征在于：拉曼放大器中的复合激光器泵浦单元由以下光器件构成：两个半导体激光器，用于输出具有预定波长的泵浦激光，该泵浦激光是线偏振的；偏振隔离泵浦合波器，用于将两个半导体激光器输出两个波长相同的线偏振激光合成一束；以及波分复用耦合器，用于将由偏振隔离泵浦合波器输入的泵浦激光输出到增益介质，由所述泵浦激光对所述增益介质进行反向泵浦。本发明公开了一种新型远程传感系统，该系统是基于拉曼放大器和掺铒光纤激光器的原理实现的，具有高信噪比和低阈值功率的特点。

Description

一种远程传感系统

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种长距离布拉格光栅传感系统。

背景技术

基于光纤光栅的光纤传感器，其传感过程是通过外界参量对Bragg中心波长的调制来实现的，属于波长调制型光纤传感器，它具有以下明显的优点：一是抗干扰能力强，这一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性(忽略光纤的非线性效应)；另一方面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例如光源强度的起伏，光纤微弯效应引起的随机起伏，耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。二是传感探头结构简单，尺寸小(其外径和光纤本身等同)，适合于各种应用场合。三是测量结果具有良好的重复性。四是便于构成各种形式的光纤传感网络。五是可用于对外界参量的绝对测量。六是光栅的写入工艺已较成熟，便于形成规模生产(商品化)。因此，开发研制出对温度、压力、应变等诸多参量敏感的光纤光栅传感器，具有重大的实用价值和应用前景。

经过涂覆的布拉格光纤光栅的反射波长λB随温度变化而变化，其温度敏感性为0.08nm/℃，因此可用来做温度传感。然而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，使得普通布拉格光栅传感系统的传感长度一般都限制在25km以内。

文献(Investigation of Raman fiber laser temperature probe based on fiber Bragggratings for longdistance remote sensing applications，Optics Express，Vol.12，No.8，2004，Ju han Lee，et at)提出了一种基于拉曼激光器原理实现的长距离传感系统，但是因为拉曼激光器的阈值很高，通常达到瓦量级，所以对泵浦激光器输出功率要求很高，代价很大。

图1为文献中报导的利用拉曼激光器原理实现的长距离传感系统结构示意图，构成拉曼激光器谐振腔反射镜的是宽带啁啾光栅和布拉格光纤光栅。该系统包括泵浦激光器1、2，波长合波器3，波分复用耦合器4，宽带啁啾光栅5，传输光纤6和传感布拉格光栅7。

该系统的工作过程是由宽带啁啾光栅和布拉格光栅构成拉曼激光器的谐振腔，由传输光纤构成增益介质。当腔内增益和损耗相等时即达到激光器的阈值，就有激光产生。当传感光栅受到温度或应力发生波长变化时，激光器的波长就发生变化，信号探测系统可以探测到发生的变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种解决长距离传感测量的远程传感系统。以延长传感系统的距离，降低系统成本。

按照本发明提供的设计方案，远程传感系统包括一个拉曼放大器和一个由掺铒光纤、布拉格光纤光栅及光纤反射镜构成的掺铒光纤激光器；

其特征在于：拉曼放大器中的复合激光器泵浦单元由以下光器件构成：

两个半导体激光器，用于输出具有预定波长的泵浦激光，该泵浦激光是线偏振的；

偏振隔离泵浦合波器，用于将两个半导体激光器输出两个波长相同的线偏振激光合成一束；

以及波分复用耦合器，用于将由偏振隔离泵浦合波器输入的泵浦激光输出到增益介质，由所述泵浦激光对所述增益介质进行反向泵浦。

所述拉曼放大器还包括传输光纤，该传输光纤就是所述拉曼放大器的增益介质；所述掺铒光纤激光器的谐振腔的两个反射镜分别是用于传感测量的布拉格光纤光栅和光纤反射镜。作为传感器的布拉格光纤光栅对掺铒光纤激光器起到选频的作用，其反射率是经过优化的。

构成掺铒光纤激光器的光纤反射镜是由一个50∶50的分光器构成的，具有很宽的反射带宽和高反射率。作为传感器的布拉格光纤光栅利用温度、压力或应变敏感的光纤光栅。

本发明的优点是：由于该方法是基于拉曼放大和掺铒光纤激光器原理的长距离分布式光纤布拉格光栅传感系统，相比较已有的远程传感系统，该发明只用很小的泵浦功率就可以得到激光激射，而且拉曼放大器和掺铒光纤激光器的共同作用可以提供很高的光学信噪比的信号，因此可以极大的延长传感系统的距离，同时可以大大降低系统成本。

附图说明

图1是现有的利用拉曼激光器原理实现的长距离传感系统结构示意图。

图2是按照本发明第一实施例的新型远程传感系统结构示意图。

图3是50公里传感系统探测到的激光光谱图。

图4是探测到的激光波长随温度的变化曲线。

图5是探测到的激光器输出功率随泵浦功率的变化关系。

图6是75公里传感系统探测到的激光光谱图。

图7是按照本发明第二实施例的新型远程传感系统结构示意图。

具体实施方式

图中：1、2—半导体激光器；3—隔离偏振泵浦合波器；4—波分复用耦合器；5—信号探测系统；6—传输光纤；7—用于传感器的布拉格光纤光栅；8—掺铒光纤；9—光纤反射镜；10—光纤隔离器；11—输出耦合器。

如图2所示：远程传感系统包括一个拉曼放大器和一个由掺铒光纤8、布拉格光纤光栅7及光纤反射镜9构成的掺铒光纤激光器；拉曼放大器中的复合激光器泵浦单元由以下光器件构成：两个半导体激光器1、2，用于输出具有预定波长的泵浦激光，该泵浦激光是线偏振的；偏振隔离泵浦合波器3，用于将两个半导体激光器1、2输出两个波长相同的线偏振激光合成一束；以及波分复用耦合器4，用于将由偏振隔离泵浦合波器3输入的泵浦激光输出到增益介质，由所述泵浦激光对所述增益介质进行反向泵浦。

拉曼放大器还包括传输光纤6，该传输光纤6就是所述拉曼放大器的增益介质；掺铒光纤激光器的谐振腔的两个反射镜分别是用于传感测量的布拉格光纤光栅7和光纤反射镜9。作为传感器的布拉格光纤光栅7对掺铒光纤激光器起到选频的作用，其反射率是经过优化的。构成掺铒光纤激光器的光纤反射镜9是由一个50∶50的分光器构成的，具有很宽的反射带宽和高反射率，全光纤反射镜具有结构简单、成本低、易操作等特点。作为传感器的布拉格光纤光栅7利用温度、压力或应变敏感的光纤光栅。

其中拉曼放大器复合泵浦单元包括两个大功率的半导体激光器1、2，他们经过隔离偏振泵浦合波器成为去偏振光，合成一束输出，然后通过波分复用耦合器4的一个端口输入到传输光纤中，作为拉曼放大器的泵浦光。

该系统还包括一个掺铒光纤激光器，其中构成激光器谐振腔的两个反射镜分别是光纤反射镜9和布拉格光纤光栅7，其中光纤反射镜具有高反射率和宽带反射带宽的特点；所述的布拉格光栅反射率是经过优化设计的，目的是同时保证较低阈值功率和较高的激光输出功率。激光器的增益介质为掺铒光纤。

该系统的工作过程是：拉曼放大器的泵浦光经过传输光纤后仍有一部分泵浦光剩余，其进入掺铒光纤激光器的谐振腔，对掺铒光纤进行泵浦。掺铒光纤激光器的工作原理如下：

当光波在谐振腔内往返一周所获得的增益等于腔内的总损耗时，激光器就达到了阈值。设腔镜的反射率分别为R₁和R₂，掺铒光纤长度为L，则阈值条件为：

                G²R₁R₂exp(-2α_intL)＝1                    (1.1)

其中G为单程增益，α_int为腔内损耗因子，它包括耦合损耗和其它一些类型的损耗。单程增益可由下式求得

$G=\exp \left(\underset{0}{\overset{L}{\∫}}g\left(z\right)\mathrm{dz}\right)---\left(1.2\right)$

其中，增益系数g(z)与粒子数反转有关

                g(z)＝σ_s[N₂(z)-N₁(z)]                    (1.3)

其中，σ_s为发射截面，N₁和N₂分别受激辐射过程中低能态和高能态上的粒子数密度。将(1.2)式带入(1.1)式，阈值条件变为

$\frac{1}{L}\underset{0}{\overset{L}{\∫}}g\left(z\right)\mathrm{dz}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{mir}}+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{int}}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{cav}}---\left(1.4\right)$

其中，α_mir＝-ln(R₁R₂)/2L是腔镜有效损耗因子，α_cav是腔内总损耗因子。

阈值与总的损耗的关系是：在其他条件不变的情况下，阈值随总的损耗的增加而增加。

当掺铒光纤的增益等于腔内的总损耗的时候，就会有激光激射出来，激光波长等于布拉格光纤光栅的反射波长。当外界的温度发生变化时，布拉格光纤光栅的中心波长发生变化，导致激光激射波长发生变化，这种变化会经过传输光纤到达信号探测系统。

各个部分的特性与功能介绍：半导体激光器1、2输出的激光为线偏振光，输出激光波长有一定范围，一般在1470-1490nm之间，是由掺铒光纤的吸收谱决定的。本例中选用1470nm。隔离泵浦偏振合波器3是一个复合无源器件。内部含有隔离器和去偏振因子。用于将半导体激光器1、2两个相同波长的偏振激光合成在一起，而且为了获得稳定的拉曼增益，隔离泵浦偏振合波器3还有将偏振光去偏振的因子，经过隔离泵浦偏振合波器3的偏振光会变成无偏振的光。隔离器的作用是为了防止光路中反射光进入半导体激光器的谐振腔，维持半导体激光器稳定输出。波分复用耦合器4用来把泵浦光与信号光耦合到一起的光无源器件，有3个端口，分别为信号通过端，泵浦通过端和信号及泵浦光都能通过的公共端。信号探测系统5，可以是光谱仪，功率计等，也可以从成本考虑选用支持电信号探测的传感解复用系统。传输光纤6为50km或以上的单模光纤，是拉曼放大器的增益介质。布拉格光纤光栅7，常温下其中心波长为1550.18nm，为了平衡激光器的阈值功率和输出功率，反射率是经过优化的。掺铒光纤8的长度约7m，是掺铒光纤激光器的增益介质。掺铒光纤8的长度是经过优化的。光纤反射镜9由一个对C波段以50∶50的比例分光的宽带耦合器构成，将耦合器的两个同向输出端熔接起来就构成一个光纤反射镜。这样的光纤反射镜具有宽带宽和高反射率的特点。本发明中采用光纤反射镜作为掺铒光纤激光器谐振腔的一个反射镜，能够同时反射信号光和泵浦光功率，大大提高泵浦光的利用率，降低激光器的阈值，从而节省拉曼泵浦激光器的成本。

图2所示的本发明第一实施例中实现的远程传感系统，是基于拉曼放大器和线性腔掺铒光纤激光器的结构。系统中泵浦激光器1、2和隔离偏振泵浦合波器3构成拉曼泵浦单元，合成的去偏振的泵浦光经过波分复用耦合器进入传输光纤；拉曼放大器剩余的泵浦激光进入掺铒光纤激光器。掺铒光纤激光器由一段7m长的掺铒光纤8作为增益介质，光纤反射镜9和布拉格光纤光栅7构成激光器的谐振腔。当铒纤增益和腔内损耗相等的时候就达到激光器的阈值，激光由布拉格光栅处输出。输出的激光经过拉曼放大器的进一步放大，到达信号探测系统5。

在线性腔结构中，经过优化的布拉格光纤光栅的反射率为85％，当激光谐振腔内达到平衡状态以后，就有稳定的激光功率输出，其中有85％激光功率留在谐振腔内作为种子继续产生激光，15％的激光功率作为输出，这种设计保证了激光器具有很低的阈值。当构成拉曼泵浦单元的半导体激光器总功率为80mW时，就能在信号探测系统终端探测到很微弱的激光，但是此时的信噪比很小，不足以利用。继续增大半导体激光器的输出功率，探测到的激光输出功率越来越大，输出信噪比越来越高，图3示出常温下，拉曼放大器的泵浦光输出功率为140mW时，从信号探测系统终端探测到的激光光谱图，信号的信噪比达到43dB。当外界环镜温度发生变化时，作为激光器选频元件的光纤光栅的反射波长会随温度发生线性变化，激光器的激射波长也随之发生变化，如图4所示。

图5给出了信号探测系统终端探测到的信号功率和拉曼放大器泵浦光输出功率之间的关系。可见，利用这种拉曼放大器和掺铒光纤激光器构成的新型传感系统可以大大降低对泵浦功率的要求。当泵浦功率只有80mW时，就能够探测到激光信号。当泵浦功率为140mW时，探测到的信号不仅功率足够大，而且其光学信噪比可以达到43dB。也就是说，在一个长度为50km的远程传感系统中仅有一个泵浦激光器就可以取得很好的效果。

图6给出了一个75km的长距离传感系统中，在信号探测终端得到的常温下的激光光谱图。此时的拉曼放大器的泵浦功率为500mW。信号的信噪比达到37dB。

图7是按照本发明第二实施例的结构示意图。图中的掺铒光纤激光器属于环行腔激光器，环行腔由波分复用耦合器4、掺铒光纤8、光纤隔离器10和输出耦合器11构成。光纤隔离器10的作用是保证激光在谐振腔内单方向运转。输出耦合器11是一个2×2的耦合器，输出耦合器11在腔内同方向的两个端中的一端连接波分复用耦合器4，另一端连接光纤隔离器10。输出耦合器11在腔外同方向的两个端中，一端连接布拉格光栅7，另一端是激光器的输出端，与波分复用耦合器4的信号端相连。在该激光器中，传感布拉格光纤光栅7仍然做为选频器件，但是布拉格光纤光栅7的反射率应该达到99％以上，才会产生足够高的激光功率。环行腔结构中，为了平衡激光器的阈值功率和输出功率，输出耦合器11的分光比是需要优化的。激光输出端一般采用耦合器分光比较小的一端。输出的激光信号经过波分复用耦合器4后进入拉曼放大器放大，然后到达信号探测系统。

本发明中所用的布拉格光纤光栅7也可以换成温度不敏感，压力或应力敏感的光纤光栅传感器。

Claims (8)

1、一种远程传感系统，包括一个拉曼放大器和一个掺铒光纤激光器；

其特征在于：拉曼放大器中的复合激光器泵浦单元由以下光器件构成：

两个半导体激光器(1)、(2)，用于输出具有预定波长的泵浦激光，该泵浦激光是线偏振的；

偏振隔离泵浦合波器(3)，用于将两个半导体激光器(1)、(2)输出两个波长相同的线偏振激光合成一束；

以及波分复用耦合器(4)，用于将由偏振隔离泵浦合波器(3)输入的泵浦激光输出到增益介质，由所述泵浦激光对所述增益介质进行反向泵浦。

2、如权利要求1所述的远程传感系统，其特征是：拉曼放大器还包括传输光纤(6)，该传输光纤(6)就是所述拉曼放大器的增益介质。

3、如权利要求1所述的远程传感系统，其特征是：掺铒光纤激光器为线性腔掺铒光纤激光器，由掺铒光纤(8)、布拉格光纤光栅(7)及光纤反射镜(9)构成；掺铒光纤激光器的谐振腔的两个反射镜分别是用于传感测量的布拉格光纤光栅(7)和光纤反射镜(9)。

4、如权利要求3所述的远程传感系统，其特征是：作为传感器的布拉格光纤光栅(7)是一种对温度、压力或应变敏感的光纤光栅，对掺铒光纤激光器起到选频的作用，其反射率是经过优化的。

5、如权利要求3所述的远程传感系统，其特征是：构成掺铒光纤激光器的光纤反射镜(9)由一个具有很宽的反射带宽和高反射率的50∶50的分光器构成。

6、如权利要求3所述的远程传感系统，其特征是：掺铒光纤激光器为环行腔激光器，环行腔由波分复用耦合器(4)、掺铒光纤(8)、光纤隔离器(10)和输出耦合器(11)构成；光纤隔离器(10)用于保证激光在谐振腔内单方向运转；输出耦合器(11)在腔内同方向的两个端中的一端连接波分复用耦合器(4)，另一端连接光纤隔离器(10)；输出耦合器(11)在腔外同方向的两个端中，一端连接布拉格光栅(7)，另一端构成掺铒光纤激光器的输出端，与波分复用耦合器(4)的信号端相连。

7、如权利要求6所述的远程传感系统，其特征是：布拉格光纤光栅(7)做为选频器件，其反射率达到99％以上；在环行腔结构中，输出耦合器(11)的分光比是经过优化的，以平衡激光器的阈值功率和输出功率；掺铒光纤激光器的激光输出端采用耦合器分光比较小的一端；输出的激光信号经过波分复用耦合器(4)后进入拉曼放大器放大，然后到达信号探测系统(5)。

8、如权利要求6所述的远程传感系统，其特征是：输出耦合器(11)是一个2×2的耦合器。

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