CN202057344U - 基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统 - Google Patents
基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开一种基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统，包括宽带光源、光谱仪、环行器、波分复用器、光开关阵列、拉曼泵浦源、干路光纤布拉格光栅和传感光纤，所述干路光纤布拉格光栅的反射中心波长为泵浦光的一阶斯托克斯光波长，所述传感光纤上布有中心波长有一定间隔的一组光纤布拉格光栅，所述干路光纤布拉格光栅和中间任何一条传感光纤组成的超长腔激光器输出拉曼泵浦源的一阶斯托克斯光波长附近的光，实现对传感信号光的二阶拉曼放大。本实用新型用于解决现有长距离光纤布拉格光栅传感系统存在的传感信号强度弱和信噪比低的问题，主要用于光纤传感领域，具有传感长度长、传感信号的信噪比高、成本低的优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种利用二阶拉曼放大技术构成的超长距离光纤布拉格光栅传感器系统。
背景技术
基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器系统是一种准分布式的传感系统，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、易复用、隐蔽性好等优点，可用于温度、应变、压力、位移、声波物理量的测量(见A.D.Kersey，J.Lightwave Technol.151442；Y.J.Rao，Measure.Sci.& Technol.8355等)，目前已广泛用于民用建筑、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，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。在安全监测领域有着重要的应用前景，成为传感技术领域迅速发展的前沿课题。
在长距离光纤布拉格光栅传感系统中，由于光纤传感长度的增加，散射衰减、吸收衰减和光纤连接处的固有损耗导致传感信号强度和信噪比不断下降。为了实现长距离遥测，曾经报道过几个基于拉曼放大的方法。Y.Nakajima等人曾提出在被动光纤布拉格光栅传感系统中使用分布式拉曼放大来延长传输距离(见Y.Nakajima，Novel concept as long-distance transmission FBG sensor systemusing distributed Raman amplification，in Proc.16th International Conference onOptical Fiber Sensors，Thl-4，2003)。P.C.Peng等人提出使用基于光纤布拉格光栅和光纤环路反射的线性腔拉曼激光结构来获得高分辨率和光学信噪比(见P-C.Peng，Long-distance FBG sensor system using a linear-cavity fiber Raman laserscheme，IEEE Photon.Technol.Lett.16，2004)。Ju Han Lee等提出基于拉曼放大的，使用带掺饵光纤(EDF)和布拉格光纤光栅来同时测量温度和应力。此外，他们还提出了基于拉曼放大，使用EDF宽带光源重复利用拉曼泵浦的剩余光进行长距离FBG应力遥感(见Ju Han Lee，Raman amplifier-based long-distance remote，strain and temperature sensing system using an erbium-doped fiber and a fiber Bragggrating，Optics Express，12)。饶云江等人提出了基于双级掺饵光纤和双向拉曼放大结构的长距离(50km)光纤光栅传感系统(实用新型“200520034533.8”饶云江)。
2004年，J.D.Ania-Castanon报道了利用光纤布拉格光栅和二阶拉曼放大技术实现的超长距离无损传输通信系统(见J.D.Ania-Castanon，Quasi-losslesstransmission using second-order Raman amplification and fiber Bragg gratings，Opt.Exp.，12)。相比于其他放大技术，二阶拉曼放大技术具有较宽的增益谱(可以实现C+L波段的同时放大)、增益谱平坦、低噪声、高的泵浦利用率和低成本等优点。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统，以解决现有长距离光纤布拉格光栅传感系统存在的传感信号强度弱和信噪比低的问题。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统，包括宽带光源、光谱仪、环行器、波分复用器、光开关阵列、拉曼泵浦源、干路光纤布拉格光栅和传感光纤，所述宽带光源和光谱仪分别连接环行器的1端口和3端口，环形器的2端口及拉曼泵浦源分别连接波分复用器的输入端，波分复用器的输出端经由一干路光纤布拉格光栅连接一设置在所述传感光纤一端的光开关阵列，设置在所述传感光纤另一端的光开关阵列经由另一同样的干路光纤布拉格光栅连接另一波分复用器的输出端，另一拉曼泵浦源与另一波分复用器的输入端连接，所述干路光纤布拉格光栅的反射中心波长为泵浦光一阶斯托克斯光波长，所述传感光纤上布有中心波长有一定间隔的一组光纤布拉格光栅。
不同所述传感光纤上的光纤布拉格光栅的中心波长各不相同。
本实用新型通过将二阶拉曼放大技术应用于现有简单的准分布式光纤布拉格光栅传感系统中，利用二阶拉曼放大的方法对传感信号进行放大，提高了泵浦的效率，使传感信号强度增强，从而增加了传感长度、提高了传感信号的信噪比，同时控制了系统的成本。
附图说明
图1是本实用新型的基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统的逻辑框图。
图2是两阶泵浦光拉曼增益系数谱示意图。
图中：1、宽带光源；2、光谱仪；3、环行器；4、波分复用器(WDM)；5、光开关阵列；6、拉曼泵浦源；7、干路光纤布拉格光栅。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1所示，本实用新型的一种基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统，包括宽带光源1、光谱仪2、环行器3、波分复用器4、光开关阵列5、拉曼泵浦源6、干路光纤布拉格光栅7和传感光纤8，所述宽带光源l和光谱仪2分别连接环行器3的1端口和3端口，环形器3的2端口及拉曼泵浦源6分别连接波分复用器4的输入端，波分复用器4的输出端经由一干路光纤布拉格光栅7连接一设置在所述传感光纤8一端的光开关阵列5，设置在所述传感光纤8另一端的光开关阵列5经由另一同样的干路光纤布拉格光栅7连接另一波分复用器4的输出端，另一拉曼泵浦源6与另一波分复用器4的输入端连接，所述干路光纤布拉格光栅7的反射中心波长为泵浦光的一阶斯托克斯光波长，所述传感光纤8上布有中心波长有一定间隔的一组光纤布拉格光栅。
工作时，宽带光源1产生的激光经由环行器3进入波分复用器4，拉曼泵浦源6发出的泵浦光也进入同一波分复用器4，经波分复用器4耦合的光经过干路光纤布拉格光栅7进入光开关阵列5，由光开关阵列5控制来实现在不同传感光纤8之间的光路切换。
拉曼泵浦源6经由波分复用器4耦合进光路的泵浦光，由于拉曼效应，会对处于其拉曼增益范围内的传感信号光进行一阶的拉曼放大。
另外，干路光纤布拉格光栅7的引入会使位于其反射谱内的光来回振荡，因而干路光纤布拉格光栅7和传感光路组成了一个超长腔的激光器，其产生的激射光会对处于其拉曼增益谱内的传感信号光进行二阶的拉曼放大。
反射回来的传感信号光经由环形器3的3端口连接到光谱仪2上进行解调。
不同传感光纤上的光纤布拉格光栅中心波长可以相同，但是为通过控制不同中心波长光纤布拉格光栅的位置来实现更精确的定位，且使反射的信号互不干扰，所述传感光纤上的
至
(此处F指光纤布拉格光栅)的中心波长彼此有一定的间隔，即各传感光纤上的光纤布拉格光栅的中心波长各不相同。
实施实例
如图1所示，宽带光源1发出的波长为1510～1580nm的信号光经由环形器3，连接50：50的波分复用器4的一个入口，波长为1440nm，输出功率可调的拉曼泵浦源6连接波分复用器的另一个入口，波分复用器的出口经由中心波长为1480nm、反射率为95％的干路光纤布拉格光栅7连接到光开关阵列5上，中间传感光纤每间隔500米左右写入反射波长从1510nm到1580nm，间隔为3nm的光纤布拉格光栅20个，其反射率约为92％。传感链路经由光开关，其后接反射中心波长为1480nm，反射率为95％6的另一干路光纤布拉格光栅(两干路光纤布拉格光栅的差异应尽可能小)，后向中心波长为1440nm、功率可调的拉曼泵浦源经由波分复用器接入链路。耦合进链路的泵浦光由于拉曼效应，会对处于其拉曼增益范围内的信号光进行一阶的放大，另外，由于干路光纤布拉格光栅的引入，处于干路光纤布拉格光栅反射中心波长范围内的泵浦光会在两个干路光纤布拉格光栅中间来回反射，这样就会产生波长在1480nm附近的激射光，同理，此激射光会对处于其拉曼增益范围内的信号光产生拉曼放大，即二阶拉曼放大。
图2是两阶泵浦光拉曼增益系数谱示意图。该图中，双向泵浦光的波长为1480nm，一对干路光纤布拉格光栅的中心波长被设计在泵浦光的一阶斯托克斯光附近(1560nm)，由此两干路光纤布拉格光栅和中间的传感光纤在这个波长上形成了一个谐振腔并形成激光。
从增益的角度来说，在距离泵浦光1480nm的13.2～16THz频段内，泵浦光形成的拉曼增益有一个较宽的峰，并且由干路光纤布拉格光栅对谐振腔作用产生的1560nm激射光也能对此频段内的信号光进行拉曼增益补偿。因此本实用新型对信号光进行二阶拉曼放大，即在利用泵浦光对信号光进行一阶拉曼放大基础上，再运用干路光纤布拉格光栅对形成的谐振腔产生激射光(作为二阶拉曼泵浦源)，同时对信号光进行放大，这样将比只利用一阶拉曼泵浦光对信号光进行拉曼放大能更有效的利用泵浦光，获得更高的拉曼增益，在更长的传感距离上、取得高空间分辨率。
此二阶拉曼放大同时对前向光和后向发射光进行放大，一方面延长了前向光传输的距离，另一方面，增加了后向传感信号的信噪比，在增加了整个传感系统传感距离的基础上提高了传感信号的信噪比，降低了对解调系统的要求，在很大程度上提高了传感系统的性能。
本实用新型用于光纤传感领域，具有传感长度长、传感信号的信噪比高、成本低的优点。
Claims (2)
1.一种基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，包括宽带光源(1)、光谱仪(2)、环行器(3)、波分复用器(4)、光开关阵列(5)、拉曼泵浦源(6)、干路光纤布拉格光栅(7)和传感光纤(8)，所述宽带光源(1)和光谱仪(2)分别连接环行器(3)的1端口和3端口，环形器(3)的2端口及拉曼泵浦源(6)分别连接波分复用器(4)的输入端，波分复用器(4)的输出端经由一干路光纤布拉格光栅(7)连接一设置在所述传感光纤(8)一端的光开关阵列(5)，设置在所述传感光纤(8)另一端的光开关阵列(5)经由另一同样的干路光纤布拉格光栅(7)连接另一波分复用器(4)的输出端，另一拉曼泵浦源(6)与另一波分复用器(4)的输入端连接，所述干路光纤布拉格光栅(7)的反射中心波长为泵浦光的一阶斯托克斯光波长，所述传感光纤(8)上布有中心波长有一定间隔的一组光纤布拉格光栅。
2.根据权利要求1所述的基于二阶拉曼放大的超长距离光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，不同所述传感光纤(8)上的光纤布拉格光栅的中心波长各不相同。
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