專利名稱：實現(xiàn)長距離光纖激光器布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬光纖傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于摻鉺光纖/喇曼混合放大的光纖激光器布喇格光柵傳感系統(tǒng)(FBG)的實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
布喇格光纖光柵是一種傳輸方向相反的模式之間發(fā)生耦合而反射特定波長的光纖濾波器，它在受到外界的溫度、應(yīng)力、壓力時其中心波長會發(fā)生變化，可以通過對其波長量的變化的監(jiān)測來測量外界的物理量的變化。以其成本較低、體小、抗電磁干擾、復(fù)用能力強、易于封裝、可大規(guī)模生產(chǎn)等突出優(yōu)點而成為光纖傳感器家庭中最為重要的一員，可用于溫度、應(yīng)變、壓力、位移、聲波物理量的測量(見A.D.Kersey et al.1997 J.LightwaveTechnol.15 1442；Y.J.Rao，Measure.1997 Sci.&Technol.8 355等)，目前已經(jīng)廣泛的用于民用建筑、大壩、橋梁、隧道、飛機、軍艦等的健康檢測以及復(fù)合材料、智能結(jié)構(gòu)的無損檢測(見Y.J.Rao 1999 Opt.and Laser.In Eng.31 297)，是目前光纖傳感器中產(chǎn)業(yè)化最好的傳感器，被譽為光纖傳感領(lǐng)域里程碑式的革命。基于其線寬窄的特點，可以在一根光纖上大量的復(fù)用而實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量，然而隨著FBG數(shù)量和傳感距離不斷增加，由于后向瑞利散射光和光纖的背景損耗以及傳感器本身的插入損耗，必須會使傳感器光信號的強度和信噪比不斷的下降，傳感長度一般限制在25km，一直以來長距離測量和大容量傳感器復(fù)用是一個亟待解決又懸而未決的難題。為了實現(xiàn)長距離遙測，曾經(jīng)報道過幾個基于喇曼放大的方法。Y.Nakajima等曾提出在被動FBG傳感系統(tǒng)中使用分布式喇曼放大來延長傳輸距離(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和光纖環(huán)路反射的線性腔喇曼激光結(jié)構(gòu)來獲得高分辨率和光學(xué)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，使用帶EDF和FBG的探頭來同時測量溫度和應(yīng)力。此外，他們還提出了基于喇曼放大，使用EDF寬帶光源重復(fù)利用喇曼泵浦的剩余光進行長距離FBG應(yīng)力遙感(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等提出使用半導(dǎo)體光放大器(SOA)和摻鉺光纖波導(dǎo)放大器(EDWA)混合放大的長距離傳感系統(tǒng)，使用FBG和光纖環(huán)來產(chǎn)生傳感激光，SOA和EDWA提供傳感信號的混合放大。(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).
我們提出的基于摻鉺光纖/喇曼混合放大的光纖激光器布喇格光柵傳感系統(tǒng)的實現(xiàn)方法可望徹底解決長距離傳感的難題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于避免上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，而提供一種實現(xiàn)基于摻鉺光纖/喇曼混合放大的光纖激光器布喇格光柵傳感系統(tǒng)的方法。該方法將喇曼放大器和摻鉺光纖放大器混合使用的方案引入到準(zhǔn)分布式布喇格光柵傳感系統(tǒng)中，從而提高了泵浦的效率，極大地延長了傳感系統(tǒng)的距離，大大降低了系統(tǒng)成本，有著極其重要的實用價值。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下該方法首先選用環(huán)形腔摻鉺光纖激光器作為傳感光源，并以布喇格光纖光柵為傳感器。其獨道創(chuàng)新之處是先在環(huán)形腔摻鉺光纖激光器中的環(huán)形器A的端口3之后，設(shè)置了一個由14xxnm泵浦和14xx/15xxnm波分復(fù)用器組成的喇曼放大器；另外再在傳輸光纖途中的任意一處增設(shè)了一個基于雙環(huán)行器的摻鉺光纖放大結(jié)構(gòu)，串接在光纖之中。該放大結(jié)構(gòu)是由兩個14xx/15xxnm波分復(fù)用器、環(huán)形器B、環(huán)形器C和一段摻鉺光纖組成。其中，一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器的前端口與分布在前段的光纖相接。該波分復(fù)用器后端口的一端與環(huán)形器B的端口2相接。同時該波分復(fù)用器后端口的另一端還與另一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器的前端口相接，這個14xx/15xxnm波分復(fù)用器的后端口與摻鉺光纖相接，并且環(huán)形器B的端口3也與摻鉺光纖相接。另外，環(huán)形器C的端口1與后一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器的前端口相接。環(huán)形器C的端口2與分布在后段的光纖相接，同時環(huán)形器C的端口3還與環(huán)形器B的端口1相接。
本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點1.與采用寬帶光源的傳感系統(tǒng)相比，光纖激光器光源的方式使得傳感器的信噪比大大提高。
2.將喇曼放大器的低噪聲特性和摻鉺光纖放大器的高增益很好地結(jié)合在一起，使得系統(tǒng)性能大為提高，通過重新利用喇曼泵浦的殘余光用于泵浦摻鉺光纖放大器，降低了系統(tǒng)對泵浦功率的要求，提高了泵浦的效率。
3.摻鉺光纖放大器和喇曼放大器之間采用兩個環(huán)行器連接，可以隔離摻鉺光纖放大器放大的自發(fā)輻射噪聲，使得在環(huán)行器之后噪聲不會對前端的傳感器性能產(chǎn)生影響，系統(tǒng)中傳感信號的信噪比高，這對大容量的傳感器復(fù)用相當(dāng)有利。
4.系統(tǒng)中傳感器的復(fù)用能力強，可以實現(xiàn)從大于1500nm-1630nm范圍內(nèi)的傳感器的復(fù)用。
總之，該方法利用較低泵浦功率解決了基于寬帶光源的傳感系統(tǒng)隨著布喇格光柵數(shù)量和傳感距離不斷增加而導(dǎo)致傳感器光信號的強度和信噪比不斷地下降的難題，實現(xiàn)了高性價比、大容量、長距離、高精度的布喇格光柵傳感系統(tǒng)，有著較高的性價比和實用價值。


圖1為本發(fā)明的傳感系統(tǒng)示意圖。
1.9xxnm泵浦 2.14xx/15xxnm波分復(fù)用器3.摻鉺光鉺 4.可調(diào)濾波器5.耦合器 6.光譜儀7.環(huán)形器A8.14xxnm泵浦9.14xx/15xxnm波分復(fù)用器10.分布在前25km單模光纖上的布喇格光纖光柵11.14xx/15xxnm波分復(fù)用器 12.環(huán)形器B13.摻鉺光纖 14.14xx/15xxnm波分復(fù)用器15.環(huán)形器C 16.分布在后25km單模光纖上的布喇格光纖光柵圖2為喇曼和摻鉺光纖混合放大系統(tǒng)放大前后4只布喇格光纖光柵各自反射信號的譜圖(a)1544nm、(b)1548nm、(c)1552nm、(d)1556nm。
圖3為光纖可調(diào)濾波器頻譜圖。
圖4為布喇格光纖光柵信號的反射譜圖。
具體實施方案下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)描述該方法首先選用環(huán)形腔摻鉺光纖激光器作為傳感光源，并以布喇格光纖光柵為傳感器。另外還先在環(huán)形腔摻鉺光纖激光器之后設(shè)置了一個由14xxnm泵浦8和14xx/15xxnm波分復(fù)用器9組成的喇曼放大器。然后再在25km光纖處增設(shè)一個基于雙環(huán)行器的摻鉺光纖放大結(jié)構(gòu)。以上所述的環(huán)形腔摻鉺光纖激光器由9xxnm泵浦1、14xx/15xxnm波分復(fù)用器2、摻鉺光纖3、可調(diào)濾波器4、耦合器5、光譜儀6和環(huán)形器A7組成。其中9xxnm泵浦1與14xx/15xxnm波分復(fù)用器2的前端口相接，而該波分復(fù)用器2的后端口又與摻鉺光纖3相接。摻鉺光纖3之后串接可調(diào)濾器4，然后再與耦合器5的前端口相接，而耦合器5的后端口的其中一端與光譜儀6相接；另一端與環(huán)形器A7的端口1相接。環(huán)形器A7的端口3還與14xx/15xxnm波分復(fù)用器2的前端口相接。環(huán)形器A7的端口2與喇曼放大器中的14xx/15xxnm波分復(fù)用器9的前端口相接，并且該波分復(fù)用器9的后端口又與分布在前25km單模光纖上的布喇格光纖光柵10相接。而前面所述的基于雙環(huán)行器的摻鉺光纖放大結(jié)構(gòu)是由兩個14xx/15xxnm波分復(fù)用器11、14、環(huán)形器B12、環(huán)型器C15和一段15m長的摻鉺光纖13組成。其中，一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器11的前端口與分布在前25km單模光纖上的布喇格光纖光柵10相接。該波分復(fù)用器11的后端口的一端與環(huán)形器B12的端口2相接。同時該波分復(fù)用器11的后端口的另一端還與另一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器14的前端口相接。這個14xx/15xxnm波分復(fù)用器14的后端口又與一段15m長的摻鉺光纖13相接，并且環(huán)形器B12的端口3也與這一段15m長的摻鉺光纖13相接。另外，環(huán)形器C15的端口1與后一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器14的前端口相接。環(huán)形器C15的端口2與分布在后25km單模光纖上的布喇格光纖16相接。同時環(huán)形器C15的端口3還與環(huán)形器B12的端口1相接。
在本發(fā)明中采用了摻鉺光纖激光器結(jié)構(gòu)，它具有備較寬的帶寬，而且工作在光纖最低損耗窗口范圍。摻鉺光纖激光器中的9xxnm泵浦發(fā)出的光經(jīng)過一只9xx/15xxnm的波分復(fù)用器進入摻鉺光纖，再經(jīng)過可調(diào)濾波器，濾波器后的耦合器將光分為兩束。其中x％(x＝1～20)的光進入光譜儀，剩余的光經(jīng)環(huán)形器A進入14xx/15xxnm波分復(fù)用器前端口的一端，然后進入前25km的光纖。而該波分復(fù)用器前端口的另一端接一只14xxnm的泵浦，為傳感信號提供喇曼放大。在25km光纖處，經(jīng)過喇曼放大了的殘余的ASE光經(jīng)過雙環(huán)行器的摻鉺光纖放大結(jié)構(gòu)中的摻鉺光纖放大器后，將被放大并混合摻鉺光纖放大器的自發(fā)輻射光來照明后25km的傳感器即λM+1，λM+2，λM+3，……λN，這樣就為距離較遠(yuǎn)的傳感器提供較強的光，其中摻鉺光纖放大器的泵浦光來自殘余的喇曼泵浦光。光譜儀用于測量布喇格光纖光柵傳感器的波長，一系列不同波長的布喇格光纖光柵串聯(lián)在光纖上用于準(zhǔn)分布測量。環(huán)形腔摻鉺光纖激光器中的摻鉺光纖在9xxnm泵浦光的作用下產(chǎn)生的熒光與摻鉺光纖的增益譜近似一致，可調(diào)濾波器僅允許很窄頻帶的光通過，通過調(diào)節(jié)濾波器的電壓來改變其通帶頻率λ，當(dāng)λ與布喇格光纖光柵的工作波入相同時，光信號被分布在光纖上的布喇格光纖光柵反射，反射光通過環(huán)形器進入環(huán)形結(jié)構(gòu)，在環(huán)形結(jié)構(gòu)中以逆射時針方向傳播一周，由摻鉺光纖放大器對光信號進行放大，從而形成正反饋，反復(fù)循環(huán)多次后產(chǎn)生激光輸出。
為了說明本發(fā)明的方案，現(xiàn)將四個波長分別為1544nm、1546nm、1552nm、1556nm反射率大于90％的布喇格光纖光柵分別兩兩安放在25km和50km處。使用一只40mW的9xxnm泵浦和一只170mW的14xxnm泵浦，四個布喇格光纖光柵的信號分別被放大了約5dB和37dB，信噪比分別被提高了約4dB和3dB，信號幅值差別很小約1～2dB，結(jié)果如圖2所示。
因此，采用本發(fā)明的方法在指標(biāo)上有極大的優(yōu)勢，與沒有放大和只有喇曼放大的方案相比，在信號的放大倍數(shù)、信噪比以及信號幅值差方面有明顯的優(yōu)勢。這說明采用本方法是一種實現(xiàn)長距離、準(zhǔn)分布式布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)極為有效的方案，傳感器的信噪比達(dá)到58dB以上，完全能滿足實際測量的需要。
權(quán)利要求
1.一種選用環(huán)形腔摻鉺光纖激光器作為傳感光源，并以布喇格光纖光柵為傳感器來實現(xiàn)長距離光纖激光器布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)的方法，其特征是先在環(huán)形腔摻鉺光纖激光器中環(huán)形器A(7)的端口3之后，設(shè)置了一個由14xxnm泵浦(8)、14xx/15xxnm波分復(fù)用器(9)組成的喇曼放大器，另外再在傳輸光纖途中任意一處增設(shè)了一個基于雙環(huán)行器的摻鉺光纖放大結(jié)構(gòu)，串接在光纖之中，該放大結(jié)構(gòu)是由兩個14xx/15xxnm波分復(fù)用器(11)、(14)、環(huán)形器B(12)、環(huán)形器C(15)和一段摻鉺光纖(13)組成，其中一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器(11)的前端口與分布在前段的光纖相接，該波分復(fù)用器(11)后端口的一端與環(huán)形器B(12)的端口2相接，同時該波分復(fù)用器(11)后端口的另一端還與另一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器(14)的前端口相接，這個14xx/15xxnm波分復(fù)用器(14)的后端口與摻鉺光纖(13)相接，另外環(huán)形器C(15)的端口1與后一個14xx/15xxnm波分復(fù)用器(14)的前端口相接，環(huán)形器C(15)的端口2與分布在后段的光纖相接，同時環(huán)形器C(15)的端口3還與環(huán)形器B(12)的端口1相接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)長距離光纖激光器布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)的方法。該方法是以環(huán)形腔摻鉺光纖激光器作為傳感光源，以布喇格光纖光柵為傳感器，另外再在傳感系統(tǒng)中設(shè)置了喇曼放大器，并在光纖傳輸途中增設(shè)了一個基于雙環(huán)行器的摻鉺光纖放大結(jié)構(gòu)。該方法引入到準(zhǔn)分布式布喇格光纖光柵傳感系統(tǒng)中，提高了泵浦的效率，可以極大地延長傳感系統(tǒng)的距離，提高傳感系統(tǒng)的性能，大大降低了系統(tǒng)成本，有極其重要的實用價值。
文檔編號G01D5/353GK1877264SQ20061002132
公開日2006年12月13日 申請日期2006年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月5日
發(fā)明者冉曾令, 饒云江, 吳敏, 陳容睿 申請人:冉曾令, 饒云江, 吳敏, 陳容睿