1 引言

近年来,基于光纤中布里渊散射的分布式布里渊传感技术得到了越来越多的研究^[1-2]。由于分布式布里渊传感技术可以对温度和应变进行测量,目前在电力、石油、结构监测等许多领域都获得了应用^[3-4]。分布式布里渊传感技术是基于对光纤中各处的布里渊增益谱及其中心频率的测量来实现传感。因此,分布式布里渊传感技术本质上是一种频谱分析技术,频域中的干扰必然会使传感器的性能劣化。

在分布式布里渊传感系统中,一般会采用一个激光光源产生光脉冲并将光脉冲射入光纤,从而激发出布里渊散射光信号。通过测量布里渊散射光信号与激光光源在不同频率差处的功率来获得布里渊增益谱,进而测量出布里渊谱的中心频率。当激光光源的频率发生波动时,光源的频率偏移会对布里渊谱中心频率的测量造成干扰,形成测量误差。因此,激光光源的频率稳定性对分布式布里渊传感系统的性能很重要^[5-6]。然而,激光器内部噪声或外部环境的变化等不稳定因素会导致激光器的频率在整个增益频宽范围内波动^[7-8]。比如温度变化就可以造成激光光源频率变化。由于布里渊增益谱宽一般仅有数十兆赫兹的量级,温度的微小波动就可以对布里渊谱的测量形成较强的干扰^[9]。一般情况下,半导体激光器的中心波长随温度变化的灵敏度为0.2~0.3 nm/℃^[10]。虽然,为了减小激光器输出激光的频率漂移,可以采用一些精密技术将激光频率锁定在某一稳定的参考频率上,如饱和吸收法、Lock-in鉴相稳频法、相位调制外差(PDH)稳频法等^[11-13],其中前沿的PDH稳频法可以将激光器的频率秒稳定度控制在10^-16量级。但这些方案较为复杂,在实际使用中更广泛采用的方案依然是通过激光器的温度控制来实现频率的稳定。在1550 nm波段,通过良好的温度控制可将温度变化稳定在±0.001 ℃范围内,则激光器频率波动可被控制在25~37 MHz。但是这样的频率稳定度已经可以与布里渊增益谱宽比拟,对传感性能依然会有一定的影响,尤其是在长距离测量时。

因此,激光光源频率稳定性对分布式布里渊传感系统性能很关键。这就需要对激光光源的瞬时频率变化进行测量,并且需要能够分辨出兆赫兹量级的频率变化。此外,对于分布式传感系统而言,其单个脉冲的测量时间在微秒量级。因此,还需要获得激光光源频率在微秒量级延迟下频率波动的分布状况。

为了分析光源频率稳定性对分布式布里渊传感系统性能的影响,本文首先阐述激光器产生频率不稳定性的原因,分析其对分布式布里渊传感系统中布里渊散射光频率测量造成的干扰。为了测量分布式布里渊传感系统中激光光源的瞬时微小频率变化,设计了一种基于相干探测和瑞利散射的光源频率稳定性的测试系统,获得了激光光源频率在微秒量级延迟下的频率波动分布状况。最后,采用两种具有不同频率稳定度的激光光源进行分布式布里渊传感实验,对光源频率波动造成的布里渊谱形态变化和性能劣化进行了测量和分析。

2 基本原理

由于激光是在谐振腔中经过多次往返振荡后输出,在外界环境和激光器内部噪声的影响下,谐振腔腔长L以及放大介质的折射率n会发生变化^[14],进而导致激光器的输出频率发生改变,引起的激光器频率相对变化量为

Δvv=-ΔLL+Δnn,(1)

式中:Δv为激光器单位时间内输出频率的变化量;v为激光器输出的中心频率;ΔL和Δn分别为激光器单位时间内腔长和折射率的变化量。一般而言,激光器的单色性很好,即Δv/v很小。但是,由于激光的频率很大,在10¹⁴量级,单色性好的激光器其绝对的频率变化量Δv也很大。对于采用相干检测的分布式布里渊传感系统,如果作为本振光源的激光发生了频率漂移,则本振的输出光场可以表示为

EL(t)=ELexp{i[2π(v0+Δv)t+φL]},(2)

式中:E_L为本振光的场强;v₀和φ_L为激光器输出的本振光的中心频率和相位;t为时间。而没有发生频率漂移的激光经过调制产生脉冲光进入到光纤,并引起布里渊散射,其Stokes光场可表示为

ES(t)=ESexp{i[2π(v0-vB)t+φS]},(3)

式中:E_S和φ_S分别为Stokes光场场强和相位;v_B为布里渊散射产生的布里渊频移。在分布式布里渊传感系统的接收端,Stokes光与本振光在光电探测器中进行相干探测。滤除直流光电流后,得到的拍差光电流i_LS可表达为

iLS=2RPLPScos(2πvBt+2πΔvt+φLS),(4)

式中:R为探测器的响应度;P_L和P_S分别为本振光和Stokes光的光功率;φ_LS为本振光和Stokes光产生的相位差。Δv表示不同时刻的激光器输出频率漂移值,代表激光器的频率稳定性。由此可见,通过相干检测得到的光纤布里渊散射信号不仅仅与光纤温度和应变有关,还受到激光光源频率稳定性的影响^[15]。

在分布式布里渊传感系统中,多数采用半导体激光器,其温度稳定由内部的热电制冷系统(TEC)控制。这种系统是根据Peltier效应制作的,当半导体热电偶有正的热电势时,系统会产生放热过程,当电子流向相反时,会产生制冷过程。所以激光器的内部温度会在一个很小的范围内达到动态平衡^[16]。因为激光器输出频率对工作温度很敏感,所以激光源的频率差也会产生一个正负范围内的抖动。

图 1. 光源频率不稳定性带来多脉冲布里渊信号与本振频率差示意图

Fig. 1. Frequency difference between multi-pulse Brillouin signal and local light caused by optical source frequency instability

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作为简化,可以将光源的频率v随着时间t的小范围变化近似表达为v=sint,如图1所示。在基于相干检测的布里渊分布式系统中,当信号光进入待测光纤,返回的布里渊散射光和本振光进行相干检测时,二者之间存在固定的时延差Δt,其中Δt=2nL/c(n为光纤折射率,L为光纤长度,c为光纤中的光速)。由(4)式可知,相干检测得到的是本振光和具有延时Δt的布里渊信号光的差频电信号,因此可以取固定长度的Δt,求出其在v=sint上的频率差Δv,这个Δv可以代表在t₁时刻的本振光与延时了Δt的布里渊光相干接收时得到的频率差。然后以Δt为固定窗口长度在v=sint上右移,求出每个时间点对应的Δv,并统计所有Δv的结果的分布情况。这样模拟了在传感时间内每个时间点的光源频率漂移对相干接收后的布里渊中心频率的影响。

图2是处理得到的布里渊中心频率偏移情况分布图。可以看到,当光源的中心频率随着时间在正负交替变化时,经过相干接收后所得的拍频信号频率会偏离原中心频率而向两侧迁移,造成布里渊频谱偏离理想的洛伦兹谱型,干扰后续的数据解调,进而影响整个分布式布里渊传感系统的测量精度和测量距离。

图 2. 激光源频率波动导致的布里渊中心频率偏移分布的仿真模拟结果

Fig. 2. Simulation result of Brillouin center frequency deviation distribution due to frequency fluctuation of laser

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3 光源频率稳定性测量系统

为了获得激光光源在微秒量级延迟时的频偏分布情况,设计了如图3所示的测量系统。该系统基于激光光源与其瑞利散射信号的相干探测来实现对频率漂移分布的测量。系统采用窄线宽半导体激光器作为光源。光源的输出经过一个1∶99的耦合器分为两路。99%的一路作为本振光,1%的一路经过开关型半导体光放大器(SOA)和脉冲发生器的调制而形成脉冲光,脉冲宽度为100 ns。脉冲光经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大后,经环形器入射到20 km的延迟光纤。当脉冲光在光纤中传播时,会沿着光纤线路产生相同波长的瑞利散射光并传播回接收端。利用返回的瑞利散射光与本振光在相干接收机(ICR)处进行相干接收,所得到的拍差信号可以通过频谱仪进行频率分析,从而获得光源在微秒量级延迟时的频偏分布。

图 3. 光源频率稳定性测量装置图

Fig. 3. Measurement setup for frequency stability of optical source

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在这个频率稳定性测试系统中,脉冲光入射到20 km的光纤产生的瑞利散射光相较于入射的脉冲光有最大200 μs的时延。在这200 μs的时延内,由于外界环境的影响,激光器的中心频率一直在小范围抖动。在和瑞利散射光进行相干接收的时候,两者的频率不相同,根据得到的拍频信号,再通过频谱仪即可检测到激光器在对应光纤长度延时时间内的频率漂移分布情况。

4 分析与讨论

首先分析了在相干光纤通信中大规模使用的集成可调激光器组件(ITLA)的频率稳定性。该ITLA具有小于100 kHz的线宽。图4是ITLA经过频率稳定性测量系统后得到的频谱图,可以看到拍差后的信号在0~30 MHz的频率范围内峰值较大,说明光源有较大的频偏。其频偏概率最大值位于6 MHz附近,此处信号峰值约为10.3 mV。

图 4. 激光器ITLA的频率漂移情况

Fig. 4. Frequency deviation of laser ITLA

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为了分析激光光源频率不稳定性对布里渊频谱测量的影响,将ITLA光源作为布里渊光时域反射仪(BOTDR)系统的光源来进行传感实验,如图5所示。激光器发出的光信号经1∶99耦合器分为两束。1%的部分作为信号光经过电光调制器(EOM)调制成脉冲光,脉冲宽度为400 ns,总共发送512个脉冲,经过掺铒光纤放大器(EDFA)放大后入射到20 km长的光纤。光纤反射回来的布里渊散射光再经EDFA放大后与99%部分的本振光进行相干接收,使用数据采集卡每隔5 km采集光纤线路上的数据。

图 5. BOTDR传感实验装置图

Fig. 5. Setup of BOTDR sensing experiment

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对BOTDR系统在相干检测后所输出的信号进行频谱分析,可获得传感光纤沿线各处的布里渊谱。图6展示了将ITLA作为光源时所得到的每间隔5 km的布里渊光谱图。可以看到,随着传感距离增加,布里渊谱峰高度逐渐下降,布里渊谱的形态也渐渐偏离理想的洛伦兹谱型,整个布里渊谱被渐渐展宽,顶部表现出一个较宽的平台。这一现象正是由激光光源频率不稳定造成的。事实上,布里渊谱仍然是洛伦兹谱型,但是激光光源的频率漂移使得不同脉冲之间的布里渊谱中心频率变得不一致。这些具有不同中心频率的布里渊谱在多次叠加平均后就表现出一个展宽的谱型。当传感距离较近时,脉冲光与本振光之间的时间延迟很短,频率漂移不明显,因此所测得的布里渊谱没有表现出明显的展宽。但是当距离较远,脉冲光与本振光之间的时间延迟较长时,频率漂移变得更加明显,测得的布里渊谱展宽也更加明显。展宽的布里渊谱将对后续的洛伦兹拟合和布里渊谱中心频率测量造成严重影响,从而劣化传感距离和传感精度。

图 6. 光纤线路多位置布里渊频谱图

Fig. 6. Brillouin frequency spectra of sensing fiber at different positions

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作为对比,测试了另外一款超窄线宽半导体激光器DL-BF10,其线宽约为10 kHz,并具有更好的标称频率稳定性。DL-BF10经过频率稳定性测量系统后得到的频谱如图7所示。可以看到拍差后的信号较为平缓,没有明显凸出的尖峰,在30 MHz的频率范围内,信号最大峰值约为3.1 mV。相比ITLA,信号最大峰值明显降低,说明激光器DL-BF10的频率漂移值更小,频率稳定性更好。

图 7. 激光器DL-BF10频率漂移情况

Fig. 7. Frequency deviation of laser DL-BF10

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对于DL-BF10激光器,同样将其作为BOTDR系统的光源,获取的光纤各处布里渊谱均表现为标准的洛伦兹谱型,而没有表现出如图6所示的频谱展宽,这表明激光器频率漂移对布里渊频谱测量的影响已经可以忽略。然后将系统的20 km的光纤更换为100 km的光纤进行长距离实验。相干检测后的拍频信号采用洛伦兹最小二乘法进行数据处理得到布里渊中心频率沿光纤线路的变化,如图8所示。可以看出前50 km光纤的中心频率一直保持稳定,因此采用频率稳定性更好的激光器能将BOTDR的传感距离提升到50 km。

图 8. 基于激光器DL-BF10的BOTDR系统长距离传感实验结果

Fig. 8. Long-distance sensing experimental results of BOTDR system based on laser DL-BF10

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5 结论

分析了激光器的频率不稳定性对分布式布里渊系统传感性能的影响,设计了一种基于相干检测和瑞利散射的光源频率稳定性测试系统。基于该系统,分别测量了ITLA和DL-BF10两种窄线宽半导体激光器的频率漂移分布特性,结果表明在200 μs延迟时间内,ITLA表现出30 MHz左右的频偏分布,而DL-BF10没有显著的频偏。BOTDR传感实验结果表明,激光光源频率波动会导致测量的布里渊谱发生畸变,并最终影响测量精度和限制传感距离。而具有高频率稳定性的光源可以使得传感距离超过50 km。