半导体光放大器的双向窄脉冲调制与消光比特性分析 下载: 613次
1 引言
分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分,主要利用入射光波与光纤中各类粒子发生相互作用产生的散射信号与光纤周围温度/应变等扰动呈一定的线性关系。因此,可通过解调散射信号判断光纤所受外界参量的变化,从而实现全分布式传感[1-3]。分布式光纤传感技术被广泛应用于桥梁沿线检测、油气管道安全等领域[4-7],但其发展也面临一些挑战,如传感距离和测量精度的提升。近年来,研究人员提出了多种技术用以提高分布式光纤传感系统各项性能参数[8-15]。输入光纤中的探测脉冲光消光比(ER)是系统探测精度的一个重要影响因素。Afshar等[16]通过理论仿真证明,脉冲光的消光比会影响布里渊光时域分析(BOTDA)技术的传感性能,有限的消光比会导致最终参数的测量误差增大甚至错误。Lu等[17]从理论和实验两方面验证了提高脉冲消光比有助于改善布里渊光时域反射(BOTDR)技术的信噪比,从而提高系统的测量精度。结果表明,将消光比由25 dB改善至50 dB时,温度分辨率由5.6 ℃提升至1.9 ℃,信噪比提升了约8 dB,传感距离也得到一定提升。这表明探测脉冲光的消光比会直接影响传感系统的信噪比,从而影响整个系统的测量精度和传感距离。
传统分布式光纤传感系统中,多采用电光调制器(EOM)和声光调制器(AOM)对连续光进行调制以产生探测脉冲光。EOM主要利用外加电场作用于某些晶体材料产生的电光效应实现对输入连续光的调制,且EOM产生的脉冲光上升沿时间短,可达到ps量级,有利于传感空间分辨率的提高。但EOM的偏置电压工作点易受外界环境因素影响发生偏移,造成脉冲光消光比不稳定,实际应用时需用复杂的算法和相关技术校正偏压点[18-20]。此外,EOM主要基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)原理,受加工工艺精度的限制,MZI两条干涉臂的分光比很难做到完全一致,常见的EOM消光比只能达到30~35 dB。Lu等[17]提出了两级EOM级联系统,将EOM调制后的探测脉冲光消光比提升至50 dB,但该系统的结构复杂且插入损耗大。AOM主要利用外加电场作用于声光器件产生的声光效应实现对输入连续光的调制,产生的脉冲光消光比高且比较稳定,一般能达到50 dB以上,但声波幅度较大且需要电-声换能,导致脉冲上升沿时间较长(一般大于10 ns),调制脉冲宽度最窄在20 ns左右,在分布式光纤传感中限制了系统空间分辨率的提高,不适用于高空间分辨率分布式传感系统[21]。
为了得到消光比稳定且上升沿时间短的脉冲光,人们提出使用半导体光放大器(SOA)实现脉冲光的调制。SOA调制主要通过外加电场控制泵浦电流的通断,而泵浦电流决定了半导体有源层中载流子能否实现反转,从而控制入射光的放大与吸收,实现脉冲光输出。相比EOM和AOM调制,SOA输出脉冲光的消光比稳定[22-24],上升沿时间小于1 ns且消光比在40 dB以上,从而在实现窄脉冲的同时维持高消光比,提升传感系统的性能。分布式光纤传感领域多采用双端输入输出器件SOA产生单向脉冲光[22-26],但SOA也有单端输入输出型,即反射型SOA(RSOA),此类SOA多用于光通信网络中[27-30]。RSOA输出端面上的反射涂层可使调制脉冲光反射重新进入SOA,实现脉冲光的两次调制。相比EOM和AOM两级级联系统,这种两次调制脉冲光的结构更简单且损耗较低。
目前RSOA产品多针对光通信领域,且RSOA器件内部有源层和无源层的宽度等结构参数也会发生改变,不适用于分布式光纤传感领域,而基于普通SOA双向工作特点实现脉冲光两次调制的相关研究较少。因此,本文提出了一种双向脉冲调制的SOA系统,以模拟RSOA的反射面结构。在双端SOA的输出端连接光纤反射镜,使第一次脉冲光反射重新进入SOA内进行二次脉冲调制,最终输出往返两次调制的脉冲光。从脉冲光消光比与SOA调制原理出发,提出双向SOA系统架构并建立了系统性能验证实验,重点分析了双向SOA系统相较于单向SOA系统在放大脉冲光峰值功率和吸收泄漏光强度上的提升情况,同时分析了系统性能的影响因素,总结了双向SOA系统应用的最佳条件以及消光比的改进情况。
2 基本原理
2.1 脉冲消光比与SOA调制
脉冲消光比是衡量调制脉冲光质量的参数之一,指脉冲光输出平均功率“1”与“0”之比,单位为dB。SOA主要由无源层(Passive layer)和有源层(Active layer)构成:当注入的泵浦电流大于阈值电流时,有源层的载流子发生受激辐射并产生与入射光相同的光子,实现入射光的放大;无泵浦电流或注入的泵浦电流小于阈值电流时,入射光被吸收[31]。因此,可通过控制泵浦电流的通断实现连续光到脉冲光的转换。
脉冲的消光比与增益系数
2.2 双向SOA系统
SOA具有双端输入输出(光端口既能作为输入端口也可作为输出端口)的特点,能实现双向工作。本研究在双端SOA的输出端连接一个光纤反射镜,使SOA第一次输出的脉冲光反射重新进入SOA,进行第二次脉冲调制,实现脉冲光双向调制SOA系统。具体工作原理如
为了保证反射脉冲光重新进入SOA时均处于SOA的“放大”时间,双端SOA输出B端与光纤反射镜间的距离理想状态下应该为0,在工艺条件具备时,可将光纤反射镜作为双端SOA输出端面的反射涂层,成为一个单端SOA,实现无延迟的反射,避免反射脉冲光在光纤上往返时间消耗,缩短调制脉冲宽度。而目前生产商提供的单端输入输出SOA多用于光通信领域,适用于光纤传感领域的产品较少。因此,受限于实验条件,将双端SOA输出B端与光纤反射镜的最小距离控制在2 m,但依然可以验证双向系统在消光比上的提升能力。
3 实验结果与分析
3.1 脉冲光的放大特性实验与结果分析
图 3. 双向放大SOA系统的实验结构
Fig. 3. Experiment structure of bi-directional amplification SOA system
图 4. 双向SOA调制脉冲光与单向SOA调制脉冲光对比
Fig. 4. Modulated pulse light between double-pass and single-pass SOAs
图 6. 双向SOA系统的增益曲线。(a)增益与脉冲宽度的关系;(b)增益与泵浦电流的关系
Fig. 6. Gain curve of a bidirectional SOA system. (a) Relationship between gain and pulse width; (b) relationship between gain and pump current
3.2 连续光的吸收特性实验与结果分析
由于
图 7. SOA吸收特性的实验结构。(a)单向吸收;(b)双向吸收
Fig. 7. Experimental structure of SOA absorption characteristics. (a) Unidirectional absorption; (b) bi-directional absorption
图 8. SOA有无FOM连接时环形器3口的探测结果
Fig. 8. Detection results of circulator port 3 when SOA is connected with or without FOM
对于
图 9. 双向吸收与单向吸收SOA系统的脉冲光增益
Fig. 9. Pulsed light gain of bi-directional absorption and unidirectional absorption SOA systems
4 结论
利用SOA能够双向工作的特性提出了一种双向SOA脉冲光调制技术。实验结果表明,双向脉冲调制能实现输入光的二次放大和吸收。在低输入光功率下,SOA脉冲光的双向增益较单向SOA最大提升了6.18 dB,且该增益特性与脉冲宽度无关,与SOA泵浦电流和增益饱和功率相关。在吸收特性方面,双向吸收能进一步削弱泄漏光强度,将峰值功率为6 dBm的脉冲光输入SOA,双向吸收较单向吸收增加了30 dB以上,整体吸收率达到了72 dB以上。结合放大过程的额外增益和吸收过程中的额外吸收可以发现,相比单向SOA系统,双向SOA系统对于窄脉冲调制在理论上能使消光比提升36.18 dB以上。因此,采用双向SOA脉冲调制产生更高消光比的脉冲光,对于提高分布式光纤传感系统的性能具有一定意义。此外,本研究也表明,将双端SOA的一个输出端面镀全反射膜构成的单端SOA能实现更高消光比的脉冲光,后续还将进一步研究双向调制SOA运用于分布式光纤传感系统时的性能改善情况。
[1] AdachiS. Distributed optical fiber sensors and their applications[C]∥2008 SICE Annual Conference, August 20-22, 2008, Chofu, Japan. New York: IEEE Press, 2008: 329-333.
[2] Dakin J P. Distributed optical fiber sensors[J]. Proceedings of SPIE, 1993, 10266: 102660B.
[3] Jia X H, Rao Y J, Wang Z N, et al. Distributed Raman amplification using ultra-long fiber laser with a ring cavity: characteristics and sensing application[J]. Optics Express, 2013, 21(18): 21208-21217.
[4] Webb G T, Vardanega P J, Hoult N A, et al. Analysis of fiber-optic strain-monitoring data from a prestressed concrete bridge[J]. Journal of Bridge Engineering, 2017, 22(5): 05017002.
[5] 周琰, 靳世久, 张昀超, 等. 管道泄漏检测分布式光纤传感技术研究[J]. 光电子·激光, 2005, 16(8): 935-938.
Zhou Y, Jin S J, Zhang Y C, et al. Study on the distributed optical fiber sensing technology for pipeline leakage detection[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2005, 16(8): 935-938.
[6] 韩玲娟, 王强, 杨其华, 等. 基于分布式光纤传感的水下输气管道泄漏检测与定位分析[J]. 传感技术学报, 2015, 28(7): 1097-1102.
Han L J, Wang Q, Yang Q H, et al. Leak detection and localization analysis of underwater gas pipeline based on distributed fiber optic sensing[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2015, 28(7): 1097-1102.
[7] 吴永红, 朱莎, 许蔚, 等. 分布式光纤裂缝传感工程应用研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(9): 090002.
[8] 饶云江. 长距离分布式光纤传感技术研究进展[J]. 物理学报, 2017, 66(7): 074207.
Rao Y J. Recent progress in ultra-long distributed fiber-optic sensing[J]. Acta Physica Sinica, 2017, 66(7): 074207.
[9] 尚盈, 王昌. 分布式光纤传感技术综述[J]. 应用科学学报, 2021, 39(5): 843-857.
Shang Y, Wang C. Review of distributed optical fiber sensing technology[J]. Journal of Applied Sciences, 2021, 39(5): 843-857.
[13] 张旭苹, 丁哲文, 洪瑞, 等. 相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术[J]. 光学学报, 2021, 41(1): 0106004.
[14] 王一凡, 刘庆文, 李赫, 等. 基于瑞利图形相关的光纤分布式动态应变传感器[J]. 中国激光, 2021, 48(11): 1110002.
[15] 刘靖阳, 王涛, 张倩, 等. BOTDA系统温度应变双参量传感技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2021, 58(13): 1306021.
[16] Afshar S, Ferrier G A, Bao X Y, et al. Effect of the finite extinction ratio of an electro-optic modulator on the performance of distributed probe-pump Brillouin sensor systems[J]. Optics Letters, 2003, 28(16): 1418-1420.
[17] Lu Y G, Yao Y G, Zhao X D, et al. Influence of non-perfect extinction ratio of electro-optic modulator on signal-to-noise ratio of BOTDR[J]. Optics Communications, 2013, 297: 48-54.
[18] Bui D T, Nguyen C T, Ledoux-Rak I, et al. Instrumentation system for determination and compensation of electro-optic modulator transfer function drift[J]. Measurement Science and Technology, 2011, 22(12): 125105.
[19] 张旭苹, 张凯, 王顺. 布里渊光时域反射计中电光调制器的调制特性与控制[J]. 光电子·激光, 2012, 23(1): 15-20.
Zhang X P, Zhang K, Wang S. Modulation performance and control of electro-optic modulator for the distributed Brillouin sensing system[J]. Journal of Optoelectronics·Laser, 2012, 23(1): 15-20.
[20] Snoddy J, Li Y, Ravet F, et al. Stabilization of electro-optic modulator bias voltage drift using a lock-in amplifier and a proportional-integral-derivative controller in a distributed Brillouin sensor system[J]. Applied Optics, 2007, 46(9): 1482-1485.
[21] Lu Y L, Zhu T, Chen L, et al. Distributed vibration sensor based on coherent detection of phase-OTDR[J]. Journal of Lightwave Technology, 2010, 28(22): 3243-3249.
[22] Mathlouthi W, Lemieux P, Salsi M, et al. Fast and efficient dynamic WDM semiconductor optical amplifier model[J]. Journal of Lightwave Technology, 2006, 24(11): 4353-4365.
[23] 张瑜, 王东, 白清, 等. 基于SOA脉冲调制的BOTDR应变检测系统[J]. 传感技术学报, 2017, 30(12): 1954-1958.
Zhang Y, Wang D, Bai Q, et al. BOTDR strain detection system based on SOA pulse modulation[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2017, 30(12): 1954-1958.
[24] 薛博, 白清, 张瑜, 等. 高消光比脉冲光调制提升BOTDR系统性能研究[J]. 电子测量与仪器学报, 2018, 32(11): 84-89.
Xue B, Bai Q, Zhang Y, et al. Research on improving performance of BOTDR system using high extinction ratio pulse modulation[J]. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation, 2018, 32(11): 84-89.
[25] Martins H F, Martin-Lopez S, Corredera P, et al. Coherent noise reduction in high visibility phase-sensitive optical time domain reflectometer for distributed sensing of ultrasonic waves[J]. Journal of Lightwave Technology, 2013, 31(23): 3631-3637.
[26] 饶云江, 苌亮, 贾新鸿, 等. 基于拉曼放大和半导体光放大的BOTDA[J]. 电子科技大学学报, 2012, 41(4): 621-625.
Rao Y J, Chang L, Jia X H, et al. Brillouin optical time domain analysis system based on Raman amplification and semiconductor optical amplifier[J]. Journal of University of Electronic Science and Technology of China, 2012, 41(4): 621-625.
[27] Cho K Y, Takushima Y, Chung Y C. 10-Gb/s operation of RSOA for WDM PON[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2008, 20(18): 1533-1535.
[28] Yeh C H, Chow C W, Wang C H, et al. A self-protected colorless WDM-PON with 2.5 Gb/s upstream signal based on RSOA[J]. Optics Express, 2008, 16(16): 12296-12301.
[29] 刘松, 王海龙, 陈廷廷. 端面反射率对单端反射半导体光放大器的影响[J]. 通信技术, 2015, 48(2): 161-164.
Liu S, Wang H L, Chen T T. Impact of facet reflectivity on single-port coupled SOA[J]. Communications Technology, 2015, 48(2): 161-164.
[30] 董建绩, 张新亮, 王颖, 等. 基于单端SOA波长转换器的消光比特性分析[J]. 激光技术, 2005, 29(1): 14-17.
[31] El AzizA, NgW P, GhassemlooyZ, et al. Characterization of the semiconductor optical amplifier for amplification and photonic switching employing the segmentation model[C]∥2008 2nd ICTON Mediterranean Winter, December11-13, 2008. Marrakech, Morocco. New York: IEEE Press, 2008.
[32] 张旭苹. 全分布式光纤传感技术[M]. 北京: 科学出版社, 2013.
ZhangX P. Fully distributed optical fiber sensing technology[M]. Beijing: Science Press, 2013.
[33] 蒋中. 半导体光放大器动态特性的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2006.
JiangZ. Investigation on dynamic characteristic of semiconductor optical amplifier[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2006.
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江琳, 李威, 李映函, 程凌浩. 半导体光放大器的双向窄脉冲调制与消光比特性分析[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(1): 0106005. Lin Jiang, Wei Li, Yinghan Li, Linghao Cheng. Bi-Directional Narrow Pulse Modulation and Extinction Ratio Analysis of Semiconductor Optical Amplifier[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2023, 60(1): 0106005.