CN102967371B - 泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置及方法 - Google Patents

泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置及方法 Download PDF

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泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置及方法，涉及一种测量布里渊增益谱的装置及方法。本发明为了解决现有装置及方法中测量布里渊增益谱的信噪比较低、测量时间长和装置复杂的问题。泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置中光纤激光器的激光输出端与光纤环行器的第一端口连通，光纤环行器的第二端口与偏振控制器的第一端口连通，偏振控制器的第二端口与待测光纤的一端连通；ASE光源的激光输出端与光纤隔离器的光线输入端连通，光纤隔离器的光线输出端与待测光纤的另一端连通，光纤环行器的第三端口为所述泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置的光线输出端，上述连接均为光纤连接。本发明适用于测量布里渊增益谱。

Description

泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量布里渊增益谱的装置及方法。
背景技术
布里渊增益谱包含布里渊频移、线宽以及增益包络等重要信息，在分布式光纤传感、微弱信号的滤波放大和布里渊激光雷达探测等方面应用广泛。目前，测量布里渊增益谱的装置及方法主要有两大类：一是单端法，即仅将泵浦光输入到非线性介质(如光纤、水等)中，其后向布里渊散射Stokes光的光谱称为非线性介质的布里渊增益谱；二是双端法，即泵浦-探测法，“-”代表了该方法应用两路光，一路为泵浦光，另一路为探测光，采用可调谐激光器或微波发生器控制电光强度调制器产生Stokes频移的探测光，该探测光和对向传播的泵浦光在布里渊放大器介质中发生相互作用，实现泵浦光向探测光的能量或功率转移，当在Stokes频移附近连续扫描探测光的频率，在放大器的输出端得到放大的探测光光谱，即为布里渊增益谱。方法一的装置比较简单，仅需引入一束泵浦光，但测量的布里渊增益谱信噪比较差(见Opt.Lett.2010,vol.35,3985-3987)，特别是在分布式光纤传感的应用中，此方法严重制约了其探测距离；方法二的装置虽然较复杂，但测量的布里渊增益谱信噪比较高(见Opt.Lett.2011,vol.36,2378-2380)，是目前分布式光纤传感常用的装置及方法。然而，方法二中需要扫描探测光的频率，致使布里渊增益谱的测量时间较长，无法实时、准确和迅速获得传感信息，这也是限制其应用的主要缺陷。公开号为CN101247179A的发明专利是与本申请最接近的现有技术。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有装置及方法中测量布里渊增益谱的信噪比较低、测量时间长和装置复杂的问题，提供了泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置及方法。
泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置，它由光纤激光器、光纤环行器、偏振控制器、待测光纤、光纤隔离器和ASE光源组成；
光纤激光器的激光输出端与光纤环行器的第一端口连通，光纤环行器的第二端口与偏振控制器的第一端口连通，偏振控制器的第二端口与待测光纤的一端连通；ASE光源的激光输出端与光纤隔离器的光线输入端连通，光纤隔离器的光线输出端与待测光纤的另一端连通，光纤环行器的第三端口为所述泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置的光线输出端，上述连接均为光纤连接。
采用泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置获得布里渊增益谱的方法，它包括的具体步骤如下：
步骤A1、光纤激光器输出C波段窄带激光；
步骤A2、C波段窄带激光依次经光纤环行器的第一端口、第二端口和偏振控制器进入待测光纤的一端，此光作为泵浦光；
步骤A3、ASE光源输出C波段宽带激光；
步骤A4、C波段宽带激光经光纤隔离器进入待测光纤的另一端，此光作为探测光；
步骤A5、在待测光纤中，泵浦光和探测光中满足待测光纤布里渊频移且在布里渊增益谱范围内的频率分量同时发生相互作用，并对探测光进行布里渊放大；
步骤A6、放大的探测光经过偏振控制器进入光纤环形器，由光纤环行器的第三端口输出；
步骤A7：将放大的探测光用法布里-珀罗干涉仪或外差探测的方法进行处理，获得其光谱分布，所述光谱分布即为待测光纤的布里渊增益谱。
本发明基于泵浦-探测法，用ASE光源取代传统的可调谐窄带激光器或微波发生器和电光强度调制器，不需要对探测光进行频率扫描，可节省出扫描时间，从而大大缩短测量时间，实现实时探测；本发明和单端法相比，能够更灵活调节探测光的强弱，且其功率稳定，信噪比提高10dB以上，并且本发明不需要扫描装置，所以比现有的泵浦-探测法装置简单，在远距离分布式光纤传感方面有巨大应用潜力。
附图说明
图1是泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置的组成结构示意图；
图2是具体实施方式八中用本发明装置测量的布里渊增益谱，曲线a为实验测量出的曲线，曲线b为洛伦兹拟合曲线；
图3是采用泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置获得布里渊增益谱的方法的流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置，它由光纤激光器1、光纤环行器2、偏振控制器3、待测光纤4、光纤隔离器5和ASE光源6组成；
光纤激光器1的激光输出端与光纤环行器2的第一端口2-1连通，光纤环行器2的第二端口2-2与偏振控制器3的第一端口连通，偏振控制器3的第二端口与待测光纤4的一端连通；ASE光源6的激光输出端与光纤隔离器5的光线输入端连通，光纤隔离器5的光线输出端与待测光纤4的另一端连通，光纤环行器2的第三端口2-3为所述泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置的光线输出端，上述连接均为光纤连接。
本发明采用ASE光源作为探测光源，不仅能有效缩短测量时间，而且布里渊增益谱的信噪比也较高，测量装置简单，操作简便。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置的不同点在于，所述光纤激光器1输出的激光为C波段窄带激光，波长为1550nm，线宽范围为1KHz-10MHz。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置的不同点在于，所述ASE光源6输出的激光为C波段宽带激光，在1550nm附近光谱平坦，光谱平坦范围为1nm-40nm。
具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，采用具体实施方式一所述的泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置获得布里渊增益谱的方法，它包括的具体步骤如下：
步骤A1、光纤激光器1输出C波段窄带激光；
步骤A2、C波段窄带激光依次经光纤环行器2的第一端口、第二端口和偏振控制器3进入待测光纤的一端，此光作为泵浦光；
步骤A3、ASE光源6输出C波段宽带激光；
步骤A4、C波段宽带激光经光纤隔离器5进入待测光纤的另一端，此光作为探测光；
步骤A5、在待测光纤中，泵浦光和探测光中满足待测光纤布里渊频移且在布里渊增益谱范围内的频率分量同时发生相互作用，并对探测光进行布里渊放大；
步骤A6、放大的探测光经过偏振控制器3进入光纤环形器2，由光纤环行器2的第三端口输出；
步骤A7：将放大的探测光用法布里-珀罗干涉仪或外差探测的方法进行处理，获得其光谱分布，所述光谱分布即为待测光纤的布里渊增益谱。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四所述的获得布里渊增益谱的方法的不同点在于，所述步骤A1中的C波段窄带激光为波长为1550nm，线宽范围为1KHz-10MHz的激光。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四所述的获得布里渊增益谱的方法的不同点在于，所述步骤A3中的C波段宽带激光为在1550nm附近光谱平坦，光谱平坦范围为1nm-40nm的激光。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式四所述的获得布里渊增益谱的方法的不同点在于，控制所述步骤A2中的泵浦光的功率在待测光纤的受激布里渊散射阈值以下。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七所述的获得布里渊增益谱的方法的不同点在于，所述待测光纤的受激布里渊散射阈值的选取方法为：所述泵浦光通过待测光纤产生的后向散射光功率和泵浦光功率之比为1％时对应的泵浦光功率为此待测光纤的受激布里渊散射阈值。
具体实施方式九：本实施方式给出一个采用泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置获得布里渊增益谱的方法具体实施例，布里渊增益谱的测量装置如图1所示。
步骤A1、光纤激光器输出波长为1550nm，激光线宽为50kHz的C波段窄带激光；
步骤A2、C波段窄带激光依次经光纤环行器的第一端口、第二端口和偏振控制器进入1000m长的单模光纤的一端，此光作为泵浦光；
步骤A3、ASE光源输出光谱平坦范围为1525nm-1565nm的C波段宽带激光；
步骤A4、C波段宽带激光经光纤隔离器进入1000m长的单模光纤的另一端，此光作为探测光；
步骤A5、在1000m长的单模光纤中，泵浦光和探测光中满足待测光纤布里渊频移且在布里渊增益谱范围内的频率分量同时发生相互作用，并对探测光进行布里渊放大；
步骤A6、放大的探测光经过偏振控制器进入光纤环形器，由光纤环行器的第三端口输出；
步骤A7：用外差探测的方法测量放大的探测光光谱，获得探测光放大倍率为2.2倍时对应的布里渊增益谱。
本实施方式中的光纤激光器选用NKT photonic公司Koheras Adjustik System的，输出功率在0-100mW范围内可调，输出波长为1550nm，激光线宽为50kHz的激光器。
本实施方式中的ASE光源选用最大输出功率为10mW，输出激光的光谱平坦范围为1525nm-1565nm的ASE光源。
由于探测光包含了布里渊增益谱内的全部频率分量，这些频率分量和泵浦光作用后同时得到放大，故不需要进行频率扫描。
图2为探测光放大倍率为2.2倍时对应的布里渊增益谱，可以看出，其光谱形状为洛伦兹线型，布里渊频移为10.87GHz，线宽为22.5MHz，与传统方法测量的结果一致；基于本发明测量的布里渊增益谱曲线较光滑，信噪比较高。

Claims (8)

1.泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置，它由光纤激光器(1)、光纤环行器(2)、偏振控制器(3)、待测光纤(4)、光纤隔离器(5)和ASE光源(6)组成；
其特征在于，光纤激光器(1)的激光输出端与光纤环行器(2)的第一端口(2-1)连通，光纤环行器(2)的第二端口(2-2)与偏振控制器(3)的第一端口连通，偏振控制器(3)的第二端口与待测光纤(4)的一端连通；ASE光源(6)的激光输出端与光纤隔离器(5)的光线输入端连通，光纤隔离器(5)的光线输出端与待测光纤(4)的另一端连通，光纤环行器(2)的第三端口(2-3)为所述泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置的光线输出端，上述连接均为光纤连接。
2.根据权利要求1所述的泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置，其特征在于，所述光纤激光器(1)输出的激光为C波段窄带激光，波长为1550nm，线宽范围为1KHz-10MHz。
3.根据权利要求1所述的泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置，其特征在于，所述ASE光源(6)输出的激光为C波段宽带激光，在1550nm附近光谱平坦，光谱平坦范围为1nm-40nm。
4.采用权利要求1所述的泵浦-探测法非扫描式测量布里渊增益谱的装置获得布里渊增益谱的方法，它包括的具体步骤如下：
步骤A1、光纤激光器(1)输出C波段窄带激光；
步骤A2、C波段窄带激光依次经光纤环行器(2)的第一端口、第二端口和偏振控制器(3)进入待测光纤的一端，此光作为泵浦光；
步骤A3、ASE光源(6)输出C波段宽带激光；
步骤A4、C波段宽带激光经光纤隔离器(5)进入待测光纤的另一端，此光作为探测光；
步骤A5、在待测光纤中，泵浦光和探测光中满足待测光纤布里渊频移且在布里渊增益谱范围内的频率分量同时发生相互作用，并对探测光进行布里渊放大；
步骤A6、放大的探测光经过偏振控制器(3)进入光纤环形器(2)，由光纤环行器(2)的第三端口输出；
步骤A7：将放大的探测光用法布里-珀罗干涉仪或外差探测的方法进行处理，获得其光谱分布，所述光谱分布即为待测光纤的布里渊增益谱。
5.根据权利要求4所述的获得布里渊增益谱的方法，其特征在于，所述步骤A1中的C波段窄带激光为波长为1550nm，线宽范围为1KHz-10MHz的激光。
6.根据权利要求4所述的获得布里渊增益谱的方法，其特征在于，所述步骤A3中的C波段宽带激光为在1550nm附近光谱平坦，光谱平坦范围为1nm-40nm的激光。
7.根据权利要求4所述的获得布里渊增益谱的方法，其特征在于，控制所述步骤A2中的泵浦光的功率在待测光纤的受激布里渊散射阈值以下。
8.根据权利要求7所述的获得布里渊增益谱的方法，其特征在于，所述待测光纤的受激布里渊散射阈值的选取方法为：所述泵浦光通过待测光纤产生的后向散射光功率和泵浦光功率之比为1％时对应的泵浦光功率为此待测光纤的受激布里渊散射阈值。
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