CN103837166A - 光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法与装置 - Google Patents
光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法与装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光纤传感技术，提供了一种光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法及装置，以解决目前远程光纤干涉***由于受激布里渊效应导致的输入功率受限与相位噪声增大的问题。本发明包括单频激光器、电光相位调制器、信号源、掺铒光纤放大器、传输光纤、匹配干涉仪、光电探测器、信号采集及处理装置。单频激光器输出光由电光相位调制器调制产生多频激光，经掺铒光纤放大器放大后经传输光纤输入匹配干涉仪，匹配干涉仪输出信号经光电探测器探测后由信号采集与处理装置进行处理。本发明利用相位调制技术实现受激布里渊散射抑制，并通过相位调制信号频率与干涉仪光程差匹配降低了***相位噪声，提升了***的最大输入功率和传感距离。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法与装置。
背景技术
光纤干涉***利用待测信号对光纤中传输的光进行相位调制，并通过干涉仪产生干涉信号以实现对信号的探测，可应用于光纤通信与光纤传感领域。基于光纤干涉***的干涉型光纤传感技术相对于传统传感***具有高灵敏度、大动态范围、抗电磁干扰等优点，在水声信号探测、石油勘探、地震波检测等领域取得了广泛应用。随着该技术的进一步发展，近年来，干涉型光纤传感技术正朝大阵列、远距离方向发展。然而，传输光纤距离的增长导致了各种非线性效应的发生，特别是受激布里渊散射(SBS)因为其低阈值特性成为了远程光纤传输***中最易发生的非线性效应。当***输入功率超过SBS阈值时，前向传输功率大量向后向传输的斯托克斯光转移，导致后向传输斯托克斯光能量急剧增长，从而限制了前向传输功率，并导致***相位噪声的急剧增大。SBS限制了远程光纤传感***最大输入功率，从而限制了最大传感距离。所以SBS抑制是远程光纤传感***中必须要考虑的问题。以前的研究者们提出了各种SBS抑制技术，常见的包括采用改变光偏振状态(“利用电光效应的受激布里渊散射抑制装置和方法”，专利公开号CN102096267A)、改变光纤掺杂结构(“抑制在光纤中的受激布里渊散射”，专利公开号CN1265199A)、改变光纤温度和应力分布(“一种用于窄带光纤拉曼放大器的受激布里渊散射抑制方法”，专利公开号CN101800396A)、相位调制(“基于多频相位调制的受激布里渊散射抑制方法及 装置”，专利公开号CN101567725A)等。
其中相位调制技术因为具有操作简单，抑制效率高等优点而具有巨大的应用前景。该技术通过对窄线宽单频光施加周期性相位调制信号以产生多频激光，使传输光各频率组分功率密度降低，从而有效地抑制了SBS，相位调制幅度越大，调制频率越大，SBS抑制效果越明显(Chen.W.and Z.Meng,Effects of modulation amplitude and frequency of frequency-modulated fiber lasers on the threshold of the stimulated Brillouin scattering in optical fiber.Chinese Optics Letters,2010.8(12).1124-1126)。在干涉型光纤传感***中，相位调制可抑制SBS及其引入的相位噪声，但同时，由于相位调制产生的多频激光也会导致相位噪声增大，这限制了相位调制对***相位噪声的抑制效果(Chen.W.and Z.Meng,Effects of phase modulation used for SBS suppression on phase noise in an optical fibre.Journal of Physics B:Atomic,Molecular and Optical Physics,2011.44(16).165402)。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有远程光纤干涉***中SBS导致***最大输入功率低，相位噪声大的问题，提出一种光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法与装置。利用电光相位调制器在传输光纤输入端产生多频激光以抑制SBS及其带来的相位噪声，通过设计电光相位调制器调制信号频率与干涉仪光程差实现匹配以抑制由该多频激光导致的相位噪声。本发明的技术目的在于抑制远程光纤干涉***相位噪声并提高其最大输入功率。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法，该方法包括以下步骤：
S1.单频激光器输出单频激光经电光相位调制器调制后变成多频激光，施 加给所述电光相位调制器的调制信号由信号源通过一端口施加；
S2.多频激光经掺铒光纤放大器进行放大；
S3.掺铒光纤放大器输出的多频激光经由传输光纤传输；
S4.传输光纤的输出光输入匹配干涉仪，匹配干涉仪中传输光受到待测信号的调制实现对待测信号的传感，信号源二通道施加调制信号给匹配干涉仪调制端口以产生相位载波信号用于实现待测信号解调(PGC解调)；
S5.匹配干涉仪的输出光信号经输出端输入光电探测器转换为电信号；
S6.光电探测器输出的电信号由信号采集与处理装置采集并处理;
其特征在于：由信号源施加给所述电光相位调制器的调制信号角频率与所述匹配干涉仪两臂干涉光束的传输时延差Δt的乘积为2π的整数倍。
优选地，所述单频激光器输出的单频激光可以是脉冲激光或连续激光。
优选地，施加给电光相位调制器的调制信号是单频谐波信号或多频调制信号，其频率接近或大于光纤布里渊增益带宽。
本发明还提供了一种光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制装置，包括单频激光器、电光相位调制器、信号源、掺铒光纤放大器、传输光纤、匹配干涉仪、光电探测器、信号采集及处理装置。
单频激光器的输出端口经光纤连接到电光相位调制器的输入端口，电光相位调制器的输出端口经光纤连接到掺铒光纤放大器的输入端口，掺铒光纤放大器的输出端口连接到传输光纤的输入端口，传输光纤的输出端口连接到匹配干涉仪的输入端口，匹配干涉仪的输出端口通过光纤连接到光电探测器的输入端口，光电探测器的输出端口连接到所述信号采集及处理装置的输入端口，信号源的一通道连接到电光相位调制器调制端口，二通道连接到匹配干涉仪的调制端口，该调制端口绕有压电陶瓷晶体（PZT），产生相位载波信号。
优选地，所述单频激光器是可调谐单频激光器或者不可调谐单频激光器。
优选地，所述传输光纤是单模光纤或者保偏光纤。
优选地，所述匹配干涉仪是非平衡迈克尔逊干涉仪、非平衡马赫-曾德尔干涉仪。
优选地，所述光电探测器为低噪声窄带宽光电探测器，其带宽小于施加到所述电光相位调制器的调制信号频率。
本发明的技术效果在于：采用相位调制的方法抑制了远程光纤干涉***中的SBS，通过电光相位调制器调制频率与干涉仪光程差之间的匹配设计抑制了相位调制产生的多频激光导致的相位噪声。总的来说，抑制了远程光纤干涉***中的SBS，降低了***的相位噪声，并可以提高***的最大输入功率和传输距离。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1为单频激光器，2为电光相位调制器，3为信号源，4为掺铒光纤放大器，5为传输光纤，6为匹配干涉仪，7为光电探测器，8为信号采集及处理装置。
具体实施方式
下面结合附图1对本发明作进一步说明：
参见图1，本发明由单频激光器1，电光相位调制器2，信号源3，掺铒光纤放大器4，传输光纤5，匹配干涉仪6，光电探测器7，信号采集及处理装置8组成。单频激光器1的输出端口11经光纤连接到电光相位调制器2的输入端口21，电光相位调制器2的输出端口22经光纤连接到掺铒光纤放大器4的输入端口41，掺铒光纤放大器4的输出端口42连接到传输光纤5的输入端口51，传 输光纤5的输出端口52连接到匹配干涉仪6的输入端口61，匹配干涉仪6的输出端口62通过光纤连接到光电探测器7的输入端口71，光电探测器7的输出端口72连接到信号采集及处理装置8的输入端口81，信号源3的一通道31连接到电光相位调制器调制端口，信号源3的二通道32连接到匹配干涉仪的调制端口，该调制端口绕有压电陶瓷晶体（PZT）。
具体实施方式如下：
步骤一：将工作波长在1550nm的单频激光器1产生的单频激光输入到电光相位调制器2中进行相位调制，获得多频激光，相位调制器的调制信号通过信号源3的一通道31施加，调节信号源可改变调制信号的频率与幅度；
步骤二：经调制产生的多频激光输入掺铒光纤放大器4进行放大，通过调节掺铒光纤放大器4的增益调节掺铒光纤放大器4的输出功率；
步骤三：掺铒光纤放大器4输出的多频激光输入到传输光纤5进行传输；
步骤四：传输光纤5的输出光经匹配干涉仪6的输入端口61输入匹配干涉仪6，匹配干涉仪6中传输光受到待测信号的调制实现待测信号的传感；
所述的匹配干涉仪6可以是非平衡迈克尔逊光纤干涉仪或非平衡马赫-曾德尔光纤干涉仪，所述匹配干涉仪6调制端口的一臂上绕有压电陶瓷晶体（PZT），由信号源3的二通道32对所述PZT施加频率为32kHz的相位载波信号用于相位产生载波解调。匹配干涉仪6必须满足的条件是：由信号源3施加给所述电光相位调制器2的调制信号角频率与所述匹配干涉仪6两臂干涉光束的传输时延差Δt的乘积为2π的整数倍。
步骤五：匹配干涉仪6的输出光信号经输出端口62输入光电探测器7转换为模拟电信号。
步骤六：光电探测器7输出的电信号由信号采集与处理装置8采集并处理。
信号采集与处理装置包括数字采集卡及计算机，数字采集卡将光电探测器7输出的模拟电信号转换为数字信号，在计算机上利用信号处理程序实现传感信号的解调。
本发明的核心是利用电光相位调制器的相位调制，并通过调制信号的调制频率与干涉仪两臂光程差匹配实现SBS及***相位噪声抑制。
以下是光程差匹配抑制远程光纤干涉***相位噪声的原理：
单频激光器输出单频激光E1表达式为：
其中E0为光场幅度，ω0为光波角频率，
为激光频率与相位抖动。为简便起见，以单频相位调制为例推导相位噪声抑制原理。
经电光相位调制器进行单频相相位调制后输出多频激光E2的表达式为：
其中E10为经相位调制器输出光场幅度，ωm为施加到电光相位调制器的信号角频率，A为调制度，A=Vπ/Vπ，其中V为调制信号电压幅度，Vπ为电光相位调制器半波电压。假设两臂光强相等，则干涉仪两臂光场E3、E4可分别表示为：
其中E01为经干涉仪后各干涉臂光场幅度，Δt为干涉仪两臂时延，其与干涉光束光程差之间的关系是Δt=ΔL/c，其中ΔL为干涉仪两臂光程差，c为光速。
由于输出信号光频项经探测器探测后表现为直流项，则干涉仪输出光场Eout可表示为：
其中ET为干涉仪输出光场幅度。令C=Asin(ωmΔt/2)，(4)式用贝塞尔函数展开可表示为：
其中Jn(C)为C的第一类n阶贝塞尔函数(n为整数)。由(5)式可看出输出光场为角频率ωm的整数倍谐波项相加。由于施加给电光相位调制的调制信号调制频率接近或大于布里渊增益带宽(典型值为几十兆赫兹)，采用窄带宽的探测器可滤除ωm非零倍频项，则电流信号I可表示为：
其中σ为探测器量子效率，
为相位噪声项，σJ0(Asin(ωmΔt/2)为信号幅度。根据Gordon和Mollenauer的理论(Gordon,J.P.and L.F.Mollenauer,Phase noise in photonic communications systems using linear amplifiers.Optics letters,1990.15(23).1351-1353)，相位噪声可由强度噪声转化而来，转化关系为：
其中
为相位噪声方差，Q为光信噪比，其倒数对应相对强度噪声，则由(7)式可知，信号幅度越大，信噪比越高，相位噪声越小，反之亦然。
由（6）式可知，当ωmΔt等于π的奇数倍，信号幅度达极小值，此时相位噪声达极大值；当ωmΔt等于2π整数倍时，信号幅度达极大值，相位噪声达极小值，此时同时抑制了SBS及其导致的相位噪声及相位调制产生的多频激光导致的相位噪声，***的相位噪声得到了有效抑制。
虽然参照上述实施例详细描述了本发明，但是应该理解本发明并不限于所公开的实施例。对于本专业领域的技术人员来说，可以对其形式和细节进行各种改变。本发明意欲涵盖所附权利要求书的精神和范围内的各种变型。
Claims (8)
1.一种光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法，该方法包括以下步骤：
S1.单频激光器(1)输出单频激光经电光相位调制器(2)调制后变成多频激光，施加给所述电光相位调制器(2)的调制信号由信号源(3)通过一端口(31)施加；
S2.多频激光经掺铒光纤放大器(4)进行放大；
S3.掺铒光纤放大器(4)输出的多频激光经由传输光纤(5)传输；
S4.传输光纤(5)的输出光输入匹配干涉仪(6)，匹配干涉仪(6)中传输光受到待测信号的调制实现对待测信号的传感，信号源(3)二通道(32)施加调制信号给匹配干涉仪(6)调制端口以产生相位载波信号用于实现待测信号解调；
S5.匹配干涉仪(6)输出的光信号输入光电探测器(7)转换为电信号；
S6.光电探测器(7)输出的电信号由信号采集与处理装置(8)采集并处理;
其特征在于：由信号源(3)通过端口一(31)施加给所述电光相位调制器(2)的调制信号角频率与所述匹配干涉仪(6)两臂干涉光束的传输时延差Δt的乘积为2π的整数倍。
2.一种如权利要求1所述光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法，其特征在于：所述单频激光器(1)输出的单频激光是脉冲激光或连续激光。
3.一种如权利要求1所述光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制方法，其特征在于：施加给电光相位调制器(2)的调制信号是单频谐波信号或多频调制信号，其频率接近或大于光纤布里渊增益带宽。
4.一种光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制装置，其特征在于：包括单频激光器(1)、电光相位调制器(2)、信号源(3)、掺铒光纤放大器(4)、传输光纤(5)、匹配干涉仪(6)、光电探测器(7)、信号采集及处理装置(8);
所述单频激光器(1)的输出端口(11)经光纤连接到电光相位调制器(2)的输入 端口(21)，电光相位调制器(2)的输出端口(22)经光纤连接到掺铒光纤放大器(4)的输入端口(41)，掺铒光纤放大器(4)的输出端口(42)连接到传输光纤(5)的输入端口(51)，传输光纤(5)的输出端口(52)连接到匹配干涉仪(6)的输入端口(61)，匹配干涉仪(6)的输出端口(62)经光纤连接到光电探测器(7)的输入端口(71)，光电探测器(7)的输出端口(72)连接到所述信号采集及处理装置(8)的输入端口(81)，信号源(3)通过一端口(31)连接到电光相位调制器(2)的调制端口，通过二端口(32)连接到匹配干涉仪(6)的调制端口，该调制端口绕有压电陶瓷晶体。
5.一种如权利要求4所述光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制装置，其特征在于：所述单频激光器(1)是可调谐单频激光器或者不可调谐单频激光器。
6.一种如权利要求4所述光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制装置，其特征在于：所述传输光纤(5)是单模光纤或者保偏光纤。
7.一种如权利要求4所述光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制装置，其特征在于：所述的匹配干涉仪(6)是非平衡迈克尔逊干涉仪、非平衡马赫-曾德尔干涉仪。
8.一种如权利要求4所述光程差匹配的远程光纤干涉***相位噪声抑制装置，其特征在于：所述光电探测器(7)为低噪声窄带宽光电探测器，其带宽小于由信号源(3)施加到所述电光相位调制器(2)的调制信号频率。
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