CN115014407A - 一种光纤调制不稳定性演化特性分布式测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分布式光纤传感技术与光纤非线性效应研究领域，具体涉及一种光纤调制不稳定性演化特性分布式测量方法及装置，所述装置包括单频激光器、第一边带产生模块、脉冲产生与放大模块、第一窄带滤波器、环形器、传输光纤、光纤放大器、第二窄带滤波器、第一耦合器、第二边带产生模块、移频模块、可调衰减器、第二耦合器、光电探测器、信号采集与处理***。本发明通过瑞利散射与多频外差检测解决了光纤中MI的实时分布式演化过程难以得到实验测量的难题，通过将不同边带信号调制到不同频率的外差信号上，通过多频外差检测同时实现了光纤中MI多个边带的光强与相位信息的探测与解调。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术与光纤非线性效应研究领域，具体涉及一种光纤调制不稳定性演化特性分布式测量方法及装置。
背景技术
调制不稳定性(MI)是光纤中一种重要的非线性效应，其不仅对远程光纤传感与光纤通信***性能产生严重影响，还与多种新型非线性效应如光孤子、超连续谱、怪波等具有紧密联系，故深入研究光纤中MI具有重要科学与工程意义。现有的MI实时测量方法只能在光纤输出端进行测量，无法对光纤内部MI产生与演化特性进行实时分布式测量。论文(Distributed Measurement of Fermi–Pasta–Ulam Recurrence in OpticalFibers.IEEE Photonics Technology Letters,2018.30(1))提出一种基于瑞利散射的MI分布式测量方法，可以实现对光纤中MI演化过程中光强的分布式测量；论文(Fibre multi-wave mixing combs reveal the broken symmetry of Fermi–Pasta-Ulamrecurrence.Nature Photonics,2018.12)提出一种基于瑞利散射与外差检测的MI分布式测量方法，可以同时实现MI演化过程中光强与相位的分布式测量。但是，这两种方法一次测量只能获得单个MI边带信息，要获得多个MI边带信息，必须对滤波器进行频率扫描并多次测量，这增加了***复杂度，也无法实现实时测量。
发明内容
本发明针对目前光纤MI演化特性缺乏实时分布式测量手段问题，提出一种光纤调制不稳定性演化特性分布式测量方法及装置。该方法基于瑞利散射与多频外差检测实现，将MI多个边带信息分别调制到不同频率的外差载波上，利用数字滤波可同时提取多个边带信号，通过外差解调算法得到各个边带的强度与相位信息。
为了实现以上技术目的，本发明提出一种光纤调制不稳定性演化特性分布式测量方法，针对包括单频激光器1、第一边带产生模块2、脉冲产生与放大模块3、窄带滤波器4、环形器5、传输光纤6、光纤放大器7、可编程滤波器8、第一耦合器9、第二边带产生模块10、移频模块11、可调衰减器12、第二耦合器13、光电探测器14、信号采集与处理***15的分布式测量装置，该方法分为以下步骤：
S1、单频激光器1输出的频率为f0的单频激光经第一耦合器9分为两束，其中一束单频激光经第一边带产生模块2产生与单频激光频率差为f1的对称频率边带信号，所述对称频率边带信号包括(2m+1)个频率不同的边带信号，第n阶边带信号的频率分别为f0+nf1，n＝0，±1...,±m，m为正整数；另一束单频激光经第二边带产生模块10产生(2m+1)个等幅频率边带信号，相邻边带信号间频率差为f2，第n阶边带信号的频率分别为f0+nf2，n＝0，±1...,±m，m为正整数；
S2、第一边带产生模块2输出的对称频率边带信号经脉冲产生与放大模块3后产生一强一弱的周期性双脉冲，所述一强一弱的周期性双脉冲需满足以下两个条件：一、强脉冲的功率大到能在光纤中有效激发MI，弱脉冲的功率低至不在光纤中产生MI；二、相邻强脉冲与弱脉冲之间的瑞利散射信号不重合，相邻强脉冲与弱脉冲之间的时间间隔T＞2L/v，其中L为传输光纤长度，v为光纤中光速；之后由第一窄带滤波器4滤除自发辐射(ASE)噪声；
S3、第一窄带滤波器4的输出光为一强一弱的周期性双脉冲，经环形器5注入传输光纤6，所述强脉冲在光纤中产生MI，MI的发生将产生更多阶频率的边带信号，且各阶边带信号的光功率与相位随光纤位置产生变化，而弱脉冲不发生调制不稳定性；
S4、步骤S3中所述强脉冲与弱脉冲的各阶边带信号还产生后向传输的瑞利散射光，所述瑞利散射光经环形器5注入光纤放大器7进行放大；
S5、所述光纤放大器7输出的放大光注入可编程滤波器8，所述可编程滤波器8可选出所述强脉冲与弱脉冲的各阶边带信号的瑞利散射光并滤除自发辐射噪声：可编程滤波器8设置频率分别为f0+nf1的滤波通带，每一个滤波通带的带宽小于10GHz；
S6、第二边带产生模块10输出的等幅频率边带信号输入移频模块11产生频移，频移量为fa，则移频模块11输出光的频率为f0+nf2-fa；
S7、移频模块11输出光注入可调衰减器12以灵活控制输出光功率，确保测量信号能够被检测到；由于所述可编程滤波器8输出各阶光频率为f0+nf1，n＝0，±1...,±m，m为正整数，所述可调衰减器12输出各阶边带光频率为f0+nf2-fa，n＝0，±1...,±m；
S8、可编程滤波器8与可调衰减器12的输出光经第二耦合器13合束后产生光干涉信号，所述光干涉信号注入光电探测器14进行探测；
S9、光电探测器14的输出信号中各阶信号频率为fn＝fa+n(f1-f2)，光电探测器14的输出信号进入信号采集与解调模块15进行采集与解调，获得强脉冲与弱脉冲瑞利散射信号与可调衰减器12输出光产生的干涉信号分别为Es(t)、Er(t)，通过解调算法分别获得强脉冲与弱脉冲各阶边带信号的光强与相位信息，获得强脉冲与弱脉冲的第n阶边带光强与相位分别为Isn(t)、Irn(t)、Φsn(t)、Φrn(t)(s代表强脉冲，r代表弱脉冲)；
S10、根据t＝2z/v可获得强脉冲与弱脉冲的第n阶边带光强与相位随光纤距离变化为Isn(z)、Irn(z)、Φsn(z)、Φrn(z)；
S11、Isn(z)/Irn(z)即为第n阶边带信号在光纤各位置处由于MI导致的归一化光强变化；将Φsn(z)与Φrn(z)相减，即可获得第n阶边带信号在光纤各位置处由于MI导致的非线性相位Φn(z)；
S12、将第n阶边带信号产生的非线性相位Φn(z)与零阶边带信号的非线性相位Φ0(z)相减，得到各阶边带信号相对零阶边带信号的相位差ΔΦn(z)。
本发明还提出一种基于上述方法的光纤调制不稳定性演化特性分布式测量装置，包括单频激光器1、第一边带产生模块2、脉冲产生与放大模块3、窄带滤波器4、环形器5、传输光纤6、光纤放大器7、可编程滤波器8、第一耦合器9、第二边带产生模块10、移频模块11、可调衰减器12、第二耦合器13、光电探测器14、信号采集与处理***15；所述单频激光器1的输出端口11连接至所述第一耦合器9的输入端口91，所述第一耦合器9的输出端口92连接至所述第一边带产生模块2的输入端口21，所述第一边带产生模块2的输出端口22连接至所述脉冲产生与放大模块3的输入端口31，所述脉冲产生与放大模块3的输出端口32连接至所述窄带滤波器4的输入端口41，所述窄带滤波器4的输出端口42连接至所述环形器5的输入端口51，所述环形器5的第一输出端口52连接至所述传输光纤6的输入端口61，所述环形器5的第二输出端口53连接至所述光纤放大器7的输入端口71，所述光纤放大器7的输出端口72连接至所述可编程滤波器8的输入端口81，所述可编程滤波器8的输出端口82连接至所述第二耦合器13的输入端口132。所述第一耦合器9的输出端口93连接至所述第二边带产生模块10的输入端口101，所述第二边带产生模块的输出端口102连接至所述移频模块11的输入端口111，所述移频模块11的输出端口112连接至所述可调衰减器12的输入端口121，所述可调衰减器12的输出端口122连接至所述第二耦合器13的输入端口131，所述第二耦合器13的输出端口133连接至所述光电探测器14的输入端口141，所述光电探测器14的输出端口142连接至所述信号采集与处理模块15的输入端口。
所述第一边带产生模块2与第二边带产生模块10都可以是电光相位调制器或电光强度调制器，其作用是在传输光频率两侧产生对称频率边带；
所述脉冲产生与放大模块3可以是半导体光放大器或者声光调制器与光纤放大器的组合，其作用是使传输光产生一定频率偏移并进行功率放大。
所述移频模块11可以是声光调制器或者电光强度调制器，其作用是使传输光产生一定频率偏移。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过瑞利散射与多频外差检测解决了光纤中MI的实时分布式演化过程难以得到实验测量的难题，通过将不同边带信号调制到不同频率的外差信号上，通过多频外差检测同时实现了光纤中MI多个边带的光强与相位信息的探测与解调。
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为边带产生模块，3为脉冲产生与放大模块，4为窄带滤波器，5为环形器，6为传输光纤，7为光纤放大器，8为窄带滤波器，9为耦合器，10为边带产生模块，11为移频模块，12为可调衰减器，13为耦合器，14为光电探测器，15为信号采集与处理***；
图2是本发明的一强一弱双脉冲示意图；
图3为调制不稳定性导致的边带光强与相位变化仿真结果：(a)实线、虚线与虚点线分别给出了零阶、一阶与二阶频率边带光功率在10km光纤中的分布式变化；(b)实线与虚线分别给出了一阶边带、二阶边带与零阶边带之间的相位差在10km光纤中的分布式变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括单频激光器1、边带产生模块2、脉冲产生与放大模块3、窄带滤波器4、环形器5、传输光纤6、光纤放大器7、可编程滤波器8、耦合器9、边带产生模块10、移频模块11、可调衰减器12、耦合器13、光电探测器14、信号采集与处理***15。所述单频激光器1的输出端口11连接至所述耦合器9的输入端口91，所述耦合器9的输出端口92连接至所述边带产生模块2的输入端口21，所述边带产生模块2的输出端口22连接至所述脉冲产生与放大模块3的输入端口31，所述脉冲产生与放大模块3的输出端口32连接至所述窄带滤波器4的输入端口41，所述窄带滤波器4的输出端口42连接至所述环形器5的输入端口51，所述环形器5的输出端口52连接至所述传输光纤6的输入端口61，所述环形器5的另一输出端口53连接至所述光纤放大器7的输入端口71，所述光纤放大器7的输出端口72连接至所述可编程滤波器8的输入端口81，所述可编程滤波器8的输出端口82连接至所述耦合器13的输入端口132。所述耦合器9的输出端口93连接至所述边带产生模块10的输入端口101，所述边带产生模块的输出端口102连接至所述移频模块11的输入端口111，所述移频模块11的输出端口112连接至所述可调衰减器12的输入端口121，所述可调衰减器12的输出端口122连接至所述耦合器13的输入端口131，所述耦合器13的输出端口133连接至所述光电探测器14的输入端口141，所述光电探测器14的输出端口142连接至所述信号采集与处理模块15的输入端口。
本发明的一个典型实施例如下：
S1、单频激光器1输出光经耦合器9分为两束，其中一束经第一边带产生模块2(典型器件为电光相位调制器)产生与单频激光频率差为f1的对称频率边带，f1典型值为25GHz，另一束输入第二边带产生模块10(典型器件为电光强度调制器)产生频率差为f2的等幅频率边带，f2典型值为25.02GHz；
S2、第一边带产生模块2的输出光经脉冲产生与放大模块3产生一强一弱的周期性双脉冲(如图2所示)，典型周期T为10μs，强脉冲与弱脉冲之间的典型间隔为5μs，强脉冲与弱脉冲峰值功率分别为400mW与20mW，之后由第一窄带滤波器4滤除自发辐射(ASE)噪声；
S3、第一窄带滤波器4输出光经环形器5注入传输光纤6以产生调制不稳定性，传输光纤6长度典型值为9.8km；
S4、步骤S3中由于调制不稳定性产生的多阶边带信号还产生后向传输的瑞利散射光，所述瑞利散射光经环形器5注入光纤放大器7后由可编程滤波器8滤除自发辐射噪声；
S5、所述光纤放大器7输出的放大光注入可编程滤波器8，所述可编程滤波器8可选出所述强脉冲与弱脉冲的各阶边带信号的瑞利散射光并滤除自发辐射噪声，具体如下：可编程滤波器8设置频率分别为f0+nf1的滤波通带，每一个滤波通带的带宽小于10GHz；
S6、第二边带产生模块10的输出光输入移频模块11产生频移，频移量为fa，fa的典型值为200MHz；
S7、移频模块11输出光注入可调衰减器12以灵活控制输出光功率，确保测量信号能够被检测到；
S8、可编程滤波器8与可调衰减器12的输出光经第二耦合器13合束并注入光电探测器14，光电探测器14的输出信号中包含一系列频率为fn＝fa+n(f1-f2)的信号,fn典型为(200+20n)MHz；
S9、光电探测器14的输出信号进入信号采集与解调模块15进行采集与解调，可分别获得强脉冲与弱脉冲的瑞利散射信号分别为Isn(z)、Irn(z)，通过解调算法分别获得强脉冲与弱脉冲各阶边带的光强与相位信息，强脉冲与弱脉冲的第n阶边带光强与相位随时间变化分别为Isn(t)、Irn(t)、Φsn(t)、Φrn(t)(s代表强脉冲，r代表弱脉冲)；
S10、根据t＝2z/v可获得强脉冲与弱脉冲的第n阶边带光强与相位随光纤距离变化为Isn(z)、Irn(z)、Φsn(z)、Φrn(z)；
S11、Isn(z)/Irn(z)即为各阶MI边带在光纤各位置处归一化光强的变化；将Φsn(z)与Φrn(z)相减，即可获得光纤中各位置处MI第n阶边带产生的非线性相位Φn(z)；
S12、将第n阶边带产生的非线性相位Φn(z)与零阶边带非线性相位Φn(z)相减，得到各阶边带相对零阶边带相位差ΔΦn(z)。
附图3为调制不稳定性导致的边带光强与相位变化仿真结果。输入强脉冲功率为450mW，弱脉冲功率为40mW，光纤非线性系数为1.3/(W.km)，群速度色散系数为-19ps2/km，第一边带产生模块2的输出光中频率为f0-f1与f0+f1的边带光相对于频率为f0的边带光功率为-20dB，初始相位差为0；图3(a)中实线、虚线与虚点线分别给出了零阶、一阶与二阶频率边带光功率在10km光纤中的分布式变化；图3(b)中实线与虚线分别给出了一阶边带、二阶边带与零阶边带之间的相位差在10km光纤中的分布式变化。可以看出，MI的发生导致各个边带之间发生了显著的功率转换，首先光功率从零阶边带向高阶边带(图中一、二阶)转化，到达约4.4km处一、二阶边带功率到达最大值，零阶边带功率到达最小值，之后光功率转化方向反转，从高阶边带向零阶边带转化。对应的，高阶边带与零阶边带的相位差也发生与功率转化方向对应的规律变化。
本发明通过瑞利散射与多频外差检测解决了光纤中MI的实时分布式演化过程难以得到实验测量的难题，通过将边带频率设计将不同边带信号调制到不同频率的外差信号上，通过多频外差检测同时实现了光纤中MI多个边带的光强与相位信息的探测与解调。
Claims (5)
1.一种光纤调制不稳定性演化特性分布式测量方法，针对包括单频激光器(1)、第一边带产生模块(2)、脉冲产生与放大模块(3)、窄带滤波器(4)、环形器(5)、传输光纤(6)、光纤放大器(7)、可编程滤波器(8)、第一耦合器(9)、第二边带产生模块(10)、移频模块(11)、可调衰减器(12)、第二耦合器(13)、光电探测器(14)、信号采集与处理***(15)的分布式测量装置，其特征在于，该方法分为以下步骤：
S1、单频激光器(1)输出的频率为f0的单频激光经第一耦合器(9)分为两束，其中一束单频激光经第一边带产生模块(2)产生与单频激光频率差为f1的对称频率边带信号，所述对称频率边带信号包括(2m+1)个频率不同的边带信号，第n阶边带信号的频率分别为f0+nf1，n＝0，±1...,±m，m为正整数；另一束单频激光经第二边带产生模块(10)产生(2m+1)个等幅频率边带信号，相邻边带信号间频率差为f2，第n阶边带信号的频率分别为f0+nf2，n＝0，±1...,±m，m为正整数；
S2、第一边带产生模块(2)输出的对称频率边带信号经脉冲产生与放大模块(3)后产生一强一弱的周期性双脉冲，所述一强一弱的周期性双脉冲需满足以下两个条件：一、强脉冲的功率大到能在光纤中有效激发MI，弱脉冲的功率低至不在光纤中产生MI；二、相邻强脉冲与弱脉冲之间的瑞利散射信号不重合，相邻强脉冲与弱脉冲之间的时间间隔T＞2L/v，其中L为传输光纤长度，v为光纤中光速；之后由第一窄带滤波器4滤除自发辐射(ASE)噪声；
S3、第一窄带滤波器(4)的输出光为一强一弱的周期性双脉冲，经环形器(5)注入传输光纤(6)，所述强脉冲在光纤中产生MI，MI的发生将产生更多阶频率的边带信号，且各阶边带信号的光功率与相位随光纤位置产生变化，而弱脉冲不发生调制不稳定性；
S4、步骤S3中所述强脉冲与弱脉冲的各阶边带信号还产生后向传输的瑞利散射光，所述瑞利散射光经环形器(5)注入光纤放大器(7)进行放大；
S5、所述光纤放大器(7)输出的放大光注入可编程滤波器(8)，所述可编程滤波器(8)可选出所述强脉冲与弱脉冲的各阶边带信号的瑞利散射光并滤除自发辐射噪声：可编程滤波器(8)设置频率分别为f0+nf1的滤波通带，每一个滤波通带的带宽小于10GHz；
S6、第二边带产生模块(10)输出的等幅频率边带信号输入移频模块(11)产生频移，频移量为fa，则移频模块(11)输出光的频率为f0+nf2-fa；
S7、移频模块(11)输出光注入可调衰减器(12)以灵活控制输出光功率，确保测量信号能够被检测到；由于所述可编程滤波器(8)输出各阶光频率为f0+nf1，n＝0，±1...,±m，m为正整数，所述可调衰减器(12)输出各阶边带光频率为f0+nf2-fa，n＝0，±1...,±m；
S8、可编程滤波器(8)与可调衰减器(12)的输出光经第二耦合器(13)合束后产生光干涉信号，所述光干涉信号注入光电探测器(14)进行探测；
S9、光电探测器(14)的输出信号中各阶信号频率为fn＝fa+n(f1-f2)，光电探测器(14)的输出信号进入信号采集与解调模块(15)进行采集与解调，获得强脉冲与弱脉冲瑞利散射信号与可调衰减器(12)输出光产生的干涉信号分别为Es(t)、Er(t)，通过解调算法分别获得强脉冲与弱脉冲各阶边带信号的光强与相位信息，获得强脉冲与弱脉冲的第n阶边带光强与相位分别为Isn(t)、Irn(t)、Φsn(t)、Φrn(t)；
S10、根据t＝2z/v可获得强脉冲与弱脉冲的第n阶边带光强与相位随光纤距离变化为Isn(z)、Irn(z)、Φsn(z)、Φrn(z)；
S11、Isn(z)/Irn(z)即为第n阶边带信号在光纤各位置处由于MI导致的归一化光强变化；将Φsn(z)与Φrn(z)相减，即可获得第n阶边带信号在光纤各位置处由于MI导致的非线性相位Φn(z)；
S12、将第n阶边带信号产生的非线性相位Φn(z)与零阶边带信号的非线性相位Φ0(z)相减，得到各阶边带信号相对零阶边带信号的相位差ΔΦn(z)。
2.一种基于权利要求1所述方法的光纤调制不稳定性演化特性分布式测量装置，其特征在于：包括单频激光器(1)、第一边带产生模块(2)、脉冲产生与放大模块(3)、窄带滤波器(4)、环形器(5)、传输光纤(6)、光纤放大器(7)、可编程滤波器(8)、第一耦合器(9)、第二边带产生模块(10)、移频模块(11)、可调衰减器(12)、第二耦合器(13)、光电探测器(14)、信号采集与处理***(15)；所述单频激光器(1)的输出端口(11)连接至所述第一耦合器(9)的输入端口(91)，所述第一耦合器(9)的输出端口(92)连接至所述第一边带产生模块(2)的输入端口(21)，所述第一边带产生模块(2)的输出端口(22)连接至所述脉冲产生与放大模块(3)的输入端口(31)，所述脉冲产生与放大模块(3)的输出端口(32)连接至所述窄带滤波器(4)的输入端口(41)，所述窄带滤波器(4)的输出端口(42)连接至所述环形器(5)的输入端口(51)，所述环形器(5)的第一输出端口(52)连接至所述传输光纤(6)的输入端口(61)，所述环形器(5)的第二输出端口(53)连接至所述光纤放大器(7)的输入端口(71)，所述光纤放大器(7)的输出端口(72)连接至所述可编程滤波器(8)的输入端口(81)，所述可编程滤波器(8)的输出端口(82)连接至所述第二耦合器(13)的输入端口(132)；所述第一耦合器(9)的输出端口(93)连接至所述第二边带产生模块(10)的输入端口(101)，所述第二边带产生模块的输出端口(102)连接至所述移频模块(11)的输入端口(111)，所述移频模块(11)的输出端口(112)连接至所述可调衰减器(12)的输入端口(121)，所述可调衰减器(12)的输出端口(122)连接至所述第二耦合器(13)的输入端口(131)，所述第二耦合器(13)的输出端口(133)连接至所述光电探测器(14)的输入端口(141)，所述光电探测器(14)的输出端口(142)连接至所述信号采集与处理模块(15)的输入端口。
3.一种基于权利要求2所述的光纤调制不稳定性演化特性分布式测量装置，其特征在于：所述第一边带产生模块(2)与第二边带产生模块(10)是电光相位调制器或电光强度调制器，其作用是在传输光频率两侧产生对称频率边带。
4.一种基于权利要求2所述的光纤调制不稳定性演化特性分布式测量装置，其特征在于：所述脉冲产生与放大模块(3)是半导体光放大器或者声光调制器与光纤放大器的组合，其作用是使传输光产生一定频率偏移并进行功率放大。
5.一种基于权利要求2所述的光纤调制不稳定性演化特性分布式测量装置，其特征在于：所述移频模块(11)是声光调制器或者电光强度调制器，其作用是使传输光产生一定频率偏移。
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2022
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