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CN203642943U - 一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统 - Google Patents

一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统 Download PDF

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CN203642943U
CN203642943U CN201320804436.7U CN201320804436U CN203642943U CN 203642943 U CN203642943 U CN 203642943U CN 201320804436 U CN201320804436 U CN 201320804436U CN 203642943 U CN203642943 U CN 203642943U
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light
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CN201320804436.7U
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杜江兵
何祖源
樊昕昱
刘庆文
谢峰
马麟
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NANJING GUIYUAN OPTOELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD.
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SHANGHAI ROYAL SEA CAPITAL MANAGEMENT Co Ltd
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Abstract

本实用新型公开了一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统，包括基于四波混频的扫频光源系统、测试光路系统、接收机及信号处理系统，扫频光源系统使用窄线宽激光器作为原始光源，出射光经过外部调制产生扫频范围展宽的高阶边带扫频光。高阶边带扫频光经过四波混频过程实现扫频范围的进一步增强。四波混频过程将扫频边带光作为泵浦光，得到的闲频光拥有双倍于泵浦光的扫频范围，利用窄带光学滤波器滤波得到扫频闲频光。该扫频闲频光作为扫频载波光源导入光路系统，采集背向散射和反射的光信号，通过本地的相干检测和信号处理，实现光频域反射分析。利用非线性光纤四波混频过程可以高效扩大扫频范围从而提高光频域反射计的空间分辨率。

Description

一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统
技术领域
本实用新型涉及电光调制、非线性光纤光学、分布式光纤传感、光学反射计等技术领域，特别是涉及一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统。
背景技术
光纤传感技术是伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。电子传感器数十年来一直作为测量物理与机械现象的标准机制。尽管已受到广泛应用，电子传感器却存在局限性，在许多应用中不够安全、不切实际或无法使用。光纤的特点是绝缘、无源、不受电磁干扰产生的噪声的影响，并且能在极少损失甚至不损失信号完整性的前提下远距离传输数据。光纤传感技术相比较于传统的电子传感技术，具有无可比拟的技术优势，是近年来国际上迅速发展的高新技术之一。光纤传感特别适合于分布式以及多点式的网络化应用。
光纤分布反射计是分布式光纤传感技术的核心，能够对光纤进行非破坏性检测，提供被测量参数沿光纤长度分布的各类细节。目前最具有代表性的光纤分布反射计是采用光脉冲技术的光时域反射计(Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)。该技术通过测试光纤反射、背向散射的分布来判断光纤链路上的“事件点”，例如光纤链路中的熔接点、连接器、弯曲、断裂等可以引起光传输特性变化的缺陷。OTDR技术的空间分辨率取决于测试光脉冲的宽度，而可用的光脉冲宽度则受限于光电探测器的频率响应以及噪声基底，实际空间分辨率很难达到一米以下。如果相邻的“事件点”很接近，基于OTDR技术的光纤传感器就无法给出准确的测试结果。
OTDR技术由于空间分辨率受到限制，不能满足许多高端监测的需求。为了提高空间分辨率和测量敏感度等性能，背向散射法被应用于光频域，研制出了光频域反射计(Optical Frequency Domain Reflectometer，OFDR)。OFDR系统的空间分辨率取决于光源的波长可调范围，只要光源具有足够宽的波长可调范围，就能实现足够高的空间分辨率。OFDR的高空间分辨率将使其更加广泛地应用于众多对测量精度有高要求的领域 [Opt. Express 19, 19790-19796 (2011)]。可以通过光源内部调制或外部调制实现扫频，内部调制扫描速度较慢并且可能出现非线性扫频的情况，这将影响系统性能 [Electron. Letters 33, 408-410 (1997)]。利用外部调制，比如通过射频信号对窄线宽激光器进行单边带调制，得到线性扫频的光信号，用于相应的OFDR系统，已经实现了长距离和高空间分辨率的线路检测 [J. Lightwave Technol. 6, 3287-3294 (2008)]。然而，射频扫频信号的扫描范围受限于电子元件，一般只能达到GHz量级。OFDR的高空间分辨率需要宽扫频范围，因此，研究新型的宽带扫频光源技术成为必要。
实用新型内容
本实用新型目的在于在OFDR系统中，为了克服光源内部调制速度较慢以及可能产生非线性扫频等问题，可以使用光源外部调制如利用电光调制器进行单边带调制实现扫频。但是由于受器件电子瓶颈的限制，射频信号扫描频率范围有限，为了扩大扫频范围从而提高空间分辨率，本实用新型基于四波混频的频率啁啾放大效应，提供了一种提高扫频带宽的方法，从而得到高空间分辨率的光频域反射计系统。
本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：
一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统，包括扫频光源系统、测试光路系统、接收机及信号处理系统；其特征在于：所述扫频光源系统包括第一激光器、马赫曾德尔调制器、射频信号发生器、射频放大器、环行器、光纤布拉格光栅、多个掺铒光纤放大器、光滤波器、第二激光器和非线性介质；
所述第一激光器发出的窄线宽激光根据射频信号发生器发出、射频放大器放大的射频信号并加载偏置电压后连接到所述马赫曾德尔调制器进行调制，形成一个拥有多边带的光梳；将得到的光梳导入连接了光纤布拉格光栅的环行器，反射回来的光波经过掺铒光纤放大器放大和光滤波器滤波后作为泵浦光，与第二激光器产生的信号光通过非线性介质发生四波混频过程；四波混频产生的闲频光再经过光学滤波器滤波和掺铒光纤放大器放大后作为扫频载波光源导入测试光路系统，与本地光发生干涉并最终由接收机接收，和信号处理系统处理。
其进一步特征在于：所述非线性介质为高非线性光纤或高非线性硅波导。
上述高非线性光纤长度不低于100m，光纤损耗不高于1dB/km，光纤的非线性系数不低与10/W/km。
其进一步特征还在于：所述光滤波器为基于光纤布拉格光栅的窄带滤波器或衍射光栅的光滤波器。
进一步的：所述第二激光器产生中心频率为f 1 的窄线宽连续光作为信号光，所述泵浦光为中心频率为f 2 、扫频宽度为Δf的扫频边带光，两束光在非线性介质中基于四波混频过程产生闲频光，得到一阶闲频光的扫频带宽为2Δf，二阶闲频光的扫频范围为3Δf；N阶闲频光的扫频范围为（N+1）Δf。
上述扫频闲频光功率高出信号光、泵浦光10dB以上。
本实用新型的技术效果：
1.        采用光源外部调制，将产生的高阶扫频边带作为泵浦光，与另一信号光经过四波混频效应产生的闲频光可以得到两倍于泵浦光的扫频范围。
2.        采用光纤放大器和窄带光学滤波器，可以将四波混频后的光功率放大后从中滤出具有足够功率和两倍边带扫频范围的闲频光作为导入OFDR光路系统的扫频载波光源。
3.        采用高阶边带扫频光作为四波混频泵浦光以产生翻倍扫频范围的闲频光作为扫频光源的光频域反射计系统可以获得倍幅提高的空间分辨率。
附图说明
图 1 为本实用新型系统的基本结构示意图；
图中包含：FL：光纤激光器；PC：偏振控制器；MZ-modulator：马赫曾德尔调制器；RF synthesizer：射频信号发生器；RF Amplifier：射频放大器；Trigger source：触发信号；Bias：偏置电压；CIR：环行器；FBG：光纤布拉格光栅；EDFA：掺铒光纤放大器；BPF：光滤波器；HNLF：高非线性光纤；FUT：待测光纤；BPD：平衡光电探测器；Polarization diversity：偏振分集；OC：3dB光耦合器；ADC：模数转换模块；Computer：计算机。
图 2 为本实用新型实施例利用半波电压较低的马赫曾德尔调制器调制得到的具有多阶边带的光频率梳示意图；
图中Power：信号强度；Optical Comb：光梳；Wavelength：波长。
图 3 为本实用新型使用光纤布拉格光栅和可调光滤波器从调制出的光频率梳中滤出的第十一阶边带作为泵浦光与另一信号光进行四波混频后产生了闲频光的光谱示意图；
图中Power：信号强度；+11th order sideband：第十一阶边带；Wavelength：波长；Signal：信号光；Pump：泵浦光；Idler：闲频光。
图 4 为放大滤波后得到的闲频光及其扫频后的光谱；
图4（a）为经过EDFA和窄带光学滤波器后得到的闲频光光谱，图4（b）为将泵浦光扫频后获得的闲频光光谱；
图中Power：信号强度； Wavelength：波长；Pump：泵浦光；Idlier：闲频光。
图 5 为本实用新型空间分辨率实验值测量方法示意图；
图中Reflectivity：反射系数；Distance：距离；FWHM：菲涅尔反射峰宽度。
图 6 为本实用新型在射频信号等效扫频范围变化时，不同射频信号扫频范围对应的空间分辨率理论值和实验值对比图；
图中Spatial resolution：空间分辨率；RF sweep frequency span：射频信号扫频带宽；Measured value：测量值；theoretical value：理论值。
具体实施方式
实施例一：
图 1 显示了本实施例所述的系统结构的基本示意图。第一激光器FL1连接到马赫曾德尔调制器MZ-modulator，调制后输出拥有多边带的光梳。通过所设计和匹配的光纤布拉格光栅FBG和可调滤波器BPF，可以在较高的抑制比下滤出所需的边带。经过掺铒光纤放大器EDFA1、EDFA2放大光功率并用光学滤波器BPF1、BPF2过滤噪声，将滤出的拥有足够高功率的高阶扫频边带作为泵浦光，由第二激光器FL2产生信号光，两光通过高非线性光纤HNLF发生四波混频过程。四波混频产生的闲频光经过窄带光学滤波器BPF3滤波后再经掺铒光纤放大器EDFA3放大作为扫频载波光源导入光路系统，使用单模光纤作为待测光纤，从待测光纤中反射的光与本地光发生干涉并最终由8位模数转换模块8-bit ADC配合计算机Computer进行检测。
图 2 显示了本实施例利用半波电压较低的马赫曾德尔调制器调制得到的具有多阶边带的光频率梳示意图。图中最高的为载波，该光频率梳可见有超过22个子载波，本实施例我们滤波得到第十一阶边带作为泵浦光。
图 3 显示了本实施例使用光纤布拉格光栅和可调光滤波器从调制出的光频率梳中滤出的第十一阶边带作为泵浦光与另一信号光进行四波混频后产生了闲频光的光谱示意图。图中闲频光功率较低，所以需要经过功率放大并滤波后作为扫频载波光源导入光路系统。
图 4 显示了本实施例放大滤波后得到的闲频光及其扫频后的光谱。其中图4（a）为经过掺铒光纤放大器EDFA放大光功率并经过窄带光学滤波器BPF后得到的闲频光光谱，图4（b）为将泵浦光进行扫频后获得的闲频光光谱，闲频光功率高出其他频率光信号25dB。
图 5 显示了本实施例的空间分辨率实验值测量方法示意图。所示方法是测量待测光纤末端反射菲涅尔峰值的半高全宽，越大的宽度代表越低的空间分辨率。图示为在射频信号等效扫频范围640MHz时使用第十一阶扫频边带作为泵浦光时得到的菲涅尔反射峰，峰值的半高全宽作为本次空间分辨率实验值，为0.75cm。
图 6 显示了本实施例在射频信号等效扫频范围从100MHz变化到640MHz时使用第十一阶扫频边带作为泵浦光时得到的空间分辨率。图中黑色实点线表示空间分辨率实验值曲线，虚线表示空间分辨率理论值曲线，实验测得的空间分辨率数值曲线基本与理论值曲线一致。本实施例获得的空间分辨率是传统单边带调制使用第一阶边带扫频时获得的空间分辨率的1/22。

Claims (4)

1.一种基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统，包括扫频光源系统、测试光路系统、接收机及信号处理系统；其特征在于：所述扫频光源系统包括第一激光器、马赫曾德尔调制器、射频信号发生器、射频放大器、环行器、光纤布拉格光栅、多个掺铒光纤放大器、光滤波器、第二激光器和非线性介质；
所述第一激光器发出的窄线宽激光根据射频信号发生器发出、射频放大器放大的射频信号并加载偏置电压后连接到所述马赫曾德尔调制器进行调制，形成一个拥有多边带的光梳；将得到的光梳导入连接了光纤布拉格光栅的环行器，反射回来的光波经过掺铒光纤放大器放大和光滤波器滤波后作为泵浦光，与第二激光器产生的信号光通过非线性介质发生四波混频过程；四波混频产生的闲频光再经过光学滤波器滤波和掺铒光纤放大器放大后作为扫频载波光源导入测试光路系统，与本地光发生干涉并最终由接收机接收，和信号处理系统处理。
2.根据权利要求1所述的基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统，其特征在于：所述非线性介质为高非线性光纤或高非线性硅波导。
3.根据权利要求2所述的基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统；其特征在于：所述高非线性光纤长度不低于100m，光纤损耗不高于1dB/km，光纤的非线性系数不低与10/W/km。
4.根据权利要求1或2所述的基于四波混频过程的高空间分辨率光频域反射计系统结构；其特征在于：所述光滤波器为基于光纤布拉格光栅的窄带滤波器或衍射光栅的光滤波器。
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