技術領域

本發明涉及到基于自發布里淵散射的分布式光纖傳感系統所需的寬帶移頻技術，尤其是一種布里淵單縱模移頻光纖激光器。

背景技術：

在基于自發布里淵散射的分布式光纖傳感（BOTDR）系統中，布里淵自發散射光相對于入射光的頻移受到溫度和應變的影響，針對通信波段的單模光纖，布里淵自發散射光相對于入射光的頻移約為11GHz，其中溫度引起布里淵散射光頻移量變化的線性系數為1.09±0.08MHz/℃，應變引起布里淵散射光頻移量變化的線性系數為0.052±0.004MHz/με，在此11GHz的超高頻率基底上實現提取10^-4相對頻率變化量是BOTDR系統實現溫度和應變傳感的關鍵技術。使用寬帶移頻方案，選擇合適的本地拍頻光，可使得布里淵自發散射光與本地拍頻光的差頻信號由11GHz降至100MHz量級，有利于信號的提取和系統器件成本的降低。

因此，發展有多種寬帶移頻技術方案，如方案一采用一臺與種子光頻率差接近布里淵頻移的激光器作為本地激光器（參見 Toshio Kurashima, et al, IEICE TRANS. COMMUN., E76-B(4) (1993)），這種技術方案中BOTDR系統需要使用兩臺激光器，使得成本和結構復雜，同時此方案對于兩臺激光器的頻率及頻率差的穩定度都有著極其高的要求；方案二采用聲光移頻環進行寬帶移頻（參見 Kaoru Shimizu, et al., J. Lightwave Technol., 12, 730-736 (1994)），但聲光移頻器通常一次只能移頻一百多MHz，需經上百次的循環移頻才可實現11GHz的頻率變化，這些都對聲光移頻器的性能提出了很高的要求。并且，聲光移頻環路的采用增加了系統中光學部分的復雜度，影響了系統的穩定性和測量精度。方案三采用電光調制器進行寬帶電光調制移頻（參見 宋牟平, 光學學報, 24, 1110-1114 (2004)），電光調制器一次就可以實現移頻11GHz，相對簡化了光路，但是電光調制器對光路的偏振控制特性提出了很高的要求。同時利用電光調制器實現寬帶移頻的能量損失過大，獲取的移頻光功率偏小。

與上述這些方案相比，利用布里淵激光器實現寬帶移頻是一種高效低成本的新技術方案（參見 Jihong Geng, et al., Appl. Opt. 46, 5928-5932 (2007)），吸引了很多研究人員進行相關方面的研究和應用。由于布里淵增益譜寬大約為30MHz，而有源環形腔布里淵激光器的腔長一般為幾十米量級（對應腔縱模間隔為2~10MHz），因此很容易出現多縱模運轉模式，導致移頻量存在較大波動，直接導致BOTDR系統中測量精度的降低。為了避免出現多縱模運轉，有研究學者通過激光穩頻的方案，將注入泵浦種子光的頻率和布里淵激光運轉頻率同時鎖定在諧振腔的某兩個腔縱模上，從而實現單縱模運轉的布里淵激光輸出（參見Jihong Geng, et al., IEEE Photon. Technol. Lett. 18, 1813-1815 (2006)），但這種方案涉及到復雜的反饋控制系統，穩定性不容易做好，在外界擾動下，還容易出現穩頻失鎖，會使得整個BOTDR系統的穩定性下降，并且成本增加很多。

技術實現要素：

為了克服在先技術的缺點，更好地滿足BOTDR系統對寬帶移頻布里淵激光器的實際需求，本發明提供一種高效低成本的實現單縱模運轉的布里淵激光器。

本發明的基本原理是：構建一個有源環形腔布里淵激光器，該激光器主要由泵浦光源和有源環形腔構成。泵浦光源需選用線寬小于1MHz的通信C波段的單頻激光器。環形腔中包括三端口環形器、光放大器、移頻光纖構成的光纖復合腔單元及光纖耦合器。使用環形器的單向特性，構建只能沿單方向傳輸的環形腔，光放大器用于在腔內提供放大，而移頻光纖作為非線性介質為布里淵散射光的放大提供增益，耦合器用于腔內激光的輸出。

布里淵型單縱模移頻光纖激光器，包括光源模塊、光纖環行器、光放大器、光纖隔離器、第一光纖耦合器、第一移頻光纖、第二移頻光纖、第二光纖耦合器；其中，光源模塊的尾纖輸出和光纖環行器的第一端口相連，光纖環行器的第二端口和光放大器的輸入端口相連，光放大器的輸出端口和第一光纖耦合器的第一端口相連；第一光纖耦合器的第二端口和第四端口之間利用光纖連接成一個環路，此環路中接入的器件包括光纖隔離器和第一移頻光纖，其中光纖隔離器的正向導通輸入端口與第一光纖耦合器的第二端口相連，光纖隔離器的正向導通輸出端口與第一移頻光纖相連，第一移頻光纖的另一端與第一光纖耦合器的第四端口相連；第二移頻光纖的一端與第一光纖耦合器的第三端口相連，另一端與第二光纖耦合器的第一端口相連；第二光纖耦合器的第三端口與光纖環行器的第三端口相連，閉合成一個大的光纖環路，第二光纖耦合器的第二端口作為單縱模布里淵激光器的輸出端口；基于光纖復合腔的技術方案，利用復合腔的選模特性，使得腔縱模間隔大于布里淵增益譜譜寬，在增益譜范圍內有且只有一個腔縱模可以起振并形成激光出射，最終高效低成本實現布里淵型單縱模移頻光纖激光輸出。

進一步地，光源模塊為窄線寬激光器，線寬小于1MHz，輸出功率可達到20mW。

進一步地，所述的光纖環行器，是一個三端口光纖環行器，單向導通，光纖環行器能用接入光纖耦合器和隔離器的方式代替以起到光纖環行器的作用。

進一步地，所述的光放大器，主要用于放大泵浦光信號和微弱的布里淵散射信號，需要采取光學作用長度短一些的光學放大器，可選用高增益系數摻鉺光纖作為增益介質來搭建光纖放大器，或者選用1550nm波段半導體光放大器（SOA）。

進一步地，所述的光放大器，可以選用1m長的高增益系數的摻鉺光纖搭建摻鉺光纖放大器（EDFA）。

進一步地，所述的光纖隔離器用于單向導通防止反向諧振，可以采用商用的1550nm波段的光纖隔離器。

進一步地，所述的第一光纖耦合器采用普通單模光纖1550nm波段、端口2×2、分光比為50:50的耦合器。

進一步地，第一移頻光纖和第二移頻光纖，采用普通通信單模光纖，可以采用商用G652型號的通信單模光纖；第一移頻光纖和第二移頻光纖的長度選擇有兩種方式：一是形成復合腔的兩個腔長相當或接近；二是形成復合腔的一個腔長是另一個腔長的多倍。

進一步地，所述的第二光纖耦合器，為1×2的普通單模光纖耦合器，中心波長1550nm，分束比為10:90，其中10%的端口作為布里淵激光器的輸出端。

當在輸入端沒有泵浦光注入時，該激光器相當于摻鉺光纖激光器，輸出波長取決于腔內凈增益分布以及自由振蕩建立的最終激光模式。當激光器輸入端有泵浦光注入時，且泵浦光強達到腔內受激布里淵散射光諧振的閾值，該激光器將工作于布里淵型光纖激光器模式。當泵浦光從環形器的輸入端注入到環形腔經過光放大器的放大后進入移頻光纖，在移頻光纖中激發后向散射光，泵浦光繼續傳輸至環形器截止。而散射光可以在腔內循環傳輸，散射光經過光放大器時會被放大，經過移頻光纖時，散射光中的布里淵信號光與入射泵浦光相向傳輸過程中發生非線性布里淵作用，可獲得非線性布里淵增益放大，而同樣后向傳輸的瑞利散射光在此處則不能得到放大。如此循環，若布里淵散射光信號在腔內的綜合增益大于瑞利散射光和自發輻射噪聲光，則在腔內經歷多次循環傳輸放大建立振蕩，最終可形成穩定的布里淵激光輸出。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和有益效果：

(1)與傳統的寬帶移頻技術方案相比，本發明是基于光纖布里淵非線性作用的單縱模激光器，其激光頻率始終跟隨種子光，因此寬帶移頻效果穩定，結構簡單，無復雜控制要求。

(2)與穩頻布里淵激光器相比，本發明利用光纖復合腔進行模式選擇，使得腔縱模大于布里淵增益譜譜寬，從而在布里淵增益譜范圍內有且只有一個腔縱模可以起振并形成激光出射。而穩頻布里淵激光器需要搭建誤差信號提取和反饋調節種子光的復雜光學結構，來實現穩定單縱模布里淵激光輸出。此單縱模布里淵激光技術方案，原理簡單，無需復雜的反饋控制，光學結構穩定，成本降低了90%以上，且可以很好的應用于BOTDR傳感系統中作為寬帶移頻本地光源。

附圖說明

圖1實例中一種復合腔縱模選頻的示意圖；

圖2 實例中的另一種復合腔縱模選頻的示意圖；

圖3 實例中基于光纖復合腔的單縱模布里淵激光器的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發明的實施作進一步說明，但本發明的實施和保護不限于此，需指出的是，以下若有未特別詳細說明之過程或參數，均是本領域技術人員可參照現有技術實現的。

本發明為了獲得布里淵激光的輸出，需要解決兩個問題：一、避免光放大器自發輻射噪聲建立振蕩形成激光；二、避免瑞利散射光諧振形成激光。第一個問題，需要將光放大器的放大性能設置在較低的位置，使得布里淵散射信號獲得的綜合增益中，光放大器提供的增益所占比例盡可能小一點。此問題通過設置光放大器的增益系數，可以很好的解決；第二個問題，需要盡量提高布里淵非線性增益，使得瑞利散射光僅僅靠光放大器提供的增益無法在腔內競爭超過布里淵散射光，而最終使得瑞利散射無法諧振形成激光出射。

上述第二個問題，為了抑制瑞利散射光形成激光輸出，需要盡量提高布里淵非線性增益，可以通過提高泵浦光源的功率或者增長用于提供布里淵非線性增益的移頻光纖長度。單純依靠提高泵浦光源的功率，會造成能量轉移以及利用率降低，且窄線寬激光器的成本也隨功率的提升而急劇上升，因此最簡單經濟的方式就是盡量增長腔內移頻光纖的長度。在此情況下，就引入了新的問題：在通信波段單模光纖中（實現移頻成本最低的光纖），布里淵增益譜寬大約為30MHz，而有源環形腔布里淵激光器的腔長一般為幾十米量級（對應腔縱模間隔為2~10MHz），因此很容易出現多縱模運轉模式，為了避免出現多縱模運轉，本發明沒有采用頻率鎖定技術，而是提出一種基于光纖復合腔的技術方案，利用復合腔的選模特性，使得腔縱模間隔大于布里淵增益譜譜寬，在增益譜范圍內有且只有一個腔縱模可以起振并形成激光出射。因此利用復合腔的方案，可以高效低成本的實現單縱模運轉的布里淵激光輸出。

復合腔實現選縱模的基本原理如圖1和圖2所示，設復合腔的腔長分別為L₁、L₂，則兩個腔分別對應的腔縱模序列間隔為△f₁=c/nL₁，△f₂=c/nL₂，兩個腔構成復合腔激光器的諧振頻率必須同時對準上述的兩套縱模間隔的某一階頻率，才能形成有效諧振最終形成激光輸出。因此，根據游標卡尺原理，復合腔的腔縱模序列間隔為：

△f= m₁c/(nL₁)= m₂c/(n L₂); L₂/ L₁=m₂/m₁

其中，m₁、m₂為沒有公約數的正整數。

這時存在兩種情況可以實現較好的縱模選擇，一種情況是如圖1所示，腔長L₁與腔長L₂基本相當，這時復合腔的腔縱模間隔基本上與兩個腔的腔長差成反比，也即△f≈c/(nL₁-nL₂)，這時腔長L₁與腔長L₂可以選擇較長的光纖，充分滿足激光器對布里淵非線性增益的要求，同時選擇腔長L₁與腔長L₂長度接近，這時可以充分保證復合腔的腔縱模間隔遠遠大于布里淵增益譜寬，進而在增益譜范圍內有且只有一個腔縱模可以起振并形成激光出射。

另一種情況是如圖2所示，一個腔長L₂比另一個腔長L₁長很多倍，這時復合腔的腔縱模間隔基本上等于短腔L₁的腔縱模，也即△f≈c/(n L₁)，腔長L₁選擇較短，可選擇腔長小于4m，從而△f₁>50MHz，大于布里淵增益譜寬，腔長L₂可以選擇比腔長L₁長十倍，充分滿足激光器對布里淵非線性增益的要求，這種情況也可滿足在增益譜范圍內有且只有一個腔縱模可以起振并形成激光出射。

根據以上基本原理，本實例基于光纖復合腔的單縱模布里淵激光器的結構設計如圖3所示，包括光源模塊（1）、光纖環行器（2）、光放大器（3）、光纖隔離器（4）、第一光纖耦合器（5）、第一移頻光纖（6）、第二移頻光纖（7）、第二光纖耦合器（8）；光源模塊1的尾纖輸出和光纖環行器2的第一端口201相連，光纖環行器2的第二端口202和光放大器3的輸入端口301相連，光放大器3的輸出端口302和光纖耦合器5的第一端口501相連，光纖耦合器5的第二端口502和第四端口504之間接入幾個光學器件，利用光纖連接成一個環路，此環路中接入的器件包括光纖隔離器4和移頻光纖6，其中光纖隔離器4的正向導通輸入端口401與光纖耦合器5的第二端口502相連，光纖隔離器4的正向導通輸出端口402與移頻光纖6相連，移頻光纖6的另一端與光纖耦合器5的第四端口504相連。另一段移頻光纖7的一端與光纖耦合器5的第三端口503相連，另一端與光纖耦合器8的第一端口801相連，光纖耦合器8的第三端口803與光纖環行器的第三端口203相連，閉合成一個大的光纖環路，光纖耦合器8的第二端口802作為單縱模布里淵激光器的輸出端口。

各器件模塊的具體實施舉例說明如下。

光源模塊1，是基于光纖復合腔的單縱模布里淵激光器的泵浦光源。由于布里淵增益譜只有幾十MHz量級，因此需要泵浦種子光源的線寬較窄。本實例采用的光源為1550nm波段窄線寬單頻光纖激光器，其線寬為2kHz，激光功率可達到100mW；也可以采用其他類型的窄線寬激光器，但線寬不能超過10MHz。

光纖環行器2，是一個三端口光纖環行器，單向導通，也可采用接入光纖耦合器和隔離器的辦法，起到光纖環行器的作用。

光放大器3，主要用于放大環路中的泵浦光信號和微弱的布里淵散射信號，為了不影響布里淵激光輸出的性能，需要采取光學作用長度短一些的光學放大器，如可選用2cm長的高增益系數的鉺鐿共摻磷酸鹽玻璃光纖作為增益介質來搭建光纖放大器，或者直接采用商用的1550nm波段的半導體光放大器（SOA）。

光纖隔離器4，主要用于單向導通功能，正向導通輸入端口401到正向導通輸出端口402導通，反過來則不導通，因此泵浦光不能在光纖耦合器5構成的環路中循環傳輸，而背向布里淵散射則可以。

光纖耦合器5，普通單模光纖1550nm波段，端口2×2，分光比為50:50的耦合器。

第一移頻光纖6和第二移頻光纖7，此處的移頻光纖起到提供自發布里淵散射光和布里淵非線性放大增益的功能，可以采用商用G652型號的通信單模光纖，根據原理部分的討論，此處關于第一移頻光纖6和第二移頻光纖7的長度方面具體實施方式有兩種：一是形成復合腔的兩個腔長接近，此處可以設置第一移頻光纖的長度為1m左右，兩個腔長的長度可以為差為1m，可以在布里淵增益譜范圍內有且只有一個腔縱模；二是形成復合腔的一個腔長是另一個腔長的多倍，此處可以設置第一移頻光纖6的長度為30m，而第二移頻光纖7的長度為3m左右，則長腔長度是短腔的10倍，復合腔的縱模間隔基本與短腔的縱模間隔一致，可完全滿足在布里淵增益譜范圍內有且只有一個腔縱模。

光纖耦合器8，普通單模光纖1550nm波段，端口1×2，中心波長1550nm，分束比為10:90，其中10%的端口作為布里淵激光器的輸出端。

通過光纖環形器2構建環形腔，環形器內級聯有光放大器3、用于隔離反向光的光纖隔離器4、用于構建復合腔的光纖耦合器5、用于耦合輸出的光纖耦合器8以及用于提供布里淵非線性增益的移頻光纖6和7。種子激光通過環形器的第一端口輸入，只能在腔內沿順時針方向傳輸，后向布里淵散射光可以在復合腔內循環傳輸，最終在布里淵增益譜范圍內有且只有一個腔縱模起振形成布里淵激光出射。

本發明構建單向有源環形諧振腔，基于光纖復合腔技術方案，利用復合腔的選模特性，使得腔縱模間隔大于布里淵增益譜譜寬，從而在布里淵增益譜范圍內有且只有一個腔縱模可以起振并形成激光出射，進而高效低成本實現布里淵型單縱模運轉移頻光纖激光輸出。此布里淵單頻激光頻率始終跟隨泵浦種子光，寬帶移頻效果穩定，基于復合腔實現單縱模運轉，結構簡單無復雜控制要求，可充分滿足基于自發布里淵散射型的分布式光纖溫度應變傳感系統對寬帶移頻技術的苛刻應用需求。