專利名稱：一種遠程傳感系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于光通信技術領域，具體涉及一種長距離布拉格光柵傳感系統。
背景技術：
基于光纖光柵的光纖傳感器，其傳感過程是通過外界參量對Bragg中心波長的調制來實現的，屬于波長調制型光纖傳感器，它具有以下明顯的優點一是抗干擾能力強，這一方面是因為普通傳輸光纖不會影響光波的頻率特性(忽略光纖的非線性效應)；另一方面光纖光柵傳感系統從本質上排除了各種光強起伏引起的干擾，例如光源強度的起伏，光纖微彎效應引起的隨機起伏，耦合損耗等都不可能影響傳感信號的波長特性，因而基于光纖光柵的傳感系統具有很高的可靠性和穩定性。二是傳感探頭結構簡單，尺寸小(其外徑和光纖本身等同)，適合于各種應用場合。三是測量結果具有良好的重復性。四是便于構成各種形式的光纖傳感網絡。五是可用于對外界參量的絕對測量。六是光柵的寫入工藝已較成熟，便于形成規模生產(商品化)。因此，開發研制出對溫度、壓力、應變等諸多參量敏感的光纖光柵傳感器，具有重大的實用價值和應用前景。
經過涂覆的布拉格光纖光柵的反射波長λB隨溫度變化而變化，其溫度敏感性為0.08nm/℃，因此可用來做溫度傳感。然而由于后向瑞利散射光和光纖的背景損耗以及傳感器本身的插入損耗，使得普通布拉格光柵傳感系統的傳感長度一般都限制在25km以內。
文獻(Investigation of Raman fiber laser temperature probe based on fiber Bragggratings for longdistance remote sensing applications，Optics Express，Vol.12，No.8，2004，Ju han Lee，et at)提出了一種基于拉曼激光器原理實現的長距離傳感系統，但是因為拉曼激光器的閾值很高，通常達到瓦量級，所以對泵浦激光器輸出功率要求很高，代價很大。
圖1為文獻中報導的利用拉曼激光器原理實現的長距離傳感系統結構示意圖，構成拉曼激光器諧振腔反射鏡的是寬帶啁啾光柵和布拉格光纖光柵。該系統包括泵浦激光器1、2，波長合波器3，波分復用耦合器4，寬帶啁啾光柵5，傳輸光纖6和傳感布拉格光柵7。
該系統的工作過程是由寬帶啁啾光柵和布拉格光柵構成拉曼激光器的諧振腔，由傳輸光纖構成增益介質。當腔內增益和損耗相等時即達到激光器的閾值，就有激光產生。當傳感光柵受到溫度或應力發生波長變化時，激光器的波長就發生變化，信號探測系統可以探測到發生的變化。
發明內容
本發明的目的是提供一種解決長距離傳感測量的遠程傳感系統。以延長傳感系統的距離，降低系統成本。
按照本發明提供的設計方案，遠程傳感系統包括一個拉曼放大器和一個由摻鉺光纖、布拉格光纖光柵及光纖反射鏡構成的摻鉺光纖激光器；其特征在于拉曼放大器中的復合激光器泵浦單元由以下光器件構成兩個半導體激光器，用于輸出具有預定波長的泵浦激光，該泵浦激光是線偏振的；偏振隔離泵浦合波器，用于將兩個半導體激光器輸出兩個波長相同的線偏振激光合成一束；以及波分復用耦合器，用于將由偏振隔離泵浦合波器輸入的泵浦激光輸出到增益介質，由所述泵浦激光對所述增益介質進行反向泵浦。
所述拉曼放大器還包括傳輸光纖，該傳輸光纖就是所述拉曼放大器的增益介質；所述摻鉺光纖激光器的諧振腔的兩個反射鏡分別是用于傳感測量的布拉格光纖光柵和光纖反射鏡。作為傳感器的布拉格光纖光柵對摻鉺光纖激光器起到選頻的作用，其反射率是經過優化的。
構成摻鉺光纖激光器的光纖反射鏡是由一個50∶50的分光器構成的，具有很寬的反射帶寬和高反射率。作為傳感器的布拉格光纖光柵利用溫度、壓力或應變敏感的光纖光柵。
本發明的優點是由于該方法是基于拉曼放大和摻鉺光纖激光器原理的長距離分布式光纖布拉格光柵傳感系統，相比較已有的遠程傳感系統，該發明只用很小的泵浦功率就可以得到激光激射，而且拉曼放大器和摻鉺光纖激光器的共同作用可以提供很高的光學信噪比的信號，因此可以極大的延長傳感系統的距離，同時可以大大降低系統成本。
圖1是現有的利用拉曼激光器原理實現的長距離傳感系統結構示意圖。
圖2是按照本發明第一實施例的新型遠程傳感系統結構示意圖。
圖3是50公里傳感系統探測到的激光光譜圖。
圖4是探測到的激光波長隨溫度的變化曲線。
圖5是探測到的激光器輸出功率隨泵浦功率的變化關系。
圖6是75公里傳感系統探測到的激光光譜圖。
圖7是按照本發明第二實施例的新型遠程傳感系統結構示意圖。
具體實施例方式
圖中1、2—半導體激光器；3—隔離偏振泵浦合波器；4—波分復用耦合器；5—信號探測系統；6—傳輸光纖；7—用于傳感器的布拉格光纖光柵；8—摻鉺光纖；9—光纖反射鏡；10—光纖隔離器；11—輸出耦合器。
如圖2所示遠程傳感系統包括一個拉曼放大器和一個由摻鉺光纖8、布拉格光纖光柵7及光纖反射鏡9構成的摻鉺光纖激光器；拉曼放大器中的復合激光器泵浦單元由以下光器件構成兩個半導體激光器1、2，用于輸出具有預定波長的泵浦激光，該泵浦激光是線偏振的；偏振隔離泵浦合波器3，用于將兩個半導體激光器1、2輸出兩個波長相同的線偏振激光合成一束；以及波分復用耦合器4，用于將由偏振隔離泵浦合波器3輸入的泵浦激光輸出到增益介質，由所述泵浦激光對所述增益介質進行反向泵浦。
拉曼放大器還包括傳輸光纖6，該傳輸光纖6就是所述拉曼放大器的增益介質；摻鉺光纖激光器的諧振腔的兩個反射鏡分別是用于傳感測量的布拉格光纖光柵7和光纖反射鏡9。作為傳感器的布拉格光纖光柵7對摻鉺光纖激光器起到選頻的作用，其反射率是經過優化的。構成摻鉺光纖激光器的光纖反射鏡9是由一個50∶50的分光器構成的，具有很寬的反射帶寬和高反射率，全光纖反射鏡具有結構簡單、成本低、易操作等特點。作為傳感器的布拉格光纖光柵7利用溫度、壓力或應變敏感的光纖光柵。
其中拉曼放大器復合泵浦單元包括兩個大功率的半導體激光器1、2，他們經過隔離偏振泵浦合波器成為去偏振光，合成一束輸出，然后通過波分復用耦合器4的一個端口輸入到傳輸光纖中，作為拉曼放大器的泵浦光。
該系統還包括一個摻鉺光纖激光器，其中構成激光器諧振腔的兩個反射鏡分別是光纖反射鏡9和布拉格光纖光柵7，其中光纖反射鏡具有高反射率和寬帶反射帶寬的特點；所述的布拉格光柵反射率是經過優化設計的，目的是同時保證較低閾值功率和較高的激光輸出功率。激光器的增益介質為摻鉺光纖。
該系統的工作過程是拉曼放大器的泵浦光經過傳輸光纖后仍有一部分泵浦光剩余，其進入摻鉺光纖激光器的諧振腔，對摻鉺光纖進行泵浦。摻鉺光纖激光器的工作原理如下當光波在諧振腔內往返一周所獲得的增益等于腔內的總損耗時，激光器就達到了閾值。設腔鏡的反射率分別為R1和R2，摻鉺光纖長度為L，則閾值條件為G2R1R2exp(-2αintL)＝1(1.1)其中G為單程增益，αint為腔內損耗因子，它包括耦合損耗和其它一些類型的損耗。單程增益可由下式求得G=exp(∫0Lg(z)dz)---(1.2)]]>其中，增益系數g(z)與粒子數反轉有關g(z)＝σs[N2(z)-N1(z)](1.3)其中，σs為發射截面，N1和N2分別受激輻射過程中低能態和高能態上的粒子數密度。將(1.2)式帶入(1.1)式，閾值條件變為1L∫0Lg(z)dz=αmir+αint=αcav---(1.4)]]>其中，αmir＝-ln(R1R2)/2L是腔鏡有效損耗因子，αcav是腔內總損耗因子。
閾值與總的損耗的關系是在其他條件不變的情況下，閾值隨總的損耗的增加而增加。
當摻鉺光纖的增益等于腔內的總損耗的時候，就會有激光激射出來，激光波長等于布拉格光纖光柵的反射波長。當外界的溫度發生變化時，布拉格光纖光柵的中心波長發生變化，導致激光激射波長發生變化，這種變化會經過傳輸光纖到達信號探測系統。
各個部分的特性與功能介紹半導體激光器1、2輸出的激光為線偏振光，輸出激光波長有一定范圍，一般在1470-1490nm之間，是由摻鉺光纖的吸收譜決定的。本例中選用1470nm。隔離泵浦偏振合波器3是一個復合無源器件。內部含有隔離器和去偏振因子。用于將半導體激光器1、2兩個相同波長的偏振激光合成在一起，而且為了獲得穩定的拉曼增益，隔離泵浦偏振合波器3還有將偏振光去偏振的因子，經過隔離泵浦偏振合波器3的偏振光會變成無偏振的光。隔離器的作用是為了防止光路中反射光進入半導體激光器的諧振腔，維持半導體激光器穩定輸出。波分復用耦合器4用來把泵浦光與信號光耦合到一起的光無源器件，有3個端口，分別為信號通過端，泵浦通過端和信號及泵浦光都能通過的公共端。信號探測系統5，可以是光譜儀，功率計等，也可以從成本考慮選用支持電信號探測的傳感解復用系統。傳輸光纖6為50km或以上的單模光纖，是拉曼放大器的增益介質。布拉格光纖光柵7，常溫下其中心波長為1550.18nm，為了平衡激光器的閾值功率和輸出功率，反射率是經過優化的。摻鉺光纖8的長度約7m，是摻鉺光纖激光器的增益介質。摻鉺光纖8的長度是經過優化的。光纖反射鏡9由一個對C波段以50∶50的比例分光的寬帶耦合器構成，將耦合器的兩個同向輸出端熔接起來就構成一個光纖反射鏡。這樣的光纖反射鏡具有寬帶寬和高反射率的特點。本發明中采用光纖反射鏡作為摻鉺光纖激光器諧振腔的一個反射鏡，能夠同時反射信號光和泵浦光功率，大大提高泵浦光的利用率，降低激光器的閾值，從而節省拉曼泵浦激光器的成本。
圖2所示的本發明第一實施例中實現的遠程傳感系統，是基于拉曼放大器和線性腔摻鉺光纖激光器的結構。系統中泵浦激光器1、2和隔離偏振泵浦合波器3構成拉曼泵浦單元，合成的去偏振的泵浦光經過波分復用耦合器進入傳輸光纖；拉曼放大器剩余的泵浦激光進入摻鉺光纖激光器。摻鉺光纖激光器由一段7m長的摻鉺光纖8作為增益介質，光纖反射鏡9和布拉格光纖光柵7構成激光器的諧振腔。當鉺纖增益和腔內損耗相等的時候就達到激光器的閾值，激光由布拉格光柵處輸出。輸出的激光經過拉曼放大器的進一步放大，到達信號探測系統5。
在線性腔結構中，經過優化的布拉格光纖光柵的反射率為85％，當激光諧振腔內達到平衡狀態以后，就有穩定的激光功率輸出，其中有85％激光功率留在諧振腔內作為種子繼續產生激光，15％的激光功率作為輸出，這種設計保證了激光器具有很低的閾值。當構成拉曼泵浦單元的半導體激光器總功率為80mW時，就能在信號探測系統終端探測到很微弱的激光，但是此時的信噪比很小，不足以利用。繼續增大半導體激光器的輸出功率，探測到的激光輸出功率越來越大，輸出信噪比越來越高，圖3示出常溫下，拉曼放大器的泵浦光輸出功率為140mW時，從信號探測系統終端探測到的激光光譜圖，信號的信噪比達到43dB。當外界環鏡溫度發生變化時，作為激光器選頻元件的光纖光柵的反射波長會隨溫度發生線性變化，激光器的激射波長也隨之發生變化，如圖4所示。
圖5給出了信號探測系統終端探測到的信號功率和拉曼放大器泵浦光輸出功率之間的關系。可見，利用這種拉曼放大器和摻鉺光纖激光器構成的新型傳感系統可以大大降低對泵浦功率的要求。當泵浦功率只有80mW時，就能夠探測到激光信號。當泵浦功率為140mW時，探測到的信號不僅功率足夠大，而且其光學信噪比可以達到43dB。也就是說，在一個長度為50km的遠程傳感系統中僅有一個泵浦激光器就可以取得很好的效果。
圖6給出了一個75km的長距離傳感系統中，在信號探測終端得到的常溫下的激光光譜圖。此時的拉曼放大器的泵浦功率為500mW。信號的信噪比達到37dB。
圖7是按照本發明第二實施例的結構示意圖。圖中的摻鉺光纖激光器屬于環行腔激光器，環行腔由波分復用耦合器4、摻鉺光纖8、光纖隔離器10和輸出耦合器11構成。光纖隔離器10的作用是保證激光在諧振腔內單方向運轉。輸出耦合器11是一個2×2的耦合器，輸出耦合器11在腔內同方向的兩個端中的一端連接波分復用耦合器4，另一端連接光纖隔離器10。輸出耦合器11在腔外同方向的兩個端中，一端連接布拉格光柵7，另一端是激光器的輸出端，與波分復用耦合器4的信號端相連。在該激光器中，傳感布拉格光纖光柵7仍然做為選頻器件，但是布拉格光纖光柵7的反射率應該達到99％以上，才會產生足夠高的激光功率。環行腔結構中，為了平衡激光器的閾值功率和輸出功率，輸出耦合器11的分光比是需要優化的。激光輸出端一般采用耦合器分光比較小的一端。輸出的激光信號經過波分復用耦合器4后進入拉曼放大器放大，然后到達信號探測系統。
本發明中所用的布拉格光纖光柵7也可以換成溫度不敏感，壓力或應力敏感的光纖光柵傳感器。
權利要求
1.一種遠程傳感系統，包括一個拉曼放大器和一個摻鉺光纖激光器；其特征在于拉曼放大器中的復合激光器泵浦單元由以下光器件構成兩個半導體激光器(1)、(2)，用于輸出具有預定波長的泵浦激光，該泵浦激光是線偏振的；偏振隔離泵浦合波器(3)，用于將兩個半導體激光器(1)、(2)輸出兩個波長相同的線偏振激光合成一束；以及波分復用耦合器(4)，用于將由偏振隔離泵浦合波器(3)輸入的泵浦激光輸出到增益介質，由所述泵浦激光對所述增益介質進行反向泵浦。
2.如權利要求1所述的遠程傳感系統，其特征是拉曼放大器還包括傳輸光纖(6)，該傳輸光纖(6)就是所述拉曼放大器的增益介質。
3.如權利要求1所述的遠程傳感系統，其特征是摻鉺光纖激光器為線性腔摻鉺光纖激光器，由摻鉺光纖(8)、布拉格光纖光柵(7)及光纖反射鏡(9)構成；摻鉺光纖激光器的諧振腔的兩個反射鏡分別是用于傳感測量的布拉格光纖光柵(7)和光纖反射鏡(9)。
4.如權利要求3所述的遠程傳感系統，其特征是作為傳感器的布拉格光纖光柵(7)是一種對溫度、壓力或應變敏感的光纖光柵，對摻鉺光纖激光器起到選頻的作用，其反射率是經過優化的。
5.如權利要求3所述的遠程傳感系統，其特征是構成摻鉺光纖激光器的光纖反射鏡(9)由一個具有很寬的反射帶寬和高反射率的50∶50的分光器構成。
6.如權利要求3所述的遠程傳感系統，其特征是摻鉺光纖激光器為環行腔激光器，環行腔由波分復用耦合器(4)、摻鉺光纖(8)、光纖隔離器(10)和輸出耦合器(11)構成；光纖隔離器(10)用于保證激光在諧振腔內單方向運轉；輸出耦合器(11)在腔內同方向的兩個端中的一端連接波分復用耦合器(4)，另一端連接光纖隔離器(10)；輸出耦合器(11)在腔外同方向的兩個端中，一端連接布拉格光柵(7)，另一端構成摻鉺光纖激光器的輸出端，與波分復用耦合器(4)的信號端相連。
7.如權利要求6所述的遠程傳感系統，其特征是布拉格光纖光柵(7)做為選頻器件，其反射率達到99％以上；在環行腔結構中，輸出耦合器(11)的分光比是經過優化的，以平衡激光器的閾值功率和輸出功率；摻鉺光纖激光器的激光輸出端采用耦合器分光比較小的一端；輸出的激光信號經過波分復用耦合器(4)后進入拉曼放大器放大，然后到達信號探測系統(5)。
8.如權利要求6所述的遠程傳感系統，其特征是輸出耦合器(11)是一個2×2的耦合器。
全文摘要
一種遠程傳感系統，屬于光通信技術領域。按照本發明提供的設計方案，遠程傳感系統包括一個拉曼放大器和一個由摻鉺光纖、布拉格光纖光柵及光纖反射鏡構成的摻鉺光纖激光器；其特征在于拉曼放大器中的復合激光器泵浦單元由以下光器件構成兩個半導體激光器，用于輸出具有預定波長的泵浦激光，該泵浦激光是線偏振的；偏振隔離泵浦合波器，用于將兩個半導體激光器輸出兩個波長相同的線偏振激光合成一束；以及波分復用耦合器，用于將由偏振隔離泵浦合波器輸入的泵浦激光輸出到增益介質，由所述泵浦激光對所述增益介質進行反向泵浦。本發明公開了一種新型遠程傳感系統，該系統是基于拉曼放大器和摻鉺光纖激光器的原理實現的，具有高信噪比和低閾值功率的特點。
文檔編號H04B10/17GK1925372SQ200610086388
公開日2007年3月7日 申請日期2006年7月11日 優先權日2006年7月11日
發明者遲榮華 申請人:無錫市中興光電子技術有限公司