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单频窄线宽光纤激光器的主要应用
时间: 2021-10-15 08:31 浏览次数:
光纤通信系统 光纤通信是现代宽带通信网的主要技术基础,而如何进一步提高传输容量和传输距离是光纤通信技术发展的重要目标。就其实现技术来看,主要集中在密波分复用光通信系

光纤通信系统

 

光纤通信是现代宽带通信网的主要技术基础,而如何进一步提高传输容量和传输距离是光纤通信技术发展的重要目标。就其实现技术来看,主要集中在密波分复用光通信系统和相干光通信系统两个方面。密集波分复用系统的复用波长间隔也0.8nm向0.4nm乃至0.1nm的方向迈进,要达到这样密集波长间隔复用的首要问题就是必须要有窄线宽激光光源,尤其是多波长的窄线宽光源。单频窄线 宽光纤激光器技术的发展无疑提供了最好的保证。例如窄线宽的布里渊光纤激光器,除输出光谱线宽非常窄外,另一优势就是产生以布里渊频移量为波长间隔的多波长激光输出。利用在布里渊光纤激光器谐振腔中产生第一阶Stokes信号作为下一阶的布里渊抽运,产生第二阶Stokes信号,即通过这样的级联就可形成多波长输出,波长间隔10GHz 左右,其波长间隔小0.1nm。目前已128个波长的多波长输出实验系统报道,该类窄线宽光纤激光器将在密集波分复用系统中得到大量应用。最近几年光纤通信技术发展的另一重要的方向就是相干光通信系统。一方面,光相干探测可以大幅度地提高光接收机的灵敏度,相比直接探测可以提高7-14dB,这样就可提高光纤传输链路的单跳传输距离,是未来发展超长距离光纤通信的重要实现手段。另一方面,在相干光通信系统中可以采用更多的信号调制方式,如相位调制、频率调制等。发展相干光通信系统的首先问题是要有相干性好的高性能光源,因此光谱线宽能达到几kHz乃至几十 Hz 的单频窄线宽光纤激光器无疑能满足这方面的要求。

 

光纤传感器

 

目前对单频窄线宽激光器提出最迫切需求的是光纤传感器技术的发展。随着 社会需要的加大,以及光纤传感器技术本身的发展,使得大量的光纤传感器逐步 进入实用化。这其中许多光纤传感器都需要单频窄线宽激光光源。将单频窄线宽 光纤激光器用于光纤传感器可以满足光相干探测的需要,一方面是实现相位或频 率调制类物理量解调的基本方法,如布里渊散射光时域反射BOTDR和干涉型光纤传感器;另一方面则是可以改善传感系统的信噪比,提高传感系统的动态范围 和空间分辨率,如相干光时域反射计COTDR、光频域反射计OFDR以及布里渊散射光时域反射计BOTDR等应用需求。

单频窄线宽光纤激光器目前最典型的应用例子是使用光频率线性调制的OFDR技术和布里渊散射光时域反射计(BOTDR)技术。图1所示为基于光频率线性调制OFDR的典型组成结构。测量系统由窄线宽激光器输出光频线性调制 光,光束被分为两路,一部分光耦合进入参考臂,并反射回光纤耦合器形成外差相干探测中的本地振荡(LO)参考光。另一部分光则耦合进传感光纤,即测量臂。传感光纤中产生的后向散射光与参考光在光纤耦合器中混频生成拍频信号,对拍频信号进行光电转换,拍频频率正比于传感距离,由拍频频率可以得到被测量的 距离信息,而拍频信号强度则反映传感物理量的大小。传感系统使用光相干探测,一方面本地参考光束可以用来放大背向散射信号,可以大幅度提高探测灵敏度,目前可达到-90dBm的高接收灵敏度;另一方面加在敏感光纤上的任何形式扰动,比如压力、温度、声音、振动都可能引起的返回散射光偏振态、频率或相位的变化,也就使得拍频信号发生变化,因此也就能实现这些物理量传感。例如使用线性扫频的窄线宽光纤激光器可搭建分布式光纤振动传感器系统,用于探测、定位和分辨超过10公里距离振动扰动信号,该传感系统可为核电站、油气输送管道、军事基地以及边境地区提供有效的安全保证。

编辑搜图

1:光频率调制的 OFDR 系统组成

布里渊光时域反射计(BOTDR)或布里渊光时域分析仪(BOTDA)能实现应变和温度的分布式测量,是目前最先进的光纤传感器技术。BOTDR和BOTDA是最为典型的使用光频外差探测的分布式光纤传感器。BOTDR或BOTDA利用光纤中自发布里渊散射光的频移量携带有沿光纤轴向分布应变信息的传感原理,通过对布里渊散射光频移变化量的探测与分析,实现应变的远程高精度定位测量。在测量中,应变量大小反映为布里渊频移量的变化,布里渊频移量与注入光纤信号探测光的频率相差约10GHz,这就决定了需要通过相干探测方式来实现布里渊频移量的解调。最终通过布里渊频移变化量的分析而获得沿光纤轴向分布的应变信息。BOTDR系统主要由窄线宽光纤激光器、脉冲调制器、宽带光探测器、微波扫频源等部件组成。窄线宽光纤激光器的输出光束被分成两路,一路被调制为光脉冲,进入传感光纤产生后向布里渊散射光;另一路作为本振光,实现对传感光纤中的自发布里渊后向散射光进行外差探测,以获取应变信息。目前BOTDR应变测量精度可以达到±10με,空间分辨率则可以达到1米。BOTDR或BOTDA与传统的监测技术相比,特点主要有分布式、长距离、高精度、耐久性好等优点。基于BOTDR或BOTDA光纤应变或温度传感器在桥梁、大坝等结构健康监测,以及智能蒙皮等均有很好的应用前景。

相干激光雷达

  单频窄线宽光纤激光器在激光雷达或激光测距系统中也有非常重要的应用。使用单频窄线宽光纤激光器作为探测光源,结合光相干检测,就可搭建长距离(数百公里)的激光雷达或测距仪。图2所示为这种系统的典型结构,其主要由窄线宽激光源、瞄准仪和接收器以及信号分析和处理设备组成。窄线宽光纤激光器输出频率线性调制光。通过测量参考信号与目标返回信号的拍频频率的分析,就可以获得距离信息,这种原理与光纤中OFDR技术具有相同的工作原理,因此不仅具有非常高的空间分辨率,而且能增大测量距离。这种系统中激光光谱线宽或者说相干长度决定了距离测量范围和测量精度,因此光源的相干性越好, 整机系统的性能就越高。


2:相干激光雷达组成结构框图辑搜图

 

微波光子系统

微波光子学概念1993年提出,其研究内容涉及到与微波技术和光纤技术相关的各个领域,并主要集中在两个方面:一是解决传统的光纤通信技术向微波频 段发展中的问题,包括激光器、光调制器、放大器、探测器和光纤传输链路的研究;二是利用光电子技术解决微波信号的产生和控制问题,主要有光生微波源、微波光子滤波器、光域微波放大器、光致微波电信号的合成和控制等。利用单频窄线宽光纤激光器可以制作性能优良的光生微波源。2006年,Y. Yao等报道了一种双波长的单纵模光纤激光器,并用于微波信号的产生。目前主要有两种方 案用于微波的产生,一是在光纤激光器的谐振腔内产生双波长单频窄线宽激光,利用其输出时拍频产生微波信号,二是多波长的布里渊光纤激光器,利用其输出 拍频产生微波信号,其频率通常约为10GHz,也就是光纤中布里渊频移量的大小。

 

太赫兹源

 

太赫兹频段是指频率从0.1-10THz, 是介于毫米波与红外光之间的电磁频谱区域。由于物质的THz光谱包含丰富的物理和化学信息, 对物质结构的探索具有重要意义, 同THz辐射还具有瞬态性、宽带性、相干性和光子能量低等特点, 因此THz技术在基础研究领域、工业生产及军事领域都极其有重要的研究价值和应用前景。随着超快激光技术的迅速发展,包括太赫兹辐射源、探测器和应用技术在内都得到了飞速发展,尤其世界各国都相当重视对于太赫兹源的研究,已经提出了数十种太赫兹源产生方案。2009年,W. Shi等提出了一种基于光纤激光器结构的太赫兹源,用窄线宽光纤激光器作为脉冲种子源,通过光参量振荡放大后生成太赫兹信号,提出了一种新太赫兹波产生方法。可以预见,利用窄线宽光纤激光器还可以构建出更多的太赫兹波产生方案,因此高性能单频窄线宽光纤激光器也将在该领域得到应用。


 

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