CN102288208A

CN102288208A - 利用光纤放大器提高干涉光路中有效干涉光强度的方法

Info

Publication number: CN102288208A
Application number: CN2011102147399A
Authority: CN
Inventors: 贾波; 肖倩; 王超; 卞庞; 吴媛
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2011-07-29
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明属光纤传感技术领域，具体为一种利用光纤放大器提高干涉光路中有效干涉光强度的方法。本发明通过在感应光纤（缆）的末端使用光纤放大器，将入射到末端的光功率进行放大，以提高干涉光路中的干涉光强度。使用这种方法可大大突破传统的光纤传感设备监测距离。

Description

利用光纤放大器提高干涉光路中有效干涉光强度的方法

技术领域

本发明属光纤传感技术领域，具体涉及一种提高干涉光路中有效干涉成份的方法。

背景技术

光纤传感技术常被用于大范围、长距离的监测中，如，应用于石油管线，高压电网，输气管道、通信光缆等基础设施的安全监测，它把光纤作为感应器，实时采集相关扰动信号，通过对特征的分析来确定扰动发生的位置。单芯反馈式光路结构是感应段光纤使用单根光纤，光纤自身不用闭合，仅在光纤末端加一反馈装置，如反射镜，构成干涉光路。在实际应用中，这种结构铺设方便、灵活。这类监测系统的特点是携带扰动信息的光是传输到光纤末端后，经反馈装置反馈的光。

如下是单芯反馈式定位系统采用的一种定位技术。

图1所示的为一感应段光纤（光缆），1为光纤（光缆）的起始点，感应段的末端有一反馈装置2，如反射镜，入射光经反馈装置作用后原路返回。设外界D点有一扰动，对光相位产生的调制为

Figure 2011102147399100002DEST_PATH_IMAGE001

，当光先后两次经过扰动点D，相位受到的调制为：

其中，

Figure 2011102147399100002DEST_PATH_IMAGE003

，L为扰动点D距反馈装置2的距离，c为真空中的光速，

为光纤的等效折射率。

构造干涉光路，如图2所示。

干涉光路由N*M（N、M为整数）耦合器3、P*Q（P、Q为整数）耦合器4、光纤延迟器5，延迟为τ，光纤（光缆）6和反馈装置2构成。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的两个端口。光纤6为感应光纤。反馈装置2，使沿光纤传输来的光重新进入光纤6返回到耦合器4。光源经耦合器3的端口3a1输入，经耦合器3分光后分别经端口3b1、3b2输出，两路光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→2→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→2→6→4b1→4a1→5→3b1

在耦合器3处重新会合，发生干涉，干涉信号分别经端口3a1、3a2、…、3aN输出。

干涉光路中，先经过延迟器5再进入光缆6的光，受到的相位调制为：

Figure 2011102147399100002DEST_PATH_IMAGE005

两相干干涉光的相位差为：

在相位差的频谱中，存在频率陷落点，即“陷波点”，根据陷波点的位置即可确定扰动发生的位置。“陷波点”如图3所示，这是通过时频变换得到的幅度-频率图，“○”所标示的位置即为频率陷波点。陷波点与扰动位置的关系为：

其中，

为k阶陷波点的频率。

从上述的原理中可以看到，相干的光必需历经从感应光纤6的端点1传输到2再返回到感应光纤6中这一过程，才能携带有位置“L”信息。然而，在实际中，由于光纤的结构特点以及光纤自身的缺陷等原因，光纤中存在着散射光，如瑞利散射光等。

如图4所示，设点7是一个散射点，背向散射光沿光缆回到干涉结构中，因而存在这样两束光：

Ⅰ：3b1→5→4a1→4b1→6→7→6→4b1→4a2→3b2

Ⅱ：3b2→4a2→4b1→6→7→6→4b1→4a1→5→3b1

由于具有相似的光谱特性，无扰动时，光程相等，因而在耦合器3处重新会和，也会发生干涉。显然，这两束干涉光携带的扰动点的信息是点7到扰动点D的长度L₇。设点8是另一个散射点，该点后向散射形成的干涉携带的长度信息为点8到扰动点D的长度L₈，显然，

Figure 2011102147399100002DEST_PATH_IMAGE009

，由于这些干涉在输出端是混合在一起的，对于布里渊背向散射光或拉曼背向散射光等产生的干涉光，可以通过光滤波器滤除，但对于瑞利散射产生的干涉光，或是光路上的接点反射产生的干涉光，是不可能通过光滤波的方法对其进行消除，必然会影响有用干涉信号的纯度，直接导致扰动点位置L的判断。通常情况下，背向散射光、接点反射光产生的干涉强度明显小于反馈装置反射的光产生的干涉强度（有效干涉信号），对有效干涉信号不会产生明显的影响，L的精度可以满足实际使用需要，但是当被监测线路达到一定长度后，整个线路散射光的综合影响会很明显，这时可以观察到干涉信号已发生明显的畸变，系统因此无法正常获得有效干涉信号，监测距离也因背向散射光的原因而受到了明显限制。

相类似，光路中的接点带来的反射也会对干涉信号造成同样的不利影响。

为了解决上述问题，在先技术（专利申请号：201010508357.2）通过在感应光纤末端加入相位调制器（如图5所示），采用相位生成载波技术，减小了光散射信号造成的影响，在一定程度上提高了测量距离。但由于光纤达到一定长度后，散射带来的干扰信号远大于有效干涉信号，经载波调制的信号被干扰信号所淹没，无法提取有效干涉信号的成份，测量长度再次受到限制。

发明内容

本发明提供一种能够能显著提高干涉光路中有效干涉光强度的方法。

本发明提供的提高干涉光路中有效干涉光强度（功率）的方法，是在单芯反馈式干涉系统的传感光纤的末端使用一光纤放大器，对传输到传感光纤末端的光，即注入光纤放大器的光进行放大，经放大后的光重新注入传感光纤。本发明方法是对参与干涉的光进行放大，即，放大是在光发生干涉之前，而不是在干涉后。

图6为光路的连接方式，10为带有光纤放大器的光组件。10a为光组件的端口，与传感光纤6末端相连，从传感光纤6经端口10a入射到光组件10的光，经光组件10放大后，再经由端口10a输出，重新入射到传感光纤6中。

由于经光纤放大器放大的光具有与入射光相同的相位、偏振特性，因而，不会影响到相互干涉的光束的相位差，在放大光强的同时，保持原有干涉光路的干涉特性。

光组件10可为由具有输入输出端口为同一根芯的单一光纤放大器构成，图7即为一种具有公共端口的光纤放大器结构，是一种反射式结构。

光组件10也可由为输入、输出端口不同的光纤放大器构成。光组件10的结构可为图8所示。其中，12是光纤放大器，12a、12b是光纤放大器的输入、输出端口，11是光纤分支器件，11a、11b、11c分别是其光纤端口。光纤放大器12通过与通过光纤分支器件11的连接，可以实现将输入到光组件10的光放大后经光组件10的同一端口输出。光纤分支器件11可以是光分路器，也可以是光环形器。

使用本发明的方法，可以将传输到传感光纤末端的光放大，而在传感光路径中间的背向散射光却不能得到放大，因而，可以大大提高有效干涉光的功率，使其显著大于背向散射光，

由于本发明的方法有效地提高了有效干涉光功率，因而可以突破传感光缆距离很长时，有效光干涉光功率偏弱带来的测量距离限制的问题，大大提高测量距离光功率。这也是本发明的突出效果与优势。

附图说明

图1是单芯反馈式传感器定位原理。

图2为一种单芯反馈式干涉结构。

图3是从干涉信号解调出的相位信号的频谱，“○”为频率“陷波点”。

图4是背向散射光带来的影响示意图。

图5是采用相位生成载波技术消除背向散射影响的实现方法。

图6是采用光纤放大器提高干涉光强的实现方法。

图7是一种由同一端口输入输出光的光纤放大器结构。

图8是光组件10的一种结构形式。

图9是实施列所采用的干涉光路连接方式。

图中标号：1为光纤（光缆）的起始点，2为反馈装置，3为N*M（N、M为整数）耦合器，4是P*Q（P、Q为整数）耦合器，5是光纤延迟器，延迟为τ，6是传感光纤（光缆）。3a1、3a2、…、3aN、3b1、3b2为耦合器3的端口，3a1、3a2、…、3aN是同向端口，共N个，3b1、3b2是耦合器3的另一组同向端口（共M个）中的两个端口。4a1、4a2、4b1为耦合器4的端口，4a1、4a2是耦合器2的一组同向端口（共P个）中的两个端口，4b1是耦合器4的另一组同向端口（共Q个）中的一个端口；7、8为光纤中的散射点；9为相位调制器；10为带有光纤放大器的光组件，10a为光组件的端口，10a与传感光缆6的末端相连；11是光纤分支器件，11a、11b、11c分别是其光纤端口，该光纤分支器件可以是光分路器，也可以是光环形器；12是光纤放大器，12a、12b是光纤放大器的输入、输出端口。

具体实施方式

本实施例采用光路结构如图9所示干涉结构。使用的光源是电子集团总公司44研究所生产的超辐射二极管（SLD），工作波长1500nm。耦合器3采用均分的3*3光纤熔融拉锥型单模耦合器，耦合器4采用均分的2*2光纤熔融拉锥型单模耦合器，皆为武汉邮电研究院生产。光纤延迟器使用的光纤为G652型单模光纤。光电转换及信息处理中使用的光电转换器件为44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器。尾端串接的光组件10所采用的光纤放大器12是掺铒光纤放大器（EDFA），分支器件11是光纤环形器。设12a、12b分别是光纤光纤放大器12的光输入端口，环形器的通光方向为11c→11a、11b→11c，连接方式如图9所示，即11a连接12a，12b连接11b。在这种连接方式中，两路相互干涉的光的走向为：

Ⅰ_EDFA：3b1→5→4a1→4b1→6→11c→11a→12a→12b→11b→11c→6→4b1→4a2→3b2。

Ⅱ_EDFA：3b2→4a2→4b1→6→11c→11a→12a→12b→11b→11c→6→4b1→4a1→5→3b1。

这两路光在耦合器3处会合，发生干涉。

上述光路表示中，箭头方向表示光的行进方向，箭头所指向的标号表示光经过该标号代表的部件或端口。

在不采光纤放大器对干涉光进行放大时，线路的最大监控距离为60km，采用光纤放大器进行放大后，最大监控距离可达120km。

Claims

1.一种利用光纤放大器提高干涉光路中有效干涉光强度的方法，其特征在于，具体步骤为：在单芯反馈式干涉系统的传感光纤的末端使用一光纤放大器，对传输到传感光纤末端的光，即注入光纤放大器的光进行放大，经放大后的光重新注入传感光纤。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述光纤放大器为输入输出端口是同一根芯的单一光纤放大器，或为输入、输出端口不同的光纤放大器。