結(jié)合超低損耗光纖和高階泵浦放大的超長(zhǎng)距離隨機(jī)光纖激光傳感

01導(dǎo)讀

隨機(jī)光纖激光器依靠光纖中的隨機(jī)散射提供反饋，非線性效應(yīng)或有源粒子提供增益，即可在無(wú)需傳統(tǒng)光纖激光器中固定諧振腔的情況下實(shí)現(xiàn)激光激射，具有高亮度、頻譜無(wú)模式、波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換靈活等特點(diǎn)?；陔S機(jī)光纖激光固有的溫度不敏感特性，利用在光纖鏈路遠(yuǎn)端光纖布拉格光柵作用下產(chǎn)生的激光作為傳感信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)高光信噪比遙測(cè)。然而，面向架空輸電線路監(jiān)測(cè)及海上風(fēng)電設(shè)施監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景，仍需進(jìn)一步延長(zhǎng)單端光纖無(wú)中繼傳感的距離。

近日，電子科技大學(xué)、東北大學(xué)、四川大學(xué)和之江實(shí)驗(yàn)室的合作研究團(tuán)隊(duì)提出一種基于高階泵浦和超低損耗光纖及有源光纖相結(jié)合的超長(zhǎng)距離隨機(jī)光纖激光傳感系統(tǒng)（Random fiber lasing sensor, RFLS），實(shí)現(xiàn)了200km超長(zhǎng)距離FBG位移、傾角、溫度及應(yīng)變多參量傳感。該研究成果以“Ultralong Single-Ended Random Fiber Laser and Sensor”為題發(fā)表在光學(xué)期刊Laser & Photonics Reviews，韓冰博士為論文第一作者，饒?jiān)平淌诤蛥呛毖芯繂T為論文共同通訊作者。

02研究背景

僅利用長(zhǎng)距離無(wú)源光纖中累積的隨機(jī)分布式瑞利散射反饋及受激拉曼散射增益，在足夠強(qiáng)的泵浦作用下即可實(shí)現(xiàn)頻譜無(wú)模式的全開(kāi)腔型隨機(jī)光纖激光器（Random fiber laser, RFL）。通過(guò)在RFL光纖鏈路的一端加入點(diǎn)式反射鏡構(gòu)成半開(kāi)腔結(jié)構(gòu)或在無(wú)源光纖中加入摻鉺光纖（Erbium-doped fiber, EDF），可降低隨機(jī)光纖激光的激射閾值和實(shí)現(xiàn)隨機(jī)光纖激光的級(jí)聯(lián)轉(zhuǎn)換。

新型光纖的出現(xiàn)通常會(huì)帶來(lái)光纖技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域的突破。近年來(lái)，為滿足光纖通信日益增長(zhǎng)的更高傳輸速率、更大傳輸容量及更長(zhǎng)傳輸距離的需求，具有大有效面積的超低損耗光纖（Ultralow loss fiber, ULLF）作為新一代通信光纖已被成功應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)，不斷創(chuàng)造傳輸距離的新紀(jì)錄。然而，ULLF在光纖激光及傳感系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)仍有待探究。

另一方面，光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating, FBG）作為傳感器件已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。在半開(kāi)腔型RFL中，通過(guò)將FBG置于光纖鏈路遠(yuǎn)端，其既可以作為點(diǎn)式反射鏡決定激光激射波長(zhǎng)，也可作為傳感元件感知外界信息，這樣，在RFL泵浦端探測(cè)到的隨機(jī)光纖激光就是傳感信號(hào)。因此，具有長(zhǎng)腔長(zhǎng)、良好環(huán)境不敏感特性及高光信噪比（Optical signal-to-noise ratio, OSNR）的半開(kāi)腔型RFL就為實(shí)現(xiàn)FBG遙感提供了一個(gè)理想平臺(tái)。此前，基于單根光纖的單端隨機(jī)光纖激光傳感（Random fiber lasing sensing, RFLS）系統(tǒng)采用二階泵浦結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)單模光纖，已實(shí)現(xiàn)距離為150km的FBG傳感。然而，對(duì)于這種后向泵浦半開(kāi)腔型RFLS，其極限腔長(zhǎng)決定了最長(zhǎng)傳感距離。當(dāng)光纖長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)，光纖中累積的后向瑞利散射反饋取代鏈路尾端FBG作用，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離遙感。因此，超長(zhǎng)距離、高性能單端RFLS仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

本團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論分析，提出了一種基于高階泵浦結(jié)合具有低傳輸損耗、低瑞利散射系數(shù)、低拉曼增益系數(shù)的ULLF實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)距離RFLS的新技術(shù)，并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了200km超長(zhǎng)距離RFL（OSNR達(dá)25dB）及多參量RFLS系統(tǒng)（OSNR>15dB）。

03創(chuàng)新研究

3.1 原理

在高階RFL中，由泵浦源、傳輸光纖及泵浦端點(diǎn)式反射鏡共同作用可激射1.46μm級(jí)聯(lián)隨機(jī)激光。產(chǎn)生的1.46μm高階隨機(jī)激光進(jìn)一步作為1.5μm隨機(jī)激光的直接腔內(nèi)泵浦，與光纖中的后向瑞利散射及尾端的1.5μm反射鏡共同構(gòu)成后向泵浦結(jié)構(gòu)，即可在泵浦端實(shí)現(xiàn)1.5μm隨機(jī)激光探測(cè)。在采用ULLF的高階RFL中，由于ULLF具有超低傳輸損耗及大有效面積，1.46μm級(jí)聯(lián)隨機(jī)激光的傳輸損耗更低，最大功率位置可被有效推向光纖遠(yuǎn)端，為EDF提供更高泵浦功率。如圖1所示，相較于采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的情況，在ULLF鏈路中的EDF可為1.5μm隨機(jī)激光提供更高增益。此外，由于1.5μm隨機(jī)激光在ULLF中傳輸損耗更低，其在光纖鏈路尾端的功率更高。因此，在高階RFL中，沿ULLF及EDF的激光功率分布更優(yōu)，可顯著提高遠(yuǎn)端點(diǎn)式反射鏡的作用效果，有效提高激光OSNR及腔長(zhǎng)距離。



圖1 結(jié)合ULLF及EDF的超長(zhǎng)距離高階RFL原理圖

3.2 單端RFL腔長(zhǎng)距離延長(zhǎng)方法及驗(yàn)證

圖2所示為基于標(biāo)準(zhǔn)單模光纖的一至六階RFL性能對(duì)比仿真結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)，在高階泵浦作用下，1.46μm隨機(jī)激光的功率最大值位置更加深入光纖鏈路遠(yuǎn)端。因此，高階RFL中產(chǎn)生的1.5μm隨機(jī)激光的OSNR更高。對(duì)于高階RFL受光纖的傳輸損耗、后向瑞利散射系數(shù)及拉曼增益系數(shù)的影響進(jìn)行仿真分析（圖3），采用具有更低傳輸損耗、更低后向瑞利散射系數(shù)及更低拉曼增益系數(shù)的光纖可有效延長(zhǎng)后向泵浦RFL的極限腔長(zhǎng)距離及OSNR。其中，我們首次發(fā)現(xiàn)光纖的超低傳輸損耗是提高RFL腔長(zhǎng)距離及性能的關(guān)鍵因素。



圖2 超長(zhǎng)距離RFL性能對(duì)比仿真。a.1.46μm隨機(jī)激光功率分布。b.1.46μm隨機(jī)激光功率最大值位置。c.歸一化1.5μm隨機(jī)激光光譜。d.1.5μm隨機(jī)激光OSNR。

圖3 采用不同參數(shù)光纖的超長(zhǎng)距離后向泵浦六階RFL性能對(duì)比仿真。a.采用具有不同衰減系數(shù)、瑞利后向散射系數(shù)、拉曼增益系數(shù)光纖時(shí)，六階隨機(jī)激光歸一化光譜。b.采用具有不同衰減系數(shù)、瑞利后向散射系數(shù)、拉曼增益系數(shù)光纖時(shí)，六階隨機(jī)激光OSNR。c.采用具有不同衰減系數(shù)、瑞利后向散射系數(shù)、拉曼增益系數(shù)光纖時(shí)，六階RFL極限腔長(zhǎng)距離。

在理論分析的基礎(chǔ)上，我們構(gòu)建了基于G.654.E光纖及EDF的超長(zhǎng)距離六階RFL（圖4a）。采用1090nm泵浦結(jié)合特殊波長(zhǎng)波分復(fù)用器及寬帶光纖環(huán)反射鏡，在無(wú)需特殊波長(zhǎng)FBG的情況下實(shí)現(xiàn)了前向泵浦一至五階級(jí)聯(lián)隨機(jī)激光激射（圖4b）。將10m長(zhǎng)EDF置于兩段100km長(zhǎng)G.654.E光纖中間，為1.5μm隨機(jī)激光提供點(diǎn)式增益。通過(guò)改變光纖尾端FBG中心波長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了1.5μm隨機(jī)激光輸出波長(zhǎng)調(diào)諧，且OSNR可達(dá)25dB（圖4c）。



圖4 超長(zhǎng)距離六階RFL原理圖及性能測(cè)試結(jié)果。a.基于G.654.E光纖及EDF的超長(zhǎng)距離六階RFL示意圖。b.級(jí)聯(lián)隨機(jī)激光輸出歸一化光譜。c.六階隨機(jī)激光歸一化波長(zhǎng)調(diào)諧光譜。

3.3超長(zhǎng)距離單端RFLS

由于超長(zhǎng)距離六階RFL中光纖尾端的FBG也可用作傳感元件，因此，通過(guò)探測(cè)六階隨機(jī)激光激射波長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、超長(zhǎng)傳感距離及高OSNR的無(wú)中繼遙感。為驗(yàn)證提出的超長(zhǎng)距離高階RFLS系統(tǒng)性能，采用不同結(jié)構(gòu)封裝FBG測(cè)試了位移、傾角、溫度及應(yīng)變多參量傳感性能（圖5）。該工作實(shí)現(xiàn)了200km超長(zhǎng)距離、>15dB高OSNR的多參量RFLS，且具有良好的線性度及復(fù)用能力。



圖5超長(zhǎng)距離RFLS位移、傾角、溫度、應(yīng)變多參量傳感結(jié)果。

04應(yīng)用與展望

該工作提出了一種基于高階泵浦放大結(jié)合低傳輸損耗、低瑞利后向散射系數(shù)及低拉曼增益系數(shù)光纖的后向泵浦RFL腔長(zhǎng)延長(zhǎng)方法，展示了200km超長(zhǎng)距離、高性能隨機(jī)光纖激光遙感系統(tǒng)，為長(zhǎng)跨距輸電線路及海上風(fēng)電設(shè)施等超長(zhǎng)距離結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)提供了新的解決方案。

審核編輯：劉清