半导体激光器互注入式分布光纤传感系统

发布时间：2019-12-14

　　摘要：为了简单准确地检测与定位外部扰动，基于互注入半导体激光器和光纤环结构，提出一种新型分布光纤传感系统，利用系统输出信号幅度的均方根与外部扰动位置的线性关系进行定位，并通过差分检测方法避免激光器功率波动对定位结果的影响。实验表明：该系统方案和定位方法是可行的，且检测灵敏度高，信号处理方便。

　　关键词：分布光纤传感;半导体激光器互注入;均方根;差分检测;光纤环

　　0引言

　　分布光纤传感系统具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高和监测距离远等诸多优点，可以实现全自动的安全监控，在周界的安防监控、管道的安全检测、大型建筑物的结构健康监控等方面具有广泛的应用前景。目前，分布式光纤扰动传感系统主要有光时域反射仪(OTDR)和干涉仪两大类。OTDR技术成熟，主要通过检测后向散射光在光纤中的传输时间进行扰动定位，但散射光强度比较弱，导致灵敏度低。为了提高系统检测灵敏度及传感距离，在传统OTDR基础上，发展出相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)[1,2]、偏振光时域反射仪(P-OTDR)[3,4]及布里渊光时域分析仪(B-OTDA)[5,6]等技术。干涉型传感器主要有Sagnac干涉仪和Mach-Zehnder干涉仪。传统Sagnac干涉仪为环形结构，实际测量中需要隔离一半的光纤，增加了成本，也限制了该系统在长距离检测领域的应用。因此，直线型Sagnac干涉仪结构的分布光纤传感系统被提出[7]，但由于Sagnac干涉仪零频率定位方法的限制，只能定位宽带扰动。虽然单个Mach-Zehnder干涉仪可以感知外部扰动，但需通过双向工作获得的两路检测信号的互相关进行扰动定位[8,9]。尽管双向Mach-Zehnder干涉仪传感系统的信号处理简单，但其工作状态易受环境因素的影响，不能很好地区分实际扰动与环境影响。此外，也可将Michelson、Mach-Zehnder以及Sagnac干涉仪混合使用[10~12]，实现时变扰动的分布式检测与定位，但结构复杂，成本高。

　　StephanusJ等人[13]利用反射式环形干涉仪结构实现了155m的分布光纤传感。该系统通过一个反射式环形干涉仪和一个差分环形干涉仪输出信号的比值进行扰动定位，对温度波动引起的缓慢变化不敏感，但需要使用频分复用技术获得两路检测信号。我们曾报道过采用基于单个半导体激光器光反馈机理和环形干涉仪相结合的分布光纤传感系统[14]。由于激光器光反馈的放大作用[15,16]，使传感系统体现出很高的检测灵敏度。此外，通过对检测信号强度的检测实现了扰动定位，同时避免了扰动信号带宽的限制。但该系统因检测信号强度容易受激光器功率波动的影响，使得检测不太稳定。为了克服这一不足，我们将光反馈工作模式改为互注入工作模式，提出一种基于激光器互注入的分布光纤传感系统。该系统通过差分方法进行扰动定位，避免了激光器功率波动对定位结果的影响，且采用互注入工作模式使系统检测灵敏度和定位精度都有所提高。

　　1激光器互注入式传感系统工作原理

　　如图1所示，激光器互注入传感系统由两个不带光隔离器的DFB类型激光二极管LD1和LD2、两个偏振控制器PC1和PC2、一个2×2光纤耦合器(FC)及一段单模光纤组成。系统中，光纤环由FC和单模光纤所构成。与反射式环形干涉仪系统相同[13]，整个系统可使用的传感光纤长度为光纤环长的一半(从FC开始到光纤环的中部)。符号δ表示作用于传感光纤上的一个扰动，距离FC为Lx。PC用于调节光束的偏振态，确保在激光器内产生最大光反馈干涉效应。两路检测信号分别从激光器内置的光电二极管中获得。

　　从工作原理上来讲，该传感系统属于干涉仪类型的分布式传感系统。LD1输出的连续光通过PC1后，被FC分为两束。从FC的端口3输出的光束A在光纤环内顺时针传播，而从FC的端口4输出的光束B经过PC2后被注入到LD2中，产生微小的频移后从LD2输出，进入光纤环并以逆时针方向传播。最后，光束A和光束B同时被反馈回LD1内。同理，LD2输出的连续光通过PC2后，也被FC分成两束，即光束C和光束D。从FC的端口2输出的光束C在光纤环内以逆时针方向传播，FC的端口1输出的光束D经PC1后被注入到LD1中，产生微小的频移后从LD1输出，进入光纤环中以顺时针方向传播。最后，光束C和光束D同时被反馈回到LD2内。

　　通过光注入对方激光器引起的频移光反馈效应与光纤环结构一起，形成了两个反射式环形干涉仪。如果光纤环的长度远大于两个激光器的相干长度，则只有具有零光程差的两个光束才会在LD1或LD2内形成干涉，其它光束则不会。频移反馈光在激光器内形成干涉，导致激光器的输出光功率变化，并得到一定程度的放大[15,16]。因此，反馈光中微小的相位变化，通过激光器内频移反馈光的干涉效应会引起激光器输出功率发生明显的变化，使得传感系统的检测灵敏度比其它类型传感系统具有明显的提高。

　　无扰动时，互注入传感系统工作在一个稳定的动态平衡状态，且对外部慢变扰动不敏感，与Saganc干涉仪传感系统类似。当外部扰动通过环形干涉仪调制了传播光相位时，激光器内干涉光的强度会发生变化，并通过交叉增益调制、非线性放大等效应雪崩式地破坏原系统的平衡状态，使两个激光器的输出发生强烈波动。随着外部扰动的消逝，系统又重新回到原来的平衡状态上。因此，通过激光器的非线性效应和有源放大作用等使得系统检测灵敏度有了明显的提高。

　　与采用基于单个半导体激光器光反馈机理和环形干涉仪相结合的分布光纤传感系统[14]相同，检测信图号的幅度随扰动位置发生变化，且其均方根值(RMS)与扰动位置呈线性关系。此外，扰动作用于传感光纤时，由于两个反射式环形干涉仪共用光纤环，并且反向工作，使得系统两路输出信号波形为反相关系，因此，可以通过对两路检测信号实行差分检测，不仅可以提高检测系统的信噪比，还同时避免了激光器输出功率的波动对定位精度的影响[17,18]。

　　2实验装置

　　我们搭建了一个光纤环长度为2.032km的实验系统，因此传感光纤长度为1.016km，其中分别设置7个不同的扰动点，实验装置如图2所示。两个连续激光器均为分布反馈式半导体激光二极管(LD1和LD2)。LD1和LD2的输出功率分别为1.232mW和1.372mW，相干长度均小于100m，远小于光纤环长度(2.032km)。FC的耦合比为20∶80，其中，80%的直通光进入光纤环，20%的耦合光直接注入到对方激光器内。FC1和FC2是为观测激光器输出光谱所设定，其耦合比为10∶90。激光器输出光的90%进入光纤环形干涉仪，只有10%进入光谱仪(OSA)内。传感系统的输出信号由激光器内置的光电探测器转化为电信号，直接接入到数字示波器(OSC)中进行波形观察和数据采集。系统中，LD1的输出检测信号定为信号A，LD2的检测输出则定为信号B。

　　实验中，我们使用7个压电陶瓷(PZT)换能相位调制器来模拟传感光纤上不同位置处的外界扰动。各PZT相位调制器与耦合器之间的距离分别为120m、243.8m、366.2m、490.5m、612.9m、883.5m和1005.9m。一个信号发生器分别驱动不同位置的PZT模拟不同位置的扰动。

　　3实验结果

　　激光器自由运行时直接测得其输出光谱如图3所示，LD1的中心波长为1528.736nm，LD2的中心波长为1529.572nm。两者的波长差为0.836nm，即频率失谐为107.3GHz。

　　图4(a)和图4(b)分别为通过耦合器FC1和FC2所测的LD1和LD2在无外部扰动条件下的输出光谱。由于传感系统输出信号只有10%进入光谱仪，因此，在互注入作用下，相比激光器自由运行时的光谱，传感系统的输出光谱强度下降了近10dB。从图4的光谱图可知，当两个激光器相互注入时，频率失谐高达107.3GHz，产生不了足够大的拉动效应和红移效应[19]，即光注入效应。因此，不能产生小频率失谐时才会出现的单周期振荡、多周期振荡或混沌等非线性状态，互注入的结果只是使得两个激光器的波长发生微小偏移。

　　无信号驱动时，传感系统输出信号如图5(a)所示，系统处于动态平衡状态，两激光器输出信号波形都比较平稳。在传感光纤上扰动位置距离耦合器120m处，一个频率为26kHz、幅度为50mV的正弦信号以burst模式驱动PZT型相位调制器时，系统输出信号如图图5(b)所示。驱动信号的burst周期为5ms，每次驱动为一个周期。由图5(b)可知，两个激光器输出信号波形都发生明显变化，而且两个输出信号呈反相变化。对比图5(a)和图5(b)可知，该系统可以对扰动信号进行实时检测，并因为两路信号为反相，可通过差分方式进一步提升系统检测灵敏度。图5中信号C代表差分检测的结果。从图5(b)可知，差分检测获得的信号C的幅度明显大于直接检测的信号A和信号B的幅度。

　　通过计算不同扰动位置处检测到的信号A、信号B和信号C的均方根，我们获得信号幅度的均方根值与扰动位置的关系，如图6所示。圆形、三角形分别对应信号A和信号B在不同扰动位置处的均方根值，它们与拟合结果近似一致。随着扰动位置距耦合器越来越远，信号A和信号B的均方根均逐渐减小，线性拟合度均大于0.98。信号A和信号B的拟合曲线斜率分别约为-1.17×10-4和-1.57×10-4。由于两个激光器内部参数并不完全一致，使传感系统并不完全对称，因此，传感系统检测到的信号A和信号B的斜率存在一定差异。图6中方块表示差分检测信号C在不同扰动位置处的实验结果。信号C与拟合结果也一致，线性拟合曲线斜率约为-3.2×10-4，截距约为0.53，线性拟合度大于0.99，这表示差分检测信号C的均方根值也与扰动位置呈线性关系。通过测量结果与实际扰动位置比较，获得传感系统最大定位精度为20m。

　　本文把传感光纤上单位距离检测信号的均方根值定义为系统检测灵敏度，k=VRMSD(V/m)，VRMS为在距离D处获得的信号均方根值。由信号A、信号B和信号C的拟合曲线可知，其检测灵敏度分别为kA=1.17×10-4(V/m)，kB=1.57×10-4(V/m)和kC=3.2×10-4(V/m)。与单路检测信号相比，通过双路信号差分操作后，信号对距离的变化率更大了，也即系统检测灵敏度得到了提高。

　　此外，由于利用两路输出信号差的均方根与扰动位置的线性关系进行扰动定位，该传感系统的定位分辨率理论上可以做到无限小，但实际的定位分辨率受到所用数据采集设备的垂直分辨率、光源的强度噪声以及检测系统中的电噪声等因素的限制。

　　4结束语

　　基于半导体激光器互注入机理和光纤环结构，本文提出了一种新型的、结构简单的分布式光纤传感系统。通过比较无外部扰动和有外部扰动时系统输出信号的波形，系统能够检测外部扰动事件，同时利用两路输出信号差的均方根值确定扰动位置。实验结果表明：本文提出的传感系统和定位方法是可行及有效的;通过差分检测，避免了激光器功率波动对定位结果的影响，提高了检测灵敏度和定位精度。

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