多模光纖的布里淵散射譜特性研究及優(yōu)化整形

李永倩, 范海軍*, 張立欣, 王 磊, 武佳琪, 趙 旭

1. 華北電力大學(xué)電子與通信工程系, 河北 保定 071003

2. 華北電力大學(xué), 河北省電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071003

3. 華北電力大學(xué), 保定市光纖傳感與光通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071003

引 言

以光波為載體、 光纖為媒介、 布里淵散射為機(jī)制的光纖布里淵分布式傳感器, 利用光纖中的布里淵散射光隨外界環(huán)境變化的特點(diǎn), 把被測(cè)量作為光纖位置長(zhǎng)度的函數(shù), 充分發(fā)揮光纖傳、 感一體的優(yōu)勢(shì), 提供了一種同時(shí)獲取被測(cè)量的空間分布狀況和隨時(shí)間變化狀態(tài)的技術(shù)手段, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)光纖沿線環(huán)境信息的實(shí)時(shí)獲取與感知[1-7]。

多模光纖(multimode fiber, MMF)可容納多個(gè)模式, 給未來光纖通信容量的提升提供了可能; 若能合理利用MMF中可利用的自由度, 有望實(shí)現(xiàn)多參量的同時(shí)測(cè)量。 在基于MMF的布里淵傳感中, 過多的模式及相互耦合是限制MMF傳感可靠性的重要因素。 MMF中的高階模不僅不穩(wěn)定、 易耦合和易輻射損耗[8], 而且導(dǎo)致了布里淵增益譜(Brillouin gain spectrum, BGS)的展寬和峰值增益降低[9], 對(duì)測(cè)量結(jié)果的可靠性造成了極大的負(fù)面影響, 因此對(duì)MMF的BGS的研究和整形優(yōu)化尤為重要。 1997年, Fotiadi等[10]首次對(duì)MMF的布里淵散射效應(yīng)進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)MMF的BGS與泵浦波矢量和Stokes波矢量的夾角密切相關(guān), 當(dāng)夾角增大時(shí), BGS從單峰變成多峰且譜寬增加。 Sodhi[11]和Lenke[12]測(cè)量了MMF布里淵頻移(Brillouin frequency shift, BFS)的應(yīng)變、 溫度敏感特性, 驗(yàn)證了MMF在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的適用性。 Minardo等[13]對(duì)漸變折射率多模光纖(graded index-MMF, GI-MMF)的BGS進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證, 結(jié)果表明高階模的存在會(huì)惡化BGS, 譜寬展寬, 但并未進(jìn)行優(yōu)化處理。

為了提高M(jìn)MF布里淵傳感系統(tǒng)的測(cè)量精度及傳感可靠度, 需要對(duì)多模光纖的布里淵散射譜進(jìn)行整形優(yōu)化。 本文提出采用單模光纖(single mode fiber, SMF)對(duì)多模光纖的布里淵散射譜過濾整形的方法。 研究了多模光纖的BFS和BGS理論模型, 并對(duì)SMF、 少模光纖(few-mode fiber, FMF)和MMF的布里淵增益譜進(jìn)行比較; 搭建移頻本地外差布里淵光時(shí)域反射系統(tǒng)(Brillouin optical time domain reflectometry, BOTDR), 測(cè)量并比較兩種優(yōu)化系統(tǒng)的布里淵散射譜寬及抗彎曲性能, 確定出一種最佳的整形優(yōu)化方法。 結(jié)果表明, 單模環(huán)形器結(jié)合SMF對(duì)準(zhǔn)熔接MMF的方法獲得的MMF的布里淵散射譜寬明顯減小, 抗彎曲性能明顯增強(qiáng), 并且具有良好的Lorentz擬合度。

1 基本原理

1.1 多模光纖的布里淵頻移

MMF可以傳輸很多模式, 每個(gè)模式的電磁場(chǎng)分布、 特性參數(shù)及布里淵散射各不相同。 在MMF中, 分子的自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)自發(fā)弱聲波場(chǎng), 使得MMF中產(chǎn)生折射率光柵, 注入的泵浦光激發(fā)的多個(gè)光模在光柵作用下, 發(fā)生自發(fā)布里淵散射, 光柵運(yùn)動(dòng)使得布里淵散射光發(fā)生多普勒頻移, 即MMF的BFS, 表達(dá)式為

(1)

式(1)中,nmn、φmn分別為與MMF模式標(biāo)號(hào)相關(guān)的折射率、 布里淵散射角, 其中φmn∈[2cos-1(NA/n0), π][14],m表示場(chǎng)沿圓周分布的整個(gè)駐波的個(gè)數(shù),n表示場(chǎng)沿徑向分布的半個(gè)駐波的個(gè)數(shù),vA為MMF的聲波速率,n0為MMF纖芯的最大折射率,λ為泵浦光波長(zhǎng)。 由此可見, MMF的BFS不僅與光模式的折射率有關(guān), 還與光模式的布里淵散射角有關(guān)。 MMF中不同光模式的BFS不同, 表明不同光模式的BGS也不同。 GI-MMF的模式折射率為

(2)

式(2)中,k0為真空中的波數(shù),Δ為相對(duì)折射率差,a為纖芯半徑。 以纖芯直徑為50 μm、 數(shù)值孔徑為0.2, 纖芯最大折射率為1.48的GI-MMF為研究對(duì)象, 獲得它的BFS隨模式群

編號(hào)(m+n)和布里淵散射角的關(guān)系如圖1所示。 可以看出, 當(dāng)布里淵散射角不變時(shí), BFS與模式群編號(hào)呈負(fù)相關(guān); 當(dāng)模式群編號(hào)不變時(shí), BFS與布里淵散射角呈正相關(guān)。

圖1 50 μm GI-MMF的BFS與模式群編號(hào)和布里淵散射角的關(guān)系

1.2 多模光纖的布里淵增益譜

光在光纖中傳輸時(shí), 泵浦光與光纖中的自發(fā)弱聲波相互作用, 產(chǎn)生的BGS服從Lorentz分布。 在MMF中, 假定各個(gè)模式獨(dú)立地傳輸能量, 獨(dú)立地與聲波相互作用, 則各模式產(chǎn)生的BGS為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中,g0為布里淵增益峰值,ν為入射光的頻率, ΔνB為布里淵線寬,η為光纖的粘滯系數(shù),ρ為密度。 當(dāng)泵浦光與布里淵散射光的頻率差恰好等于光纖的BFS時(shí), 布里淵增益峰值為

(5)

式(5)中,p12為縱向彈光系數(shù),c為真空中的光速。 為了簡(jiǎn)化, 我們?nèi)ˇ誱n=π來分析, 獲得50 μm GI-MMF中不同模式群的布里淵增益譜如圖2所示, 可以看出, 隨著模式群編號(hào)的增加, MMF的BFS逐漸減小, 這與圖1獲得的結(jié)論一致。 此外, MMF中存在多個(gè)間隔很小的布里淵增益譜, 相互之間容易發(fā)生耦合干涉。 因此, 在實(shí)際的檢測(cè)中很難觀察到如同特殊少模光纖[15-18]一樣的多個(gè)子峰。

MMF的布里淵增益疊加譜模型為[19]

(6)

(7)

(8)

式中,νB0、νBc分別為軸向(最大)、 臨界角(最小)的BFS,φ為布里淵散射角,θc是臨界角的余角。 圖3為MMF、 FMF和SMF的布里淵增益譜, 可以看出, 三種光纖的布里淵增益譜寬、 布里淵頻移和布里淵增益峰值存在明顯差異。 MMF與FMF的布里淵增益譜寬較寬且BFS較低主要有兩方面原因: 一方面, FMF和MMF中的光由于入纖角度不同, 在纖芯傳輸?shù)穆窂讲煌? 布里淵散射光的方向也不相同, 它們的布里淵散射光不像SMF僅限于軸向, 而是存在一個(gè)范圍; 另一方面, 高階模的模式折射率較小, 對(duì)應(yīng)的BFS較低, FMF和MMF中存在的高階模的BFS拉低了整體的BFS, 且MMF中的高階模最多, 其BGS最寬, BFS最低。 此外, 由于FMF和MMF中存在的多個(gè)模式的BGS發(fā)生耦合干涉, 粒子間存在碰撞, 模式BGS相位匹配條件的聲速和有效折射率存在差別, 以及偏振模色散的影響, 使得FMF和MMF的布里淵峰值增益較低, 不利于傳感的可靠性。

圖3 三種光纖的布里淵增益譜

1.3 多模光纖的布里淵增益譜的整形優(yōu)化

由1.2分析可知, 由于MMF的可入纖角度大和高階模較多, 最終使得布里淵增益譜展寬, BGS不符合Lorentz分布, 最終使得BFS的不確定性增大, 惡化傳感性能。 因此, 需設(shè)法對(duì)MMF的BGS進(jìn)行整形。 要想實(shí)現(xiàn)此目的, 有三種處理思路: (1) 盡可能減小光入MMF的角度; (2) 盡可能減少M(fèi)MF中的高階模數(shù)量; (3) 盡可能減少接收到的散射信號(hào)中的高階模數(shù)量。 前兩種思路需要對(duì)入射光進(jìn)行處理, 希望能將光完美耦合到MMF, 而第三種思路需要對(duì)散射光中的高階模進(jìn)行剝離。 MMF中可傳輸?shù)哪Ｊ娇倲?shù)為

(9)

式(9)中,ν為歸一化頻率,g為折射率分布指數(shù)。 由此可見, 普通的MMF中可傳輸?shù)哪Ｊ接袛?shù)百個(gè)。 而對(duì)于SMF, 高階模式截止, 只能傳輸基模。 因此, 考慮借助高階模式截止的SMF, 來實(shí)現(xiàn)對(duì)MMF的BGS的整形。

我們?cè)诙嗄９饫w的始端引入一段單模光纖, 一方面是利用SMF將光盡量以小的角度入纖并盡可能激發(fā)MMF中的基模, 減少高階模含量。 當(dāng)SMF與MMF完美耦合時(shí), SMF與MMF中的基模的耦合效率在90%以上[13]。 另一方面是將SMF作為一個(gè)高階模式濾波器, 利用SMF對(duì)反射回來的散射信號(hào)進(jìn)行過濾, 將包含的高階模剝離, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)MMF的BGS的整形。

2 實(shí)驗(yàn)部分

基于SMF的MMF布里淵增益譜整形實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。 系統(tǒng)采用波長(zhǎng)為1 550.086 nm、 線寬為1.86 MHz的分布式反饋窄譜激光器, 輸出光經(jīng)分光比為50∶50的保偏耦合器(polarization-maintaining coupler, PMC)分成上下兩支路, 上支路光進(jìn)入脈沖生成器(pulse generator, PG)驅(qū)動(dòng)的高消光比電光調(diào)制器1(electro optic modulator 1, EOM1)進(jìn)行脈沖調(diào)制, 之后進(jìn)入摻鉺光纖放大器1(erbium-doped fiber amplifier1, EDFA1)進(jìn)行放大, 并通過環(huán)形器1(optical circulator 1, OC1)與中心波長(zhǎng)為1 550.0483 nm、 帶寬為0.251 4 nm的布拉格光柵(fiber Bragg grating 1, FBG1)組成的濾波器濾除自發(fā)輻射(amplified spontaneous emission, ASE)噪聲。 經(jīng)由擾偏器1(polarization scrambler 1, PS1)擾偏后的脈沖光由可調(diào)衰減器1(variable optical attenuator 1, VOA1)調(diào)節(jié)到合適的功率后通過OC2進(jìn)入光纖。 泵浦光在光纖中與自發(fā)聲波場(chǎng)相互作用, 產(chǎn)生的布里淵散射光通過SMF過濾后進(jìn)入EDFA3放大, 后通過OC3和中心波長(zhǎng)為1 550.210 1 nm、 帶寬為0.286 7 nm的FBG2組成的濾波器濾除anti-Stokes分量和ASE噪聲。 下支路本振光進(jìn)入由微波源(microwave generator, MG)調(diào)制的EOM2生成抑制載波的雙邊帶信號(hào), 隨后進(jìn)入EDFA2放大并經(jīng)過可調(diào)濾波器(tunable optical filter, TOF)濾除ASE噪聲與anti-Stokes邊帶, 再進(jìn)入PS2擾偏及VOA2調(diào)整強(qiáng)度。 通常, 我們保持TOF的帶寬不變, 約0.25 nm, 通過微調(diào)中心波長(zhǎng)來生成不同傳感光纖所需的單邊帶本振信號(hào)。 散射光和本振光通過耦合器進(jìn)入光電探測(cè)器(photoelectric detector, PD), 產(chǎn)生的拍頻信號(hào)由頻譜儀(ESA)檢測(cè)并記錄, 并對(duì)拍頻信號(hào)的每條軌跡平均10 000次以減小功率波動(dòng), 提高信噪比。

圖4 MMF布里淵增益譜整形的移頻本地外差BOTDR系統(tǒng)

需要注意的是, 我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種整形處理方式, 如圖4中(a)和(b)所示。 方法(a)采用的是多模環(huán)形器, 各連接點(diǎn)都是采用法蘭盤進(jìn)行拼接; 方法(b)采用的是單模環(huán)形器, 并且將一小段SMF對(duì)準(zhǔn)熔接在MMF始端。 此外, 由于傳感結(jié)構(gòu)擁有強(qiáng)的抗彎曲性能, 我們?cè)诠饫w末端熔接APC頭以減小光纖末端菲涅爾反射對(duì)系統(tǒng)的影響。

3 結(jié)果與討論

3.1 布里淵增益譜寬

布里淵增益譜寬是評(píng)估布里淵增益譜優(yōu)化性能最直觀的方法, 也是影響布里淵傳感測(cè)量精度的主要因素。 因此, 我們對(duì)兩種優(yōu)化系統(tǒng)獲取的布里淵增益譜寬進(jìn)行比較。 首先, 利用兩種優(yōu)化系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)度為5 km的50 μm GI-MMF進(jìn)行測(cè)量, 并對(duì)4.9 km處的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行Lorenz擬合, 獲得該位置的BGS。 作為對(duì)比, 我們也測(cè)量了SMF、 兩模漸變少模光纖和四模漸變少模光纖的布里淵增益譜, 測(cè)量結(jié)果如圖5所示。 由圖可知, 由系統(tǒng)(b)獲得的SMF、 兩模漸變少模光纖、 四模漸變少模光纖、 50 μm GI-MMF和由系統(tǒng)(a)獲得的50 μm GI-MMF的布里淵增益譜寬分別為: 32.01、 32.4、 35.07、 53.12和70.1 MHz。 對(duì)于50 μm GI-MMF, 相比全MMF系統(tǒng)(89.09 MHz), 兩種整形優(yōu)化系統(tǒng)獲得的布里淵增益譜寬均明顯減小, 且系統(tǒng)(b)獲得的布里淵增益譜寬更窄。 系統(tǒng)(a)和系統(tǒng)(b)獲得的BGS Lorenz擬合度良好, 光纖沿線平均擬合度分別為0.974 47和0.987 89。 此外, SMF、 兩模漸變FMF、 四模漸變FMF和50 μm GI-MMF的BFS逐漸減小, 與理論分析一致。

圖5 不同光纖的布里淵增益譜

需要強(qiáng)調(diào)的是, 系統(tǒng)(b)相比系統(tǒng)(a)獲得的布里淵增益譜寬更窄, 這說明系統(tǒng)(a)的MMF中存在著更多的高階模和更強(qiáng)的模式耦合。 究其原因, 一方面這可能是由于SMF與多模環(huán)形器、 多模環(huán)形器與MMF采用的是法蘭盤拼接, 這種光耦合方式產(chǎn)生了較多的高階模, 使得MMF中高階模增多且發(fā)生耦合; 另一方面, 光在多模環(huán)形器中棱鏡、 法拉第旋轉(zhuǎn)器及旋光板等的傳輸過程中耦合出高階模, 使得進(jìn)入MMF中的高階模較多, 布里淵增益譜展寬。

總之, 兩種整形優(yōu)化系統(tǒng)都實(shí)現(xiàn)了對(duì)MMF布里淵增益譜的整形優(yōu)化, 使得布里淵增益譜更符合Lorenz分布, 且譜寬變窄, 最終使得系統(tǒng)測(cè)量精度提高。

3.2 抗彎曲性能

由式(2)可知, 隨著模式群編號(hào)的增加, GI-MMF中高階模的有效折射率減小。 在彎曲的光纖中, 高階模的倏逝波區(qū)較小, 這使得高階模更容易從波前分離出來, 沿著切向路徑傳播到解離點(diǎn), 并轉(zhuǎn)換成輻射波, 進(jìn)而造成功率損耗[8]。 因此, 相比低階模, 高階模的抗彎曲性能較差。 分布式測(cè)量的光纖布里淵強(qiáng)度為光纖沿線的光功率損耗提供了一種可視化的呈現(xiàn), 因此我們利用光纖的布里淵強(qiáng)度變化情況對(duì)兩種優(yōu)化系統(tǒng)中光纖的抗彎曲性能進(jìn)行評(píng)估, 以比較兩種整形優(yōu)化系統(tǒng)的性能。 利用圖4所示的系統(tǒng), 在大約4.82 km處分別對(duì)光纖施加10圈不同纏繞半徑的彎曲, 多次測(cè)量后平均, 測(cè)量結(jié)果如圖6所示。 可以看出, 兩種優(yōu)化系統(tǒng)中光纖的抗彎曲性能存在明顯差異, 在系統(tǒng)(a)中, 彎曲直徑2R≥8 mm時(shí)布里淵信號(hào)強(qiáng)度無明顯變化, 而在系統(tǒng)(b)中, 彎曲直徑2R≥4.5 mm時(shí)布里淵信號(hào)強(qiáng)度無明顯變化。 很明顯, 系統(tǒng)(b)的抗彎曲性能明顯優(yōu)于系統(tǒng)(a), 且50 μm GI-MMF的最小彎曲半徑為2.25 mm。 這也再次證明系統(tǒng)(a)的MMF中存在更多的高階模且發(fā)生了更嚴(yán)重的模式耦合, 這不利于傳感的可靠性。

綜合對(duì)兩種優(yōu)化系統(tǒng)獲得的布里淵增益譜寬和抗彎曲性能的比較, 我們發(fā)現(xiàn)兩種優(yōu)化系統(tǒng)都可以在一定程度上提升MMF的傳感可靠性, 但系統(tǒng)(b)的整形優(yōu)化效果明顯更好, 這是因?yàn)镾MF與MMF對(duì)準(zhǔn)熔接及單模環(huán)形器的使用能更大程度地減少高階模的產(chǎn)生, 進(jìn)而減小模式耦合帶來的影響。 但不得不說, 盡管提出的譜整形優(yōu)化方法大大減小了MMF的布里淵增益譜寬, 然而, 由于實(shí)際中MMF制作工藝不十分完美, 且經(jīng)歷彎曲、 變形及縱向擾動(dòng)會(huì)造成折射率不均勻, 光在MMF中傳輸時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生高階模且發(fā)生模式耦合, 因此圖5中的MMF布里淵增益譜寬仍大于SMF, 這也是我們需要繼續(xù)研究解決的問題。

4 結(jié) 論

提出利用單模光纖對(duì)多模光纖的布里淵增益譜的整形優(yōu)化方法。 首先分析了多模光纖的布里淵頻移和布里淵增益譜模型, 并對(duì)單模光纖、 少模光纖和多模光纖的布里淵增益譜特性進(jìn)行比較。 其次分析并設(shè)計(jì)了兩種多模光纖的布里淵增益譜整形優(yōu)化方法, 搭建移頻本地外差BOTDR系統(tǒng), 通過測(cè)量比較兩種方法獲得的布里淵散射譜寬和抗彎曲性能, 確定出最佳的整形優(yōu)化方法。 結(jié)果表明: MMF、 FMF和SMF的布里淵頻移依次升高, 布里淵增益譜寬依次減小。 此外, 提出的兩種整形優(yōu)化方法不同程度地減小了MMF的布里淵譜寬, 且獲取的布里淵增益譜有著良好的Lorenz擬合度。 利用系統(tǒng)(b)即單模環(huán)形器結(jié)合SMF對(duì)準(zhǔn)熔接MMF的方法能更有效地對(duì)多模光纖的布里淵增益譜整形, 并能獲得更好的抗彎曲性能, 獲得的最小彎曲半徑和布里淵增益譜寬分別為2.25 mm和53.12 MHz。