單模光纖中受激布里淵散射的Stokes光頻移的溫度傳感特性研究*

周 豫,周雪芳,樊 冰*,李曾陽,胡 淼,畢美華,楊國偉,王天樞

(1.杭州電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院,杭州 310018;2.長春理工大學(xué)空間光電技術(shù)國家有地方聯(lián)合工程研究中心,長春 130022;3.長春理工大學(xué)空間光電技術(shù)研究所,長春 130022)

自1964年來首次觀察到SBS現(xiàn)象以來,人們對(duì)它進(jìn)行了多方面的研究。其中多波長布里淵光纖激光器(MBFL),得到了廣泛應(yīng)用。MBFL可以在較低的抽運(yùn)功率下實(shí)現(xiàn)、功率轉(zhuǎn)化效率高、多波長產(chǎn)生容易實(shí)現(xiàn)、可以很好的和光纖進(jìn)行耦合。各種結(jié)構(gòu)的MBFL在光通信器件、微波光子學(xué)、精密光學(xué)和密集光波分復(fù)用系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[1-7]。光纖的SBS的閾值和溫度之間的變化關(guān)系已討論過[8-9],但基于SBS效應(yīng)的MBFL的波長間隔受溫度的影響尚未報(bào)道。本文主要研究了溫度對(duì)MBFL的波長頻移影響的機(jī)理與特性,對(duì)MBEFL進(jìn)行了不同溫度的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,這對(duì)研究MBFL的溫度穩(wěn)定性和波長溫度調(diào)諧以及溫度傳感都是有幫助的。

1 理論分析

Brillouin散射過程中有3個(gè)參數(shù)可以描述布里淵增益?zhèn)鞲刑匦?在半高全寬(FWHM)處測(cè)量的布里淵線寬,布里淵頻移(BFS)和布里淵增益系數(shù)。Brillouin線寬不隨應(yīng)變和溫度的變化而變化,而BFS和Brillouin增益系數(shù)這兩個(gè)基本參數(shù)會(huì)因?yàn)檠毓饫w分布的應(yīng)變/溫度不同而有所改變。基于布里淵散射的光纖傳感器利用纖芯中傳播的泵浦光、聲學(xué)聲子和斯托克斯信號(hào)之間的相互作用。在光纖中聲速VA的參數(shù)E、k、ρ是與溫度T、應(yīng)變?chǔ)畔嚓P(guān)的函數(shù),有效折射率也與溫度T和應(yīng)變?chǔ)畔嚓P(guān),其傳感模型可表示為[10-11]:

(1)

很明顯,vB(即stokes頻移量)變成了與溫度T和應(yīng)變?chǔ)畔嚓P(guān)的函數(shù)。而且隨著光纖的溫度和應(yīng)變的改變,vB將發(fā)生線性變化,該線性關(guān)系如下所示[10-11]:

vB(T,ε)=vB,T0,ε0+CT(T-T0)+Cε(ε-ε0)

(2)

式中:CT是BFS的溫度系數(shù),Cε是BFS的應(yīng)變系數(shù),vB,T0,ε0是在參考溫度T0、參考應(yīng)變?chǔ)?下的初始Brillouin頻移。

只考慮溫度變化,vB(T)就代表著各階Stokes波(BS)的BFS對(duì)溫度的線性依賴關(guān)系,溫度從T0變化為T時(shí),該表達(dá)式如下:

vB(T)=vB,T0+CT(T-T0)=vB,T0+CTΔT

(3)

當(dāng)發(fā)生級(jí)聯(lián)的SBS即產(chǎn)生多階Stokes波時(shí),將第1階Stokes波的中心頻率記作fBS1,BP波的中心頻率記作fBP,則有:

(4)

Δf1是BS1相對(duì)于BP的中心頻移量,那么第k階Stokes波的的中心頻率可表示為:

(5)

所以,當(dāng)溫度發(fā)生從T0變化為T時(shí),第k階Stokes波相對(duì)于BP的中心頻移量Δfk為

(6)

2 實(shí)驗(yàn)裝置

基于SBS的多波長光纖激光器MFL的溫度特性測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示,實(shí)物連線測(cè)試圖如圖2所示。線性腔由兩端放置3 dB耦合器(OC)構(gòu)成的高反射率的sagnac環(huán)組成。980 nm泵浦激光器與980/1 550波分復(fù)用器(WDM)以及6 m長、吸收率為6 dB/m的摻鉺光纖(EDF)構(gòu)成了摻鉺光纖放大器(EDFA),將可調(diào)諧光源(TLS)發(fā)出的種子光(SP)功率放大至布里淵閾值,作為布里淵泵浦光(BP)。EDFA同時(shí)為多波長振蕩提供功率。25 km的單模光纖(SMF)的非線性系數(shù)等于1.1 W-1·km-1,有效面積為83.97 μm2作為布里淵增益介質(zhì),產(chǎn)生多階stokes光,并作為溫度控制對(duì)象。環(huán)行器用于控制光路沿順時(shí)針單向傳輸?shù)淖饔?。激光器輸出? dB的OC4分成兩部分,一部分光信號(hào)直接由光譜儀(AQ6370B)進(jìn)行分析,另一部分經(jīng)過帶寬為26.5 GHz的高速PD和分辨率為1 Hz的電頻譜分析儀轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。

圖1 多波長Brillouin光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 多波長Brillouin光纖激光器實(shí)驗(yàn)連接圖

工作原理:SP光通過cir和OC1進(jìn)入激光腔,經(jīng)過EDFA放大,作為BP進(jìn)入SMF,在SMF中,BP功率大于SMF的布里淵閾值時(shí),則會(huì)產(chǎn)生第1階后向傳播的BS光,一階BS光經(jīng)過OC1后50%功率從環(huán)行器輸出,剩余的50%BS功率經(jīng)Sagnac環(huán)2反射重新作為BP,經(jīng)EDFA放大,進(jìn)入SMF產(chǎn)生第2階BS光,依次循環(huán)下去,直至BP功率小于單模光纖的布里淵閾值后,才不會(huì)產(chǎn)生下一階的Stokes光。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

如圖3為室溫下(20 ℃),TLS輸出的SP光波長為1 550 nm,SP光功率為0.5 mW當(dāng)980泵浦功率達(dá)到33 WM時(shí),圖3所示測(cè)試系統(tǒng)的多波長光纖激光器產(chǎn)生第1階stokes光,stokes光頻移vB為0.084 nm。

圖3 第1階Stokes線

測(cè)試溫度保持常溫不變,依次增加980 nm泵浦功率,stokes階數(shù)也隨之增加,當(dāng)泵浦功率增加到600 mW時(shí),產(chǎn)生了如圖4所示的30階穩(wěn)定stokes線。

在研究溫度對(duì)stokes光輸出特性的影響時(shí),激光器自身的穩(wěn)定性是非常重要的。因此先觀察實(shí)驗(yàn)用多波長布里淵摻鉺光纖激光器在室溫下stokes光輸出的穩(wěn)定性。在一小時(shí)內(nèi)間隔10 min連續(xù)觀察stokes光輸出,其中SP功率固定在0.5 mW,得到圖5波長穩(wěn)定性曲線。在實(shí)驗(yàn)中觀察到從第1階stokes光BS1到第25階BS25,未發(fā)現(xiàn)明顯波長偏移,且功率波動(dòng)在1 dBm以內(nèi)。從BS26到BS30,功率波動(dòng)較大,最高達(dá)2.5 dBm。因此,在研究stokes輸出特性時(shí)只選取穩(wěn)定部分波長stokes光,以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在實(shí)驗(yàn)過程中,僅考慮溫度對(duì)stokes光輸出特性的影響。因此在恒溫恒濕箱中,將相對(duì)濕度設(shè)置為0,而且單模光纖不受應(yīng)力。sp光光功率固定在0.5 mW,波長為1 550 nm,980泵浦功率為600 mW。溫度從0 ℃調(diào)節(jié)到100 ℃,溫度梯度為10 ℃,并在上述設(shè)置下進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

依次將溫度控制在0 ℃,50 ℃和100 ℃。在圖6和圖7中記錄多波長激光器26個(gè)通道(BP和25階stokes)穩(wěn)定狀態(tài)下的波形。ΔT=50 ℃和ΔT=100 ℃情況下,從圖6和圖7中可以看出stokes光中心波長的漂移情況。

圖5 波長穩(wěn)定性

圖6 T=0、50 ℃下對(duì)應(yīng)的BP和BS1～BS25輸出波形

圖7 T=0、100 ℃下對(duì)應(yīng)的BP和BS1～BS25輸出波形

測(cè)試結(jié)果表明:對(duì)于同一階stokes光,溫度越高,即ΔT越大,stokes光相對(duì)于BP的波長偏移量越大;對(duì)于相同的ΔT,階數(shù)越高的stokes光的波長偏移量也越高。因此,理論上溫度對(duì)高階stokes光的輸出特性影響更顯著。

圖8 1至25階stokes線相對(duì)BP光中心頻 移漂移量擬合曲線

在10 ℃的溫度梯度下進(jìn)行了一系列的測(cè)量,以BP光中心頻率為參照,記錄BS1到BS25的25階stokes光中心頻率的漂移情況,繪制在圖8中,圖8很好的反映了溫度、stokes階數(shù)和stokes光中心頻率漂移量之間的關(guān)系。

從圖8中可以看出,每一階stokes光相對(duì)于BP的中心頻率漂移量都與溫度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系,隨著stokes階數(shù)的增加,擬合直線的斜率也越大,斜率從1.086 MHz/℃變化到27.15 MHz/℃。且每階stokes光中心頻率變化擬合直線的斜率的變化也表現(xiàn)出一定的線性關(guān)系,階數(shù)每增加一階,近似的可以認(rèn)為斜率相對(duì)增加1.086 MHz/℃,既對(duì)于相同的ΔT第25階stokes光BS25中心頻率漂移量是BS1的25倍。

4 結(jié)論

搭建了一個(gè)線性腔結(jié)構(gòu)的布里淵摻鉺光纖光纖激光器測(cè)試系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)BP和980 nm的泵浦激光器輸出功率,實(shí)現(xiàn)了31通道的多波長輸出,且在一小時(shí)內(nèi)保持良好的輸出穩(wěn)定性。接著將前25階穩(wěn)定stokes線作為研究對(duì)象,通過恒溫箱對(duì)布里淵腔的溫度進(jìn)行變化,觀察到了stokes光的中心頻率漂移量和溫度之間的良好線性關(guān)系,且隨著溫度的升高,高階Stokes光信號(hào)的頻移較低階的變化明顯,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)說明溫度對(duì)第25階stokes光輸出頻率的影響可達(dá)27.15 MHz/℃。因此在研究基于受激布里淵散射的多波長光纖激光器應(yīng)用時(shí),需考慮溫度對(duì)不同階的波長信號(hào)的頻移影響,具有一定的參考意義;另外,在研究基于受激布里淵散射的光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域中,為高階Stokes光信號(hào)對(duì)溫度的敏感性來進(jìn)行溫度的測(cè)量,提供了良好的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。