光纤激光器加速光纤传感应用

  01/11/2005,光库通讯（珠海）有限公司  葛 强
前言：光纤传感取代电传感以呈大势所趋，而目前市场上的光纤传感绝大部分都是基于光波分复用（OWDM）的准分布式传感原理以及尚处于科研阶段的时域分布式（OTDR）光纤传感技术。可是两者都受制于各自的缺陷离大规模市场应用尚待时日，尤其是在更高要求的传感领域更是无法实现。
    本文所介绍的光纤传感技术起源于激光雷达的FMCW原理，采用相干探测进行检测，利用光纤本身进行直接传感，完全可以构建低成本的分布式传感网络，完成超远距离、超高精度和超低噪声的实时监控，可广泛用于国防、石油勘探和安保等各个传感领域。

光纤传感
    受电信、半导体和消费电子行业的推动，光电技术和光纤技术在20世纪90年代取的了巨大进展。尽管这些行业在近几年遭受很多阻力而陷入低谷，但是其中很多先进技术却在其它行业比如光纤传感得到了全面发展，呈现出另一番春天气息。光纤传感由于集成了在光纤技术、激光技术和光电探测等多领域所取得的巨大成就表现出极具活力和发展前途。同时，由于各相关光电子制造的成熟，它们的成本也大幅降低，大力推进了光纤传感的发展。
    光纤传感比传统电子传感体积小、重量轻，但是它们传感速度更快、更敏感，拥有更宽的带宽。这根本的原因是它传感和传播的信号是要比电子好得多的光子，这使得单根光纤就可以构建成一个分布式或阵列式的传感网络，可以扩宽传感面积把探测到的光信号传播到远端。稍作改进，光纤本身就能够制作成许多光信号传播的器件（比如分束器、合束器、复用器，过滤器和延时线路），从而形成全光纤化的测量系统。
    另外，由于光纤材料是绝缘的玻璃或塑料，使得光纤传感是抗电磁干扰的，因此它能够在十分接近巨大电器设备附近比如发动机、发动机稳定工作，它也能够大大降低雷电对传感器带来的可能破坏。同样地，由于光纤传感不会产生热量和火花，它在很多危险的环境下都很完全，比如在炼油厂、粮仓、矿井以及化学加工厂。标准的玻璃光纤在许多腐蚀性的环境和230℃温度下都不会失去性能，特种光纤甚至能够在温度高达650℃ 下也能正常工作。

光纤传感的种类
    光纤作为一种物理媒介，很多因数都可以改变它的几何参数（如尺寸、形状）和光学参数（如折射率、模式）。然而不同于力求减少外部影响的光通讯应用，光纤传感反而是故意增强和测量这些外部因数对光纤的影响。光纤传感按探测外部扰动方式可分为外部传感与内部传感。
    在外部传感系统里，光纤只是充当一个传输和接收光信号的通道。光纤外界的信号变化通常都控制在一个范围之内，在这个范围内的一个外部环境变化将会改变输入光子的已知参数。
    内部传感器是光纤一体化的系统，外界环境的扰动会直接影响光纤本身从而使得在其内传输的光信号造成某种可被测量的变化。这种传感器一般比外部传感器敏感得多，因此它们更容易去探测外部未知的扰动。这种全光纤化的传感器在几何结构上更加灵活，并且大大简化了传感与传输元件的连接。但是内部传感器通常是比较昂贵的，也要求更复杂的信号解调设备。
    典型的外部传感应用包括了在航天器上的线性和角度定位系统或者流程控制，它们主要是来监控温度、压力、液位和流速。内部传感器更多是应用在测量旋转、应变、声音和振动。
    光纤传感饿也可按调制方式分为：幅度调制、偏振调制、相位调制和频率调制。它们大多数是在光纤敏感部位从环境影响或外部扰动来获取数据，这些外部变化改变光信号一个或多个参数来从而达到调制光信号的目的。我们可以比较从敏感部位返回来的调制光与它们原来的信号光来读取测量数据。
    比较而言，强度或非相干传感器比较简单，相位和频率调制传感器能够达到更好的敏感度和精度。因为相位或频率探测是依赖于高精度的相干技术，基于这种原理工作的传感器就叫着相干传感器，这种传感器通常基于外差探测或相干探测技术。
    目前大多数光纤传感都是“点式传感”，测量范围都是局限在一些离散的区域，一般都要增加很多传感单元来扩展它的测量范围。成本、复杂性以及它的脆弱都限制了这种传感技术的广泛应用。而能够覆盖整个光纤长度的可连续传感的“分布式传感技术”自然受到了市场的重视与青睐。

分布式传感技术
    绝大多数分布式传感器都是基于光时域反射（OTDR）技术，该系统的基本原理就是探测、分析反射回来的短脉冲光，但是它通常都无法解决动态距离和空间精度之间的矛盾。削短耦合进光纤中的光脉冲以及加宽测量带宽都能够提高空间精度，但是它也会同时增加信号噪声和降低测量的距离。
    一个被实际应用证明最可行的代替OTDR的分布式传感技术的就是在借用雷达应用中的相干频率调制连续波技术（FMCW），它的基本原理是激光器围绕激光的中心频率不断调制，通过耦合一部分光进入一个参考臂起本机振动器的作用，另一根长距离的光纤起着传感单元的作用。从传感部位反射回来的光信号与来自本机振动器上的光一起干涉产生一个拍频，来自远处的传感的信息就可以在光谱分析仪上测量光电流的的拍频可以解读，这种相干探测能够容易地取得-100dB的敏感度。同时，光电流的拍频信号与返回来的激光功率和本机振动光束的平方根成正比，本机振动光还有利于放大探测信号。
    与OTDR技术比较，FMCW最主要的优势在于它的卓越的稳定性，它能够在几公里的测量距离上达到毫米量级的空间精度，然后这个技术是建立在激光具有很长的相干距离以及它的频率能够成线性连续调制。这种分布式的传感系统能够在广阔的被测区域内实现极高的测量精度，而这是一般光纤传感技术所无法达到的要求。该系统中最为关键的设备----激光器目前主要有DBR光纤激光器和DFB光纤激光器。但是，传统的DBR激光器通过放大后确实可以输出高达160mW的功率，但是作为提高功率代价的是它的线宽大到了200-500kHz；相反地，传感的DFB激光器可以实现更窄的线宽，但是它的功率却只能达到5mW。如何研制出同时兼有窄线宽与高输出功率的光纤激光器显然成为了一个极具挑战性的课题。

超窄线宽高功率激光器
    光库通讯刚刚推向市场的DBR光纤激光器采用了美国核心专利技术，十分完美地解决了这个世界性的难题，从而使得超远距离、超高精度和超底噪声的分布式光纤传感成为现实，并广泛应用于欧美发达国防军事、石油和安保领域。
    我们的解决办法就是研制出高浓度的铒/镱共掺光纤作成激光物质，这种特种光纤具有极高的增益，每厘米可达5db（普通EDF的增益为0.02db/cm），而噪声增益几乎没有。用电信级的LD作泵浦源，两个光纤光栅构成超短谐振腔（见图一）。该款激光器的线宽可窄至2Khz，频率稳定性好于10Mhz，热调协范围可达20Ghz连续线性PZT调制范围可达100Mhz，直接输出功率可达150mW而不需要增加EDFA来放大，传感的长度可超过50公里（而传统的DFB激光器传感的距离只有几百米）。所有这些特点注定了该款激光器成为最稳定和超高精度的光纤传感系统中所必需的光源，在欧美被尊称为“激光器的皇后”。
    搭配一台光电探测器，该款单频激光器便可以实现十分经济的分布式光纤传感，对超长距离和超宽区域进行监控。一个在光纤水听器声纳阵列的应用例子见图二。美国国防部曾十分积极地研究海底水听器声纳阵列、光纤底部阵列以及使用TDM和WDM技术相结合的拖曳阵列。这些传感阵列在石油探勘和地震方面也可广泛应用。  
             
                     图一：DBR激光器

    与传统的压电水听器相比较，相干光纤传感器拥有诸多优势。除了用光代替电所带来的诸多好处外，最为关键的是该系统不再需要额外的
传感头，因为它是通过光纤本身绕成的光纤圈来感应外部变化的，从
而大大降低了成本，光纤还可以降低系统的重量和电缆的成本，同时
也大大提高了声纳阵列的使用寿命。
             
                    图二：光纤传感应用

    然而，该款基于光纤技术的水听器的压力精度取决于传感器的干涉仪的相位精度，而来自干涉仪的相对强度噪声和频率噪声反过来又会影 
响到相位精度。噪声水平的增加与干涉仪的路径不平衡度成比例，所以一个更长的干涉仪测量臂就意味着更低的压力精度。光库通讯提供的超窄线宽光纤激光器，是水听器应用中最优秀的光源，因为它的频率噪声就是与最好的DFB激光器相比都要低2个数量级，同时由于不必要采用放大器就可以实现高功率（150mW）输出，它根除了所有的自发噪声，相对强度噪声可低至-110db/Hz，相干长度可长达75公里，可以说是光纤水听器之最高发展，必将全面升级水下探测和海底通信系统。