窄线宽激光器实现100公里光频域反射

葛 强     光域激光有限公司
    摘要：一个带PZT调制的、光谱线宽超级窄的单频光纤激光器作为发射光源成功地实现了长距离的相干频域反射传感应用，对一个长达95公里的后向瑞利散射和和菲涅耳反射进行FMCW（频率调制连续波）测量取得了十分满意的结果，而过程中而无需光纤放大器。这是我们所知道的最长的FMCW测量距离。这长距离的后向散射测量所具的高敏感度和动态范围得益于光域激光有限公司的超长距离的相干光源---窄线宽光纤激光器，该款激光器估计在空气中的相干长度长达210公里！

关键词：长距离探测    频率调制   激光雷达  瑞利散射

1.介绍
    长距离光传输系统由许多个光纤径距和光学放大器组成，并已广泛使用在陆地和海底传输系统。在每两个光纤放大器之间，光信号一般可以传输120公里。基于后向散射测量的光时域反射（OTDR）是目前对光纤线路发生故障定位的一个标准技术。然而，目前大多数OTDR仪器均采用了脉冲光源和直接探测技术，其最长的测量距离只有几十公里。同时，OTDR技术一般还会受到动态范围和空间精度这对选择矛盾中受到限制与影响。基于FMCW（频率调制连续波）技术和采用相干光源的频域反射技术OFDR较传统的OTDR拥有众多优势。它可以提供高得多的敏感度和更大的动态范围，同时测量精度也要高于OTDR。迄今为此，在国外有许许多多的相干激光器被广泛应用在相干原理的OFDR系统中。
    尽管1550nm的半导体二极管激光器体积小，价格又便宜，确实可以用于OFDR应用中，但是由于其天生的宽带光谱线宽，其实际发射出的光信号相干长度很短，一般的测量范围只有几百米长。由光域激光有限公司提供的窄线宽光纤激光器不仅波长可选，而且光谱线宽窄到3Khz，实际相干长度要远远超过半导体激光器，可以大大提高测量距离。而固体YAG激光器，大家都知道它是无法实现1550nm波长的，波长一般只能是1064nm而不能任意选择，同时由于YAG固体内部各器件如镜片、晶体等都是自由空间式的组装而成的，激光器很容易受到使用环境的影响降低了它的稳定性和可靠性。同时它也很难实现很好的温控。
    近年来，尤其在国外人们更多地关心起由二极管泵浦的一体化的窄线宽光纤激光器，这不仅仅是因为该款先进的激光技术可以提供超长的相干距离（远长于二极管窄线宽激光器和YAG固体激光器），更重要的是光纤激光器可以提供从1.5um到2.0um的光波波长，以及该款激光器的卓越的可靠性、牢固性和紧凑性（完全免维护）。该款光纤激光器的工作波长范围可选，这为远距离传感提供了很大的灵活性，因为众所周知光波波长在这些应用领域中往往是十分关键的指标参数。
    前段时间，一个相干长度为3.3公里的光纤激光器在光域激光有限公司成功演示于OFDR应用，尽管本次测量长度小于1公里。本文中我们将向大家介绍一个带PZT调制的窄线宽光纤激光器如何成功地来实现长距离的相干频域反射传感应用。对一个长为95公里的后向瑞利散射和和菲涅耳反射进行FMCW（频率调制连续波）被成功测量。这是最长的FMCW调制的探测距离。如此长距离的后向散射测量所具的高敏感度和动态范围得益于光域激光有限公司的超长距离的相干光源---窄线宽光纤激光器----具有十分优秀的零差和外差探测特性。

2.窄线宽光纤激光器
    该种激光器是二极管泵浦的光纤激光器，它能在光纤中掺杂不同的镱离子或铒离子从而实现1um或1.55um的激光波长。我们曾在以前的文章详细地介绍过该种激光器的原理与结构（详情请见：www.optizonelaser.com）。然而，由于我们近来大大降低了该款激光器的噪声，以及采用新技术提高了封装设计，根除了内部振动或声学噪声，使得我们的窄线宽光纤激光器光谱线宽小至1Khz（即8x10-9nm）。既然1550nm通信光纤最多广泛应用，我们选用了一个25mW的1555.5nm激光器来做演示和介绍。图一和图二显示了通过不同长度的光纤延时下零差和外差探测的结果。这两个零差和外差干涉信号的功率谱线图显示出了十分清楚的干涉条纹至本次演示中最长的那根延时光纤长度，这就说明该款激光器的在光纤传输中相干长度要高于40公里！调制频率和延时光纤长度成反比。所以，该款激光器便可以用于长距离的相干性FMCW测量。
        
           （图1）  不同长度光纤延时的自零差光谱
        
           （图2）25公里延时的自外差光谱
        
           （图3）输入电压对PZT调制函数关系
    该款窄线宽光纤激光器可以通过本身附带的PZT功能来调制其输出的光波频率。图三显示了激光器的调制响应与1-V正弦输入电压调制频率的函数关系。PZT对激光器频率的调制速度大约是27Mhz/V，频率调制带宽 是10Khz。

3．FMCW（频率调制连续波）技术
    FMCW（频率调制连续波）反射计技术如图四所示。对激光器PZT转换器施加14V的50Hz三角电压，使得激光器的频率被线性啁啾到380Mhz以上。一个经过改装的光纤迈克逊干涉仪用来探测相干拍频信号。干涉仪的短臂作为参考臂，在里面激光束被一个法拉第转镜（FRM）反射。在长臂中，是五卷单模光纤，总长度为95公里，干涉长臂各段光纤间都采用FC/APC连接头相互连接，该臂终端可采用FC/APC连接器或是4%的菲涅耳反射器的光纤劈裂端面。为了防止长距离传感中可能产生的受激布里渊散射，光纤激光器的输出功率降低到1mW。从远距离光纤的后向瑞利散射光在远端与参考臂的光产生混频，再通过一个快速探测器（Thorlabs,D400fc）和一个30dB增益RF放大器进行探测。这里无需要任何光学放大器。
      
           （图4） FMCW测量实验平台
    一台光谱分析仪记录了FMCW拍频信号。为避免在频率调制时的非线性现象，激光器频率啁啾时间长度被设定为长于的光谱分析仪的扫描时间（5ms）。在三角调制的第一个半圆中FMCW信号被记录，它长于光谱分析仪的扫描时间。PZT的转换效率是27MhZ/V，那么14V的三角电压将会在10ms内对激光频率产生380Mhz的调制。图5显示了从95公里远处光纤端的瑞利后向散射信号。这95公里长的光纤是我们公司目前所能得到最长的光纤。大约在1Mhz附近的会有第一个信号峰，那是因为在我们本次演示中没有采用相对强度噪声抑制电路从而会出现激光器的张弛振动的缘故。对泵浦二极管基于负反馈进行恰当的噪声抑制电路后，激光器驰豫震动峰可以被抑制超过20dB以上。
            
          图5 95公里的瑞利散射和菲涅耳反射
    图5中可以看出照射光功率只有1mW，参考臂的功率大约是0.5mW。在95公里处的光纤端口测量到的功率是10uW。这10mW的光功率（到达探测器的光功率估计会是1nW或-60dBm）通过光纤菲涅耳4%的反射会产生一个强大的36Mhz的20dB SNR 拍频信号，如图5所示。这个结果表明基于FMCW反射计的光纤激光器能够探测到-80dBm的极微弱信号而不需要光放大器。如果再优化相干探测手段，更高的探测敏感度都能得到。
    如上提到，从零差和外差双谱线中的干涉条纹中可以得知激光器的相干长度要比实际测试中的延时光纤长度要长很多。但是，精确度量该相干
    长度又是十分困难的，因为我们在这两次测量中发现来自洛仑兹谱线形状存在很大偏差，这表明激光器的频率噪声不是统一的“白色”。该线型存在的偏差是因为激光器的频率依赖噪声或1/f噪声。对我们光域激光公司的该款光纤激光器，它表现为（1/f）0.7的频率噪声依赖性。
    我们能够从图5中后向瑞利散射信号的衰减程度来估计出该光纤激光器的相干长度。从最简单的例子中，相干性的FMCW演示中的功率光谱密度能够用如下公式描述：
        
    这里的I1和I2分别是参考光臂饿照射光臂的光强度，R是向后瑞利散射的反射率或是远处光纤的菲涅耳反射。公式（1）中的第二项决定了FMCW的拍频信号，它是对拍频fb的一个三角函数，并分别被两光臂的光强因数加权和与延时Td和相干时间Tc比例的指数关系。当把光纤中的瑞利散射引起的衰减考虑进去，那么光纤中的FMCW信号的指数衰减表示为：
            
    这里的as是光纤的散射衰减系数（0.039/km或0.17dB/km）。既然从图5中可
直接测量出后向瑞利散射信号的延迟率（大约0.4db/km），便可以推导出该光纤激光器在空气中的相干长度为210公里！
    当要传感的距离短于激光器的相干长度时，拍频信号的光谱宽度理论上是个三角函数，使得长距离的测量中可以得到一个绝对高范围的精度。在我们目前的FMCW演示中由于光谱仪的光谱精度（5ms扫描速度时300Khz精度），测量的范围精度受到限制。实际上，光谱分析仪的精度带宽和扫描速度是相矛盾的。但是这个问题能在将来通过使用时域数据采集和快速傅立叶转换算法取代使用光谱仪的直接频域数据采集方法而得以克服。

5. 结论
我们成功演示证明了一个能探测100公里远基于PZT调制的窄线宽光纤激光器的FMCW的简洁发射装置。该套方案所取得长距离的后向散射测量的高敏感度和动态范围得益于光域激光有限公司提供的该款超级长的相干光源，它在空气中的相干长度估计是在210公里！