光纖激光器加速光纖傳感應(yīng)用

　　前言：

　　光纖傳感取代電傳感以呈大勢(shì)所趨，而目前市場(chǎng)上的光纖傳感絕大部分都是基于光波分復(fù)用（OWDM）的準(zhǔn)分布式傳感原理以及尚處于科研階段的時(shí)域分布式（OTDR）光纖傳感技術(shù)。可是兩者都受制于各自的缺陷離大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用尚待時(shí)日，尤其是在更高要求的傳感領(lǐng)域更是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。　　

　　光纖傳感

　　受電信、半導(dǎo)體和消費(fèi)電子行業(yè)的推動(dòng)，光電技術(shù)和光纖技術(shù)在20世紀(jì)90年代取的了巨大進(jìn)展。盡管這些行業(yè)在近幾年遭受很多阻力而陷入低谷，但是其中很多先進(jìn)技術(shù)卻在其它行業(yè)比如光纖傳感得到了全面發(fā)展，呈現(xiàn)出另一番春天氣息。光纖傳感由于集成了在光纖技術(shù)、激光技術(shù)和光電探測(cè)等多領(lǐng)域所取得的巨大成就表現(xiàn)出極具活力和發(fā)展前途。同時(shí)，由于各相關(guān)光電子制造的成熟，它們的成本也大幅降低，大力推進(jìn)了光纖傳感的發(fā)展。

　　光纖傳感比傳統(tǒng)電子傳感體積小、重量輕，但是它們傳感速度更快、更敏感，擁有更寬的帶寬。這根本的原因是它傳感和傳播的信號(hào)是要比電子好得多的光子，這使得單根光纖就可以構(gòu)建成一個(gè)分布式或陣列式的傳感網(wǎng)絡(luò)，可以擴(kuò)寬傳感面積把探測(cè)到的光信號(hào)傳播到遠(yuǎn)端。稍作改進(jìn)，光纖本身就能夠制作成許多光信號(hào)傳播的器件（比如分束器、合束器、復(fù)用器，過(guò)濾器和延時(shí)線路），從而形成全光纖化的測(cè)量系統(tǒng)。

　　另外，由于光纖材料是絕緣的玻璃或塑料，使得光纖傳感是抗電磁干擾的，因此它能夠在十分接近巨大電器設(shè)備附近比如發(fā)動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作，它也能夠大大降低雷電對(duì)傳感器帶來(lái)的可能破壞。同樣地，由于光纖傳感不會(huì)產(chǎn)生熱量和火花，它在很多危險(xiǎn)的環(huán)境下都很完全，比如在煉油廠、糧倉(cāng)、礦井以及化學(xué)加工廠。標(biāo)準(zhǔn)的玻璃光纖在許多腐蝕性的環(huán)境和230℃溫度下都不會(huì)失去性能，特種光纖甚至能夠在溫度高達(dá)650℃ 下也能正常工作。

　　光纖傳感的種類

　　光纖作為一種物理媒介，很多因數(shù)都可以改變它的幾何參數(shù)（如尺寸、形狀）和光學(xué)參數(shù)（如折射率、模式）。然而不同于力求減少外部影響的光通訊應(yīng)用，光纖傳感反而是故意增強(qiáng)和測(cè)量這些外部因數(shù)對(duì)光纖的影響。光纖傳感按探測(cè)外部擾動(dòng)方式可分為外部傳感與內(nèi)部傳感。

　　在外部傳感系統(tǒng)里，光纖只是充當(dāng)一個(gè)傳輸和接收光信號(hào)的通道。光纖外界的信號(hào)變化通常都控制在一個(gè)范圍之內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)的一個(gè)外部環(huán)境變化將會(huì)改變輸入光子的已知參數(shù)。

　　內(nèi)部傳感器是光纖一體化的系統(tǒng)，外界環(huán)境的擾動(dòng)會(huì)直接影響光纖本身從而使得在其內(nèi)傳輸?shù)墓庑盘?hào)造成某種可被測(cè)量的變化。這種傳感器一般比外部傳感器敏感得多，因此它們更容易去探測(cè)外部未知的擾動(dòng)。這種全光纖化的傳感器在幾何結(jié)構(gòu)上更加靈活，并且大大簡(jiǎn)化了傳感與傳輸元件的連接。但是內(nèi)部傳感器通常是比較昂貴的，也要求更復(fù)雜的信號(hào)解調(diào)設(shè)備。

　　典型的外部傳感應(yīng)用包括了在航天器上的線性和角度定位系統(tǒng)或者流程控制，它們主要是來(lái)監(jiān)控溫度、壓力、液位和流速。內(nèi)部傳感器更多是應(yīng)用在測(cè)量旋轉(zhuǎn)、應(yīng)變、聲音和振動(dòng)。

　　光纖傳感餓也可按調(diào)制方式分為：幅度調(diào)制、偏振調(diào)制、相位調(diào)制和頻率調(diào)制。它們大多數(shù)是在光纖敏感部位從環(huán)境影響或外部擾動(dòng)來(lái)獲取數(shù)據(jù)，這些外部變化改變光信號(hào)一個(gè)或多個(gè)參數(shù)來(lái)從而達(dá)到調(diào)制光信號(hào)的目的。我們可以比較從敏感部位返回來(lái)的調(diào)制光與它們?cè)瓉?lái)的信號(hào)光來(lái)讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　比較而言，強(qiáng)度或非相干傳感器比較簡(jiǎn)單，相位和頻率調(diào)制傳感器能夠達(dá)到更好的敏感度和精度。因?yàn)橄辔换蝾l率探測(cè)是依賴于高精度的相干技術(shù)，基于這種原理工作的傳感器就叫著相干傳感器，這種傳感器通?；谕獠钐綔y(cè)或相干探測(cè)技術(shù)。

　　目前大多數(shù)光纖傳感都是“點(diǎn)式傳感”，測(cè)量范圍都是局限在一些離散的區(qū)域，一般都要增加很多傳感單元來(lái)擴(kuò)展它的測(cè)量范圍。成本、復(fù)雜性以及它的脆弱都限制了這種傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用。而能夠覆蓋整個(gè)光纖長(zhǎng)度的可連續(xù)傳感的“分布式傳感技術(shù)”自然受到了市場(chǎng)的重視與青睞。

　　分布式傳感技術(shù)

　　絕大多數(shù)分布式傳感器都是基于光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)，該系統(tǒng)的基本原理就是探測(cè)、分析反射回來(lái)的短脈沖光，但是它通常都無(wú)法解決動(dòng)態(tài)距離和空間精度之間的矛盾。削短耦合進(jìn)光纖中的光脈沖以及加寬測(cè)量帶寬都能夠提高空間精度，但是它也會(huì)同時(shí)增加信號(hào)噪聲和降低測(cè)量的距離。

　　一個(gè)被實(shí)際應(yīng)用證明最可行的代替OTDR的分布式傳感技術(shù)的就是在借用雷達(dá)應(yīng)用中的相干頻率調(diào)制連續(xù)波技術(shù)（FMCW），它的基本原理是激光器圍繞激光的中心頻率不斷調(diào)制，通過(guò)耦合一部分光進(jìn)入一個(gè)參考臂起本機(jī)振動(dòng)器的作用，另一根長(zhǎng)距離的光纖起著傳感單元的作用。從傳感部位反射回來(lái)的光信號(hào)與來(lái)自本機(jī)振動(dòng)器上的光一起干涉產(chǎn)生一個(gè)拍頻，來(lái)自遠(yuǎn)處的傳感的信息就可以在光譜分析儀上測(cè)量光電流的的拍頻可以解讀，這種相干探測(cè)能夠容易地取得-100dB的敏感度。同時(shí)，光電流的拍頻信號(hào)與返回來(lái)的激光功率和本機(jī)振動(dòng)光束的平方根成正比，本機(jī)振動(dòng)光還有利于放大探測(cè)信號(hào)。

　　與OTDR技術(shù)比較，FMCW最主要的優(yōu)勢(shì)在于它的卓越的穩(wěn)定性，它能夠在幾公里的測(cè)量距離上達(dá)到毫米量級(jí)的空間精度，然后這個(gè)技術(shù)是建立在激光具有很長(zhǎng)的相干距離以及它的頻率能夠成線性連續(xù)調(diào)制。這種分布式的傳感系統(tǒng)能夠在廣闊的被測(cè)區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的測(cè)量精度，而這是一般光纖傳感技術(shù)所無(wú)法達(dá)到的要求。該系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的設(shè)備----激光器目前主要有DBR光纖激光器和DFB光纖激光器。但是，傳統(tǒng)的DBR激光器通過(guò)放大后確實(shí)可以輸出高達(dá)160mW的功率，但是作為提高功率代價(jià)的是它的線寬大到了200-500kHz；相反地，傳感的DFB激光器可以實(shí)現(xiàn)更窄的線寬，但是它的功率卻只能達(dá)到5mW。如何研制出同時(shí)兼有窄線寬與高輸出功率的光纖激光器顯然成為了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的課題。

　　超窄線寬高功率激光器

　　DBR光纖激光器是研制出高濃度的鉺/鐿共摻光纖作成激光物質(zhì)，這種特種光纖具有極高的增益，每厘米可達(dá)5db（普通EDF的增益為0.02db/cm），而噪聲增益幾乎沒(méi)有。用電信級(jí)的LD作泵浦源，兩個(gè)光纖光柵構(gòu)成超短諧振腔（見圖一）。該激光器的線寬可窄至2Khz，頻率穩(wěn)定性好于10Mhz，熱調(diào)協(xié)范圍可達(dá)20Ghz，連續(xù)線性PZT調(diào)制范圍可達(dá)100Mhz，直接輸出功率可達(dá)150mW而不需要增加EDFA來(lái)放大，傳感的長(zhǎng)度可超過(guò)50公里（而傳統(tǒng)的DFB激光器傳感的距離只有幾百米）。所有這些特點(diǎn)注定了該種激光器成為最穩(wěn)定和超高精度的光纖傳感系統(tǒng)中所必需的光源”。

　　搭配一臺(tái)光電探測(cè)器，該款單頻激光器便可以實(shí)現(xiàn)十分經(jīng)濟(jì)的分布式光纖傳感，對(duì)超長(zhǎng)距離和超寬區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控。一個(gè)在光纖水聽器聲納陣列的應(yīng)用例子見圖二。美國(guó)國(guó)防部曾十分積極地研究海底水聽器聲納陣列、光纖底部陣列以及使用TDM和WDM技術(shù)相結(jié)合的拖曳陣列。這些傳感陣列在石油探勘和地震方面也可廣泛應(yīng)用。

　　（圖二：光纖傳感應(yīng)用）

　　與傳統(tǒng)的壓電水聽器相比較，相干光纖傳感器擁有諸多優(yōu)勢(shì)。除了用光代替電所帶來(lái)的諸多好處外，最為關(guān)鍵的是該系統(tǒng)不再需要額外的傳感頭，因?yàn)樗峭ㄟ^(guò)光纖本身繞成的光纖圈來(lái)感應(yīng)外部變化的，從而大大降低了成本，光纖還可以降低系統(tǒng)的重量和電纜的成本，同時(shí)也大大提高了聲納陣列的使用壽命。

　　然而，該款基于光纖技術(shù)的水聽器的壓力精度取決于傳感器的干涉儀的相位精度，而來(lái)自干涉儀的相對(duì)強(qiáng)度噪聲和頻率噪聲反過(guò)來(lái)又會(huì)影響到相位精度。噪聲水平的增加與干涉儀的路徑不平衡度成比例，所以一個(gè)更長(zhǎng)的干涉儀測(cè)量臂就意味著更低的壓力精度。光庫(kù)通訊提供的超窄線寬光纖激光器，是水聽器應(yīng)用中最優(yōu)秀的光源，因?yàn)樗念l率噪聲就是與最好的DFB激光器相比都要低2個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)由于不必要采用放大器就可以實(shí)現(xiàn)高功率（150mW）輸出，它根除了所有的自發(fā)噪聲，相對(duì)強(qiáng)度噪聲可低至-110db/Hz，相干長(zhǎng)度可長(zhǎng)達(dá)75公里，可以說(shuō)是光纖水聽器之最高發(fā)展，必將全面升級(jí)水下探測(cè)和海底通信系統(tǒng)。