光纤移频分布式布里渊光纤传感技术
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［ ］ ９ １ ０ － ， ， 不仅需要对 Ｔ ｉ ｍ ｅ Ｄ ｏ ｍ ａ ｉ ｎ Ａ ｎ ａ ｌ ｓ ｉ ｓ Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ａ） ｙ ） 两个激光 器 的 频 差 （ 进 行 检 测、 调节并锁 １ １ ＧＨ ｚ
定， 而且还要求激光器具备调谐功能 ， 对激光器的频 率稳定性也 有 很 高 要 求 ， 系 统 将 更 加 复 杂 昂 贵． 因 此， 目前布里渊探测 系 统 的 复 杂 性 和 高 成 本 是 制 约
பைடு நூலகம்
２ 布里渊频移测量原理
布里渊散射频率ν 应 变ε 成 线 Ｂ 与 光 纤 温 度 Ｔ、
１ ６］ 性关系 ［
（ ） ＣＴ （ Ｔ－ＴＲ ） ＋Ｃ ５ ν ν ε Ｂ＝ Ｂ ０＋ ε 式中 ＴＲ 为参考温度 ； 即 ν Ｂ ０ 是参考布里渊频率 ， 在无应变且温度为 ＴＲ 时的布里渊散射频率 ； ＣＴ 、 Ｃ ε 分别是温 度 系 数 和 应 变 系 数 ． 对于 Ｓ ＭＦ 光 纤 在 工 作波长 为 １． ５ ５ｎ ｍ 时， ＣＴ 和 Ｃ ε 的典型值分别为 ／℃ 和 ０ ／ ， 令Δ １ ． ０ ５ ＭＨ ｚ ． ０ ４ ８ ３ ＭＨ ｚ Ｔ－ ε ν Ｔ ＝Ｃ Ｔ（ ε μ ） 则由式 （ 得到 ＴＲ ） ＋Ｃ ５ ε， ε （ ） ６ Δ ν ν ν ν ν ν Ｔ＝ Ｂ ０－ Ｂ ＝Δ Ｂ－ （ ０－ Ｂ ０） ε （ ） ， 式 ６ 可用图 ３ 所示的示意图表示 这表明若引 入参考布里渊频率ν 则探测布里渊频移量 Δ ν Ｂ ０， Ｂ 的 问题就转化为探测由应变或温度引起的附加布里渊 频移 量 Δ 而Δ ν ν Ｔ 的 问 题， Ｔ 的变化量通常在数十 ε ε ， 也就是说将对１ ＭＨ ｚ １ＧＨ ｚ微 波 频 率 信 号 转 化 为 对 ＭＨ ｚ频率信号的探测 ．
］ １ ３］ １ ４ １ ５ － 率［ 对于光纤环形腔 ［ 来说纵 模 带 宽 是 由 环 行 ． ２ ／（ 腔的自由光谱范围 Ｆ Ｓ Ｒ 和 精 细 度 Ｆ＝４ Ｒ １－Ｒ ）
／ ， 决定 ， 这里 Ｒ＝ 槡 式 中κ １－ １－ ｅ ｘ － Ｌ ２） κ槡 γ α ｐ（ 和γ 分别 是 光 纤 耦 合 器 的 附 加 损 耗 和 光 强 耦 合 系 通过选取κ、 可以获得非 数， γ 和光纤环长度Ｌ 参量 ， 常窄的纵模带宽 ． 因此可以通过选取光纤环行腔的 参量获得窄线宽的受激布里渊散射光 ．
０ 引言
在石英光纤中将同时产生背向布里渊散射和背 向瑞利散射 ， 它们之间的频差约为 １ 在泵浦 １ＧＨ ｚ（
［ １］ ， 激光波 长 为 １ 无论采用光学方法还 ５ ５ ０ｎ ｍ 处）
是电子技术提取布 里 渊 散 射 光 都 比 较 困 难 ． 若采用 光学滤波方法分离 出 布 里 渊 散 射 光 ， 由于应变或温 度引起的布 里 渊 频 移 变 化 在 ＭＨ 且自发 ｚ数 量 级， 布里渊 散 射 信 号 极 其 微 弱 ， 可调谐窄带 Ｆ Ｐ滤波 －
１ １］ 由介质的声学特性和弹性力学特性决定 ， 即［
若采用 分辨率低或损耗大 等 原 因 均 难 以 满 足 要 求 ． 不仅要求带宽大于１ 光外 差 方 法 ， １ ＧＨ ｚ的 超 快 速 光电 探 测 器
［ ５］
， 而且相应的信号处理电路属于微波
［ ］ ６ ８ －
电路 ， 系统结构复杂昂贵 ． 为了避免使用宽带信号处 理电路 ， Ｈ． Ｉ ｚ ｕ ｍ ｉ ｔ ａ和 Ｍ． Ｎ ｉ ｋ ｌ è ｓ等人 提出采用 高频电光调制器产生一束接近布里渊频率的光作为 本地光 ， 与后向布 里 渊 散 射 光 进 行 外 差 探 测 ， 但 是， 要对 电 光 调 制 器 进 行 控 制 ， 仍然需要１ １ＧＨ ｚ的 微 波电路 ． 如果采用基 于 光 纤 中 受 激 布 里 渊 散 射 光 放 大原 理 的 布 里 渊 光 时 域 分 析 法 （ Ｂ ｒ ｉ ｌ ｌ ｏ ｕ ｉ ｎ Ｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ
９期
黄民双 ， 等： 光纤移频分布式布里渊光纤传感技术
１ ４ ２ ９
ｎ ｕ ａ （ ） １ ｃ 式中ν ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 频 率， ｎ 为介 ν ０、 Ｂ 分别为入射光和 Ｓ 石英 质折射率 ， ｕ ｃ为 真 空 中 光 速． ａ 为 介 质 中 声 速，
Δ ν ν ν ν Ｂ＝ ０－ Ｂ ＝２ ０ ／ ， 光纤的 ｎ＝１． 对 于１． ４ ６， ｕ ９ ４ ５ｍ ｓ ５ ５μ ｍ波 长 ａ ＝５ 实验测得的布里渊频移约１ 入射光 ， ０． ８ ６ＧＨ ｚ ． 受激布里渊散射 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ增益曲线具有 Ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｔ ｚ 线型 ， 其半宽 度 Δ ω 与声波的阻尼时间或声子寿命 即 τ ａ 有关 ， １ （ ） ｕ ２ ≈ α ａ ａ τ 式中α 在 单 模 石 英 光 纤 中， 声 ａ 是声 子 的 衰 减 系 数 ． ， 子寿命约为 １ 因此 Ｓ ０ｎ ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ增 益 曲 线 半 宽 度 约 Δ ω＝ 为３ ０ ＭＨ ｚ ． 另一方面 ， 由光学共振腔的模式理论可知 ， 对于 长度为 Ｌ 的 光 纤 环 形 腔 ， 激光的纵模间隔（ 即自由 光谱范围 ） 为 ｃ （ ） Ｆ Ｓ Ｒ＝ ３ ｎ Ｌ ） 式（ 说明了在光 纤 环 形 谐 振 腔 中 产 生 受 激 布 里 渊 ３ 散射光 的 频 率 条 件 ． 也 就 是 说， 只有 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 频 率
［ １ ２］
图 ２ 瑞利散射光和一级布里渊散射光的差频频谱 Ｆ ｉ ． ２ Ｂ ｅ ａ ｔ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｏ ｆ Ｒ ａ ｌ ｅ ｉ ｈ ｓ ｃ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｗ ａ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｇ ｑ ｙ ｙ ｇ ｇ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ Ｂ ｒ ｉ ｌ ｌ ｏ ｕ ｉ ｎ ｓ ｃ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｗ ａ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｇ
图 １ 光纤布里渊频移器 Ｆ ｉ ． １ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｏ ｔ ｉ ｃ Ｂ ｒ ｉ ｌ ｌ ｏ ｕ ｉ ｎ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｓ ｈ ｉ ｆ ｔ ｅ ｒ ｇ ｐ ｑ ｙ
） 北京市自然科学基金 （ 资助 Ｎ ｏ ． ４ ０ ７ ３ ０ ３ ２ 基金项目 ： ， ： 第一作者 ： 黄民双 （ 男， 教授 ， 博士 ， 主要研究方向为光纤传感 、 大地测量仪器等 ． １ ９ ６ ４－ ） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｕ ａ ｎ ｍ ｉ ｎ ｓ ｈ ｕ ａ ｎ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ＠ｂ ｇ ｇ ｐ ； 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ ０ ４ １ ４ ２ ０ １ １ ０ ５ ３ ０ － － － －
ν ν Ｂ 相对于入射光频率ν ０ 的频率差 Δ Ｂ 满足
ｃ （ ） Ｓ Ｒ＝Ｎ ＊ ４ Δ ν Ｂ ＝Ｎ ＊Ｆ ｎ Ｌ 时， 光纤环行振 荡 器 才 可 能 输 出 Ｓ 其中 Ｎ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光， 为整数 ． 另一方面 ， 式（ 说明只有在光纤布里渊增 １） 这意味 益带宽内的纵模才 能 得 到 布 里 渊 增 益 放 大 ． 着光纤环形谐振腔 起 着 频 率 滤 波 器 的 作 用 ， 在纵模 频带内的可以放大通过 ， 而纵模频带外的不能通过 ． 实验中 ， 图 １ 的入射光 Ｉ Ｆ Ｂ 激 光 器 提 供， ０ 由 Ｄ 单纵模连续激光输出 ， 最大输 Ｄ Ｆ Ｂ 波长为１． ５ ５ｎ ｍ， ； 出功率为 ８ 线 宽 小 于１ 入射激光经环 ０ｍＷ ， ０ｋ Ｈ ｚ 行器耦合进入 光 纤 ， 光纤采用康宁 Ｓ ＭＦ ２ ８普通石 － 芯径为９． 在波长 １ 英单模通信光纤 ， ２ ５μ ｍ， ５ ５ ０ｎ ｍ ／ 处的损耗为 ０． 光纤布里渊环行腔的输出 ２ １ｄ Ｂ ｋ ｍ． 光Ｉ ５ＧＨ ｚ的超快速光电探测器进行光电转 ｓ 经过 ２ 换和 ２ 送 ＨＰ ２ＧＨ ｚ的宽带放大器放大后 ， ８ ５ ６ ６ Ａ微 波分析仪观测 ． （ ） 图２ 为当光 纤 长 度 为 ５ 入射激光功率 ａ ０ ０ ｍ， 为４ｍＷ 时观测的波形 ． 从图中可以看出 ： 信号中心 ， ， 频率为 １ 线宽约为 ３ ＭＨ 其中心频率 ０． ８ ６ ３ＧＨ ｚ ｚ 正好 是 一 级 受 激 布 里 渊 散 射 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 频 率 与 背 向 瑞利散射光
１ ４ ３ ０
光 子 学 报
４ ０卷
经过 光 纤 环 行 器 后 入 射 进 入 传 感 光 纤 ． Ｌ Ｄ 输出的 激光ν 采用声光或电光调制器） 将变 ０ 通过移 频 器 （ 当调节移频器的频率为 Δ 即当 换为ν ν ν Ｐ， Ｔ 时， Ｐ＝ ε 传感光纤产 生 的 背 向 布 里 渊 频 率ν 如 ν ν ０ ＋Δ Ｔ 时， Ｂ（ ε （ ） ） ） ， 等于参考布里渊频率ν 如图 ４（ 此时 图４ ｃ ｂ） Ｂ ０（
］ ［ ２ ３ ４］ － 器［ 和可调谐 窄 带 Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ光纤光栅滤波器 由于
１ 光纤布里渊频移器
如图 １， 光纤布里渊频移 器 由 光 纤 环 行 器 、 光纤 实际上是一个光纤布里渊环行 和光纤耦合器组成 ， 当入射光Ｉ 腔． ０ 线宽足够窄并满足受激布里渊散射 阈值功率时 ， 在光纤 中 将 产 生 背 向 受 激 布 里 渊 散 射 其散射光相 对 于 入 射 光 的 频 移 Δ Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 ， ν Ｂ 主要
光 子 学 报 第４ ０ 卷第 ９ 期 ２ ０ １ １年９月 Ａ Ｃ ＴＡ Ｐ Ｔ ＯＮ Ｉ Ｃ Ａ Ｓ Ｉ Ｎ Ｉ Ｃ Ａ ＨＯ （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ４ ４ ２ １ ３ ２ ０ １ １ ０ ９ １ ４ ２ ８ ５ － － －
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ０Ｎ ｏ ． ９ ｔ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ １ Ｓ ｅ ｐ
频率 （ 入射光频率 ） 之 差， 说明在光纤
环形腔产生了较强 的 窄 线 宽 的 受 激 布 里 渊 散 射 光 ． 图 ２（ 为当光纤长度为５ 实 ｂ） ０ ｍ 时 观 测 到 的 波 形， 验表明 ： 此时可以获 得 更 窄 线 宽 的 受 激 布 里 渊 散 射 光， 只有 ５ 但此时需要较强的入射功 ０ ０ｋ Ｈ ｚ左 右，
光纤移频分布式布里渊光纤传感技术
黄民双 ， 黄军芬
（ ） 北京石油化工学院 光机电装备技术北京市重点实验室 ， 北京 １ ０ ２ ６ １ ７
摘 要： 提出了一种利用布里渊光纤环形腔移频技术实现分布式光纤布里渊传感的方法 ． 该方法基 将一束单纵模运转激光器输出的激光分为两束 ； 一束光入射布里渊光 于布里渊光时域分析法原理 ， 纤环形腔中产生窄线宽的受激布里渊散射光作为斯托克斯光 ， 另一束光经过低频相位调制后作为 泵浦光 ； 斯托克斯光和泵浦光分 别 相 向 入 射 进 入 传 感 光 纤 ， 通过测量布里渊谱得到光纤温度或应 变． 利用该方法可将十几 ＧＨ 仅需一台激光器 ， 因 ｚ的微波频率转化为兆赫信号频率进行探测处理 ， 此系统结构简单 、 成本低 ， 还可减小激光器频率波动对测量准 确 度 的 影 响 ． 实验验证了该方法的可 行性 ． 关键词 ： 分布式光纤传感器 ； 布里渊散射 ； 光纤环形腔 ； 布里渊光时域分析法 中图分类号 ： Ｏ ６ ４ ７． ３ 文献标识码 ： Ａ ： ／ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ７ ８ ８ ｚ ｘ ｂ ２ ０ １ １ ４ ０ ０ ９． １ ４ ２ ８ ｇ 本 文 提 出 了 一 种 新 的 方 法 ，该 方 法 采 用 但只需要一只分布反馈半导体 Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ａ 原 理， （ 激 光 器， 利用光纤布里 Ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｕ ｔ ｅ ｄ Ｆ ｅ ｅ ｄ Ｂ ａ ｃ ｋ， Ｄ Ｆ Ｂ） 渊环行腔产生窄带受激布里渊散射光取代作为探测 光的激光器 ， 不仅 简 化 系 统 结 构 、 降 低 系 统 成 本， 而 且将大大提高系统性能 ． 分布式布里渊光纤传感技术应用的关键问题 ．
定， 而且还要求激光器具备调谐功能 ， 对激光器的频 率稳定性也 有 很 高 要 求 ， 系 统 将 更 加 复 杂 昂 贵． 因 此， 目前布里渊探测 系 统 的 复 杂 性 和 高 成 本 是 制 约
பைடு நூலகம்
２ 布里渊频移测量原理
布里渊散射频率ν 应 变ε 成 线 Ｂ 与 光 纤 温 度 Ｔ、
１ ６］ 性关系 ［
（ ） ＣＴ （ Ｔ－ＴＲ ） ＋Ｃ ５ ν ν ε Ｂ＝ Ｂ ０＋ ε 式中 ＴＲ 为参考温度 ； 即 ν Ｂ ０ 是参考布里渊频率 ， 在无应变且温度为 ＴＲ 时的布里渊散射频率 ； ＣＴ 、 Ｃ ε 分别是温 度 系 数 和 应 变 系 数 ． 对于 Ｓ ＭＦ 光 纤 在 工 作波长 为 １． ５ ５ｎ ｍ 时， ＣＴ 和 Ｃ ε 的典型值分别为 ／℃ 和 ０ ／ ， 令Δ １ ． ０ ５ ＭＨ ｚ ． ０ ４ ８ ３ ＭＨ ｚ Ｔ－ ε ν Ｔ ＝Ｃ Ｔ（ ε μ ） 则由式 （ 得到 ＴＲ ） ＋Ｃ ５ ε， ε （ ） ６ Δ ν ν ν ν ν ν Ｔ＝ Ｂ ０－ Ｂ ＝Δ Ｂ－ （ ０－ Ｂ ０） ε （ ） ， 式 ６ 可用图 ３ 所示的示意图表示 这表明若引 入参考布里渊频率ν 则探测布里渊频移量 Δ ν Ｂ ０， Ｂ 的 问题就转化为探测由应变或温度引起的附加布里渊 频移 量 Δ 而Δ ν ν Ｔ 的 问 题， Ｔ 的变化量通常在数十 ε ε ， 也就是说将对１ ＭＨ ｚ １ＧＨ ｚ微 波 频 率 信 号 转 化 为 对 ＭＨ ｚ频率信号的探测 ．
］ １ ３］ １ ４ １ ５ － 率［ 对于光纤环形腔 ［ 来说纵 模 带 宽 是 由 环 行 ． ２ ／（ 腔的自由光谱范围 Ｆ Ｓ Ｒ 和 精 细 度 Ｆ＝４ Ｒ １－Ｒ ）
／ ， 决定 ， 这里 Ｒ＝ 槡 式 中κ １－ １－ ｅ ｘ － Ｌ ２） κ槡 γ α ｐ（ 和γ 分别 是 光 纤 耦 合 器 的 附 加 损 耗 和 光 强 耦 合 系 通过选取κ、 可以获得非 数， γ 和光纤环长度Ｌ 参量 ， 常窄的纵模带宽 ． 因此可以通过选取光纤环行腔的 参量获得窄线宽的受激布里渊散射光 ．
０ 引言
在石英光纤中将同时产生背向布里渊散射和背 向瑞利散射 ， 它们之间的频差约为 １ 在泵浦 １ＧＨ ｚ（
［ １］ ， 激光波 长 为 １ 无论采用光学方法还 ５ ５ ０ｎ ｍ 处）
是电子技术提取布 里 渊 散 射 光 都 比 较 困 难 ． 若采用 光学滤波方法分离 出 布 里 渊 散 射 光 ， 由于应变或温 度引起的布 里 渊 频 移 变 化 在 ＭＨ 且自发 ｚ数 量 级， 布里渊 散 射 信 号 极 其 微 弱 ， 可调谐窄带 Ｆ Ｐ滤波 －
１ １］ 由介质的声学特性和弹性力学特性决定 ， 即［
若采用 分辨率低或损耗大 等 原 因 均 难 以 满 足 要 求 ． 不仅要求带宽大于１ 光外 差 方 法 ， １ ＧＨ ｚ的 超 快 速 光电 探 测 器
［ ５］
， 而且相应的信号处理电路属于微波
［ ］ ６ ８ －
电路 ， 系统结构复杂昂贵 ． 为了避免使用宽带信号处 理电路 ， Ｈ． Ｉ ｚ ｕ ｍ ｉ ｔ ａ和 Ｍ． Ｎ ｉ ｋ ｌ è ｓ等人 提出采用 高频电光调制器产生一束接近布里渊频率的光作为 本地光 ， 与后向布 里 渊 散 射 光 进 行 外 差 探 测 ， 但 是， 要对 电 光 调 制 器 进 行 控 制 ， 仍然需要１ １ＧＨ ｚ的 微 波电路 ． 如果采用基 于 光 纤 中 受 激 布 里 渊 散 射 光 放 大原 理 的 布 里 渊 光 时 域 分 析 法 （ Ｂ ｒ ｉ ｌ ｌ ｏ ｕ ｉ ｎ Ｏ ｔ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ
９期
黄民双 ， 等： 光纤移频分布式布里渊光纤传感技术
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ｎ ｕ ａ （ ） １ ｃ 式中ν ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 频 率， ｎ 为介 ν ０、 Ｂ 分别为入射光和 Ｓ 石英 质折射率 ， ｕ ｃ为 真 空 中 光 速． ａ 为 介 质 中 声 速，
Δ ν ν ν ν Ｂ＝ ０－ Ｂ ＝２ ０ ／ ， 光纤的 ｎ＝１． 对 于１． ４ ６， ｕ ９ ４ ５ｍ ｓ ５ ５μ ｍ波 长 ａ ＝５ 实验测得的布里渊频移约１ 入射光 ， ０． ８ ６ＧＨ ｚ ． 受激布里渊散射 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ增益曲线具有 Ｌ ｏ ｒ ｅ ｎ ｔ ｚ 线型 ， 其半宽 度 Δ ω 与声波的阻尼时间或声子寿命 即 τ ａ 有关 ， １ （ ） ｕ ２ ≈ α ａ ａ τ 式中α 在 单 模 石 英 光 纤 中， 声 ａ 是声 子 的 衰 减 系 数 ． ， 子寿命约为 １ 因此 Ｓ ０ｎ ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ增 益 曲 线 半 宽 度 约 Δ ω＝ 为３ ０ ＭＨ ｚ ． 另一方面 ， 由光学共振腔的模式理论可知 ， 对于 长度为 Ｌ 的 光 纤 环 形 腔 ， 激光的纵模间隔（ 即自由 光谱范围 ） 为 ｃ （ ） Ｆ Ｓ Ｒ＝ ３ ｎ Ｌ ） 式（ 说明了在光 纤 环 形 谐 振 腔 中 产 生 受 激 布 里 渊 ３ 散射光 的 频 率 条 件 ． 也 就 是 说， 只有 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 频 率
［ １ ２］
图 ２ 瑞利散射光和一级布里渊散射光的差频频谱 Ｆ ｉ ． ２ Ｂ ｅ ａ ｔ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｏ ｆ Ｒ ａ ｌ ｅ ｉ ｈ ｓ ｃ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｗ ａ ｖ ｅ ａ ｎ ｄ ｇ ｑ ｙ ｙ ｇ ｇ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ Ｂ ｒ ｉ ｌ ｌ ｏ ｕ ｉ ｎ ｓ ｃ ａ ｔ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｗ ａ ｖ ｅ ｔ ｈ ｅ ｇ
图 １ 光纤布里渊频移器 Ｆ ｉ ． １ Ｆ ｉ ｂ ｅ ｒ ｏ ｔ ｉ ｃ Ｂ ｒ ｉ ｌ ｌ ｏ ｕ ｉ ｎ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｓ ｈ ｉ ｆ ｔ ｅ ｒ ｇ ｐ ｑ ｙ
） 北京市自然科学基金 （ 资助 Ｎ ｏ ． ４ ０ ７ ３ ０ ３ ２ 基金项目 ： ， ： 第一作者 ： 黄民双 （ 男， 教授 ， 博士 ， 主要研究方向为光纤传感 、 大地测量仪器等 ． １ ９ ６ ４－ ） Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ｈ ｕ ａ ｎ ｍ ｉ ｎ ｓ ｈ ｕ ａ ｎ ｉ ｔ ． ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ ＠ｂ ｇ ｇ ｐ ； 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ ０ ４ １ ４ ２ ０ １ １ ０ ５ ３ ０ － － － －
ν ν Ｂ 相对于入射光频率ν ０ 的频率差 Δ Ｂ 满足
ｃ （ ） Ｓ Ｒ＝Ｎ ＊ ４ Δ ν Ｂ ＝Ｎ ＊Ｆ ｎ Ｌ 时， 光纤环行振 荡 器 才 可 能 输 出 Ｓ 其中 Ｎ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光， 为整数 ． 另一方面 ， 式（ 说明只有在光纤布里渊增 １） 这意味 益带宽内的纵模才 能 得 到 布 里 渊 增 益 放 大 ． 着光纤环形谐振腔 起 着 频 率 滤 波 器 的 作 用 ， 在纵模 频带内的可以放大通过 ， 而纵模频带外的不能通过 ． 实验中 ， 图 １ 的入射光 Ｉ Ｆ Ｂ 激 光 器 提 供， ０ 由 Ｄ 单纵模连续激光输出 ， 最大输 Ｄ Ｆ Ｂ 波长为１． ５ ５ｎ ｍ， ； 出功率为 ８ 线 宽 小 于１ 入射激光经环 ０ｍＷ ， ０ｋ Ｈ ｚ 行器耦合进入 光 纤 ， 光纤采用康宁 Ｓ ＭＦ ２ ８普通石 － 芯径为９． 在波长 １ 英单模通信光纤 ， ２ ５μ ｍ， ５ ５ ０ｎ ｍ ／ 处的损耗为 ０． 光纤布里渊环行腔的输出 ２ １ｄ Ｂ ｋ ｍ． 光Ｉ ５ＧＨ ｚ的超快速光电探测器进行光电转 ｓ 经过 ２ 换和 ２ 送 ＨＰ ２ＧＨ ｚ的宽带放大器放大后 ， ８ ５ ６ ６ Ａ微 波分析仪观测 ． （ ） 图２ 为当光 纤 长 度 为 ５ 入射激光功率 ａ ０ ０ ｍ， 为４ｍＷ 时观测的波形 ． 从图中可以看出 ： 信号中心 ， ， 频率为 １ 线宽约为 ３ ＭＨ 其中心频率 ０． ８ ６ ３ＧＨ ｚ ｚ 正好 是 一 级 受 激 布 里 渊 散 射 Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 频 率 与 背 向 瑞利散射光
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经过 光 纤 环 行 器 后 入 射 进 入 传 感 光 纤 ． Ｌ Ｄ 输出的 激光ν 采用声光或电光调制器） 将变 ０ 通过移 频 器 （ 当调节移频器的频率为 Δ 即当 换为ν ν ν Ｐ， Ｔ 时， Ｐ＝ ε 传感光纤产 生 的 背 向 布 里 渊 频 率ν 如 ν ν ０ ＋Δ Ｔ 时， Ｂ（ ε （ ） ） ） ， 等于参考布里渊频率ν 如图 ４（ 此时 图４ ｃ ｂ） Ｂ ０（
］ ［ ２ ３ ４］ － 器［ 和可调谐 窄 带 Ｂ ｒ ａ ｇ ｇ光纤光栅滤波器 由于
１ 光纤布里渊频移器
如图 １， 光纤布里渊频移 器 由 光 纤 环 行 器 、 光纤 实际上是一个光纤布里渊环行 和光纤耦合器组成 ， 当入射光Ｉ 腔． ０ 线宽足够窄并满足受激布里渊散射 阈值功率时 ， 在光纤 中 将 产 生 背 向 受 激 布 里 渊 散 射 其散射光相 对 于 入 射 光 的 频 移 Δ Ｓ ｔ ｏ ｋ ｅ ｓ光 ， ν Ｂ 主要
光 子 学 报 第４ ０ 卷第 ９ 期 ２ ０ １ １年９月 Ａ Ｃ ＴＡ Ｐ Ｔ ＯＮ Ｉ Ｃ Ａ Ｓ Ｉ Ｎ Ｉ Ｃ Ａ ＨＯ （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ４ ４ ２ １ ３ ２ ０ １ １ ０ ９ １ ４ ２ ８ ５ － － －
Ｖ ｏ ｌ ． ４ ０Ｎ ｏ ． ９ ｔ ｅ ｍ ｂ ｅ ｒ ２ ０ １ １ Ｓ ｅ ｐ
频率 （ 入射光频率 ） 之 差， 说明在光纤
环形腔产生了较强 的 窄 线 宽 的 受 激 布 里 渊 散 射 光 ． 图 ２（ 为当光纤长度为５ 实 ｂ） ０ ｍ 时 观 测 到 的 波 形， 验表明 ： 此时可以获 得 更 窄 线 宽 的 受 激 布 里 渊 散 射 光， 只有 ５ 但此时需要较强的入射功 ０ ０ｋ Ｈ ｚ左 右，
光纤移频分布式布里渊光纤传感技术
黄民双 ， 黄军芬
（ ） 北京石油化工学院 光机电装备技术北京市重点实验室 ， 北京 １ ０ ２ ６ １ ７
摘 要： 提出了一种利用布里渊光纤环形腔移频技术实现分布式光纤布里渊传感的方法 ． 该方法基 将一束单纵模运转激光器输出的激光分为两束 ； 一束光入射布里渊光 于布里渊光时域分析法原理 ， 纤环形腔中产生窄线宽的受激布里渊散射光作为斯托克斯光 ， 另一束光经过低频相位调制后作为 泵浦光 ； 斯托克斯光和泵浦光分 别 相 向 入 射 进 入 传 感 光 纤 ， 通过测量布里渊谱得到光纤温度或应 变． 利用该方法可将十几 ＧＨ 仅需一台激光器 ， 因 ｚ的微波频率转化为兆赫信号频率进行探测处理 ， 此系统结构简单 、 成本低 ， 还可减小激光器频率波动对测量准 确 度 的 影 响 ． 实验验证了该方法的可 行性 ． 关键词 ： 分布式光纤传感器 ； 布里渊散射 ； 光纤环形腔 ； 布里渊光时域分析法 中图分类号 ： Ｏ ６ ４ ７． ３ 文献标识码 ： Ａ ： ／ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ７ ８ ８ ｚ ｘ ｂ ２ ０ １ １ ４ ０ ０ ９． １ ４ ２ ８ ｇ 本 文 提 出 了 一 种 新 的 方 法 ，该 方 法 采 用 但只需要一只分布反馈半导体 Ｂ Ｏ Ｔ Ｄ Ａ 原 理， （ 激 光 器， 利用光纤布里 Ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｕ ｔ ｅ ｄ Ｆ ｅ ｅ ｄ Ｂ ａ ｃ ｋ， Ｄ Ｆ Ｂ） 渊环行腔产生窄带受激布里渊散射光取代作为探测 光的激光器 ， 不仅 简 化 系 统 结 构 、 降 低 系 统 成 本， 而 且将大大提高系统性能 ． 分布式布里渊光纤传感技术应用的关键问题 ．