结合超低损耗光纤和高阶泵浦放大的超长距离随机光纤激光传感

 01   导读

随机光纤激光器依靠光纤中的随机散射提供反馈，非线性效应或有源粒子提供增益，即可在无需传统光纤激光器中固定谐振腔的情况下实现激光激射，具有高亮度、频谱无模式、波长转换灵活等特点。基于随机光纤激光固有的温度不敏感特性，利用在光纤链路远端光纤布拉格光栅作用下产生的激光作为传感信号，可实现高光信噪比遥测。然而，面向架空输电线路监测及海上风电设施监测等应用场景，仍需进一步延长单端光纤无中继传感的距离。

近日，电子科技大学、东北大学、四川大学和之江实验室的合作研究团队提出一种基于高阶泵浦和超低损耗光纤及有源光纤相结合的超长距离随机光纤激光传感系统（Random fiber lasing sensor, RFLS），实现了200km超长距离FBG位移、倾角、温度及应变多参量传感。该研究成果以“Ultralong Single-Ended Random Fiber Laser and Sensor”为题发表在光学期刊Laser & Photonics Reviews，韩冰博士为论文第一作者，饶云江教授和吴函副研究员为论文共同通讯作者。

 02  研究背景

仅利用长距离无源光纤中累积的随机分布式瑞利散射反馈及受激拉曼散射增益，在足够强的泵浦作用下即可实现频谱无模式的全开腔型随机光纤激光器（Random fiber laser, RFL）。通过在RFL光纤链路的一端加入点式反射镜构成半开腔结构或在无源光纤中加入掺铒光纤（Erbium-doped fiber, EDF），可降低随机光纤激光的激射阈值和实现随机光纤激光的级联转换。

新型光纤的出现通常会带来光纤技术及应用领域的突破。近年来，为满足光纤通信日益增长的更高传输速率、更大传输容量及更长传输距离的需求，具有大有效面积的超低损耗光纤（Ultralow loss fiber, ULLF）作为新一代通信光纤已被成功应用于光纤通信系统，不断创造传输距离的新纪录。然而，ULLF在光纤激光及传感系统中的优势仍有待探究。

另一方面，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg grating, FBG）作为传感器件已被广泛应用于多个领域。在半开腔型RFL中，通过将FBG置于光纤链路远端，其既可以作为点式反射镜决定激光激射波长，也可作为传感元件感知外界信息，这样，在RFL泵浦端探测到的随机光纤激光就是传感信号。因此，具有长腔长、良好环境不敏感特性及高光信噪比（Optical signal-to-noise ratio, OSNR）的半开腔型RFL就为实现FBG遥感提供了一个理想平台。此前，基于单根光纤的单端随机光纤激光传感（Random fiber lasing sensing, RFLS）系统采用二阶泵浦结合标准单模光纤，已实现距离为150km的FBG传感。然而，对于这种后向泵浦半开腔型RFLS，其极限腔长决定了最长传感距离。当光纤长度过长时，光纤中累积的后向瑞利散射反馈取代链路尾端FBG作用，导致无法实现长距离遥感。因此，超长距离、高性能单端RFLS仍然是一个挑战。

本团队通过理论分析，提出了一种基于高阶泵浦结合具有低传输损耗、低瑞利散射系数、低拉曼增益系数的ULLF实现超长距离RFLS的新技术，并实验实现了200km超长距离RFL（OSNR达25dB）及多参量RFLS系统（OSNR>15dB）。

 03   创新研究

3.1 原理

在高阶RFL中，由泵浦源、传输光纤及泵浦端点式反射镜共同作用可激射1.46μm级联随机激光。产生的1.46μm高阶随机激光进一步作为1.5μm随机激光的直接腔内泵浦，与光纤中的后向瑞利散射及尾端的1.5μm反射镜共同构成后向泵浦结构，即可在泵浦端实现1.5μm随机激光探测。在采用ULLF的高阶RFL中，由于ULLF具有超低传输损耗及大有效面积，1.46μm级联随机激光的传输损耗更低，最大功率位置可被有效推向光纤远端，为EDF提供更高泵浦功率。如图1所示，相较于采用标准单模光纤的情况，在ULLF链路中的EDF可为1.5μm随机激光提供更高增益。此外，由于1.5μm随机激光在ULLF中传输损耗更低，其在光纤链路尾端的功率更高。因此，在高阶RFL中，沿ULLF及EDF的激光功率分布更优，可显著提高远端点式反射镜的作用效果，有效提高激光OSNR及腔长距离。



图1  结合ULLF及EDF的超长距离高阶RFL原理图

3.2 单端RFL腔长距离延长方法及验证

图2所示为基于标准单模光纤的一至六阶RFL性能对比仿真结果。我们发现，在高阶泵浦作用下，1.46μm随机激光的功率最大值位置更加深入光纤链路远端。因此，高阶RFL中产生的1.5μm随机激光的OSNR更高。对于高阶RFL受光纤的传输损耗、后向瑞利散射系数及拉曼增益系数的影响进行仿真分析（图3），采用具有更低传输损耗、更低后向瑞利散射系数及更低拉曼增益系数的光纤可有效延长后向泵浦RFL的极限腔长距离及OSNR。其中，我们首次发现光纤的超低传输损耗是提高RFL腔长距离及性能的关键因素。



图2  超长距离RFL性能对比仿真。a.1.46μm随机激光功率分布。b.1.46μm随机激光功率最大值位置。c.归一化1.5μm随机激光光谱。d.1.5μm随机激光OSNR。

 

图3  采用不同参数光纤的超长距离后向泵浦六阶RFL性能对比仿真。a.采用具有不同衰减系数、瑞利后向散射系数、拉曼增益系数光纤时，六阶随机激光归一化光谱。b.采用具有不同衰减系数、瑞利后向散射系数、拉曼增益系数光纤时，六阶随机激光OSNR。c.采用具有不同衰减系数、瑞利后向散射系数、拉曼增益系数光纤时，六阶RFL极限腔长距离。

在理论分析的基础上，我们构建了基于G.654.E光纤及EDF的超长距离六阶RFL（图4a）。采用1090nm泵浦结合特殊波长波分复用器及宽带光纤环反射镜，在无需特殊波长FBG的情况下实现了前向泵浦一至五阶级联随机激光激射（图4b）。将10m长EDF置于两段100km长G.654.E光纤中间，为1.5μm随机激光提供点式增益。通过改变光纤尾端FBG中心波长，实现了1.5μm随机激光输出波长调谐，且OSNR可达25dB（图4c）。



图4  超长距离六阶RFL原理图及性能测试结果。a.基于G.654.E光纤及EDF的超长距离六阶RFL示意图。b.级联随机激光输出归一化光谱。c.六阶随机激光归一化波长调谐光谱。

3.3 超长距离单端RFLS

由于超长距离六阶RFL中光纤尾端的FBG也可用作传感元件，因此，通过探测六阶随机激光激射波长，可实现结构简单、超长传感距离及高OSNR的无中继遥感。为验证提出的超长距离高阶RFLS系统性能，采用不同结构封装FBG测试了位移、倾角、温度及应变多参量传感性能（图5）。该工作实现了200km超长距离、>15dB高OSNR的多参量RFLS，且具有良好的线性度及复用能力。



图5  超长距离RFLS位移、倾角、温度、应变多参量传感结果。

 04   应用与展望

该工作提出了一种基于高阶泵浦放大结合低传输损耗、低瑞利后向散射系数及低拉曼增益系数光纤的后向泵浦RFL腔长延长方法，展示了200km超长距离、高性能随机光纤激光遥感系统，为长跨距输电线路及海上风电设施等超长距离结构安全监测提供了新的解决方案。

审核编辑：刘清