葛 強(qiáng)     光域激光有限公司
    摘要：一個(gè)帶PZT調(diào)制的、光譜線寬超級(jí)窄的單頻光纖激光器作為發(fā)射光源成功地實(shí)現(xiàn)了長距離的相干頻域反射傳感應(yīng)用，對一個(gè)長達(dá)95公里的后向瑞利散射和和菲涅耳反射進(jìn)行FMCW（頻率調(diào)制連續(xù)波）測量取得了十分滿意的結(jié)果，而過程中而無需光纖放大器。這是我們所知道的最長的FMCW測量距離。這長距離的后向散射測量所具的高敏感度和動(dòng)態(tài)范圍得益于光域激光有限公司的超長距離的相干光源---窄線寬光纖激光器，該款激光器估計(jì)在空氣中的相干長度長達(dá)210公里！

關(guān)鍵詞：長距離探測    頻率調(diào)制   激光雷達(dá)  瑞利散射

1.介紹
    長距離光傳輸系統(tǒng)由許多個(gè)光纖徑距和光學(xué)放大器組成，并已廣泛使用在陸地和海底傳輸系統(tǒng)。在每兩個(gè)光纖放大器之間，光信號(hào)一般可以傳輸120公里。基于后向散射測量的光時(shí)域反射（OTDR）是目前對光纖線路發(fā)生故障定位的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。然而，目前大多數(shù)OTDR儀器均采用了脈沖光源和直接探測技術(shù)，其最長的測量距離只有幾十公里。同時(shí)，OTDR技術(shù)一般還會(huì)受到動(dòng)態(tài)范圍和空間精度這對選擇矛盾中受到限制與影響�；�于FMCW（頻率調(diào)制連續(xù)波）技術(shù)和采用相干光源的頻域反射技術(shù)OFDR較傳統(tǒng)的OTDR擁有眾多優(yōu)勢。它可以提供高得多的敏感度和更大的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)測量精度也要高于OTDR。迄今為此，在國外有許許多多的相干激光器被廣泛應(yīng)用在相干原理的OFDR系統(tǒng)中。
    盡管1550nm的半導(dǎo)體二極管激光器體積小，價(jià)格又便宜，確實(shí)可以用于OFDR應(yīng)用中，但是由于其天生的寬帶光譜線寬，其實(shí)際發(fā)射出的光信號(hào)相干長度很短，一般的測量范圍只有幾百米長。由光域激光有限公司提供的窄線寬光纖激光器不僅波長可選，而且光譜線寬窄到3Khz，實(shí)際相干長度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過半導(dǎo)體激光器，可以大大提高測量距離。而固體YAG激光器，大家都知道它是無法實(shí)現(xiàn)1550nm波長的，波長一般只能是1064nm而不能任意選擇，同時(shí)由于YAG固體內(nèi)部各器件如鏡片、晶體等都是自由空間式的組裝而成的，激光器很容易受到使用環(huán)境的影響降低了它的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)它也很難實(shí)現(xiàn)很好的溫控。
    近年來，尤其在國外人們更多地關(guān)心起由二極管泵浦的一體化的窄線寬光纖激光器，這不僅僅是因?yàn)樵摽钕冗M(jìn)的激光技術(shù)可以提供超長的相干距離（遠(yuǎn)長于二極管窄線寬激光器和YAG固體激光器），更重要的是光纖激光器可以提供從1.5um到2.0um的光波波長，以及該款激光器的卓越的可靠性、牢固性和緊湊性（完全免維護(hù)）。該款光纖激光器的工作波長范圍可選，這為遠(yuǎn)距離傳感提供了很大的靈活性，因?yàn)楸娝�周知光波波長在這些應(yīng)用領(lǐng)域中往往是十分關(guān)鍵的指標(biāo)參數(shù)。
    前段時(shí)間，一個(gè)相干長度為3.3公里的光纖激光器在光域激光有限公司成功演示于OFDR應(yīng)用，盡管本次測量長度小于1公里。本文中我們將向大家介紹一個(gè)帶PZT調(diào)制的窄線寬光纖激光器如何成功地來實(shí)現(xiàn)長距離的相干頻域反射傳感應(yīng)用。對一個(gè)長為95公里的后向瑞利散射和和菲涅耳反射進(jìn)行FMCW（頻率調(diào)制連續(xù)波）被成功測量。這是最長的FMCW調(diào)制的探測距離。如此長距離的后向散射測量所具的高敏感度和動(dòng)態(tài)范圍得益于光域激光有限公司的超長距離的相干光源---窄線寬光纖激光器----具有十分優(yōu)秀的零差和外差探測特性。

2.窄線寬光纖激光器
    該種激光器是二極管泵浦的光纖激光器，它能在光纖中摻雜不同的鐿離子或鉺離子從而實(shí)現(xiàn)1um或1.55um的激光波長。我們曾在以前的文章詳細(xì)地介紹過該種激光器的原理與結(jié)構(gòu)（詳情請見：www.optizonelaser.com）。然而，由于我們近來大大降低了該款激光器的噪聲，以及采用新技術(shù)提高了封裝設(shè)計(jì)，根除了內(nèi)部振動(dòng)或聲學(xué)噪聲，使得我們的窄線寬光纖激光器光譜線寬小至1Khz（即8x10-9nm）。既然1550nm通信光纖最多廣泛應(yīng)用，我們選用了一個(gè)25mW的1555.5nm激光器來做演示和介紹。圖一和圖二顯示了通過不同長度的光纖延時(shí)下零差和外差探測的結(jié)果。這兩個(gè)零差和外差干涉信號(hào)的功率譜線圖顯示出了十分清楚的干涉條紋至本次演示中最長的那根延時(shí)光纖長度，這就說明該款激光器的在光纖傳輸中相干長度要高于40公里！調(diào)制頻率和延時(shí)光纖長度成反比。所以，該款激光器便可以用于長距離的相干性FMCW測量。
        
           （圖1）  不同長度光纖延時(shí)的自零差光譜
        
           （圖2）25公里延時(shí)的自外差光譜
        
           （圖3）輸入電壓對PZT調(diào)制函數(shù)關(guān)系
    該款窄線寬光纖激光器可以通過本身附帶的PZT功能來調(diào)制其輸出的光波頻率。圖三顯示了激光器的調(diào)制響應(yīng)與1-V正弦輸入電壓調(diào)制頻率的函數(shù)關(guān)系。PZT對激光器頻率的調(diào)制速度大約是27Mhz/V，頻率調(diào)制帶寬 是10Khz。

3．FMCW（頻率調(diào)制連續(xù)波）技術(shù)
    FMCW（頻率調(diào)制連續(xù)波）反射計(jì)技術(shù)如圖四所示。對激光器PZT轉(zhuǎn)換器施加14V的50Hz三角電壓，使得激光器的頻率被線性啁啾到380Mhz以上。一個(gè)經(jīng)過改裝的光纖邁克遜干涉儀用來探測相干拍頻信號(hào)。干涉儀的短臂作為參考臂，在里面激光束被一個(gè)法拉第轉(zhuǎn)鏡（FRM）反射。在長臂中，是五卷單模光纖，總長度為95公里，干涉長臂各段光纖間都采用FC/APC連接頭相互連接，該臂終端可采用FC/APC連接器或是4%的菲涅耳反射器的光纖劈裂端面。為了防止長距離傳感中可能產(chǎn)生的受激布里淵散射，光纖激光器的輸出功率降低到1mW。從遠(yuǎn)距離光纖的后向瑞利散射光在遠(yuǎn)端與參考臂的光產(chǎn)生混頻，再通過一個(gè)快速探測器（Thorlabs,D400fc）和一個(gè)30dB增益RF放大器進(jìn)行探測。這里無需要任何光學(xué)放大器。
      
           （圖4） FMCW測量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)
    一臺(tái)光譜分析儀記錄了FMCW拍頻信號(hào)。為避免在頻率調(diào)制時(shí)的非線性現(xiàn)象，激光器頻率啁啾時(shí)間長度被設(shè)定為長于的光譜分析儀的掃描時(shí)間（5ms）。在三角調(diào)制的第一個(gè)半圓中FMCW信號(hào)被記錄，它長于光譜分析儀的掃描時(shí)間。PZT的轉(zhuǎn)換效率是27MhZ/V，那么14V的三角電壓將會(huì)在10ms內(nèi)對激光頻率產(chǎn)生380Mhz的調(diào)制。圖5顯示了從95公里遠(yuǎn)處光纖端的瑞利后向散射信號(hào)。這95公里長的光纖是我們公司目前所能得到最長的光纖。大約在1Mhz附近的會(huì)有第一個(gè)信號(hào)峰，那是因?yàn)樵谖覀儽敬窝菔局袥]有采用相對強(qiáng)度噪聲抑制電路從而會(huì)出現(xiàn)激光器的張弛振動(dòng)的緣故。對泵浦二極管基于負(fù)反饋進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑肼曇种齐娐泛�，激光器馳豫震動(dòng)峰可以被抑制超過20dB以上。
            
          圖5 95公里的瑞利散射和菲涅耳反射
    圖5中可以看出照射光功率只有1mW，參考臂的功率大約是0.5mW。在95公里處的光纖端口測量到的功率是10uW。這10mW的光功率（到達(dá)探測器的光功率估計(jì)會(huì)是1nW或-60dBm）通過光纖菲涅耳4%的反射會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的36Mhz的20dB SNR 拍頻信號(hào)，如圖5所示。這個(gè)結(jié)果表明基于FMCW反射計(jì)的光纖激光器能夠探測到-80dBm的極微弱信號(hào)而不需要光放大器。如果再優(yōu)化相干探測手段，更高的探測敏感度都能得到。
    如上提到，從零差和外差雙譜線中的干涉條紋中可以得知激光器的相干長度要比實(shí)際測試中的延時(shí)光纖長度要長很多。但是，精確度量該相干
    長度又是十分困難的，因?yàn)槲覀冊谶@兩次測量中發(fā)現(xiàn)來自洛侖茲譜線形狀存在很大偏差，這表明激光器的頻率噪聲不是統(tǒng)一的“白色”。該線型存在的偏差是因?yàn)榧す馄鞯念l率依賴噪聲或1/f噪聲。對我們光域激光公司的該款光纖激光器，它表現(xiàn)為（1/f）0.7的頻率噪聲依賴性。
    我們能夠從圖5中后向瑞利散射信號(hào)的衰減程度來估計(jì)出該光纖激光器的相干長度。從最簡單的例子中，相干性的FMCW演示中的功率光譜密度能夠用如下公式描述：
        
    這里的I1和I2分別是參考光臂餓照射光臂的光強(qiáng)度，R是向后瑞利散射的反射率或是遠(yuǎn)處光纖的菲涅耳反射。公式（1）中的第二項(xiàng)決定了FMCW的拍頻信號(hào)，它是對拍頻fb的一個(gè)三角函數(shù)，并分別被兩光臂的光強(qiáng)因數(shù)加權(quán)和與延時(shí)Td和相干時(shí)間Tc比例的指數(shù)關(guān)系。當(dāng)把光纖中的瑞利散射引起的衰減考慮進(jìn)去，那么光纖中的FMCW信號(hào)的指數(shù)衰減表示為：
            
    這里的as是光纖的散射衰減系數(shù)（0.039/km或0.17dB/km）。既然從圖5中可
直接測量出后向瑞利散射信號(hào)的延遲率（大約0.4db/km），便可以推導(dǎo)出該光纖激光器在空氣中的相干長度為210公里！
    當(dāng)要傳感的距離短于激光器的相干長度時(shí)，拍頻信號(hào)的光譜寬度理論上是個(gè)三角函數(shù)，使得長距離的測量中可以得到一個(gè)絕對高范圍的精度。在我們目前的FMCW演示中由于光譜儀的光譜精度（5ms掃描速度時(shí)300Khz精度），測量的范圍精度受到限制。實(shí)際上，光譜分析儀的精度帶寬和掃描速度是相矛盾的。但是這個(gè)問題能在將來通過使用時(shí)域數(shù)據(jù)采集和快速傅立葉轉(zhuǎn)換算法取代使用光譜儀的直接頻域數(shù)據(jù)采集方法而得以克服。

5. 結(jié)論
我們成功演示證明了一個(gè)能探測100公里遠(yuǎn)基于PZT調(diào)制的窄線寬光纖激光器的FMCW的簡潔發(fā)射裝置。該套方案所取得長距離的后向散射測量的高敏感度和動(dòng)態(tài)范圍得益于光域激光有限公司提供的該款超級(jí)長的相干光源，它在空氣中的相干長度估計(jì)是在210公里！