光纖激光器加速光纖傳感應用

　　前言：

　　光纖傳感取代電傳感以呈大勢所趨，而目前市場上的光纖傳感絕大部分都是基于光波分復用（OWDM）的準分布式傳感原理以及尚處于科研階段的時域分布式（OTDR）光纖傳感技術。可是兩者都受制于各自的缺陷離大規模市場應用尚待時日，尤其是在更高要求的傳感領域更是無法實現。　　

　　光纖傳感

　　受電信、半導體和消費電子行業的推動，光電技術和光纖技術在20世紀90年代取的了巨大進展。盡管這些行業在近幾年遭受很多阻力而陷入低谷，但是其中很多先進技術卻在其它行業比如光纖傳感得到了全面發展，呈現出另一番春天氣息。光纖傳感由于集成了在光纖技術、激光技術和光電探測等多領域所取得的巨大成就表現出極具活力和發展前途。同時，由于各相關光電子制造的成熟，它們的成本也大幅降低，大力推進了光纖傳感的發展。

　　光纖傳感比傳統電子傳感體積小、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是要比電子好得多的光子，這使得單根光纖就可以構建成一個分布式或陣列式的傳感網絡，可以擴寬傳感面積把探測到的光信號傳播到遠端。稍作改進，光纖本身就能夠制作成許多光信號傳播的器件（比如分束器、合束器、復用器，過濾器和延時線路），從而形成全光纖化的測量系統。

　　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備附近比如發動機、發動機穩定工作，它也能夠大大降低雷電對傳感器帶來的可能破壞。同樣地，由于光纖傳感不會產生熱量和火花，它在很多危險的環境下都很完全，比如在煉油廠、糧倉、礦井以及化學加工廠。標準的玻璃光纖在許多腐蝕性的環境和230℃溫度下都不會失去性能，特種光纖甚至能夠在溫度高達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，很多因數都可以改變它的幾何參數（如尺寸、形狀）和光學參數（如折射率、模式）。然而不同于力求減少外部影響的光通訊應用，光纖傳感反而是故意增強和測量這些外部因數對光纖的影響。光纖傳感按探測外部擾動方式可分為外部傳感與內部傳感。

　　在外部傳感系統里，光纖只是充當一個傳輸和接收光信號的通道。光纖外界的信號變化通常都控制在一個范圍之內，在這個范圍內的一個外部環境變化將會改變輸入光子的已知參數。

　　內部傳感器是光纖一體化的系統，外界環境的擾動會直接影響光纖本身從而使得在其內傳輸的光信號造成某種可被測量的變化。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外部未知的擾動。這種全光纖化的傳感器在幾何結構上更加靈活，并且大大簡化了傳感與傳輸元件的連接。但是內部傳感器通常是比較昂貴的，也要求更復雜的信號解調設備。

　　典型的外部傳感應用包括了在航天器上的線性和角度定位系統或者流程控制，它們主要是來監控溫度、壓力、液位和流速。內部傳感器更多是應用在測量旋轉、應變、聲音和振動。

　　光纖傳感餓也可按調制方式分為：幅度調制、偏振調制、相位調制和頻率調制。它們大多數是在光纖敏感部位從環境影響或外部擾動來獲取數據，這些外部變化改變光信號一個或多個參數來從而達到調制光信號的目的。我們可以比較從敏感部位返回來的調制光與它們原來的信號光來讀取測量數據。

　　比較而言，強度或非相干傳感器比較簡單，相位和頻率調制傳感器能夠達到更好的敏感度和精度。因為相位或頻率探測是依賴于高精度的相干技術，基于這種原理工作的傳感器就叫著相干傳感器，這種傳感器通常基于外差探測或相干探測技術。

　　目前大多數光纖傳感都是“點式傳感”，測量范圍都是局限在一些離散的區域，一般都要增加很多傳感單元來擴展它的測量范圍。成本、復雜性以及它的脆弱都限制了這種傳感技術的廣泛應用。而能夠覆蓋整個光纖長度的可連續傳感的“分布式傳感技術”自然受到了市場的重視與青睞。

　　分布式傳感技術

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

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

　　與OTDR技術比較，FMCW最主要的優勢在于它的卓越的穩定性，它能夠在幾公里的測量距離上達到毫米量級的空間精度，然后這個技術是建立在激光具有很長的相干距離以及它的頻率能夠成線性連續調制。這種分布式的傳感系統能夠在廣闊的被測區域內實現極高的測量精度，而這是一般光纖傳感技術所無法達到的要求。該系統中最為關鍵的設備----激光器目前主要有DBR光纖激光器和DFB光纖激光器。但是，傳統的DBR激光器通過放大后確實可以輸出高達160mW的功率，但是作為提高功率代價的是它的線寬大到了200-500kHz；相反地，傳感的DFB激光器可以實現更窄的線寬，但是它的功率卻只能達到5mW。如何研制出同時兼有窄線寬與高輸出功率的光纖激光器顯然成為了一個極具挑戰性的課題。

　　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，這種特種光纖具有極高的增益，每厘米可達5db（普通EDF的增益為0.02db/cm），而噪聲增益幾乎沒有。用電信級的LD作泵浦源，兩個光纖光柵構成超短諧振腔（見圖一）。該激光器的線寬可窄至2Khz，頻率穩定性好于10Mhz，熱調協范圍可達20Ghz，連續線性PZT調制范圍可達100Mhz，直接輸出功率可達150mW而不需要增加EDFA來放大，傳感的長度可超過50公里（而傳統的DFB激光器傳感的距離只有幾百米）。所有這些特點注定了該種激光器成為最穩定和超高精度的光纖傳感系統中所必需的光源”。

　　搭配一臺光電探測器，該款單頻激光器便可以實現十分經濟的分布式光纖傳感，對超長距離和超寬區域進行監控。一個在光纖水聽器聲納陣列的應用例子見圖二。美國國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技術相結合的拖曳陣列。這些傳感陣列在石油探勘和地震方面也可廣泛應用。

　　（圖二：光纖傳感應用）

　　與傳統的壓電水聽器相比較，相干光纖傳感器擁有諸多優勢。除了用光代替電所帶來的諸多好處外，最為關鍵的是該系統不再需要額外的傳感頭，因為它是通過光纖本身繞成的光纖圈來感應外部變化的，從而大大降低了成本，光纖還可以降低系統的重量和電纜的成本，同時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，而來自干涉儀的相對強度噪聲和頻率噪聲反過來又會影響到相位精度。噪聲水平的增加與干涉儀的路徑不平衡度成比例，所以一個更長的干涉儀測量臂就意味著更低的壓力精度。光庫通訊提供的超窄線寬光纖激光器，是水聽器應用中最優秀的光源，因為它的頻率噪聲就是與最好的DFB激光器相比都要低2個數量級，同時由于不必要采用放大器就可以實現高功率（150mW）輸出，它根除了所有的自發噪聲，相對強度噪聲可低至-110db/Hz，相干長度可長達75公里，可以說是光纖水聽器之最高發展，必將全面升級水下探測和海底通信系統。