用于光纖傳感BOTDA/BOTDR的鈮酸鋰調(diào)制器

BOTDA光纖傳感系統(tǒng)中電光調(diào)制器及配套器件的選擇

布里淵(Brillouin)傳感器是一種光纖傳感技術(shù)，在分布式溫度和應(yīng)變傳感中具有越來(lái)越重要的地位，同時(shí)，這種技術(shù)在各種工業(yè)溫度測(cè)量，結(jié)構(gòu)壽命監(jiān)測(cè)和管道監(jiān)控等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)布里淵時(shí)域分析(BOTDA)提出了越來(lái)越高的性能要求。

電光調(diào)制器（EOM）是BOTDA光學(xué)子系統(tǒng)中關(guān)鍵的器件之一，選擇合適的電光調(diào)制器規(guī)格和工作條件對(duì)系統(tǒng)的整體性能，一致性和可靠性有著重要的影響。

傳感元件，即光纖，也必須根據(jù)目標(biāo)溫度范圍和是否存在輻射仔細(xì)選擇。

傳統(tǒng)BOTDA系統(tǒng)中有2個(gè)電光調(diào)制器：脈沖產(chǎn)生的EOM1（泵浦信號(hào)）和EOM2用于產(chǎn)生傳感光纖的布里淵頻移（相對(duì)于泵浦光頻率）的種子光信號(hào)。 通常條件下，SMF-28的布里淵頻移為10.820GHz，通過(guò)在傳感光纖的另一端注入EOM2產(chǎn)生的探測(cè)種子信號(hào)，布里淵背向散射是一個(gè)受激過(guò)程，信噪比較高。

BOTDA系統(tǒng)的重要指標(biāo)是空間分辨率、溫度/應(yīng)變分辨率、Max測(cè)量范圍和測(cè)量速度。

空間分辨率是分布式光纖傳感器中兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的Min可分辨距離。一般來(lái)說(shuō)，這取決于脈沖寬度，而減小脈寬將增加空間分辨率。對(duì)于傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)，典型的空間分辨率為一米左右。隨著脈寬降到10ns以下，由于背向散射信號(hào)的展寬，要測(cè)量的峰值和要確定的布里淵頻移（BFS）變得越來(lái)越困難。但是，對(duì)傳統(tǒng)的BOTDA的改進(jìn)，如雙脈沖或DP-BOTDA，可以分別實(shí)現(xiàn)亞米或500px的空間分辨率，此時(shí)脈寬和脈寬間隔分別是2 ns和5ns。

圖2顯示了強(qiáng)度電光調(diào)制器的傳輸函數(shù)(MTF)產(chǎn)生光脈沖的原理。對(duì)于脈沖寬度約為1ns的BOTDA應(yīng)用，10Ghz帶寬的EOM和小于100ps的上升/下降沿*符合要求。另外EOM能夠產(chǎn)生并維持的高消光比（ER，也可理解為信噪比）脈沖，對(duì)BOTDA系統(tǒng)也是至關(guān)重要的。

當(dāng)連續(xù)激光被調(diào)制成短脈沖時(shí)，低消光比的電光調(diào)制器會(huì)導(dǎo)致連續(xù)激光的泄漏，如20dB消光比的調(diào)制器，輸入的連續(xù)光功率100mW，會(huì)有約為1mW的連續(xù)光泄漏。而EOM產(chǎn)生的脈沖和其泄漏光后續(xù)被光放大器放大，并注入到傳感光纖中。對(duì)于遠(yuǎn)程BOTDA測(cè)量系統(tǒng)，一般需要消光比ER>32dB以減輕泄漏光影響。

泵浦脈沖的消光比直接影響整個(gè)BOTDA測(cè)量系統(tǒng)的信噪比。因此，高消光比EOM直接影響BOTDA系統(tǒng)的Max大測(cè)量范圍和測(cè)量速度。MXER-LN系列強(qiáng)度調(diào)制器是高性能調(diào)制器，具有*的消光比。該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)依賴于iXblue的“Magic Junction"）。

MXER-LN系列強(qiáng)度調(diào)制器是BOTDA應(yīng)用中需要高消光和高帶寬組合的關(guān)鍵器件。

DR-VE-10-MO射頻驅(qū)動(dòng)器，是設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)脈沖、模擬或數(shù)字應(yīng)用的鈮酸鋰電光調(diào)制器的放大器模塊，以產(chǎn)生不失真的光脈沖。在BOTDA系統(tǒng)中，電脈沖信號(hào)的占空比很長(zhǎng)。為了產(chǎn)生清晰的光脈沖，在保持高消光比ER的同時(shí)，具有銳利的邊緣、持續(xù)的高低電平以及無(wú)overshoot，BOTDA光脈沖信號(hào)產(chǎn)生需要具有合適特性的特定射頻放大器，如DR-VE-10-MO。

DR-VE-10-MO驅(qū)動(dòng)器針對(duì)從10Hz到1GHz的低和高脈沖重復(fù)頻率（PRF）信號(hào)進(jìn)行了優(yōu)化。帶寬高達(dá)12GHz，可產(chǎn)生70ps脈沖寬度，超短上升和下降沿（24ps），并可適用300ns脈寬的脈沖。

DR-VE-10-MO驅(qū)動(dòng)采用緊湊的連接模塊，與iXblue的EOM的射頻接口直接匹配（幾何尺寸一致）。該驅(qū)動(dòng)使用單一的電壓電源，方便和安全的使用，并具有圖形用戶界面，其中集成了靈活的輸出電壓控制。

用于光纖傳感BOTDA/BOTDR的鈮酸鋰調(diào)制器在實(shí)際應(yīng)用中，可靠的BOTDA系統(tǒng)在工業(yè)傳感應(yīng)用（如結(jié)構(gòu)壽命和管道監(jiān)測(cè)），需要產(chǎn)生具有可重復(fù)特性的光脈沖，因此需要光學(xué)器件在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行以及抗干擾的可靠性。

EOM中的Mach-Zehnder干涉儀由于溫度變化、熱不均勻性、老化、光折變效應(yīng)、靜電荷積累等環(huán)境效應(yīng)而產(chǎn)生偏置點(diǎn)漂移。偏置點(diǎn)漂移將會(huì)導(dǎo)致傳遞函數(shù)MTF偏離調(diào)制信號(hào)的工作點(diǎn)。因此，輸出脈沖的消光比和脈沖寬度等特性會(huì)受到干擾。

直流偏壓點(diǎn)的漂移可以使用iXBlue的MBC（調(diào)制器偏壓控制器）解決方案進(jìn)行主動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制：臺(tái)式儀器MBC-DG-LAB或MBC-DG-board鎖定用于BOTDA應(yīng)用的Mach-Zehnder調(diào)制器的工作點(diǎn)。

在傳統(tǒng)的BOTDA系統(tǒng)中，需要第二個(gè)EOM來(lái)產(chǎn)生探測(cè)所需的種子信號(hào)，該種子信號(hào)的光頻率被鎖定到泵浦光脈沖的光頻率，但被布里淵頻移（BFS）偏移，對(duì)于SMF傳感光纖，通常為10.8 GHz。該種子信號(hào)的頻率也被逐級(jí)掃描或調(diào)諧，以檢測(cè)傳感光纖BFS周圍布里淵增益譜（BGS）的變化。通常，根據(jù)所需的分辨率，使用500 kHz，1MHz或5MHz的頻率步長(zhǎng)。

使用EOM產(chǎn)生這種可調(diào)諧光頻移有幾種選擇，其中2種常用的是帶光學(xué)濾波的雙邊帶-載波抑制調(diào)制（DSB-SC）和載波抑制-單邊帶調(diào)制（CS-SSB）。

高度通用的MX-LN-10有一個(gè)X-cut設(shè)計(jì)，廣泛的工作條件，以及零啁啾性能的穩(wěn)定性。iXblue專有的波導(dǎo)設(shè)計(jì)提供了低插入損耗和高消光比。MX-LN-10由于具有高帶寬、穩(wěn)定性好和低插入損耗，非常適合用于BOTDA系統(tǒng)的DSB-SC。DR-AN-10-HO是一種寬帶射頻放大器模塊，設(shè)計(jì)用于頻率高達(dá)11GHz的模擬應(yīng)用。DR-AN-10-HO具有低噪聲系數(shù)和線性傳遞函數(shù)的特點(diǎn)，其1dB壓縮點(diǎn)大于23dBm。它在整個(gè)帶寬上表現(xiàn)出平坦的群延遲和增益曲線，波動(dòng)很小，該放大器模塊非常適合匹配MX-LN-10做DSB-SC應(yīng)用。 利用MBC-DG-LAB和MBC-DG-board可以鎖定馬赫-曾德?tīng)栒{(diào)制器的工作點(diǎn)，保證了對(duì)偏置漂移的長(zhǎng)期穩(wěn)定性

BOTDA系統(tǒng)的其他組件包括偏振擾頻器和FBG邊帶濾波器。

偏振擾偏器：布里淵散射對(duì)偏振敏感。通過(guò)對(duì)信號(hào)的偏振態(tài)進(jìn)行擾亂可以緩解這個(gè)問(wèn)題。偏振態(tài)擾亂提高了信噪比，縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量精度、分辨率和測(cè)量范圍。PSC-LN是一種緊湊的高速電光偏振擾偏器。這鐘集成光學(xué)器件具有低損耗的單模波導(dǎo)，可以在從直流到10GHz以上的頻率范圍內(nèi)偏振擾偏，在超過(guò)100nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。

FBG邊帶濾波器：光纖布拉格光柵（FBG）可用作BOTDA系統(tǒng)的DSB-CS邊帶濾波器。IXC-FBG是一種光纖布拉格光柵，通過(guò)多年來(lái)的技術(shù)積累，iXblue可以提供高度定制的FBG，這些FBG可以放入特殊的封裝外殼中以保證對(duì)環(huán)境的不敏感，用于去除BOTDA系統(tǒng)中不需要的DSB-CS邊帶。

傳感光纖：在一般情況下，標(biāo)準(zhǔn)SMF光纖就足夠了；但溫度超過(guò)85度、 光纖的標(biāo)準(zhǔn)涂覆層不能承受如此高的溫度，會(huì)熔化。 iXblue提供含酰化高溫涂層的光纖Max可達(dá)130°C、 含聚酰亞胺涂層高達(dá)300°C，甚至鋁涂層高達(dá)400°C。在空間或核輻射環(huán)境中，還需要具有抗輻照保證（Radiation Induced Attenuation-RIA）的特定光纖。