光电工程  2018, Vol. 45 Issue (9): 170684      DOI: 10.12086/oee.2018.170684     
光纤传感用激光光源技术
Iroegbu Paul Ikechukwu1 , 黄仕宏1 , 李雨佳1 , 李阜徽1 , 黄礼刚1 , 高磊1 , 白永忠2 , 屈定荣2 , 邱枫2 , 黄贤滨2 , 朱涛1     
1. 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044;
2. 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院,山东 青岛 266000
摘要:光纤传感系统离不开激光光源,作为被测量信号载体的光波,激光光源本身的性能,如激光器的功率稳定性、线宽、相位噪声等参数对光纤传感系统的探测距离、探测精度、灵敏度以及噪声特性起决定性的作用,因此发展优质激光光源已成为近些年的研究热点。本文简要论述了激光光源在光纤传感领域的发展状况;重点介绍了窄线宽激光光源、可调谐激光光源以及宽带白光光源在光纤传感技术领域中的应用需求;概括了现有激光光源在光纤传感中所面临的主要限制因素和关键技术。为了进一步提高光纤传感系统的性能指标,获得可在任意波段、任意时刻实现的超窄、超稳理想激光光源将是未来光纤传感的一个主要研究方向。
关键词光纤传感    窄线宽激光光源    可调谐激光光源    白光光源    
Laser sources for optical fiber sensing
Iroegbu Paul Ikechukwu1, Huang Shihong1, Li Yujia1, Li Fuhui1, Huang Ligang1, Gao Lei1, Bai Yongzhong2, Qu Dingrong2, Qiu Feng2, Huang Xianbin2, Zhu Tao1     
1. Key Laboratory of Optoelectronic Technology and Systems (Education Ministry of China), Chongqing University, Chongqing 400044, China;
2. State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Qingdao, Shandong 266000, China
Abstract: Optical fiber sensing system depends closely on the quality of the laser source, because laser parameters, such as the power stability, linewidth and phase noise, have a great impact on the performance of the fiber sensing system in such parameters as the maximum measuring distance, precision, sensitivity and noise characteristics. Therefore, the related high quality laser source has caused much attention these years. In this article, a brief review on the development of the laser source for fiber sensing is presented. Laser applications in optical fiber sensing are emphasized with the utilization of the narrow-linewidth laser, tunable laser and broadband light source. Finally, the main limiting factors and kernel technology of laser source for the optical fiber sensing are summarized. In order to achieve high performance of optical fiber sensing, the availability of the ideal ultra-narrow-linewidth and ultra-stable laser, which could be tuned at a desired wavelength span and tuning rate, will be definitely one of the main research directions of the future optical fiber sensing.
Keywords: optical fiber sensing    narrow-linewidth laser source    tunable laser    broadband white light source    

1 引言

光纤传感技术是伴随着光纤技术和光纤通信技术发展起来的一种传感技术,其已成为光电技术中发展最活跃的分支之一。光纤传感系统主要由激光器、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成。描述光波特征的参量有光强、波长、相位、偏振态等,这些参量在光纤传输中都可能受外界影响而发生改变。如当温度、应变、压力、电流、位移、振动、转动、弯曲以及化学量等对光路产生影响时,这些参量发生相应变化。光纤传感就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量大小[1-3]

光纤传感系统使用的光源种类很多,可分为相干光源和非相干光源两大类,非相干光源主要有白炽光与发光二极管,相干光源包括固体激光器、液体激光器、气体激光器、半导体激光器以及光纤激光器。下面主要针对近几年在光纤传感领域应用广泛的激光光源进行分析:窄线宽单频激光器、单波长扫频激光器以及白光激光器。

1.1 对窄线宽激光光源的需求

光纤传感系统离不开激光光源,作为被测量信号载体的光波,激光光源本身的性能,如功率稳定性、激光线宽、相位噪声等参数对光纤传感系统的探测距离、探测精度、灵敏度以及噪声特性起决定性的作用。近年来,随着长距离超高分辨率光纤传感系统的发展,学术界和工业界对激光器小型化后的线宽性能提出了更加苛刻的要求,主要表现在:相干光频域反射(optical frequency domain reflection, OFDR)技术通过相干检测技术对光纤的后向瑞利散射信号进行频域分析,具有覆盖范围广(数千米),分辨率高(毫米级的分辨率)、灵敏度高(可达-100 dBm)等优点,已成为分布式光纤测量和传感技术中具有广泛应用前景的技术之一[4]。OFDR技术的核心是采用可调谐光源实现对光频进行调谐,因此激光源的性能决定了OFDR探测范围、灵敏度以及分辨率等关键因素,当反射点距离接近相干长度时,其拍频信号的强度将以系数τ/τc呈指数衰减。对于频谱形状为高斯型的光源,若要保证拍频有90%以上的可见度,光源线宽与系统可达到的最大传感长度之间的关系为Lmax~0.04vg/f,这意味着对于长度为80 km的光纤,需要光源的线宽小于100 Hz[5-6]。此外,其它应用研究的开展对光源的线宽也提出了较高要求,例如:在光纤水听器系统中,光源的线宽决定了系统噪声,也决定了系统的最小可测信号[7];在布里渊光时域反射仪(Brillouin optical time domain reflector, BOTDR)中,温度和应力的测量分辨率主要由光源的线宽决定[8];在谐振腔光纤陀螺中,压缩光源线宽能提高光波的相干长度,从而提高谐振腔的精细度和谐振深度,降低谐振线宽,保证光纤陀螺的测量精度[9-10]

1.2 对扫频激光光源的需求

单波长扫频激光器具有灵活的波长调谐性能,可替代多个输出固定波长的激光器,降低系统的搭建成本,是光纤传感系统中不可或缺的部分。例如,在痕量气体光纤传感中,不同种类的气体具有不同的气体吸收峰。为了保证测量气体足够时的光吸收效率,实现更高的测量灵敏度,需要将传感激光源的波长对准气体分子的吸收峰。能够探测的气体种类本质上是由传感光源的波长决定的。因此具有稳定宽带调谐性能的窄线宽激光器在此类传感系统中具有更高的测量灵活性。又例如在一些基于光频域反射分布式光纤传感系统中,需要将激光器进行快速的周期性扫频,实现光信号的高精度相干探测解调,因此对激光光源的调制速率有比较高的要求,通常需要可调激光器的扫频速度达到10 pm/μs[11]。除此之外,波长可调谐窄线宽激光器还可广泛应用于激光雷达、激光遥感以及高分辨率光谱分析等传感领域[12-13]。为了满足光纤传感领域对单波长激光器调谐带宽、调谐精度以及调谐速度的高性能参数要求,近年来,研究可调谐窄线宽光纤激光器的总体目标是在追求激光线宽超窄、相位噪声超低、输出频率和功率超稳的基础上,还要在更大的波长范围内实现高精度调谐。

1.3 对白光激光光源的需求

在光学传感领域,高质量的白光激光对系统性能的提升具有重要意义,白光激光器的光谱覆盖范围越宽,其在光纤传感系统的应用就越广泛。例如,利用光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)构建传感网络时,可以采用光谱分析法或者可调谐滤波器匹配法进行解调[14],前者是利用光谱仪直接对网络中的每个FBG谐振波长进行测试,后者是利用参考滤波器跟踪和校准传感中的FBG,这两种方法均需要宽带光源作为FBG的测试光源。由于每个FBG接入网络均会产生一定的插入损耗,而且具有0.1 nm以上的带宽,因此对多个FBG进行同时解调需要功率高、带宽大的宽带光源。又例如,利用长周期光纤光栅(long period fiber grating, LPFG)进行传感时,由于其单个损耗峰的带宽在10 nm量级[15],为了准确表征其谐振峰特性,需要带宽足够宽且光谱较为平坦的宽谱光源。尤其是利用声光效应构建的声致光纤光栅(acoustic fiber grating,AIFG)[16],可以利用电调谐方式实现谐振波长的调谐范围达到1000 nm[17],那么对这种超宽调谐范围的光纤光栅进行动态测试就对宽谱光源的带宽范围提出了极大的挑战。与此类似,近年来,倾斜布拉格光纤光栅在光纤传感领域也得到了广泛应用[18],由于其多峰损耗谱特性,波长分布范围通常可达到40 nm,其传感机制通常是需要比较多个透射峰间的相对移动,因此需要对其透射谱进行完整测量,对宽谱光源的带宽和功率均提出了较高的要求。

2 国内外研究现状 2.1 窄线宽激光光源 2.1.1 窄线宽半导体分布式反馈激光器

2006年,Cliche等人利用电学反馈的方法将MHz量级的半导体分布式反馈激光器(distributed feedback laser,DFB)降低到kHz量级[19];2011年,Kessler等人利用低温高稳单晶腔结合有源反馈控制获得40 MHz的超窄线宽激光输出[20];2013年,Peng等人利用腔外法珀腔(Fabry-Perot, FP)反馈调节的方法获得15 kHz线宽的半导体激光输出[21],电学反馈方法主要利用的是Pond-Drever-Hall稳频反馈使得光源激光线宽得到压缩。2010年,Bernhardi等人在氧化硅基底上制作1 cm的掺铒氧化铝FBG,获得线宽约为1.7 kHz的激光输出[22]。同年,Liang等人针对半导体激光器利用高Q回音壁谐振腔形成的后向瑞利散射自注入反馈进行线宽压缩,如图 1所示,最终获得160 Hz的窄线宽激光输出[23]

图 1 (a) 基于回音壁微腔自注入瑞利反馈的激光器线宽压缩示意图;(b)线宽为8 MHz的半导体激光器频谱;(c)线宽为160 Hz窄线宽激光器频谱[23] Fig. 1 (a) Diagram of semiconductor laser linewidth compression based on the self-injection Rayleigh scattering of external whispering gallery mode resonator; (b) Frequency spectrum of the free running semiconductor laser with linewidth of 8 MHz; (c) Frequency spectrum of the laser with linewidth compressed to 160 Hz[23]

2017年,本文课题组研究了基于双腔反馈的DFB线宽压缩方式,将常用MHz量级DFB激光器压缩至kHz量级,如图 2所示,为广泛应用的DFB激光提供了一种简单、有效、低成本的线宽压缩方式[24],对于特定波长激光器也可以直接用1或2支FBG替换双环,其基本原理是一样的。

图 2 (a) 双腔反馈系统原理图;(b)有(实线)无(虚线)双腔反馈结构输出功率谱[24] Fig. 2 (a) Schematic diagram of DFB dual-cavity self-feedback structure; (b) Output power spectra with (red line) or without (blue line) dual-cavity feedback structure[24]
2.1.2 窄线宽光纤激光器

对于线形腔光纤激光器,基本采用缩短谐振腔长度以增大纵模间隔来获取单纵模窄线宽激光输出。2004年,Spiegelberg等人利用DBR短腔法得到线宽为2 kHz的单纵模窄线宽激光输出[25]。2007年,Shen等人使用2 cm的重掺铒硅光纤,在Bi-Ge共掺的光敏光纤上刻写FBG,并将其与有源光纤熔接构成了一个紧凑线形腔,使得其激光输出线宽小于1 kHz[26]。2010年,Yang等人利用2 cm高掺杂短线形腔结合窄带FBG滤波器,得到线宽小于2 kHz的单纵模激光输出[27],该团队在2014年利用短线形腔(虚拟折叠环形谐振腔)结合FBG-FP滤波器得到了更窄线宽的激光输出,如图 3所示[28]。2012年,Cai等人采用1.4 cm短腔结构获得了输出功率大于114 mW,中心波长在1540.3 nm的保偏激光输出,其线宽为4.1 kHz[29]。2013年,Meng等人利用全保偏器件短环形腔的保偏掺铒光纤的布里渊散射获得输出功率为10 mW的单纵模、低相位噪声激光输出[30];2015年,该团队利用45 cm掺铒光纤构成的环形腔作为布里渊散射增益介质,获得低阈值、窄线宽激光输出[31]

图 3 (a) 虚拟折叠环形谐振腔原理图;(b)延迟光纤长度为97.6 km的自外差线型[28] Fig. 3 (a) Schematic drawing of the SLC fiber laser; (b) Lineshape of the heterodyne signal measured with 97.6 km fiber delay[28]

通过对能带结构和能级斯塔克分裂的深入分析,本文课题组指出由于某能级电子消耗之后,其余能级电子会快速弛豫到消耗能级,如果能改变激光每次循环谐振时激光的线度就可以使激光中心频率处每次都获得最大程度的相干放大,而旁边频率信号逐渐弱化从而达到深入窄化激光线宽的作用。2010年,朱涛教授在渥太华大学通过测试单模光纤(SMF-28e)、大有效面积光纤(large effective area fiber, LEAF)和保偏光纤(polarization maintaining optical fibre, PMF)在不同泵浦功率下的瑞利散射,发现瑞利散射具有压缩激光线宽的作用[32]。2012年,利用非均匀光纤制作窄线宽环形激光器,研究发现在环形腔光纤激光器中,瑞利散射效应如同一个窄带滤波器,利用这种非线性效应可以进行纵模的选择从而实现自增益的窄线宽激光器,其3 dB线宽为4 kHz[33]。2013年,本文课题组采用微拉锥的方式改变单模光纤纤芯与包层的形状、尺寸,从而限制声波的传播,极大地抑制了光纤中的横向声模,提高了受激布里渊的阈值,并将其用于超窄线宽光纤激光器中。最终激光输出边模抑制比可达50 dB,激光线宽低至800 Hz[34]。2014年,本文课题组利用高瑞利散射结构结合光自注入的方式获得线宽为130 Hz以及边模抑制比为75 dB的超窄线宽激光输出(图 4)[35]。Bao等人在2011~2014年期间,亦是利用后向瑞利散射技术获得窄线宽激光输出[36-38]。通过理论分析和系列实验研究结果可见,累积的瑞利散射信号就是实现激光器频率线宽深入窄化的有效物理方法之一。

图 4 (a) 基于瑞利散射结合自注入反馈系统结构图;(b)输出功率谱以及其对应洛仑兹拟合线宽[35] Fig. 4 (a) Schematic diagram of fiber ring laser combing RBS and self-injection feedback; (b) The output power spectrum and its Lorentz fitting linewidth for the narrowest laser linewidth[35]
2.2 单波长扫频激光光源

实现激光器单波长扫频本质上是对激光腔内器件的物理性能(通常是运行带宽的中心波长)的调控,从而实现对腔内的震荡纵模进行控制和选择,以达到对输出波长进行调谐的目的。基于此原理,早在上世纪80年代,可调谐光纤激光器的实现主要通过将激光器的一个反射端面换成反射式衍射光栅,通过衍射光栅的手动旋转调谐实现激光腔模式的选择[39]。1990年,Lwatsuki等人在自由运行的光纤环形激光腔中加入光纤窄带宽滤波器件,首次真正意义上实现了单波长输出的掺铒光纤激光器[40]。在此基础上,Madea等人利用液晶的法珀标准具作为激光模式选择的滤波器,用电调的方式改变液晶滤波器的运行带宽,实现了输出激光在1523 nm~1568 nm范围的波长调谐,而且输出激光的线宽小于100 kHz[41]。1991年,Smith等人首次利用集成的声光可调滤波器,基于声场调控的方式,在中心波长为1545 nm处实现了40 nm的调谐范围,并且单纵模的瞬时线宽仅为10 kHz[42]。同年,美国的Zyskind课题组利用双F-P滤波器在掺铒光纤激光腔中实现了宽带可调谐窄线宽激光输出,输出激光的线宽小于5.5 kHz[43]。2006年,Lin等人改变激光腔输出耦合器的耦合比,在L波段实现了输出激光波长调谐[44]。2013年,Zhang等人利用FP-LD的自注入反馈结构得到线宽为13 kHz的激光输出,该结构用可调谐滤波器将FP-LD形成的多波长中的某个波长选出来然后经过环形腔的循环放大再注入FP-LD,使得选出的这个波长获得高增益,抑制FP-LD其它波长,获得可调谐激光输出[45]

2011年,Zhu等人利用可调谐滤波器实现单波长的窄线宽可调谐激光输出[46],并于2016年将瑞利线宽压缩机制用于双波长的压缩,即对FBG施加应力实现双波长激光的调谐,同时对其输出的激光线宽进行监测,获得了波长调谐范围为3 nm,线宽约为700 Hz的双波长稳定输出[47]。2017年,Zhu等人利用石墨烯和微纳光纤布拉格光栅制成全光可调谐滤波器,并结合布里渊激光压窄技术,在1550 nm附近利用石墨烯的光热效应实现了激光线宽低至750 Hz,在3.67 nm波长范围内700 MHz/ms的光控快速精确扫描,如图 5所示[48]。以上的波长调控手段基本上通过直接或间接改变激光腔内器件的通带中心波长以实现激光模式的选择。

图 5 (a) 光控波长可调谐窄线宽激光器的实验装置图及其输出测试系统;(b)随着控制光功率的增加输出光谱的变化[48] Fig. 5 (a) Experimental setup of the optical-controllable wavelength-tunable fiber laser and the measurement system; (b) Output spectra at output 2 with the enhancement of the controlling pump[48]

窄线宽激光波长调谐技术亦可通过飞秒激光的选模机制获得。飞秒激光的形成是由于许多的激光纵模之间的相位锁定。但是对于其中的某一纵模而言,它本身的线宽远远小于自由运行的激光纵模,可以小到MHz量级[49]。因此如果能在飞秒频率梳中选出其中的单一纵模,便可获得极窄线宽激光输出,而且飞秒激光的宽光谱还可以为激光波长调谐提供很宽的自由度。基于这一思想,2014年,如图 6所示,Al-Taiy等人利用受激布里渊散射的偏振诱导的窄带宽效应成功从重复频率为100 MHz,20 dB光谱宽度为90 nm的光纤锁模激光器中选出了单一纵模[50],将腔内泵浦激光器的波长偏移作为粗调环节,利用腔外的载波抑制单边带调制器作为精调环节,在整个飞秒频率梳范围内实现了波长的精密调谐,而且实现的激光输出线宽小于100 Hz。2016年,Wang等人利用半导体非线性光放大器中的反向四波混频效应实现了激光的单模运转,并将此放大器与光纤激光腔相结合,通过可调谐滤波器成功输出线宽低于10.1 kHz的窄线宽激光,实现了48 nm范围的波长调谐[51],其实验装置如图 7所示。随着更多种类的特种掺杂光纤以及更宽带的光纤器件的出现,如掺铥光纤、掺镱光纤等,可调光纤激光器的调谐范围可以得到极大拓宽,已经不仅仅局限于C波段,而且以上所阐述的波长调控以及线宽压缩机制,在其它波段依然适用。例如,Li课题组提出了将掺铥光纤激光腔与全光纤滤波器相结合,在2 μm波段实现了超过200 nm的宽带调谐[52]

图 6 (a) 基于飞秒频率梳选频的可调谐窄线宽激光器; (b)调谐输出光谱[50] Fig. 6 (a) The tunable narrow-linewidth fiber laser based on the frequency-selection from femtosecond frequency combs; (b) The tuning output spectrum[50]

图 7 (a) 基于反向四波混频的可调谐窄线宽激光器;(b),(c)调谐输出光谱[51] Fig. 7 (a) The tunable narrow-linewidth fiber laser based on the reversed four-wave mixing; (b), (c) The tuning output spectrum[51]
2.3 白光激光光源

白光光源的发展经历了卤钨灯、氘灯、半导体激光器、超连续谱光源等各个阶段。特别是超连续谱光源,在具有超强瞬态功率的飞秒或者皮秒脉冲的激励下,波导中产生各阶非线性效应,频谱被极大地展宽,能够覆盖从可见光到近红外波段,且具有很强的相干性。此外,通过调控特种光纤的色散和非线性值,其光谱甚至可以延展到中红外波段。此类激光光源在诸多领域得到了极大的应用,如光学相干断层扫描、气体探测、生物成像等。受光源和非线性介质的限制,早期超连续谱主要由固体激光器泵浦光学玻璃,产生可见光范围内的超连续谱[52]。此后,光纤以其极大的非线性系数和极小的传输模场,逐渐成为产生宽带超连续谱的优良介质。其中的主要非线性效应包括四波混频、调制不稳定、自相位调制、交叉相位调制、孤子分裂、拉曼散射、孤子自频移等,且根据激励脉冲的脉宽和光纤的色散不同,各个效应所占比重也各不相同。总的来说,现在超连续谱光源主要朝着提高激光功率和拓展光谱范围发展,且注重对其相干性控制。

图 8为基于飞秒脉冲泵浦光子晶体光纤产生超连续谱的相关结果[53-54]图 8(a)为75 cm光子晶体光纤端面,其中纤芯直径大约2.6 μm,非线性系数是2.210-19 m2/W,损耗约为1 dB/m,1550 nm波段色散约为-30 ps/(nm·km),零色散波长约为1300 nm。激励源脉宽为100 fs,中心波长为1550 nm,重频为80 MHz,平均功率为200 mW。将泵浦飞秒脉冲注入光子晶体光纤之后,产生的超连续谱波长从350 nm延伸到2200 nm,如图 8(b)所示。

图 8 (a) 光子晶体光纤截面图;(b)对应超连续谱[54] Fig. 8 (a) Cross section of the PCF; (b) Corresponding super-continuum [54]

同理,利用多模光纤可以激发更为复杂的超连续谱,通过适当掺杂,其光谱宽度甚至可以从可见波段延伸到6.0 μm。图 9所示为利用500 fs激光激励1 m渐变多模光纤产生的超连续谱理论值[55]。其中脉冲能量为300 nJ,中心波长1550 nm。该多模光纤的纤芯直径约为62.5 μm,数值孔径为0.275。在实际测试中,受测量设备限制,其各个波段的光谱如图 10所示。从中可知,超连续谱生成过程中分别包括色散波、拉曼孤子以及低阶重频。此时,受复杂的相位匹配条件影响,各横模的能量能够发生耦合,这为高能量、宽范围的超连续谱光源提供了可靠的产生途径。

图 9 1 m多模光纤的光谱演变图[55] Fig. 9 Total spectrum evolution through the 1 m fiber[55]

图 10 泵浦能量为120 nJ (a)和180 nJ (b)时对应的光谱:(c)~(e)通过调整初始条件,光谱平整度和带宽被优化(泵浦能量为150 nJ);(f)~(l)不同初始条件下可见光波段的光谱分布(泵浦能量为150 nJ)[55] Fig. 10 (a), (b) Typical behavior for increasing energy (120 nJ to 180 nJ); (c)~(e) By adjusting the initial spatial excitation, we optimize the spectral uniformity and bandwidth (the energy for each plot is ~150 nJ). (f)~(l) Visible spectra (all ~150 nJ)[55]
3 现状分析

上一节中主要介绍了用于光纤传感的激光光源的发展状况,主要包含窄线宽激光器,单频可调谐激光器以及白光激光器。

为了提高光学传感系统的测量范围、精度等,需要获得相干长度(表征激光线宽)更长,相位噪声(表征激光频率稳定性)以及强度噪声(表征激光功率稳定性)更低的窄线宽激光光源,故对于窄线宽激光器,其发展趋势应是利用新方法或新机制来获取超稳(噪声超低)、超纯(线宽超窄)的激光光源。为了提高传感系统测量移植性、探测范围和精度(相干探测解调、激光雷达等),在获得低噪声窄线宽激光器输出的前提下还需要实现激光器波长的可调谐。故对于单频可调谐激光器,其发展趋势应是拓展其频率的调谐范围,提高频率的调谐精度,以及缩短其频率调谐时间。为了拓展可调谐激光器的调谐范围,必须增大激光器本身的增益谱宽,故白光激光器的发展趋势主要是利用非线性效应进一步拓展其光谱宽度,覆盖其光学传感所需的光谱。

4 总结

本文总结回顾了用于支撑光纤传感技术的激光光源,主要包括窄线宽激光器、单频可调谐激光器以及宽带白光激光器。详细介绍了这几种激光器在光纤传感领域的应用需求及其发展现状,通过分析其需求以及其发展状况,总结出用于光纤传感所需的理想激光光源是在任意波段、任意时刻都能实现超窄、超稳的激光输出。故我们分别从窄线宽激光器、可调谐窄线宽激光器以及增益带宽较宽的白光激光器入手,通过分析其发展脉络从而找出一条实现光纤传感所需理想激光光源的有效途径。

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