用于光纤传感BOTDA/BOTDR的铌酸锂调制器

用于光纤传感BOTDA/BOTDR的铌酸锂调制器

姓名：吴工 (Sam)

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布里渊(Brillouin)传感器是一种光纤传感技术，在分布式温度和应变传感中具有越来越重要的地位，同时，这种技术在各种工业温度测量，结构寿命监测和管道监控等领域的广泛应用，对布里渊时域分析(BOTDA)提出了越来越高的性能要求。

电光调制器（EOM）是BOTDA光学子系统中关键的器件之一，选择合适的电光调制器规格和工作条件对系统的整体性能，一致性和可靠性有着重要的影响。

传感元件，即光纤，也必须根据目标温度范围和是否存在辐射仔细选择。

传统BOTDA系统中有2个电光调制器：脉冲产生的EOM1（泵浦信号）和EOM2用于产生传感光纤的布里渊频移（相对于泵浦光频率）的种子光信号。 通常条件下，SMF-28的布里渊频移为10.820GHz，通过在传感光纤的另一端注入EOM2产生的探测种子信号，布里渊背向散射是一个受激过程，信噪比较高。

BOTDA系统的重要指标是空间分辨率、温度/应变分辨率、Max测量范围和测量速度。

空间分辨率是分布式光纤传感器中两个数据点之间的Min可分辨距离。一般来说，这取决于脉冲宽度，而减小脉宽将增加空间分辨率。对于传统的BOTDA系统，典型的空间分辨率为一米左右。随着脉宽降到10ns以下，由于背向散射信号的展宽，要测量的峰值和要确定的布里渊频移（BFS）变得越来越困难。但是，对传统的BOTDA的改进，如双脉冲或DP-BOTDA，可以分别实现亚米或500px的空间分辨率，此时脉宽和脉宽间隔分别是2 ns和5ns。

图2显示了强度电光调制器的传输函数(MTF)产生光脉冲的原理。对于脉冲宽度约为1ns的BOTDA应用，10Ghz带宽的EOM和小于100ps的上升/下降沿完全符合要求。另外EOM能够产生并维持的高消光比（ER，也可理解为信噪比）脉冲，对BOTDA系统也是至关重要的。

当连续激光被调制成短脉冲时，低消光比的电光调制器会导致连续激光的泄漏，如20dB消光比的调制器，输入的连续光功率100mW，会有约为1mW的连续光泄漏。而EOM产生的脉冲和其泄漏光后续被光放大器放大，并注入到传感光纤中。对于远程BOTDA测量系统，一般需要消光比ER>32dB以减轻泄漏光影响。

泵浦脉冲的消光比直接影响整个BOTDA测量系统的信噪比。因此，高消光比EOM直接影响BOTDA系统的Max大测量范围和测量速度。MXER-LN系列强度调制器是高性能调制器，具有优越的消光比。该产品的设计依赖于iXblue的“Magic Junction”（专利号n° US2008193077）。

MXER-LN系列强度调制器是BOTDA应用中需要高消光和高带宽组合的关键器件。

DR-VE-10-MO射频驱动器，是设计用于驱动脉冲、模拟或数字应用的铌酸锂电光调制器的放大器模块，以产生不失真的光脉冲。在BOTDA系统中，电脉冲信号的占空比很长。为了产生清晰的光脉冲，在保持高消光比ER的同时，具有锐利的边缘、持续的高低电平以及无overshoot，BOTDA光脉冲信号产生需要具有合适特性的特定射频放大器，如DR-VE-10-MO。

DR-VE-10-MO驱动器针对从10Hz到1GHz的低和高脉冲重复频率（PRF）信号进行了优化。带宽高达12GHz，可产生70ps脉冲宽度，超短上升和下降沿（24ps），并可适用300ns脉宽的脉冲。

DR-VE-10-MO驱动采用紧凑的连接模块，与iXblue的EOM的射频接口直接匹配（几何尺寸一致）。该驱动使用单一的电压电源，方便和安全的使用，并具有图形用户界面，其中集成了灵活的输出电压控制。

在实际应用中，可靠的BOTDA系统在工业传感应用（如结构寿命和管道监测），需要产生具有可重复特性的光脉冲，因此需要光学器件在长时间内稳定运行以及抗干扰的可靠性。

EOM中的Mach-Zehnder干涉仪由于温度变化、热不均匀性、老化、光折变效应、静电荷积累等环境效应而产生偏置点漂移。偏置点漂移将会导致传递函数MTF偏离调制信号的工作点。因此，输出脉冲的消光比和脉冲宽度等特性会受到干扰。

直流偏压点的漂移可以使用iXBlue的MBC（调制器偏压控制器）解决方案进行主动监测和控制：台式仪器MBC-DG-LAB或MBC-DG-board锁定用于BOTDA应用的Mach-Zehnder调制器的工作点。

在传统的BOTDA系统中，需要第二个EOM来产生探测所需的种子信号，该种子信号的光频率被锁定到泵浦光脉冲的光频率，但被布里渊频移（BFS）偏移，对于SMF传感光纤，通常为10.8 GHz。该种子信号的频率也被逐级扫描或调谐，以检测传感光纤BFS周围布里渊增益谱（BGS）的变化。通常，根据所需的分辨率，使用500 kHz，1MHz或5MHz的频率步长。

使用EOM产生这种可调谐光频移有几种选择，其中2种常用的是带光学滤波的双边带-载波抑制调制（DSB-SC）和载波抑制-单边带调制（CS-SSB）。

高度通用的MX-LN-10有一个X-cut设计，广泛的工作条件，以及零啁啾性能和无与伦比的稳定性。iXblue专有的波导设计提供了低插入损耗和高消光比。MX-LN-10由于具有高带宽、稳定性好和低插入损耗，非常适合用于BOTDA系统的DSB-SC。DR-AN-10-HO是一种宽带射频放大器模块，设计用于频率高达11GHz的模拟应用。DR-AN-10-HO具有低噪声系数和线性传递函数的特点，其1dB压缩点大于23dBm。它在整个带宽上表现出平坦的群延迟和增益曲线，波动很小，该放大器模块非常适合匹配MX-LN-10做DSB-SC应用。 利用MBC-DG-LAB和MBC-DG-board可以锁定马赫-曾德尔调制器的工作点，保证了对偏置漂移的长期稳定性

BOTDA系统的其他组件包括偏振扰频器和FBG边带滤波器。

偏振扰偏器：布里渊散射对偏振敏感。通过对信号的偏振态进行扰乱可以缓解这个问题。偏振态扰乱提高了信噪比，缩短了测量时间，提高了测量精度、分辨率和测量范围。PSC-LN是一种紧凑的高速电光偏振扰偏器。这钟集成光学器件具有低损耗的单模波导，可以在从直流到10GHz以上的频率范围内偏振扰偏，在超过100nm的波长范围内工作。

FBG边带滤波器：光纤布拉格光栅（FBG）可用作BOTDA系统的DSB-CS边带滤波器。IXC-FBG是一种光纤布拉格光栅，通过多年来的技术积累，iXblue可以提供高度定制的FBG，这些FBG可以放入特殊的封装外壳中以保证对环境的不敏感，用于去除BOTDA系统中不需要的DSB-CS边带。

传感光纤：在一般情况下，标准SMF光纤就足够了；但温度超过85度、 光纤的标准涂覆层不能承受如此高的温度，会熔化。 iXblue提供含酰化高温涂层的光纤Max可达130°C、 含聚酰亚胺涂层高达300°C，甚至铝涂层高达400°C。在空间或核辐射环境中，还需要具有抗辐照保证（Radiation Induced Attenuation-RIA）的特定光纤。