Page 40 - 网络电信2020年7月刊上

解 决 方 案

分布式光纤传感中非线性对注入光功率的限制

罗天明，程炜仁，程凌浩，周黎明，刘伟民
暨南大学 光子技术研究院

摘要：研究了G.652标准单模光纤中的自相位调制和受激布里渊散射两类光纤非线性效应导致的峰值功率限
制。研究表明色散与自相位调制共同作用会引起脉冲波形的畸变，其作用大小主要取决于脉冲的峰值功率。受
激布里渊散射则引起脉冲功率在光纤中的迅速衰落，进而限制传感距离，其作用大小主要取决于脉冲能量。实
验结果表明，自相位调制对脉冲入射功率的限制作用更加明显。通过对实验数据的分析，给出了光纤非线性制
约下光脉冲峰值功率上限值的经验性公式，可据此估算分布式光纤传感系统注入脉冲的最大功率。对于一个典
型25km分布式光纤传感系统，脉冲峰值入射功率上限值约为1W。
关键词：光纤传感器；光时域反射计；非线性效应；光脉冲；峰值功率

引言 可以获得光纤各处待测物理量的大小及其空间分布 [13] 。因此，
分布式光纤传感器利用光纤作为敏感元件，获取被测信 散射光的信噪比是传感系统性能的关键参数之一。由于光纤的
息，分辨率高，误差小 [1-2] 。此外它还具有抗电磁干扰、耐腐 损耗非常低，光纤中的散射效应也就非常微弱 [14] ，为了尽可能
[3]
蚀等特点 ，可以长距离连续分布式地实时在线监测应变、温 地提高散射光强度，就必须在光纤入射端尽可能地提高脉冲光
度、振动等物理参数 [4-5] 。目前这项技术已经广泛地应用于轨道 的功率。但是脉冲光的入射功率不能无限制提高，因为随着入
交通、桥梁隧道和超高压输电线路等大型结构的监测领域 [6-8] ， 射功率的增加，光纤中的非线性效应变得越来越明显，会造成
具有广阔的应用前景。 脉冲光波形失真等不利因素，最终使传感性能劣化 [15-17] 。
当前，相位敏感光时域反射计（Phase-sensitive Optical 在光纤中的非线性效应可分为两类：一类为非弹性散射
Time Domain Reflectometer,φ-OTDR）和布里渊光时域反射计 效应，如受激布里渊散射、受激拉曼散射等；另一类是弹性效
（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer, BOTDR） 应，如克尔效应等。弹性非线性效应是与折射率密切相关的效
是两种广泛应用的分布式光纤传感器。其中φ-OTDR是基于瑞利 应，如自相位调制、调制不稳定性、四波混频等 [18] 。其中，多
[9]
散射，而BOTDR则基于布里渊散射 。这两种分布式光纤传感器 数的分布式光纤传感系统中主要受到受激布里渊散射和自相位
一般都能够在数十千米长的传感距离内进行精确的测量 [10] 。在 调制这两种非线性效应的影响。一方面，过高的脉冲峰值功率
这两类分布式光纤传感系统中，一般采用相干性能较好的超窄 会引发受激布里渊散射，从而使脉冲功率被过快地消耗 [19] 。另
线宽激光源，经由光学耦合器分为两路连续光，一路被调制成 一方面，自相位调制会导致脉冲传输过程中频谱展宽 [20] ，在色
脉冲光，另一路作为参考光用来与探测光进行相干接收 [11] 。脉 散作用下会引起脉冲波形失真。为了缓解光纤非线性效应带来
冲光在光纤中传输时，在光纤中沿线各处产生向后传播的瑞利 的不利影响，研究人员已经提出了数字反向传播、非线性傅里
散射和布里渊散射光 [12] 。这些散射光在接收端通过环形器被接 叶变换传输、数字相位共轭等方法 [21-24] 。但是这些基于数字信
收下来。通过对散射光的强度、相位、频率等参量的分析，就 号处理的技术主要运用于数字光通信系统中，对于分布式光纤

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