用于光纖傳感BOTDA/BOTDR的鈮酸鋰調制器

BOTDA光纖傳感(gan)系(xi)統中電光調制器(qi)及(ji)配套器(qi)件的選擇(ze)

布里淵(Brillouin)傳(chuan)感(gan)器(qi)是一(yi)種(zhong)(zhong)光纖傳(chuan)感(gan)技(ji)術，在分(fen)布式溫(wen)度和應變傳(chuan)感(gan)中具(ju)有越(yue)來越(yue)重要的(de)地位(wei)，同時，這種(zhong)(zhong)技(ji)術在各種(zhong)(zhong)工業溫(wen)度測(ce)量(liang)，結構壽(shou)命監測(ce)和管(guan)道監控等領域的(de)廣泛應用，對布里(li)淵時域分析(BOTDA)提出了(le)越(yue)來(lai)越(yue)高的性(xing)能(neng)要求。

電光(guang)調制器(qi)（EOM）是BOTDA光學子(zi)系(xi)統(tong)中關鍵的(de)(de)器(qi)件(jian)(jian)之一，選擇(ze)合適的(de)(de)電光調制器(qi)規格和(he)工作條(tiao)件(jian)(jian)對系(xi)統(tong)的(de)(de)整體(ti)性能，一致性和(he)可靠(kao)性有(you)著重要的(de)(de)影響。

傳感(gan)元件，即光(guang)纖(xian)，也(ye)必須(xu)根據目標溫度范圍和(he)是否存在輻射仔細選擇。

傳統BOTDA系(xi)統中有2個電(dian)光調制器：脈(mo)沖產生的EOM1（泵浦信號）和(he)EOM2用于產生傳(chuan)感光纖(xian)的布里淵(yuan)頻移(yi)（相(xiang)對于泵浦光頻率）的種子(zi)光信號。 通常(chang)條件下(xia)，SMF-28的布里淵頻移為10.820GHz，通過在傳(chuan)感光纖的另一端注入EOM2產生的探測種子信號，布里淵(yuan)背向散射是一個受激過程，信噪比較(jiao)高。

BOTDA系統的(de)重要指標是空間分辨率、溫度/應變(bian)分辨率、Max測量范圍和測量速(su)度(du)。

空間分(fen)辨率(lv)是分(fen)布(bu)式光纖傳感器中兩個數據點之間的Min可分(fen)辨距離。一般(ban)來說(shuo)，這(zhe)取決(jue)于脈(mo)沖寬度，而減小脈(mo)寬將增加(jia)空間分(fen)辨率(lv)。對于傳統的BOTDA系統，典型的空間分辨率為(wei)一米(mi)左右(you)。隨著脈(mo)寬降到10ns以下，由于背向散射(she)信號的展寬，要測量的(de)峰值和要確定(ding)的布里淵(yuan)頻(pin)移（BFS）變(bian)得越(yue)來越(yue)困難。但是，對(dui)傳統的BOTDA的改進，如雙(shuang)脈沖或(huo)DP-BOTDA，可以分別實現(xian)亞米或500px的空間分辨率，此時脈寬和脈寬(kuan)間(jian)隔分別是2 ns和(he)5ns。

圖(tu)2顯示了強度電光調制器(qi)的傳輸(shu)函數(MTF)產生光脈沖的原理(li)。對(dui)于脈沖寬度約為1ns的BOTDA應(ying)用，10Ghz帶寬的EOM和小于100ps的上升(sheng)/下降沿*符合要求。另(ling)外EOM能夠產生并維(wei)持的高(gao)消光比（ER，也可理解(jie)為信噪比(bi)）脈(mo)沖，對BOTDA系統(tong)也是至關重要(yao)的(de)。

當連續(xu)激光(guang)被調制(zhi)成(cheng)短脈沖時(shi)，低消光(guang)比的電光(guang)調制(zhi)器(qi)會導致連續(xu)激光(guang)的泄漏，如20dB消光比(bi)的(de)調(diao)制器，輸入的(de)連(lian)續光功(gong)率(lv)100mW，會(hui)有(you)約為1mW的連(lian)續光(guang)泄漏。而EOM產生的脈沖(chong)和其泄漏光(guang)(guang)后續被光(guang)(guang)放大器放大，并注(zhu)入到(dao)傳感光(guang)(guang)纖中。對于遠程BOTDA測量系(xi)統(tong)，一般需要(yao)消光比(bi)ER>32dB以(yi)減(jian)輕泄漏光影響。

泵浦脈沖的消光比(bi)直接影響整個BOTDA測量(liang)系統的信噪比(bi)。因此，高(gao)消光比(bi)EOM直接影響BOTDA系統的Max大測量(liang)范圍和測量(liang)速度。MXER-LN系列強度調(diao)制器(qi)是高性能(neng)調(diao)制器(qi)，具有優(you)越的消光比。該產品的設(she)計依賴于(yu)iXblue的(de)“Magic Junction"）。

MXER-LN系列強度調(diao)制器是BOTDA應用中需(xu)要高消光(guang)和高帶(dai)寬組合的關(guan)鍵器(qi)件。

DR-VE-10-MO射頻(pin)驅(qu)動器，是設計(ji)用(yong)(yong)于驅(qu)動脈(mo)沖、模擬或(huo)數(shu)字應用(yong)(yong)的(de)(de)鈮(ni)酸鋰電光調制器的(de)(de)放(fang)大器模塊，以產(chan)生(sheng)不失(shi)真的(de)(de)光脈(mo)沖。在BOTDA系(xi)統中(zhong)，電脈沖(chong)信號(hao)的占空比很長。為了產生清晰的光脈沖(chong)，在保持(chi)高消光比ER的同時，具(ju)有銳利的邊緣、持續的高(gao)低電平以及(ji)無overshoot，BOTDA光脈沖(chong)信號(hao)產(chan)生需要具有合適特(te)性的特(te)定射頻放大(da)器，如DR-VE-10-MO。

DR-VE-10-MO驅動器針對從10Hz到(dao)1GHz的(de)低(di)和高脈沖重復頻率(lv)（PRF）信號進(jin)行了(le)優化。帶(dai)寬高(gao)達12GHz，可產生(sheng)70ps脈沖寬度，超短上升和(he)下降沿（24ps），并可適用300ns脈寬(kuan)的脈沖。

DR-VE-10-MO驅動采用緊湊的連(lian)接模(mo)塊，與iXblue的EOM的射頻(pin)接口(kou)直接匹配（幾何(he)尺寸一致）。該驅動(dong)使(shi)用單一的電壓電源，方(fang)便和安全的使(shi)用，并具有圖形用戶界面，其(qi)中集成了靈活的輸出電壓控(kong)制。

用于光纖傳感BOTDA/BOTDR的鈮酸鋰調制器在實(shi)際應(ying)用中，可靠的BOTDA系統在(zai)(zai)工(gong)業傳感(gan)應(ying)用(yong)（如結構壽命和管道監測），需(xu)要(yao)產生具有(you)可重復特(te)性(xing)的光脈沖，因此需(xu)要(yao)光學(xue)器(qi)件在(zai)(zai)長時間(jian)內(nei)穩定運行以(yi)及抗干擾的可靠性(xing)。

EOM中的Mach-Zehnder干涉儀由于(yu)溫(wen)度變化、熱不均(jun)勻性(xing)、老化、光折變效(xiao)應、靜(jing)電荷積累等環境效(xiao)應而(er)產生偏置點漂移。偏置點漂移將(jiang)會導致傳遞函數MTF偏離調制信號的工作點。因此，輸(shu)出脈沖(chong)的消光(guang)比和脈沖(chong)寬(kuan)度等特性會受到(dao)干擾。

直流偏(pian)壓點的漂移可以(yi)使用(yong)iXBlue的MBC（調制器偏(pian)壓控制器）解決方案進行主動監(jian)測和控制：臺式儀器MBC-DG-LAB或MBC-DG-board鎖定用于(yu)BOTDA應(ying)用的(de)Mach-Zehnder調制器的(de)工作點。

在傳(chuan)統的BOTDA系統中(zhong)，需要第二個EOM來產生探測(ce)所需的種(zhong)子(zi)信號，該種(zhong)子(zi)信號的光頻(pin)率被鎖定到泵浦光脈沖的光頻(pin)率，但被布里(li)淵頻(pin)移（BFS）偏移，對于SMF傳感(gan)光纖，通(tong)常為10.8 GHz。該種子信號的頻率(lv)也被逐級掃描或調諧，以檢測傳感光(guang)纖BFS周圍布里淵增益譜（BGS）的變化。通常，根據所需的分辨率，使(shi)用500 kHz，1MHz或5MHz的頻率步長。

使用EOM產生這種(zhong)可(ke)調諧光頻移有幾種(zhong)選擇，其(qi)中2種常用的是帶(dai)(dai)光學濾波的雙(shuang)邊(bian)帶(dai)(dai)-載波(bo)抑制調制（DSB-SC）和載波抑制-單邊(bian)帶(dai)調制（CS-SSB）。

高(gao)度通用的MX-LN-10有一個(ge)X-cut設計，廣(guang)泛的工作條件，以及零啁啾(jiu)性(xing)能(neng)的穩定性(xing)。iXblue專(zhuan)有的波(bo)導設計提供了低插入損(sun)耗和高消光比。MX-LN-10由于(yu)具有高(gao)帶寬、穩定(ding)性(xing)好(hao)和低插(cha)入(ru)損耗，非常適合用于BOTDA系(xi)統的(de)DSB-SC。DR-AN-10-HO是一種寬帶射頻放大器(qi)模塊，設計(ji)用于頻率高達(da)11GHz的(de)模擬應(ying)用。DR-AN-10-HO具有低噪聲(sheng)系數(shu)和線性傳遞(di)函(han)數(shu)的特點，其1dB壓(ya)縮點大于23dBm。它在整個帶寬上(shang)表現(xian)出(chu)平坦的群(qun)延遲和增益曲線，波動(dong)很小，該(gai)放大器模塊(kuai)非常適合匹配MX-LN-10做DSB-SC應(ying)用。 利用MBC-DG-LAB和MBC-DG-board可以(yi)鎖(suo)定馬赫-曾德(de)爾調制(zhi)器的(de)工作點，保證(zheng)了對偏(pian)置漂移的(de)長期(qi)穩定性

BOTDA系統的(de)其他(ta)組(zu)件包括偏(pian)振擾(rao)頻器(qi)和FBG邊帶濾波器。

偏(pian)振(zhen)擾(rao)偏(pian)器：布(bu)里淵散射對(dui)偏(pian)振(zhen)敏感。通過對(dui)信(xin)號的偏(pian)振(zhen)態進行(xing)擾(rao)亂(luan)可以緩解這個問題。偏(pian)振(zhen)態擾(rao)亂(luan)提高(gao)了信(xin)噪比(bi)，縮短(duan)了測(ce)量(liang)(liang)時間，提高(gao)了測(ce)量(liang)(liang)精度、分辨率和測(ce)量(liang)(liang)范圍。PSC-LN是一種緊(jin)湊(cou)的高(gao)速電光偏(pian)振擾偏(pian)器(qi)。這鐘(zhong)集成(cheng)光學器(qi)件具有低(di)損耗的單模波導，可(ke)以在從直(zhi)流到10GHz以上的(de)頻率范(fan)圍內偏振擾偏，在超過100nm的波長(chang)范圍內工作。

FBG邊帶濾波器：光纖(xian)布拉格(ge)光柵（FBG）可(ke)用作(zuo)BOTDA系統的DSB-CS邊(bian)帶濾波器。IXC-FBG是一種光(guang)(guang)纖(xian)布拉格光(guang)(guang)柵，通過多年來的技術積累，iXblue可以提供(gong)高度(du)定制的FBG，這些FBG可以放入特殊的封裝外殼中以保證(zheng)對環境的不敏感，用于去除(chu)BOTDA系(xi)統中不需要的DSB-CS邊帶。

傳感光纖(xian)：在一般情況(kuang)下，標準SMF光纖就(jiu)足夠了；但溫度超過85度(du)(du)、 光纖的標準涂覆層不能承受如此高(gao)的溫(wen)度(du)(du)，會熔化(hua)。 iXblue提(ti)供含(han)酰化高溫(wen)涂層的光(guang)纖(xian)Max可達(da)130°C、 含聚(ju)酰亞胺涂層高達300°C，甚(shen)至鋁涂層高達400°C。在空間或(huo)核(he)輻(fu)射(she)環境中，還需要具有抗輻照保證(zheng)（Radiation Induced Attenuation-RIA）的特定(ding)光(guang)纖(xian)。