分布式光纤振动传感

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分布式光纤振动传感

波长范围： 190 - 1700 nm Range
Detectors with Diameters up to 5 mm
DC to 1 MHz or DC to 100 MHz Bandwidths
Excellent Common Mode Rejection

PDB230C

InGaAs Photodetector
for 800 - 1700 nm

PDB210A

Si Photodetector
for 320 - 1060 nm

PDB210A

Si Photodetector
for 320 - 1060 nm

概述
性能测试曲线
技术说明

DAS/DVS一体化模块内部集成了自主研发的超窄线宽光源、AOM、EDFA、环形器、平衡探测、拉曼EDFA，等全套光电单元，只需外接AOM驱动模块，减少了外部接线同时保证良好的信噪比，也便于用户集成。该模块可应用于分布式光纤振动传感、周界安防等领域，我司可提供高性价比及最优化的产品及解决方案。有相干探测，直接探测两种方案

可接受定制双通道集成模块和其他探测距离。

性能效果测试

分布式光纤传感技术说明

噪声指标是激光信号的重要性能指标，从激光器出现以来，一直是激光技术领域的重点研究对象。激光器噪声的指标直接影响着激光器的应用。对于激光器的噪声主要包括：强度噪声和频率噪声。

对于单频激光器另一种描述其频率噪声方法是激光功率密度谱的宽度，半高全宽（FWHM）来描述其指标。与频率噪声谱衡量其频率特性的指标相比，激光器线宽这一概念叙述更简单，可以很直观的反映激光器的频率特性。激光器线宽与其频率噪声谱是相关的，理论上通过频率噪声谱，可以计算得到激光器的线宽。
对一般的光源，线宽较宽，可以直接用光谱仪测量其光谱特性，并通过分析光谱测得激光线宽。光谱仪的工作原理一般都是以衍射光栅或扫描滤波器作为扫频器件，对入射激光的光谱进行分析。当激光线宽达到kHz量级时，由于光谱仪自身分辨能力的限制，利用传统光谱仪测量光谱，直接读出3 dB 线宽的测量方法已经不再适用。测量kHz量级的激光线宽常用的测试方法有零差法、外差法和延时自外差法，其中延时自外差法采用声光移频器将拍频信号移至中频段，受环境干扰小测试稳定而被广泛应用^[49,50]。

图1-17循环延时自外差法激光器线宽测试原理图
Fig.1-17 The schematic diagram of measuring laser linewidth by recirculating delayed self-heterodyne method
图1-17是典型的循环光纤延时自外差激光器线宽测试系统^[51]。待测激光通过第一个1:9的分光耦合器（Coupler）被分成两路光，90%的端口光耦合进延时光路，通过光隔离器（Isolator）保持单向传输，再通过工作频率40 MHz的声光移频器（AOM）移频后，接入50 km的光纤延时到，考虑到光路引入光纤损耗较大，加入光纤放大器（EDFA）放大光路信号，通过带通滤波器（Filter）滤除EDFA引入的ASE噪声，通过偏振控制（PC）控制光的偏振态，使延时传输回来的光和激光器的光在1:9光纤耦合器处获得最佳干涉效果。整个光路实现了，同一个光源发出的光通过延时和移频后原光源干涉拍频，干涉拍频后的光通过耦合器10%端口输入光电探测器。探测器信号接入频谱仪测量。第一次延时拍频信号，在频谱仪上观测到的是以AOM工作频率40 MHz为中心的频谱曲线。另外90%端口的光继续进入光路循环这一过程，再次延时移频后拍频，第二次测量到的谱线中心在80 MHz；如此往复循环，可以测到多阶干涉信号。此光路的优点是可以通过循环使用光纤，获得更长的延时长度，测量更窄的线宽。

图1-18 典型延时自外差法测量的激光器线宽曲线
Fig.1-18 The typical laser linewidth curve measured by self-heterodyne method
图1-18为用循环延时自外差法取二阶干涉拍频信号，测得的单频激光器线宽曲线。根据激光原理，激光功率密度谱由高斯噪声与洛伦兹噪声两部分决定，其中心频率处主要来源于低频高斯噪声，而两翼主要取决于洛伦兹噪声^[52]。另外，在自外差法测量激光线宽时，由于环境的干扰会引起低频的高斯噪声，并且不同的延迟光纤长度也会对最终测得结果中的高斯成分产生影响^[53,54]。对具体线宽值的确定，读取3 dB谱宽误差较大，在线宽测量中一般读取频谱仪上曲线20 dB处的线宽，具体做法是读取频谱峰值的位置下降20 dB处的谱线宽度，然后将其除以

，即等效的半高全宽。由于该频段噪声，洛伦兹噪声占主要成分，通常把读取频谱曲线较宽范围的20 dB宽度得到的激光器线宽，称为激光器的洛伦兹线宽。如图1-18直接读取频谱曲线20 dB宽度对应的读数24.5 kHz，对应的线宽为1.23 kHz。

激光器强度噪声定义及测试方法

与在时域上测量激光器功率稳定性不同，激光器的强度噪声描述的是输出激光功率谱的波动情况，通常在频域上进行描述，用相对强度噪声（Relative Intensity Noise，RIN）来表示，其定义的表达式如式（1-4）示^[26]：

(1-4)

式中，

为单位频带的噪声功率谱密度，

为激光平均功率。相比于功率稳定性百分之几波动这样的描述方法，采用此表达式的优点处是可以看到频谱上每个频点的噪声。对于光纤激光器的强度噪声通常考虑两个方面的噪声：在弛豫振荡峰处噪声水平较高的中频噪声；在低频段来源于泵浦激光器的功率起伏、外界环境的干扰等引起的技术噪声。这两个频段的噪声影响着激光器的应用。在高频段一般噪声比较低，接近量子噪声。量子噪声又称散粒噪声，来自光量子波动。对应产生的量子噪声极限表达式为^[41]：

(1-5)

式中，h为普朗克常量，v为激光中心频率，2hv在物理上可以理解为光量子波动的最小能量波动为2个光子的能量，此值与进行测量时的激光器功率P的比值，也就是功率谱变化的极限。式（1-5）表明，在不同功率测试条件下，相对强度噪声的量子噪声极限值是不同的。
强度噪声测试常用的方法是基于频谱分析仪直接测量法。采用的是光电探测器模块加频谱分析仪相结合的测量方法。其测试原理图如图1-9所示^[42]，为了减少测试光路中返回光对激光器的影响，待测激光器的输出光先通过光隔离器（Isolator）进行隔离，然后用可调光衰减器（VOA）对其进行衰减，衰减到合适的光功率值，注入到光电探测器模块(Detecor)，转换为电信号后送入射频频谱分析仪进行分析。

图1-9基于频谱仪RIN测试原理图
Fig.1-9 The schematic diagram of RIN measured based on Frequency Spectrum Analyzer
测试过程需要注意，一般激光的强度噪声比较弱，要求光电探测器的噪声和前置放大器的噪声合在一起要低于激光器的噪声，同时频谱分析仪需要选择低噪声的频谱分析仪。将探测器接到频谱仪上时，在无光输入的情况下，先观测到探测器的噪底功率谱线，在输入光照射到探测器上时，会观测到明显的谱线升高过程。
相对强度噪声（RIN）的计算公式如下^[43]：

(1-6)

式（1-6）中，A为测得的频谱幅度，U为光电探测器输出的电压直流分量，R为测试系统的阻抗，W_B为频谱分辨带宽。

图1-10 DBR光纤激光器的噪声功率谱图
Fig.1-10 The noise power spectrum of a DBR fiber laser
以测量实验制作的DBR窄线宽单频光纤激光器为列，介绍具体测量过程。测试采用的探测器型号：PDA10CF-EC，带宽150 MHz，响应度5 kV/A，等效噪声功率（NEP）：12 pW/Hz^1/2。频谱仪型号为keysight-N9030A。根据探测器的响应度和饱和输入输出幅度特性，确认在1 mW的光输入情况下，探测器没有饱和。将激光器功率衰减到1 mW输入光电探测器。实验测得功率谱如图1-10所示。蓝线（PD noise base）为在没有输入光时，探测器的噪底。红线（intensity noise）为1 mW的光入射探测器后，测得的噪声功率谱。

图1-11 DBR光纤激光器的相对强度噪声谱图
Fig.1-11 The RIN spectrum of DBR fiber laser
对图1-10测得结果导出数据，考虑到频谱仪测量时设定的分辨率1 kHz。按公式（1-6）进行计算。运算分析后获得相对强度噪声RIN谱图如图1-11所示。图中蓝线（QNL）为根据测试激光器中心频率，通过公式2hv/p计算得到的量子噪声极限，与频率无关，在图中以直线显示。红线（RIN）为计算后得到的DBR光纤激光器的相对强度噪声曲线，从曲线中可以观测到激光器功率噪声的细节，低频段相对强度噪声一般在-130 dB/Hz左右，较高处的峰为激光器弛豫振荡峰的相对强度噪声约-90 dB/Hz，过弛豫振荡峰后，随着频率的增加，相对强度噪声逐渐减小。
然而，由于光信号或电信号在量子化过程中会产生量子的随机起伏，同时探测器的局部温度随机起伏也会引起电子激发而产生很小的噪声电流，使得最终测试得到的强度噪声谱包括三个部分：散粒噪声，热噪声，激光噪声^[40]。
当测试直流电压越大时，系统的噪声基底越低。因此，在实际的激光强度噪声测试过程中，应控制激光强度在不使探测器饱和的前提下越高越好，以获得更准确的测试结果。
图1-12是采用不同光功率输入同一个强度噪声系统，测量相对强度噪声的结果。图中变化趋势显示，随着输入光功率的增加，测试系统的噪声基底逐渐降低，同时其降低幅度逐渐减小。由于散粒噪声量级一般在-150 dB/Hz以下，图1-12中所测的噪声基底应为探测系统的热噪声。当测试光功率越大时，系统的噪声基底越低。因此，在实际的激光强度噪声测试过程中，应控制激光强度在不使探测器饱和的前提下越高越好，以获得更准确的测试精度。

图1-12 不同光功率下测试的同一个激光器的RIN
Fig.1-12 The RIN of the same fiber laser measured with different incident optical power
图1-13是用直接测量法测量半导体激光器和光纤激光器在10 Hz-10 MHz频段的相对强度噪声的实验结果。图中黑线（Fiber laser RIN）为光纤激光器的相对强度噪声曲线，整体在-145 dB/Hz以上，且在一点几MHz处有一个明显的峰值，为光纤激光器的弛豫振荡峰。半导体激光器的弛豫振荡峰，一般在更高的频段（GHz），对低频段的影响较小。红线（NLLD RIN）显示的是在10 Hz-10 MHz频段半导体激光的相对强度噪声小于-153 dB/Hz，比蓝线（Shot noise limit）量子噪声极限-156 dB/Hz略高。光纤激光器的相对强度噪声整体比半导体激光器高了10 dB以上，在弛豫振荡处强度噪声高出50 dB以上，会影响光纤激光器的广泛应用，有必要做光纤激光器的强度噪声抑制工作。
接近噪声极限的相对强度噪声RIN-10M

图1-13 典型光纤激光器和半导体激光器相对强度噪声
Fig.1-13 The typical RIN of fiber laser and semiconductor laser diode

1.线宽
2.强度噪声
3.相位噪声

4.测量相关设备

DAS 相干探测型分布式光纤振动传感集成模块

DAS：25KM DAS:45KM

+1	数量	文件			单价	有货/交货日期
			DAS-I1-FL45-FA30	分布式光纤振动传感集成模块，探测距离45km，集成拉曼放大	￥80000.00	2天
			DAS-I1-FL25-FA30	分布式光纤振动传感集成模块，探测距离25km	￥72000.00	2天

DVS 直接探测型分布式光纤振动传感集成模块

直接探测
体积小

+1	数量	文件			单价	有货/交货日期
			DVS-I5-FL25-FA30	直接探测：探测距离25km，	￥72000.00	call
			DVS-I5-FL45-FA30	直接探测：探测距离45km，集成拉曼放大	￥0.00	7天

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激光器强度噪声定义及测试方法