自注入锁定DFB半导体激光器用作φ-OTDR光源研究

Study on Self-Injected Locked DFB Semiconductor Laser as φ-OTDR Light Source

摘要: φ-OTDR分布式振动传感系统需使用窄线宽和频率漂移率小的相干光源，DFB半导体激光器的线宽通常在MHz量级且频率稳定性差，无法直接用作φ-OTDR系统的光源。本文使用光纤环形谐振器利用自注入锁定的方法来压窄DFB半导体激光器的线宽并稳定其频率，并且将其作为φ-OTDR分布式振动传感系统的光源。自注入锁定实现了约300倍的线宽压窄，振动传感实验显示该系统有时能测到振动信号有时不能，表明锁定过程中的跳模是自注入锁定激光器用于φ-OTDR振动传感系统时需要克服的困难。

Abstract: A coherent light source with narrow linewidth and small frequency drift rate is needed for an φ-OTDR distributed vibration sensing system. The linewidth of the DFB semiconductor laser is usually in the order of MHz and its frequency stability is poor, so it cannot be used directly as a light source for an φ-OTDR system. In this paper, a fiber ring resonator is used to narrow the linewidth and stabilize the frequency of a DFB semiconductor laser by using the self-injection locking method, and the laser is used as the light source of an φ-OTDR distributed vibration sensing system. The self-injection locking can achieve about 300-time narrowing. The vibration sensing experiment shows that the system can sometimes distinguish vibration signals and sometimes cannot. We demonstrate that the mode hopping in the locking process is a difficulty to be overcome when the self-injection locking laser is used in the φ-OTDR vibration sensing system.

1. 引言

分布式光纤传感是将光纤本身作为传感元件，具有成本低、抗电磁干扰、定位精度高、使用寿命长、灵敏度高、空间分辨率高、可长距离传感等优点 [1] [2]。目前分布式光纤振动传感系统已经应用在安全和健康监测等很多领域中，有长距离的光缆、天然气和石油管道等的安全监测 [3] [4] [5]；也有民用桥梁、大型建筑等土木工程的健康监测 [6] [7]；还有敏感设施，如机场、核电站、工厂以及军事基地等的安全监测 [8]。φ-OTDR分布式光纤振动传感系统对于光源有一定的要求，需要窄线宽和频率漂移小的相干光源，而这样的激光器的价格普遍昂贵。自注入锁定的DFB半导体激光器具有成本低廉、结构简单的优势，因此使用它可以显著降低传感系统的成本。López-Mercado团队将自注入锁定的DFB半导体激光器应用于φ-OTDR分布式声振动传感系统中，在9270 m的距离上，对光纤动态扰动的分布检测和定位进行了验证，证实了自注入锁定的DFB半导体激光器与φ-OTDR分布式声振动传感系统协同工作的能力 [9] [10] [11] [12] [13]。本文采用环长为4 m的光纤环形谐振器对DFB半导体激光器进行线宽压窄，并将其用于φ-OTDR分布式光纤振动传感系统中，分析了在φ-OTDR振动传感系统中使用该光源的效果和可行性。

2. DFB半导体激光器的自注入锁定

我们利用光纤环形谐振器对DFB半导体激光器进行自注入锁定，如图1所示。光纤环形谐振器(FORR)由两个3 dB耦合器C2和C3组成，环长4 m。由DFB半导体激光器输出的光通过环行器后进入环形谐振器，环形谐振器的谐振光再由环行器注入回激光器，实现对激光器的自注入锁定。耦合器C1分出10%的光作为激光器的输出，A、B两个端口可以对锁定效果和锁定时的跳模情况等进行监测。光隔离器ISO抑制光路中另一个方向光的产生。

本文中采用延时自外差法对激光器的线宽进行测量，延时自外差法的实验装置如图2所示。激光器的输出光经过一个3 dB耦合器后被分成两路，一路经过低损耗的延时光纤，以避免产生相干噪声。另一路经过声光移频器(AOM)移频55 MHz，以避免低频噪声对检测信号的干扰。两路光在另一个3 dB耦合器处合成一束光，用光电探测器(PD)将合束后的光信号转换为电信号，再通过Agilent E4403B频谱分析仪(SA)读取差拍信号的线宽。选用的延时光纤的长度要大于激光器相干长度的3倍。用这种延时自外差法测得的信号线宽是光源实际线宽的2倍 [14]。

Figure 1. Self injection locking optical path diagram of DFB semiconductor laser

图1. DFB半导体激光器自注入锁定光路图

Figure 2. Laser line-width measurement by delayed self heterodyne method

图2. 延时自外差法测量激光器线宽光路

使用该方案对DFB半导体激光器的线宽进行测量。测量时设置频谱分析仪的ResBW为3 kHz，VBW为300 Hz，对测量结果取20次平均。测量得到未锁定时差拍信号的线宽为1.9 MHz。

把图1中A点输出的光接入图2中，设定激光器驱动电流为0.9 A，用光纤环形谐振器对该DFB半导体激光器进行自注入锁定后，在频谱仪上测得差拍信号频谱如图3。测量时频谱仪的参数设置同测量未压窄激光器时相同。图中曲线半高全宽为12.5 kHz，所以锁定后激光器的线宽为6.25 kHz，相比于自由运行的DFB激光器，线宽压窄了约300倍。

Figure 3. Line-width of narrowed DFB semiconductor laser

图3. 压窄后的DFB半导体激光器的线宽

受外界温度漂移和激光器驱动电流波动等影响，自注入锁定时，激光器的频率可能从环形谐振器的一个谐振频率上失锁并跳跃到另一个谐振频率上，即发生跳模。用示波器监视图1中的B端口的光强变化可以观测到跳模的发生 [10] [15]。

图4为测得的B端口处的输出光强变化。由B端口输出可以明显看到跳模的发生，此时输出光强发生明显的跳变，虽然跳模持续时间较短，但在跳模之前和之后，输出光功率也有波动，表明激光器锁定的稳定性不好。

Figure 4. The occurrence of mode hopping during self-injection locking is observed from the light intensity of port B in Figure 1

图4. 从图1中B端口的光强观察自注入锁定时跳模的发生

3. 使用自注入锁定DFB半导体激光器的振动传感实验

3.1. 实验装置

在φ-OTDR分布式光纤振动传感系统中，注入光纤的脉冲光是强相干的，所以这个系统输出的就是脉冲宽度范围内不同散射点产生的后向瑞利散射光相互干涉的结果。有振动发生的位置，不同时刻干涉信号不同，且有一定规律性，而无振动位置散射信号虽然也不是常数，但呈现噪声的特点，所以通过移动平均和差分等信号识别算法，可以将有振动位置的散射信号从噪声中凸显出来。通过测量输入脉冲光与接收到的后向瑞利散射信号之间的时间延迟可以判断振动点的位置 [16]。

将图1中的A端点连接到图5中，使自注入锁定的DFB半导体激光器成为φ-OTDR振动传感系统的光源。声光调制器(AOM)把光源输出的连续光调制成脉冲光，掺铒光纤放大器(EDFA)对脉冲光放大。放大后的信号经环行器进入一个Bragg光纤光栅，该光栅作为窄线宽滤波器消除EDFA产生的自发辐射噪声。在传感光纤路径上某处，将一定长度的光纤缠绕在一个压电陶瓷(PZT)上，用信号发生器为PZT加上特定频率的振动信号模拟外界振动。传感光纤中产生的背向瑞利散射光经环行器被雪崩光电二极管(APD)探测，得到的电信号经过两级放大后在示波器上显示并采集和存储。

Figure 5. Optical circuit diagram of φ-OTDR distributed optical fiber vibration sensing system

图5. φ-OTDR分布式光纤振动传感系统光路图

3.2. 实验结果与讨论

使用以上装置进行分布式振动传感实验。传感光纤全长3.2 km，在距离输入端约1.4 km的位置处放置一个PZT，上面缠绕26 m长的光纤。对其施加500 Hz频率的正弦信号。声光调制器上调制脉冲宽度为200 ns，脉冲间隔为50 μs。通过示波器对背向散射信号进行采集，采样频率为200 MHz，每次可存储1000个脉冲的背散信号，即采集到1000条背向散射曲线。

在离线状态下使用100条背向散射曲线对测得的数据进行移动平均差分处理。数据处理结果显示，在不同时刻测得的数据有的能识别出振动信号，有的不能，如图6所示。在图6(a)中的振动信号尖峰位于1405 m处，而图6(b)中并没有检测到振动信号。而在同样条件下，使用线宽小于60 kHz的窄线宽光纤激光器，则能稳定地得到振动信号。

分析使用自注入锁定DFB半导体激光器有时无法测到信号的原因，我们认为是由于跳模现象的存在。DFB半导体激光器未压窄之前的线宽是1.9 MHz，虽然利用自注入锁定可以将DFB半导体激光器的线宽压窄到6.25 kHz，但是这样窄的线宽只在稳定锁定时才能获得。在稳定锁定时对φ-OTDR系统进行振动测量，光源线宽窄，可以测量到振动信号。而在图4所示的跳模和非稳定锁定状态下，激光器的线宽变大，预计至少超过了窄线宽光纤激光器的线宽值，所以相干性变弱，无法达到φ-OTDR系统的测量要求，就不能测到振动信号。由此可见，使用自注入锁定DFB半导体激光器作为φ-OTDR系统的光源，需要在稳定的锁定状态下才能测到振动信号。

(a) (b)

Figure 6. Vibration signal measurement results: (a) Measured vibration signal; (b) No vibration signal is detected

图6. 振动信号测量结果：(a) 测得振动信号；(b) 未测到振动信号

4. 结论

本文使用环长为4 m的光纤环形谐振器对DFB半导体激光器进行自注入锁定，将其用作φ-OTDR分布式光纤振动系统的光源并对该系统进行了振动测量。实验结果表明，跳模稳定时间内自注入锁定的DFB 半导体激光器的线宽窄，该系统可以测到光纤附近的振动信号，这样既兼顾了φ-OTDR分布式光纤振动传感系统的优势，又降低了窄线宽激光器的成本，有很强的实际意义。但是这样的光源因为有跳模现象的存在，有时不能测到振动信号。为避免跳模现象的影响，后续应进一步稳定自注入锁定DFB半导体激光器，尽量减少或避免跳模现象的发生。如用周长更短的光纤环或波导环，这样的环形谐振器自由光谱范围更大，则不易发生跳模现象。但周长短的环往往谐振峰也更宽，会导致锁定后激光器的线宽比用长光纤环时更大。因此，后续还需开展相干研究，探索能同时实现窄线宽和不易跳模的自注入锁定DFB半导体激光器。