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用于光纖傳感BOTDA/BOTDR的鈮酸鋰調制器

BOTDA光纖傳感系統中電光調制器及配套器件的選擇

布里淵(Brillouin)傳感器是一種光纖傳感技術，在分布式溫度和應變傳感中具有越來越重要的地位，同時，這種技術在各種工業溫度測量，結構壽命監測和管道監控等領域的廣泛應用，對布里淵時域分析(BOTDA)提出了越來越高的性能要求。

電光調制器（EOM）是BOTDA光學子系統中關鍵的器件之一，選擇合適的電光調制器規格和工作條件對系統的整體性能，一致性和可靠性有著重要的影響。

傳感元件，即光纖，也必須根據目標溫度范圍和是否存在輻射仔細選擇。

傳統BOTDA系統中有2個電光調制器：脈沖產生的EOM1（泵浦信號）和EOM2用于產生傳感光纖的布里淵頻移（相對于泵浦光頻率）的種子光信號。 通常條件下，SMF-28的布里淵頻移為10.820GHz，通過在傳感光纖的另一端注入EOM2產生的探測種子信號，布里淵背向散射是一個受激過程，信噪比較高。

BOTDA系統的重要指標是空間分辨率、溫度/應變分辨率、Max測量范圍和測量速度。

空間分辨率是分布式光纖傳感器中兩個數據點之間的Min可分辨距離。一般來說，這取決于脈沖寬度，而減小脈寬將增加空間分辨率。對于傳統的BOTDA系統，典型的空間分辨率為一米左右。隨著脈寬降到10ns以下，由于背向散射信號的展寬，要測量的峰值和要確定的布里淵頻移（BFS）變得越來越困難。但是，對傳統的BOTDA的改進，如雙脈沖或DP-BOTDA，可以分別實現亞米或500px的空間分辨率，此時脈寬和脈寬間隔分別是2 ns和5ns。

圖2顯示了強度電光調制器的傳輸函數(MTF)產生光脈沖的原理。對于脈沖寬度約為1ns的BOTDA應用，10Ghz帶寬的EOM和小于100ps的上升/下降沿*符合要求。另外EOM能夠產生并維持的高消光比（ER，也可理解為信噪比）脈沖，對BOTDA系統也是至關重要的。

當連續激光被調制成短脈沖時，低消光比的電光調制器會導致連續激光的泄漏，如20dB消光比的調制器，輸入的連續光功率100mW，會有約為1mW的連續光泄漏。而EOM產生的脈沖和其泄漏光后續被光放大器放大，并注入到傳感光纖中。對于遠程BOTDA測量系統，一般需要消光比ER>32dB以減輕泄漏光影響。

泵浦脈沖的消光比直接影響整個BOTDA測量系統的信噪比。因此，高消光比EOM直接影響BOTDA系統的Max大測量范圍和測量速度。MXER-LN系列強度調制器是高性能調制器，具有*的消光比。該產品的設計依賴于iXblue的“Magic Junction"）。

MXER-LN系列強度調制器是BOTDA應用中需要高消光和高帶寬組合的關鍵器件。

DR-VE-10-MO射頻驅動器，是設計用于驅動脈沖、模擬或數字應用的鈮酸鋰電光調制器的放大器模塊，以產生不失真的光脈沖。在BOTDA系統中，電脈沖信號的占空比很長。為了產生清晰的光脈沖，在保持高消光比ER的同時，具有銳利的邊緣、持續的高低電平以及無overshoot，BOTDA光脈沖信號產生需要具有合適特性的特定射頻放大器，如DR-VE-10-MO。

DR-VE-10-MO驅動器針對從10Hz到1GHz的低和高脈沖重復頻率（PRF）信號進行了優化。帶寬高達12GHz，可產生70ps脈沖寬度，超短上升和下降沿（24ps），并可適用300ns脈寬的脈沖。

DR-VE-10-MO驅動采用緊湊的連接模塊，與iXblue的EOM的射頻接口直接匹配（幾何尺寸一致）。該驅動使用單一的電壓電源，方便和安全的使用，并具有圖形用戶界面，其中集成了靈活的輸出電壓控制。

用于光纖傳感BOTDA/BOTDR的鈮酸鋰調制器在實際應用中，可靠的BOTDA系統在工業傳感應用（如結構壽命和管道監測），需要產生具有可重復特性的光脈沖，因此需要光學器件在長時間內穩定運行以及抗干擾的可靠性。

EOM中的Mach-Zehnder干涉儀由于溫度變化、熱不均勻性、老化、光折變效應、靜電荷積累等環境效應而產生偏置點漂移。偏置點漂移將會導致傳遞函數MTF偏離調制信號的工作點。因此，輸出脈沖的消光比和脈沖寬度等特性會受到干擾。

直流偏壓點的漂移可以使用iXBlue的MBC（調制器偏壓控制器）解決方案進行主動監測和控制：臺式儀器MBC-DG-LAB或MBC-DG-board鎖定用于BOTDA應用的Mach-Zehnder調制器的工作點。

在傳統的BOTDA系統中，需要第二個EOM來產生探測所需的種子信號，該種子信號的光頻率被鎖定到泵浦光脈沖的光頻率，但被布里淵頻移（BFS）偏移，對于SMF傳感光纖，通常為10.8 GHz。該種子信號的頻率也被逐級掃描或調諧，以檢測傳感光纖BFS周圍布里淵增益譜（BGS）的變化。通常，根據所需的分辨率，使用500 kHz，1MHz或5MHz的頻率步長。

使用EOM產生這種可調諧光頻移有幾種選擇，其中2種常用的是帶光學濾波的雙邊帶-載波抑制調制（DSB-SC）和載波抑制-單邊帶調制（CS-SSB）。

高度通用的MX-LN-10有一個X-cut設計，廣泛的工作條件，以及零啁啾性能的穩定性。iXblue專有的波導設計提供了低插入損耗和高消光比。MX-LN-10由于具有高帶寬、穩定性好和低插入損耗，非常適合用于BOTDA系統的DSB-SC。DR-AN-10-HO是一種寬帶射頻放大器模塊，設計用于頻率高達11GHz的模擬應用。DR-AN-10-HO具有低噪聲系數和線性傳遞函數的特點，其1dB壓縮點大于23dBm。它在整個帶寬上表現出平坦的群延遲和增益曲線，波動很小，該放大器模塊非常適合匹配MX-LN-10做DSB-SC應用。 利用MBC-DG-LAB和MBC-DG-board可以鎖定馬赫-曾德爾調制器的工作點，保證了對偏置漂移的長期穩定性

BOTDA系統的其他組件包括偏振擾頻器和FBG邊帶濾波器。

偏振擾偏器：布里淵散射對偏振敏感。通過對信號的偏振態進行擾亂可以緩解這個問題。偏振態擾亂提高了信噪比，縮短了測量時間，提高了測量精度、分辨率和測量范圍。PSC-LN是一種緊湊的高速電光偏振擾偏器。這鐘集成光學器件具有低損耗的單模波導，可以在從直流到10GHz以上的頻率范圍內偏振擾偏，在超過100nm的波長范圍內工作。

FBG邊帶濾波器：光纖布拉格光柵（FBG）可用作BOTDA系統的DSB-CS邊帶濾波器。IXC-FBG是一種光纖布拉格光柵，通過多年來的技術積累，iXblue可以提供高度定制的FBG，這些FBG可以放入特殊的封裝外殼中以保證對環境的不敏感，用于去除BOTDA系統中不需要的DSB-CS邊帶。

傳感光纖：在一般情況下，標準SMF光纖就足夠了；但溫度超過85度、 光纖的標準涂覆層不能承受如此高的溫度，會熔化。 iXblue提供含酰化高溫涂層的光纖Max可達130°C、 含聚酰亞胺涂層高達300°C，甚至鋁涂層高達400°C。在空間或核輻射環境中，還需要具有抗輻照保證（Radiation Induced Attenuation-RIA）的特定光纖。