01導讀

隨機光纖激光器依靠光纖中的隨機散射提供反饋，非線性效應或有源粒子提供增益，即可在無需傳統光纖激光器中固定諧振腔的情況下實現激光激射，具有高亮度、頻譜無模式、波長轉換靈活等特點。基于隨機光纖激光固有的溫度不敏感特性，利用在光纖鏈路遠端光纖布拉格光柵作用下產生的激光作為傳感信號，可實現高光信噪比遙測。然而，面向架空輸電線路監測及海上風電設施監測等應用場景，仍需進一步延長單端光纖無中繼傳感的距離。

近日，電子科技大學、東北大學、四川大學和之江實驗室的合作研究團隊提出一種基于高階泵浦和超低損耗光纖及有源光纖相結合的超長距離隨機光纖激光傳感系統（Random fiber lasing sensor, RFLS），實現了200km超長距離FBG位移、傾角、溫度及應變多參量傳感。該研究成果以“Ultralong Single-Ended Random Fiber Laser and Sensor”為題發表在光學期刊Laser & Photonics Reviews，韓冰博士為論文第一作者，饒云江教授和吳函副研究員為論文共同通訊作者。

02研究背景

僅利用長距離無源光纖中累積的隨機分布式瑞利散射反饋及受激拉曼散射增益，在足夠強的泵浦作用下即可實現頻譜無模式的全開腔型隨機光纖激光器（Random fiber laser, RFL）。通過在RFL光纖鏈路的一端加入點式反射鏡構成半開腔結構或在無源光纖中加入摻鉺光纖（Erbium-doped fiber, EDF），可降低隨機光纖激光的激射閾值和實現隨機光纖激光的級聯轉換。

新型光纖的出現通常會帶來光纖技術及應用領域的突破。近年來，為滿足光纖通信日益增長的更高傳輸速率、更大傳輸容量及更長傳輸距離的需求，具有大有效面積的超低損耗光纖（Ultralow loss fiber, ULLF）作為新一代通信光纖已被成功應用于光纖通信系統，不斷創造傳輸距離的新紀錄。然而，ULLF在光纖激光及傳感系統中的優勢仍有待探究。

另一方面，光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating, FBG）作為傳感器件已被廣泛應用于多個領域。在半開腔型RFL中，通過將FBG置于光纖鏈路遠端，其既可以作為點式反射鏡決定激光激射波長，也可作為傳感元件感知外界信息，這樣，在RFL泵浦端探測到的隨機光纖激光就是傳感信號。因此，具有長腔長、良好環境不敏感特性及高光信噪比（Optical signal-to-noise ratio, OSNR）的半開腔型RFL就為實現FBG遙感提供了一個理想平臺。此前，基于單根光纖的單端隨機光纖激光傳感（Random fiber lasing sensing, RFLS）系統采用二階泵浦結合標準單模光纖，已實現距離為150km的FBG傳感。然而，對于這種后向泵浦半開腔型RFLS，其極限腔長決定了最長傳感距離。當光纖長度過長時，光纖中累積的后向瑞利散射反饋取代鏈路尾端FBG作用，導致無法實現長距離遙感。因此，超長距離、高性能單端RFLS仍然是一個挑戰。

本團隊通過理論分析，提出了一種基于高階泵浦結合具有低傳輸損耗、低瑞利散射系數、低拉曼增益系數的ULLF實現超長距離RFLS的新技術，并實驗實現了200km超長距離RFL（OSNR達25dB）及多參量RFLS系統（OSNR>15dB）。

03創新研究

3.1 原理

在高階RFL中，由泵浦源、傳輸光纖及泵浦端點式反射鏡共同作用可激射1.46μm級聯隨機激光。產生的1.46μm高階隨機激光進一步作為1.5μm隨機激光的直接腔內泵浦，與光纖中的后向瑞利散射及尾端的1.5μm反射鏡共同構成后向泵浦結構，即可在泵浦端實現1.5μm隨機激光探測。在采用ULLF的高階RFL中，由于ULLF具有超低傳輸損耗及大有效面積，1.46μm級聯隨機激光的傳輸損耗更低，最大功率位置可被有效推向光纖遠端，為EDF提供更高泵浦功率。如圖1所示，相較于采用標準單模光纖的情況，在ULLF鏈路中的EDF可為1.5μm隨機激光提供更高增益。此外，由于1.5μm隨機激光在ULLF中傳輸損耗更低，其在光纖鏈路尾端的功率更高。因此，在高階RFL中，沿ULLF及EDF的激光功率分布更優，可顯著提高遠端點式反射鏡的作用效果，有效提高激光OSNR及腔長距離。



圖1 結合ULLF及EDF的超長距離高階RFL原理圖

3.2 單端RFL腔長距離延長方法及驗證

圖2所示為基于標準單模光纖的一至六階RFL性能對比仿真結果。我們發現，在高階泵浦作用下，1.46μm隨機激光的功率最大值位置更加深入光纖鏈路遠端。因此，高階RFL中產生的1.5μm隨機激光的OSNR更高。對于高階RFL受光纖的傳輸損耗、后向瑞利散射系數及拉曼增益系數的影響進行仿真分析（圖3），采用具有更低傳輸損耗、更低后向瑞利散射系數及更低拉曼增益系數的光纖可有效延長后向泵浦RFL的極限腔長距離及OSNR。其中，我們首次發現光纖的超低傳輸損耗是提高RFL腔長距離及性能的關鍵因素。



圖2 超長距離RFL性能對比仿真。a.1.46μm隨機激光功率分布。b.1.46μm隨機激光功率最大值位置。c.歸一化1.5μm隨機激光光譜。d.1.5μm隨機激光OSNR。

圖3 采用不同參數光纖的超長距離后向泵浦六階RFL性能對比仿真。a.采用具有不同衰減系數、瑞利后向散射系數、拉曼增益系數光纖時，六階隨機激光歸一化光譜。b.采用具有不同衰減系數、瑞利后向散射系數、拉曼增益系數光纖時，六階隨機激光OSNR。c.采用具有不同衰減系數、瑞利后向散射系數、拉曼增益系數光纖時，六階RFL極限腔長距離。

在理論分析的基礎上，我們構建了基于G.654.E光纖及EDF的超長距離六階RFL（圖4a）。采用1090nm泵浦結合特殊波長波分復用器及寬帶光纖環反射鏡，在無需特殊波長FBG的情況下實現了前向泵浦一至五階級聯隨機激光激射（圖4b）。將10m長EDF置于兩段100km長G.654.E光纖中間，為1.5μm隨機激光提供點式增益。通過改變光纖尾端FBG中心波長，實現了1.5μm隨機激光輸出波長調諧，且OSNR可達25dB（圖4c）。



圖4 超長距離六階RFL原理圖及性能測試結果。a.基于G.654.E光纖及EDF的超長距離六階RFL示意圖。b.級聯隨機激光輸出歸一化光譜。c.六階隨機激光歸一化波長調諧光譜。

3.3超長距離單端RFLS

由于超長距離六階RFL中光纖尾端的FBG也可用作傳感元件，因此，通過探測六階隨機激光激射波長，可實現結構簡單、超長傳感距離及高OSNR的無中繼遙感。為驗證提出的超長距離高階RFLS系統性能，采用不同結構封裝FBG測試了位移、傾角、溫度及應變多參量傳感性能（圖5）。該工作實現了200km超長距離、>15dB高OSNR的多參量RFLS，且具有良好的線性度及復用能力。



圖5超長距離RFLS位移、傾角、溫度、應變多參量傳感結果。

04應用與展望

該工作提出了一種基于高階泵浦放大結合低傳輸損耗、低瑞利后向散射系數及低拉曼增益系數光纖的后向泵浦RFL腔長延長方法，展示了200km超長距離、高性能隨機光纖激光遙感系統，為長跨距輸電線路及海上風電設施等超長距離結構安全監測提供了新的解決方案。

審核編輯：劉清