超高分辨率布里渊散射光谱测量技术研究

Currently, grating diffraction based spectral measurement technology is widely used in most commercial instruments. Its inherent principle determines the conflict between the high resolution (controlled by the size of the slit) and the large dynamic range. The highest resolution based on grating diffraction technology can only reach 10pm, which unable to meet the requirement of next generation optical communication with the resolution of picometers magnitude or femtosecond magnitude. In this proposal, by use of the wavelength scanning laser, the wavelength selectivity and the narrow linewidth of Brillouin gain are utilized to achieve the ultra high resolution in spectral measurement. It has the resolution of one hundred times higher than the traditional equipment based on grating diffraction technology. We firstly proposed that a method combined the Brillouin gain and loss mechanism simultaneously. It can obtain higher spectral resolution capability under the same condition. Also, we firstly proposed a method to calibrate the scanning laser by using Faraday optical rotation effect. The equipment is made from a optical fiber isolator. It can monitor the wavelength scanning and restore the detecting spectral signal with higher precision. This study not only can be applied in the optical communications, but the optical sensing area. It provide a higher optical spectrum resolution and improve the sensitivity and measurement accuracy..

目前广泛应用的光谱测量是以光栅分光技术为基础的，其原理决定了高分辨率（受狭缝大小控制）与大动态测量范围之间的固有矛盾，最高分辨率只能达到10pm，无法满足下一代光通信对光谱分辨率皮米量级甚至几十飞米量级的需求。本项目研究利用光纤中布里渊散射增益的波长选择性和增益峰的窄线宽特性，结合扫描激光器，实现超高分辨率的光谱测量，其分辨率可达到现有光栅技术的上百倍。本项目首次提出基于增益、损耗双探测叠加机制的布里渊散射光谱测量技术，可进一步压缩布里渊峰线宽，获得更高的光谱分辨能力；首次提出基于法拉第旋光效应的波长测量装置来标定扫描激光器的波长，巧妙的改造光纤隔离器实现波长的实时高速测量，对波长扫描速度校正，高精度的复原被测信号的光谱。该研究成果不仅可以应用于光通信领域，也可作为一种新型的光谱解调手段应用于光传感领域，大幅提高传感器的灵敏度与精度。

目前广泛应用的光谱测量是以光栅分光技术为基础的，其原理决定了高分辨率（受狭缝大小控制）与大动态测量范围之间的固有矛盾，最高分辨率只能达到10pm，无法满足下一代光通信对光谱分辨率皮米量级甚至几十飞米量级的需求。本项目研究利用光纤中布里渊散射增益的波长选择性和增益峰的窄线宽特性，结合扫描激光器，实现超高分辨率的光谱测量，其分辨率可达到现有光栅技术的上百倍。设计了基于法拉第旋光效应的波长测量装置来标定扫描激光器的波长，巧妙的改造光纤隔离器实现波长的实时高速测量，对波长扫描速度校正，高精度的复原被测信号的光谱，最后尝试把研究的高分辨率光谱测量技术应用到光纤微流体流量传感测量及光纤曲率传感测量上。理论建模及仿真结果表明，发生受激布里渊散射放大作用的斯托克斯光强度沿着光纤长度的方向成快速指数衰减，泵浦光强度随着光纤长度的方向成近似线性衰减。当光纤长度不变时，斯托克斯光强随着泵浦光强度的增大而增大，但衰减速度也由于能量跃迁变得更快。设计的自拍频光路跟踪激光器的波长变化表明，用短时傅立叶变化方法可获得测量1kHz频率信号的1Hz不确定度结果。在高精度测量方面，设计了基于法拉第旋光效应的波长测量装置，对扫描激光器的波长进行实时校正和标定，其中磁光偏转角的温度控制精度可达±0.01℃。系统在扫描波长范围为1549.5nm - 1550.5nm内，获得80fm的分辨率， -73.2dBm - 11dBm的布里渊输入光谱测量，动态范围达到84dB。把超高分辨率光谱测量技术应用到光纤传感领域，在微流量的流速测量方面，获得了48dB/（uL/min）和6pm/（uL/min）的强度灵敏度和波长灵敏度；在曲率测量方面获得了最高104.642nm/m-1的曲率灵敏度，方差为0.993。该研究成果不仅可以应用于光通信领域，也可作为一种新型的光谱解调手段应用于光传感领域，大幅提高传感器的灵敏度与精度。