分布式光纤传感器能够沿着传感光纤的每一个点测量一个或者多个物理参数并得到其空间分布，所以可以广泛应用于监测大型民用基础设施的结构完整性以及环境条件的变化。其中，通过声子诱导光散射的分布式布里渊传感器可以对应变以及温度都能表现出明显的敏感性，所以在时域以及频域的相关系统上都得到了很大的发展。
布里渊光学时域分析（BOTDA）是一种典型的在时域中应用的布里渊传感器的分析方法。且在近30年中，BOTDA在传感范围、空间分辨率、传感速度和精度等方面都在不断发展。但是BOTDA系统的空间分辨率和泵浦脉冲的持续时间相关，所以早期的研究中，固有的泵浦脉冲的光谱展宽会降低布里渊频率测定的精度以及信号幅度。尽管PPP-BOTDA,DPP-BOTDA等改进的方案可以实现厘米级的分辨率，但是可能会提高系统成本和噪声水平。
近期提出的时间扩展反射法，可以看作是分布式传感系统中双梳光谱（DCS）的成功实现，利用光学频率梳的频率分辨率、精度、高带宽和亮度等特征，可以解决时域系统中空间分辨率和探测带宽无法同时提升的问题。但是该方案只能用于线性的弹性自发散射中，将该方案扩展到非线性的受激散射仍然是一个重大的挑战。
在本研究中，作者通过对BOTDA中的时间扩展概念进行了延申，提出了一种布里渊扩展时域分析（BETDA）的新方法。这是首次利用非线性光学现象引起的非弹性光散射在时间扩展分布式传感系统中进行分析。该方法使用两个相向传输的泵浦和检测探针光频梳（OFC），其中心频率在光纤中布里渊频移的附近，且梳线的间距相差极小，能够同时实现显著降低的检测带宽以及高空间分辨率。
该成果发表在《Light: Science & Applications》，题为“Brillouin Expanded Time-Domain Analysis based on Dual Optical Frequency Combs”。韩国中央大学的 Jae Hyeong Youn为论文的第一作者，韩国中央大学的Kwang Yong Song和西班牙阿尔卡拉大学的Miguel Gonzalez-Herraez为论文的共同通讯作者。
创新研究
本研究的研究光路图如图1所示，采用1547.7 nm的激光二极管作为光源，并通过耦合器将其平均分为探针和泵浦的分支，在探针一侧，利用微波发生器以及马赫曾德尔调制器（MZM）在νB附近产生频率偏移为Δν的两个边带。然后对其信号进行放大，并通过另外一个MZM以随机波形的方式调制强度。得到的频谱再通过傅里叶反变换成实值电信号，并加载到任意波形发生器（AWG）中。且光频梳的谱通过密集波分复用（DWDM）滤波器分为斯托克斯以及反斯托克斯光。随后经过偏振合束器以及光隔离器后进入待测光纤中。在泵浦一侧，通过另外一个MZM进行调制，使得强度和相位与探针一侧相同，但是光频梳中的线距有一个小的频率偏移，之后再经过放大器以及光循环器进入待测光纤。
图1、BETDA的实验系统。
图2（a）为双光频梳的频谱轮廓，泵浦侧以及探针侧分别具有不同的全带宽以及线间距。当光频梳中的每个梳线有不同的相位分布的时候，其输出波形如图2（b）所示。当具有恒定频谱相位分布的时候，时域中的梳表现为脉冲序列。但是具有随机相位分布的时候，会出现同样随机的功率变化。图2（c）和（d）分别表示当使用恒定相位分布以及随机相位分布的双光梳时测量的布里渊增益带宽。对比结果可以表明，使两个光频梳中的梳线分布随机化之后，可以将检测带宽降低到20 kHz之内，并且可以恢复本征布里渊增益谱。
图2、（a）射频的频谱形状；（b）恒定相位以及随机相位光频梳的输出波形；（c）恒定相位以及（d）随机相位情况下测量的布里渊增益带宽（BGS）。
接着，研究人员将梳线设置成400，1000以及2000，对应的空间分辨率分别为5 cm，2 cm和1 cm。如图3所示，可以看到整体观测到的BGS分布基本一致，但是随着空间分辨率的提高，信噪比会降低。另外，研究人员还测量了相同位置中不同分辨率情况下的BGS（图3（d））。综合上述结果，将目标空间分辨率设置成2 cm。
图3、当光频梳的带宽为（a）2 GHz（b）5 GHz（c）10 GHz时，布里渊的频率偏移谱随长度的变化；（d）三种带宽情况在3 m长度下的布里渊增益谱。
在实际测试系统中，研究人员使用总带宽5 GHz，12000条随机相位梳线的光频梳。测试光纤的长度为230 m，由220 m的传统SMF以及10 m的特殊SMF组成，其中特殊光纤用塑料护套包裹着两根金属线，并通过在电线上施加电流加热模拟传感环境。当电流施加到一个2 cm的测试光纤中且温度上升约10 ℃的时候，可以看到布里渊频移的局部位移比较明显（图4（a））。热点中心的BGS也能清晰的说明，加热之后导致光谱位移了大约10 MHz（图4（b））。最后，研究人员还利用此测试系统验证了分布式测量的重复性，得到的标准差约为1.2 MHz（图4（c）），体现了良好的稳定性。
图4、 （a）对待测光纤进行和不进行加热的情况下的布里渊频移分布；（b）对待测光纤进行和不进行加热的情况下的布里渊增益谱的比较；（c）对布里渊频移的稳定性测试。
研究人员提出并实现了一种布里渊扩展时域分析(BETDA)的新技术。该技术基于两个精心设计的光学频率梳的受激布里渊散射之间的相互作用。这种方案可以直接恢复光纤的布里渊增益谱。与传统的BOTDA系统相比，该方案可以显著降低检测带宽，并且在空间分辨率可以达到2 cm的同时保持检测带宽小于100 kHz。该方案与典型的时域系统相比，带宽减少了52000倍。另外，由于梳线中随机相位的分布，使得该系统能够为高分辨传感提供窄带布里渊增益谱。
本研究第一次将时间扩展方案应用于测量受激布里渊散射这样的非线性过程。研究人员还预测该方案可以在涉及两个光波的其他非线性测量方案中应用，产生革命性的技术成果。
论文信息
Youn, J.H., Song, K.Y., Martin-Lopez, S. et al. Brillouin expanded time-domain analysis based on dual optical frequency combs. Light Sci Appl 13, 149 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41377-024-01499-x
