本发明涉及长距离光纤通信和长距离光纤传感的放大方法领域，尤其是一种基于弱掺铒光纤的混合随机激光分布式放大方法。
背景技术
光纤通信和光纤传感技术已经在现代社会的各个领域被广泛地使用，光纤通信系统或光纤传感系统的传输或传感距离是反应系统性能的重要指标。在光纤链路中添加主体为掺铒光纤放大器的中继器是延长传输或传感距离的重要手段，但是由于在海底、深山等实际应用场景下，在光纤链路中添加中继器会带来巨大的成本，甚至在某些特定应用下，光纤链路中间无法使用电子器件，所以延长系统的无中继传输或传感距离是非常必要的。
在光纤链路中段加入一小段强掺铒光纤，然后利用遥泵技术对信号进行放大即ropa(remoteopticalpumpamplification)技术是延长系统无中继传输传感距离的一种方法。但是，因为强掺饵光纤长度较短并对泵浦的损耗非常快，所以该方法等同于在光纤中部施加点式放大，无法弥补信号在经过掺铒光纤之前由于光纤吸收和散射造成的信噪比损失，导致接收信号质量较差。另外，由于引入强掺铒光纤无法避免由于铒离子的自发能级跃迁带来的信号带宽内较高的自发辐射噪声，这种放大手段对于信号质量要求比较高的长距离光纤分布式传感系统不适用。
直接利用光纤中的拉曼散射进行分布式放大，即分布式拉曼放大dra(distributedramanamplification)是延长传输传感距离的有效方法之一。但是，增加拉曼泵浦功率并不能有效延长光纤系统的传输和传感距离，其原因在于，泵浦功率越大，则能与信号作用的部分越多，从而空域增益越高；而被较大的空域增益放大的信号消耗了泵浦，所以随着传输距离的延长，泵浦和信号的能量都会降低；所以直接在光纤中运用分布式拉曼放大，泵浦功率会随着光纤不断递减，导致空域增益不断减小，能够进行有效放大的距离有限。另外，过大的拉曼增益会导致信号产生受激布里渊散射，使得信号沿着光纤的能量急剧地衰减。为了解决上述问题发展出了随机光纤激光放大rfla(randomfiberlaseramplification)技术。该技术的原理为首先在光纤中产生拉曼随机激光，然后利用该激光作为泵浦，利用光纤的拉曼散射进行分布式放大。该种技术会使得泵浦功率的峰值远离光纤输入输出端，使得有效的信号传输到更远的距离。但是，现有技术中运用普通光纤产生随机激光，其阈值比较高并且泵浦转换效率较低，因此需要一种优化的随机激光分布式放大方法在能实现长距离光纤传输传感的同时提高泵浦的转换效率。
技术实现要素：
本发明的目的在于：本发明提供了一种基于弱掺铒光纤的混合随机激光分布式放大方法，解决了现有采用普通光纤产生拉曼随机激光进行分布式放大存在的激光阈值高、泵浦转换效率低的问题；同时解决了只利用强掺铒光纤进行放大存在的泵浦能量急剧消耗，无法补偿经过强掺铒光纤之前的信噪比损伤的问题。
本发明采用的技术方案如下：
步骤1：构建弱掺铒光纤放大的光纤链路；
步骤2：基于光纤链路，结合泵浦源、波分复用器和强反馈模块产生光纤随机激光；
步骤3：基于光纤随机激光构建弱掺铒光纤放大的泵浦，并利用光纤随机激光进行分布式拉曼放大，弱掺铒光纤放大和分布式拉曼放大共同构建沿光纤的空域均衡增益；
步骤4：信号基于构建的空域均衡增益，进行弱掺铒光纤和拉曼光纤随机激光的混合分布式放大。
优选地，所述步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：泵浦源通过波分复用器输入弱掺铒光纤；
步骤2.2：输入弱掺铒光纤的泵浦源与强反馈模块构成半开腔结构产生光纤随机激光。
优选地，所述弱掺铒光纤的掺杂浓度取值范围为0.1ppm-3ppm。
一种基于权利要求1方法的长距离光纤传输系统，包括依次连接的信号发射机、波分复用器a、波分复用器b和信号接收机，还包括泵浦源、弱掺铒光纤和强反馈模块；所述泵浦源、波分复用器a、强反馈模块和弱掺铒光纤顺次连接，产生光纤随机激光；信号进行弱掺铒光纤和拉曼随机激光的混合分布式放大，实现长距离光纤传输。
优选地，所述弱掺铒光纤的掺杂浓度取值范围为0.1ppm-3ppm。
优选地，还包括滤波器，所述滤波器一端与波分复用器b连接，其另一端与信号接收机连接，用于滤除弱掺铒光纤带来的自辐射噪声后接收有效信号。
优选地，所述信号发射机、波分复用器a、强反馈模块、弱掺铒光纤和波分复用器b顺次连接，实现从放大泵浦中提取有效信号。
一种基于权利要求1方法的光纤分布式声波传感系统，包括依次连接的信号发生模块、环形器和信号接收解调模块，还包括与环形器连接的波分复用器，还包括泵浦源、强反馈模块和弱掺铒光纤，所述泵浦源、强反馈模块和弱掺铒光纤顺次连接，产生光纤随机激光；信号进行弱掺铒光纤和拉曼随机激光的混合分布式放大，实现长距离光纤传感。
优选地，所述弱掺铒光纤的掺杂浓度取值范围为0.1ppm-3ppm。
优选地，还包括滤波器，所述滤波器一端连接环形器端口三连接，其另一端连接信号接收解调模块，用于滤除弱掺铒光纤带来的自辐射噪声；所述信号发生模块与环形器端口一连接，所述波分复用器与环形器端口二连接，环形器端口三与信号接收解调模块连接，用于将后向传输的有效信号分隔后通过环形器端口三输出，使得信号接收解调模块接收并探测有效传感信号。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明构建弱掺铒光纤放大的光纤链路，结合泵浦源、波分复用器和强反馈模块产生光纤随机激光，利用光纤随机激光构建弱掺铒光纤放大的泵浦，并进行分布式拉曼放大，掺铒光纤放大和分布式拉曼放大共同构建沿光纤的空域均衡增益，信号基于空域均衡增益，进行弱掺铒光纤混合拉曼随机激光的分布式放大，使得信噪比沿着光纤的损伤减小，解决了现有采用普通光纤产生拉曼随机激光进行分布式放大存在的激光阈值高、泵浦转换效率低和只利用强掺铒光纤进行放大存在的泵浦能量急剧消耗，无法补偿经过强掺铒光纤之前的信噪比损伤的问题，达到了产生较为平坦的空域增益，使得信噪比沿光纤的损伤减缓，从而实现长距离光纤通信和长距离光纤传感的效果；
2.本发明应用在光纤传输系统或者光纤传感系统，掺饵光纤选择低浓度的掺饵光纤，泵浦消耗速率减缓，降低了产生的自发辐射噪声，利于产生更高的信噪比，从而能实现空域均衡增益，避免了高浓度掺饵光纤带来的泵浦损耗快，空域增益不均衡导致信噪比损失大、自发辐射噪声大的缺点；
3.本发明应用在光纤传输系统或者光纤传感系统，采用光纤随机激光，结合弱掺铒光纤，使得分布式拉曼放大的泵浦功率峰值远离光纤输入输出端，促使空域增益均衡，信噪比沿着光纤的损伤减缓，能够实现长距离传输和传感，避免了现有采用普通光纤产生随机光纤激光存在的激光阈值高、泵浦转换效率低的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的基于弱掺杂光纤的混合随机激光分布式放大的光纤传输系统示意图；
图2为本发明的1480nm波段的光沿着光纤的功率分布仿真图；
图3为本发明的1550nm波段的信号光沿着光纤的功率分布仿真图，(a)为前向传输的光沿着光纤的功率分布仿真图，(b)为后向传输的光沿着光纤的功率分布仿真图；
图4为本发明的不同掺杂浓度下光纤传输系统的输入输出增益图；
图5为本发明的基于弱掺杂光纤的混合随机激光分布式放大的光纤分布式声波传感系统示意图；
图6为本发明的方法流程图。
附图标记：1-信号发射机，2-泵浦源，3-波分复用器a，4-强反馈模块，5-弱掺铒光纤，6-波分复用器b，7-滤波器，8-信号接收机，9-信号发生模块，10-环形器，11-波分复用器，12-信号接收解调模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
技术问题：解决现有采用普通光纤产生拉曼随机激光进行分布式放大存在的激光阈值高、泵浦转换效率低的问题；同时解决了只利用强掺铒光纤进行放大存在的泵浦能量急剧消耗，无法补偿经过强掺铒光纤之前的信噪比损伤的问题；
技术手段：
步骤1：构建弱掺铒光纤放大的光纤链路；
步骤2：基于光纤链路，结合泵浦源、波分复用器和强反馈模块产生光纤随机激光；
步骤3：基于光纤随机激光构建弱掺铒光纤放大的泵浦，并利用光纤随机激光进行分布式拉曼放大，弱掺铒光纤放大和分布式拉曼放大共同构建沿光纤的空域均衡增益；
步骤4：信号基于构建的空域均衡增益，进行弱掺铒光纤和拉曼光纤随机激光的混合分布式放大。
步骤2包括如下步骤：
步骤2.1：泵浦源通过波分复用器输入弱掺铒光纤；
步骤2.2：输入弱掺铒光纤的泵浦源与强反馈模块构成半开腔结构产生光纤随机激光。
弱掺铒光纤的掺杂浓度取值范围为0.1ppm-3ppm。
一种长距离光纤传输系统，包括依次连接的信号发射机1、波分复用器a3、波分复用器b6和信号接收机8，还包括泵浦源2、弱掺铒光纤5和强反馈模块4；所述泵浦源2、波分复用器a3、强反馈模块4和弱掺铒光纤5顺次连接，产生光纤随机激光；信号进行弱掺铒光纤和拉曼随机激光的混合分布式放大，实现长距离光纤传输。
弱掺铒光纤5的掺杂浓度取值范围为0.1ppm-3ppm。
还包括滤波器7，所述滤波器7一端与波分复用器b6连接，其另一端与信号接收机8连接，用于滤除弱掺铒光纤5带来的自辐射噪声后接收有效信号。
信号发射机1、波分复用器a3、强反馈模块4、弱掺铒光纤5和波分复用器b6顺次连接，实现从放大泵浦中提取有效信号。
一种光纤分布式声波传感系统，包括依次连接的信号发生模块9、环形器10和信号接收解调模块12，还包括与环形器10连接的波分复用器11，其特征在于：还包括泵浦源2、强反馈模块4和弱掺铒光纤5，所述泵浦源2、强反馈模块4和弱掺铒光纤5顺次连接，产生光纤随机激光；信号进行弱掺铒光纤和拉曼随机激光的混合分布式放大，实现长距离光纤传感。
弱掺铒光纤5的掺杂浓度取值范围为0.1ppm-3ppm。
还包括滤波器7，所述滤波器7一端连接环形器10端口三连接，其另一端连接信号接收解调模块12，用于滤除弱掺铒光纤5带来的自辐射噪声；信号发生模块9与环形器10端口一连接，波分复用器11与环形器10端口二连接，环形器10端口三与信号接收解调模块12连接，用于将后向传输的有效信号分隔后通过环形器10端口三输出，使得信号接收解调模块12接收并探测有效传感信号。
技术效果：本发明基于弱掺铒光纤产生光纤随机激光，利用光纤随机激光构建沿光纤的空域均衡增益，基于空域均衡增益进行弱掺铒光纤和拉曼光纤随机激光的混合分布式放大，使得信噪比沿着光纤的损伤减缓，解决了现有采用普通光纤产生拉曼随机激光进行分布式放大存在的激光阈值高、泵浦转换效率低的问题，同时解决了只利用强掺铒光纤进行放大存在的泵浦能量急剧消耗，无法补偿经过强掺铒光纤之前的信噪比损伤的问题；本发明产生的较为平坦的空域增益，能够实现长距离光纤通信和长距离光纤传感。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
一种基于弱掺铒光纤的混合随机激光分布式放大方法，包括如下步骤：
步骤1：构建弱掺铒光纤放大的光纤链路；
步骤2：基于光纤链路，结合泵浦源、波分复用器和强反馈模块产生光纤随机激光；
步骤3：基于光纤随机激光构建弱掺铒光纤放大的泵浦，并利用光纤随机激光进行分布式拉曼放大，弱掺铒光纤放大和分布式拉曼放大共同构建沿光纤的空域均衡增益；
步骤4：信号基于构建的空域均衡增益，进行弱掺铒光纤和拉曼光纤随机激光的混合分布式放大。
如图6所示，掺饵光纤的浓度取为0.1ppm-3ppm区间的任一浓度值，掺饵光纤选择低浓度的掺饵光纤，泵浦消耗速率变慢，产生更平坦的空域增益，同时降低了产生的信号带内的自发辐射噪声，利于产生更高的信噪比，避免了高浓度掺饵光纤带来的泵浦损耗快，空域增益不均衡导致信噪比损失大、自发辐射噪声大的缺点；采用光纤随机激光，结合弱掺铒光纤，使得分布式拉曼放大的泵浦功率峰值远离光纤输入输出端，促使空域增益均衡，信噪比沿着光纤的损伤减缓。
实施例2
一种长距离光纤传输系统，包括信号发射机1、波分复用器a3、波分复用器b6、信号接收机8、泵浦源2、弱掺铒光纤5、强反馈模块4和滤波器7，如图1所示；
在以1550nm波长为有效频带的光纤传输系统中，弱掺铒光纤5的掺杂浓度取值为1.5ppm；信号发射机1发射的是波长为1550nm、功率为0.0001w的连续光信号，泵浦源2为波长1365nm的大功率光纤激光器，输出功率为1.5w；波分复用器a3和波分复用器b6均有1550nm与1365nm两个复用端口；强反馈模块4为中心波长为1480nm的光纤布拉格光栅；弱掺铒光纤5的长度为100km；信号发射机1产生信号，通过波分复用器a3输入弱掺铒光纤5进行传输；泵浦源2通过波分复用器a3输入光纤与强反馈模块4构成半开腔结构产生光纤随机激光，为弱掺铒光纤5提供分布式泵浦，同时利用光纤随机激光进行分布式拉曼放大，信号进行弱掺铒光纤混合拉曼随机激光分布式放大；波分复用器b6把有效信号从放大泵浦中分隔出来；滤波器7用于滤除掺铒光纤带来的自发辐射噪声；信号接收机8用于接收并探测有效信号。
使用1365nm波段的激光器作为产生1480nm波段随机激光的泵浦，对1550nm波段的信号光进行弱掺铒光纤放大和拉曼光纤随机激光放大，具体公式如下：
式(1)、式(2)和式(3)中，补充公式如公式4-5所示：
其中，p1，p2，p3分别表示波段为1365nm，1480nm和1550nm的光，上标为“+”表示正方向传输的光，上标为“-”表示反方向传输的光；ε1，ε2，ε3分别表示光纤对于1365nm，1480nm和1550nm波段的光的瑞利散射系数；l1，l2，l3分别表示对于1365nm，1480nm和1550nm的背景损耗系数；hv1，hv2，hv3分别表示1365nm，1480nm和1550nm的光子能量；f1，f2，f3分别表示波段为1365nm，1480nm和1550nm的光频率；δf1，δf2，δf3分别表示1365nm，1480nm和1550nm波段需要考虑的线宽；
根据计算，得到的仿真结果如图2-4所示。图2-3表示弱掺铒光纤在1.5ppm的掺杂浓度下传输系统的仿真结果；图2表示波长为1480nm的光沿着光纤的功率分布，由于掺铒光纤相比普通光纤会降低拉曼效应的阈值，1480nm波段的光在距离输入端不远处就达到了峰值，随后由于掺铒光纤放大的消耗急速衰减；当饵离子的作用减弱到一定程度后，分布式拉曼放大的作用占主导地位，因此在约3km处1480nm波长的光衰减速度减缓，在约10km处基本被完全消耗。而如图3(a)所示的波长为1550nm的光强沿着光纤的分布来看，在约10km处信号光的功率达到最大值，之后逐渐衰减。图3(b)为后向传输的1550nm波长的光沿着光纤的分布；由于拉曼效应在该系统中并未被抑制反而被增强，因此后向瑞利散射光的功率得到了掺铒光纤和拉曼效应的同时放大。从图3(b)可以看出，基于弱掺铒光纤的随机光纤激光放大系统由于光纤中的拉曼效应被铒离子的受激辐射影响，可以为后向瑞利散射提供极高的增益。
不同掺杂浓度下光纤传输系统的输入输出增益如图4所示，掺杂浓度的在0.1ppm至3ppm之间时，掺杂的浓度越小，获得的输入输出增益越大，原因在于掺杂浓度越大，光纤的背景损耗越大。虽然较高的掺杂浓度会使得靠近光纤输入端处得到较大的增益，但是对于长距离传感来说，放大泵浦在前期损耗比较严重，而信号在远离输入端时没有得到有效放大只能衰减，所以掺杂浓度较低时能得到更高的输入输出增益；不使用掺铒光纤而仅仅利用普通石英光纤的拉曼效应进行分布式放大，得到的输入输出增益比运用弱掺铒光纤的系统低，其原因在于掺铒光纤结合光纤随机激光放大为信号提供了双方的共同增益，促使了空域增益的均衡性，并且掺铒光纤的作用使得光纤拉曼随机激光的阈值降低、泵浦转换效率提高。
实施例3
一种光纤分布式声波传感系统，包括信号发生模块9、环形器10、信号接收解调模块12、波分复用器11、泵浦源2、强反馈模块4、弱掺铒光纤5和滤波器7，信号发生模块9与环形器10端口一连接，波分复用器11与环形器10端口二连接，环形器10端口三与信号接收解调模块12连接，滤波器7一端连接环形器10端口三连接，其另一端连接信号接收解调模块12，如图5所示；在以1550nm波长为有效频带的光纤传感系统中，弱掺铒光纤5的掺杂浓度取值为1.5ppm；信号发生模块9产生调制过的传感信号，通过环形器10的端口一输入端口二输出到波分复用器11，然后输入弱掺铒光纤5进行传输；泵浦源2通过波分复用器11输入光纤，与强反馈模块4一起构成半开腔结构产生光纤随机激光，为弱掺铒光纤5提供泵浦，同时利用光纤随机激光进行分布式拉曼放大，信号进行弱掺铒光纤混合拉曼随机激光分布式放大；波分复用器11把后向传输的有效信号分隔出来，然后通过环形器10的端口二输入端口三输出；滤波器7用于滤除掺铒光纤带来的自发辐射噪声；信号接收解调模块12用于接收并探测有效传感信号。
在以1550nm波长为有效频带的光纤分布式声波传感系统中，弱掺铒光纤的掺杂浓度取值为1.5ppm；信号发射机发射的是波长为1550nm、功率为0.0001w的连续光信号，泵浦源为波长1365nm的大功率光纤激光器，输出功率为1.5w；波分复用器a和波分复用器b均有1550nm与1365nm两个复用端口；强反馈模块为中心波长为1480nm的光纤布拉格光栅；弱掺铒光纤的长度为100km；位于1550nm波段的有效传感信号光被掺铒光纤本身以及在光纤链路中产生的随机激光进行混合放大，因此该系统在环形器端口三可以接收到高信噪比的有效信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。