Technologia źródła laserowego dlaświatłowódwyczuwając Część Pierwszą
Technologia wykrywania światłowodów jest rodzajem technologii wykrywania opracowanej wraz z technologią włókien optycznych i technologią komunikacji światłowodowej i stała się jedną z najbardziej aktywnych gałęzi technologii fotoelektrycznej. System wykrywania światłowodu składa się głównie z lasera, światłowodu transmisyjnego, elementu czujnikowego lub obszaru modulacji, detekcji światła i innych części. Parametry opisujące charakterystykę fali świetlnej obejmują natężenie, długość fali, fazę, stan polaryzacji itp. Parametry te mogą ulec zmianie pod wpływem czynników zewnętrznych w transmisji światłowodu. Na przykład, gdy temperatura, odkształcenie, ciśnienie, prąd, przemieszczenie, wibracje, obrót, zginanie i ilość substancji chemicznych wpływają na ścieżkę optyczną, parametry te odpowiednio się zmieniają. Wykrywanie światłowodów opiera się na związku między tymi parametrami a czynnikami zewnętrznymi w celu wykrycia odpowiednich wielkości fizycznych.
Istnieje wiele rodzajówźródło laserowestosowane w systemach czujników światłowodowych, które można podzielić na dwie kategorie: spójneźródła laserowei niespójne źródła światła, niespójneźródła światłaobejmują głównie żarówki żarowe i diody elektroluminescencyjne, a źródła światła spójnego obejmują lasery stałe, lasery cieczowe, lasery gazowe,laser półprzewodnikowyIlaser światłowodowy. Poniższe informacje są przeznaczone głównie dlalaserowe źródło światłaszeroko stosowane w dziedzinie wykrywania włókien w ostatnich latach: laser o pojedynczej częstotliwości o wąskiej linii, laser o częstotliwości przemiatania o pojedynczej długości fali i laser biały.
1.1 Wymagania dotyczące wąskiej szerokości liniilaserowe źródła światła
Systemu wykrywania światłowodu nie można oddzielić od źródła lasera, ponieważ zmierzona fala nośna sygnału, działanie samego źródła światła laserowego, takie jak stabilność mocy, szerokość linii lasera, szum fazowy i inne parametry na odległość wykrywania, wykrywanie systemu wykrywania światłowodu Decydującą rolę odgrywają dokładność, czułość i charakterystyka szumu. W ostatnich latach wraz z rozwojem systemów wykrywania światłowodów o ultrawysokiej rozdzielczości na duże odległości, środowisko akademickie i przemysł przedstawiły bardziej rygorystyczne wymagania dotyczące wydajności miniaturyzacji lasera w zakresie szerokości linii, głównie w zakresie: technologii optycznego odbicia w domenie częstotliwości (OFDR) wykorzystującej spójne technologia detekcji umożliwiająca analizę rozproszonych sygnałów światłowodowych w dziedzinie częstotliwości, o szerokim zasięgu (tysiące metrów). Zalety wysokiej rozdzielczości (rozdzielczość milimetrowa) i wysokiej czułości (do -100 dBm) stały się jedną z technologii o szerokich perspektywach zastosowania w technologii rozproszonych pomiarów i wykrywania światłowodów. Istotą technologii OFDR jest wykorzystanie przestrajalnego źródła światła w celu uzyskania dostrojenia częstotliwości optycznej, zatem wydajność źródła lasera determinuje kluczowe czynniki, takie jak zasięg detekcji OFDR, czułość i rozdzielczość. Gdy odległość punktu odbicia jest bliska długości koherencji, intensywność sygnału dudnienia będzie wykładniczo tłumiona przez współczynnik τ/τc. W przypadku gaussowskiego źródła światła o kształcie widmowym, aby zapewnić widoczność częstotliwości dudnień powyżej 90%, zależność pomiędzy szerokością linii źródła światła a maksymalną długością wykrywania, jaką może osiągnąć system, wynosi Lmax ~ 0,04vg /f, co oznacza, że dla światłowodu o długości 80 km szerokość linii źródła światła jest mniejsza niż 100 Hz. Ponadto rozwój innych zastosowań postawił również wyższe wymagania dotyczące szerokości linii źródła światła. Przykładowo w światłowodowym systemie hydrofonowym szerokość linii źródła światła determinuje szum systemu, a także określa minimalny mierzalny sygnał systemu. W optycznym odbłyśniku czasowym Brillouina (BOTDR) rozdzielczość pomiaru temperatury i naprężenia zależy głównie od szerokości linii źródła światła. W żyroskopie światłowodowym rezonatora długość spójności fali świetlnej można zwiększyć poprzez zmniejszenie szerokości linii źródła światła, poprawiając w ten sposób dokładność i głębokość rezonansu rezonatora, zmniejszając szerokość linii rezonatora i zapewniając pomiar dokładność żyroskopu światłowodowego.
1.2 Wymagania dotyczące przemiatających źródeł laserowych
Laser przemiatający o pojedynczej długości fali ma elastyczną wydajność dostrajania długości fali, może zastąpić wiele laserów wyjściowych o stałej długości fali, obniżyć koszty budowy systemu, jest niezbędną częścią systemu wykrywania światłowodów. Na przykład w przypadku wykrywania światłowodowego gazów śladowych różne rodzaje gazów mają różne piki absorpcji gazu. Aby zapewnić efektywność absorpcji światła przy wystarczającej ilości gazu pomiarowego i uzyskać wyższą czułość pomiaru, konieczne jest dopasowanie długości fali źródła światła przepuszczalnego do piku absorpcji cząsteczki gazu. Rodzaj gazu, który można wykryć, zależy zasadniczo od długości fali wykrywającego źródła światła. Dlatego lasery o wąskiej szerokości linii i stabilnej wydajności strojenia szerokopasmowego charakteryzują się większą elastycznością pomiarów w takich systemach czujnikowych. Na przykład w niektórych rozproszonych systemach wykrywania światłowodów opartych na odbiciu w domenie częstotliwości optycznej, laser musi być okresowo szybko przemiatany, aby uzyskać wysoce precyzyjną spójną detekcję i demodulację sygnałów optycznych, więc szybkość modulacji źródła lasera ma stosunkowo wysokie wymagania , a prędkość przemiatania regulowanego lasera jest zwykle wymagana do osiągnięcia 10 pm/μs. Ponadto laser o wąskiej szerokości linii z przestrajalną długością fali może być również szeroko stosowany w lidar, teledetekcji laserowej i analizie widmowej o wysokiej rozdzielczości oraz w innych polach wykrywania. Aby spełnić wymagania dotyczące wysokich parametrów wydajnościowych pasma strojenia, dokładności strojenia i prędkości strojenia laserów o pojedynczej długości fali w dziedzinie wykrywania włókien, ogólnym celem badań przestrajalnych laserów światłowodowych o wąskiej szerokości w ostatnich latach jest osiągnięcie wysokiej precyzyjne strojenie w większym zakresie długości fal w oparciu o ultra wąską szerokość linii lasera, bardzo niski poziom szumu fazowego oraz ultrastabilną częstotliwość wyjściową i moc.
1.3 Zapotrzebowanie na białe źródło światła laserowego
W dziedzinie wykrywania optycznego wysokiej jakości laser światła białego ma ogromne znaczenie dla poprawy wydajności systemu. Im szerszy zakres widma lasera światła białego, tym szersze jest jego zastosowanie w systemie wykrywania światłowodów. Na przykład w przypadku stosowania światłowodowej siatki Bragga (FBG) do budowy sieci czujników do demodulacji można zastosować analizę widmową lub metodę dopasowywania filtrów przestrajalnych. W pierwszym przypadku wykorzystano spektrometr do bezpośredniego przetestowania każdej długości fali rezonansowej FBG w sieci. Ten ostatni wykorzystuje filtr referencyjny do śledzenia i kalibracji FBG podczas wykrywania, przy czym oba wymagają szerokopasmowego źródła światła jako źródła światła testowego dla FBG. Ponieważ każda sieć dostępowa FBG będzie miała pewną tłumienność wtrąceniową i ma szerokość pasma większą niż 0,1 nm, jednoczesna demodulacja wielu FBG wymaga szerokopasmowego źródła światła o dużej mocy i dużej przepustowości. Na przykład w przypadku stosowania do wykrywania siatki światłowodowej o długim okresie czasu (LPFG), ponieważ szerokość pasma pojedynczego piku strat jest rzędu 10 nm, do dokładnego scharakteryzowania rezonansu wymagane jest źródło światła o szerokim spektrum o wystarczającej szerokości pasma i stosunkowo płaskim widmie charakterystyka szczytowa. W szczególności siatka z włókien akustycznych (AIFG) zbudowana z wykorzystaniem efektu akustooptycznego może osiągnąć zakres strojenia długości fali rezonansowej do 1000 nm za pomocą strojenia elektrycznego. Dlatego dynamiczne testowanie siatek przy tak bardzo szerokim zakresie strojenia stanowi ogromne wyzwanie dla zakresu szerokości pasma źródła światła o szerokim spektrum. Podobnie w ostatnich latach pochylona siatka z włókien Bragga była również szeroko stosowana w dziedzinie wykrywania włókien. Ze względu na wieloszczytową charakterystykę widma strat, zakres rozkładu długości fali może zwykle osiągnąć 40 nm. Jego mechanizm wykrywający zwykle porównuje względny ruch pomiędzy wieloma szczytami transmisji, dlatego konieczne jest całkowite zmierzenie jego widma transmisji. Szerokość pasma i moc źródła światła o szerokim spektrum muszą być wyższe.
2. Stan badań w kraju i za granicą
2.1 Laserowe źródło światła o wąskiej linii
2.1.1 Laser półprzewodnikowy z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym o wąskiej szerokości linii
W 2006 roku Cliche i in. zmniejszona skala MHz półprzewodnikówLaser DFB(laser z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym) w skali kHz przy użyciu metody elektrycznego sprzężenia zwrotnego; W 2011 roku Kessler i in. zastosowano niskotemperaturową i wysoce stabilną wnękę monokrystaliczną w połączeniu z aktywną kontrolą sprzężenia zwrotnego, aby uzyskać ultrawąską moc lasera o szerokości linii 40 MHz; W 2013 roku Peng i wsp. uzyskali wyjście lasera półprzewodnikowego o szerokości linii 15 kHz, stosując metodę zewnętrznej regulacji ze sprzężeniem zwrotnym Fabry-Perota (FP). Metoda elektrycznego sprzężenia zwrotnego wykorzystywała głównie sprzężenie zwrotne stabilizacji częstotliwości Ponda-Drevera-Halla, aby zmniejszyć szerokość linii lasera źródła światła. W 2010 roku Bernhardi i in. wytworzył 1 cm tlenku glinu domieszkowanego erbem FBG na podłożu z tlenku krzemu, aby uzyskać moc lasera o szerokości linii około 1,7 kHz. W tym samym roku Liang i in. wykorzystał sprzężenie zwrotne samowstrzyknięcia wstecznego rozpraszania Rayleigha utworzone przez rezonator ścienny echa o wysokiej Q do kompresji szerokości linii lasera półprzewodnikowego, jak pokazano na rysunku 1, i ostatecznie uzyskał moc wyjściową lasera o wąskiej szerokości linii wynoszącą 160 Hz.
Rys. 1 (a) Schemat kompresji szerokości linii lasera półprzewodnikowego w oparciu o samowtryskowe rozpraszanie Rayleigha w zewnętrznym rezonatorze trybu galerii szepczącej;
(b) Widmo częstotliwości swobodnego lasera półprzewodnikowego o szerokości linii 8 MHz;
(c) Widmo częstotliwości lasera o szerokości linii skompresowanej do 160 Hz
2.1.2 Laser światłowodowy o wąskiej szerokości linii
W przypadku liniowych laserów światłowodowych wąską szerokość linii wyjściowej pojedynczego modu podłużnego uzyskuje się poprzez skrócenie długości rezonatora i zwiększenie odstępu modu podłużnego. W 2004 roku Spiegelberg i in. uzyskali wyjście lasera o wąskiej szerokości linii w pojedynczym trybie podłużnym i szerokości linii 2 kHz przy użyciu metody krótkiej wnęki DBR. W 2007 roku Shen i in. użył 2-centymetrowego włókna krzemowego domieszkowanego erbem do napisania FBG na światłoczułym włóknie domieszkowanym Bi-Ge i połączył je z aktywnym włóknem, tworząc zwartą liniową wnękę, dzięki czemu szerokość linii wyjściowej lasera była mniejsza niż 1 kHz. W 2010 roku Yang i in. wykorzystał 2-centymetrową, wysoce domieszkowaną krótką wnękę liniową w połączeniu z wąskopasmowym filtrem FBG, aby uzyskać pojedynczy sygnał wyjściowy lasera w trybie podłużnym o szerokości linii mniejszej niż 2 kHz. W 2014 roku zespół wykorzystał krótką wnękę liniową (rezonator z wirtualnym pierścieniem złożonym) w połączeniu z filtrem FBG-FP, aby uzyskać moc lasera o węższej szerokości linii, jak pokazano na rysunku 3. W 2012 roku Cai i in. zastosował strukturę wnęki o długości 1,4 cm, aby uzyskać polaryzacyjny sygnał lasera o mocy wyjściowej większej niż 114 mW, środkowej długości fali 1540,3 nm i szerokości linii 4,1 kHz. W 2013 roku Meng i in. zastosował rozpraszanie Brillouina włókna domieszkowanego erbem z krótką wnęką pierścieniową urządzenia zachowującego pełne nastawienie w celu uzyskania niskofazowego lasera szumowego o pojedynczym trybie podłużnym i mocy wyjściowej 10 mW. W 2015 roku zespół wykorzystał wnękę pierścieniową złożoną z 45 cm włókna domieszkowanego erbem jako ośrodek wzmocnienia rozpraszającego Brillouina, aby uzyskać moc lasera o niskim progu i wąskiej szerokości linii.
Rys. 2 (a) Schematyczny rysunek lasera światłowodowego SLC;
(b) Kształt linii sygnału heterodynowego mierzony przy opóźnieniu światłowodu 97,6 km
Czas publikacji: 20 listopada 2023 r