เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับการตรวจจับไฟเบอร์ออปติคอล

เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับใยแก้วนำแสงการรับรู้ส่วนที่หนึ่ง

เทคโนโลยีการตรวจจับไฟเบอร์ออปติคอลเป็นเทคโนโลยีการตรวจจับที่พัฒนาขึ้นพร้อมกับเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงและเทคโนโลยีการสื่อสารด้วยแสงไฟเบอร์และมันได้กลายเป็นหนึ่งในสาขาเทคโนโลยีโฟโตอิเล็กทริกที่ใช้งานมากที่สุด ระบบตรวจจับไฟเบอร์ออปติคอลส่วนใหญ่ประกอบด้วยเลเซอร์เส้นใยส่งสัญญาณการตรวจจับหรือพื้นที่การมอดูเลตการตรวจจับแสงและส่วนอื่น ๆ พารามิเตอร์ที่อธิบายถึงลักษณะของคลื่นแสงรวมถึงความเข้มความยาวคลื่นเฟสสถานะโพลาไรเซชัน ฯลฯ พารามิเตอร์เหล่านี้อาจเปลี่ยนไปโดยอิทธิพลภายนอกในการส่งเส้นใยออพติคอล ตัวอย่างเช่นเมื่ออุณหภูมิความเครียดความดันกระแสไฟฟ้าการกระจัดการสั่นสะเทือนการหมุนการดัดและปริมาณทางเคมีจะส่งผลกระทบต่อเส้นทางแสงพารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนไปตามลำดับ การตรวจจับไฟเบอร์ออปติคอลขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้และปัจจัยภายนอกเพื่อตรวจจับปริมาณทางกายภาพที่สอดคล้องกัน

มีหลายประเภทแหล่งกำเนิดเลเซอร์ใช้ในระบบตรวจจับไฟเบอร์ออปติคอลซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: เชื่อมโยงกันแหล่งกำเนิดเลเซอร์และแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่ต่อเนื่องกันไม่ต่อเนื่องกันแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่รวมถึงแสงไส้และไดโอดเปล่งแสงและแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน ได้แก่ เลเซอร์ที่เป็นของแข็งเลเซอร์เหลวเลเซอร์ก๊าซเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์และเลเซอร์ไฟเบอร์- ต่อไปนี้เป็นหลักสำหรับไฟล์แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับไฟเบอร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา: เลเซอร์ความกว้างเส้นความกว้างเดียวแคบเลเซอร์ความถี่การกวาดความยาวคลื่นเดี่ยวและเลเซอร์สีขาว

1.1 ข้อกำหนดสำหรับ linewidth แคบแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์

ระบบตรวจจับไฟเบอร์ออปติคอลไม่สามารถแยกออกจากแหล่งเลเซอร์ได้เนื่องจากคลื่นแสงสัญญาณไฟที่วัดได้แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ตัวเองประสิทธิภาพเช่นเสถียรภาพของพลังงานเลเซอร์ linewidth เสียงรบกวนเฟสและพารามิเตอร์อื่น ๆ ในระยะการตรวจจับการตรวจจับเส้นใยแสงความแม่นยำในการตรวจจับความไว ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาด้วยการพัฒนาระบบตรวจจับเส้นใยออพติคอลความละเอียดสูงเป็นพิเศษสถาบันการศึกษาและอุตสาหกรรมได้นำเสนอข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับประสิทธิภาพการทำงานของ linewidth ของการย่อขนาดเลเซอร์ส่วนใหญ่ใน: เทคโนโลยีการสะท้อนความถี่ ข้อดีของความละเอียดสูง (ความละเอียดระดับมิลลิเมตร) และความไวสูง (สูงถึง -100 dBm) ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีโอกาสในการใช้งานที่กว้างในการวัดเส้นใยออพติคอลแบบกระจายและเทคโนโลยีการตรวจจับ แกนหลักของเทคโนโลยีของ OFDR คือการใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้เพื่อให้ได้การปรับความถี่ออพติคอลดังนั้นประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จะกำหนดปัจจัยสำคัญเช่นช่วงการตรวจจับของ OFDR ความไวและความละเอียด เมื่อระยะทางจุดสะท้อนอยู่ใกล้กับความยาวการเชื่อมโยงกันความเข้มของสัญญาณจังหวะจะถูกลดทอนลงอย่างทวีคูณโดยค่าสัมประสิทธิ์τ/τc สำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบเกาส์ที่มีรูปร่างสเปกตรัมเพื่อให้แน่ใจว่าความถี่จังหวะมีการมองเห็นมากกว่า 90% ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงและความยาวการตรวจจับสูงสุดที่ระบบสามารถบรรลุได้คือ LMAX ~ 0.04VG/F ซึ่งหมายความว่าไฟเบอร์ที่มีความยาว 80 กม. นอกจากนี้การพัฒนาแอพพลิเคชั่นอื่น ๆ ยังได้กล่าวถึงข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับ linewidth ของแหล่งกำเนิดแสง ตัวอย่างเช่นในระบบไฮโดรโฟนใยแก้วนำแสง linewidth ของแหล่งกำเนิดแสงจะกำหนดสัญญาณรบกวนของระบบและยังกำหนดสัญญาณที่วัดได้ต่ำสุดของระบบ ใน Brillouin Optical Time Domain Reflector (BOTDR) ความละเอียดการวัดของอุณหภูมิและความเครียดส่วนใหญ่จะถูกกำหนดโดย linewidth ของแหล่งกำเนิดแสง ในไจโรไฟเบอร์ออปติกเรโซเนเตอร์ความยาวการเชื่อมโยงกันของคลื่นแสงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงซึ่งจะช่วยปรับปรุงความละเอียดและความลึกของเสียงสะท้อนของเรโซเนเตอร์ลดความกว้างของเส้นของตัวสะท้อน

1.2 ข้อกำหนดสำหรับแหล่งเลเซอร์กวาด

เลเซอร์กวาดความยาวคลื่นเดี่ยวมีประสิทธิภาพการปรับความยาวคลื่นที่ยืดหยุ่นสามารถแทนที่เลเซอร์ความยาวคลื่นคงที่หลายเอาท์พุทลดค่าใช้จ่ายในการสร้างระบบเป็นส่วนที่ขาดไม่ได้ของระบบตรวจจับเส้นใยออพติคอล ตัวอย่างเช่นในการตรวจจับไฟเบอร์ก๊าซติดตามก๊าซชนิดต่าง ๆ มียอดการดูดซับก๊าซที่แตกต่างกัน เพื่อให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพการดูดซับแสงเมื่อก๊าซการวัดเพียงพอและบรรลุความไวการวัดที่สูงขึ้นจำเป็นต้องจัดแนวความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงส่งผ่านกับจุดสูงสุดการดูดซับของโมเลกุลก๊าซ ประเภทของก๊าซที่สามารถตรวจพบได้นั้นถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสง ดังนั้นเลเซอร์ linewidth แคบที่มีประสิทธิภาพการปรับบรอดแบนด์ที่มีความเสถียรจึงมีความยืดหยุ่นในการวัดที่สูงขึ้นในระบบตรวจจับดังกล่าว ตัวอย่างเช่นในระบบตรวจจับไฟเบอร์ออพติคอลแบบกระจายตามการสะท้อนของโดเมนความถี่แสงเลเซอร์จะต้องถูกกวาดอย่างรวดเร็วเป็นระยะเพื่อให้ได้การตรวจจับที่สอดคล้องกันสูงและการรื้อถอนสัญญาณออปติคัลดังนั้นอัตราการมอดูเลตของเลเซอร์จึงมีความต้องการค่อนข้างสูง นอกจากนี้เลเซอร์ Linewidth แคบที่ปรับความยาวคลื่นได้ยังสามารถใช้กันอย่างแพร่หลายใน LIDAR, การตรวจจับระยะไกลด้วยเลเซอร์และการวิเคราะห์สเปกตรัมความละเอียดสูงและสนามตรวจจับอื่น ๆ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพสูงของการปรับแบนด์วิดท์การปรับความแม่นยำและความเร็วในการปรับแต่งของเลเซอร์ความยาวคลื่นเดี่ยวในสนามของการตรวจจับไฟเบอร์เป้าหมายโดยรวมของการศึกษาเลเซอร์ไฟเบอร์ความกว้างแคบที่ปรับได้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา พลัง.

1.3 ความต้องการแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สีขาว

ในด้านการตรวจจับแสงเลเซอร์แสงสีขาวคุณภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ การครอบคลุมสเปกตรัมที่กว้างขึ้นของเลเซอร์แสงสีขาวยิ่งมีการใช้งานที่ครอบคลุมมากขึ้นในระบบตรวจจับไฟเบอร์ออปติก ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้ Fiber Bragg Grating (FBG) เพื่อสร้างเครือข่ายเซ็นเซอร์การวิเคราะห์สเปกตรัมหรือวิธีการจับคู่ตัวกรองที่ปรับได้สามารถใช้สำหรับ demodulation อดีตใช้สเปกโตรมิเตอร์เพื่อทดสอบความยาวคลื่นเรโซแนนท์ FBG แต่ละตัวโดยตรงในเครือข่าย หลังใช้ตัวกรองอ้างอิงเพื่อติดตามและปรับเทียบ FBG ในการตรวจจับซึ่งทั้งสองอย่างนี้ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงบรอดแบนด์เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับ FBG เนื่องจากเครือข่ายการเข้าถึง FBG แต่ละเครือข่ายจะมีการสูญเสียการแทรกบางอย่างและมีแบนด์วิดท์มากกว่า 0.1 นาโนเมตรการปลดปล่อย FBG หลายตัวพร้อมกันต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงบรอดแบนด์ที่มีพลังงานสูงและแบนด์วิดท์สูง ตัวอย่างเช่นเมื่อใช้ตะแกรงไฟเบอร์เป็นระยะเวลานาน (LPFG) สำหรับการตรวจจับเนื่องจากแบนด์วิดท์ของจุดสูงสุดการสูญเสียครั้งเดียวอยู่ในลำดับ 10 นาโนเมตรแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างที่มีแบนด์วิดท์เพียงพอและสเปกตรัมที่ค่อนข้างแบน โดยเฉพาะอย่างยิ่งตะแกรงเส้นใยอะคูสติก (AIFG) ที่สร้างขึ้นโดยการใช้เอฟเฟกต์อะคูสติก-ออปติกสามารถบรรลุช่วงการปรับค่าของความยาวคลื่นเรโซแนนท์สูงถึง 1,000 นาโนเมตรโดยการปรับแต่งไฟฟ้า ดังนั้นการทดสอบตะแกรงแบบไดนามิกที่มีช่วงการปรับแต่งกว้างเป็นพิเศษจึงเป็นความท้าทายที่ยอดเยี่ยมสำหรับช่วงแบนด์วิดท์ของแหล่งกำเนิดแสงกว้าง ในทำนองเดียวกันในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาตะแกรงไฟเบอร์แบร็กที่เอียงก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับไฟเบอร์ เนื่องจากลักษณะสเปกตรัมการสูญเสียหลายจุดสูงสุดช่วงการกระจายความยาวคลื่นมักจะถึง 40 นาโนเมตร กลไกการตรวจจับของมันมักจะเปรียบเทียบการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ระหว่างยอดส่งสัญญาณหลายจุดดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดสเปกตรัมการส่งผ่านอย่างสมบูรณ์ แบนด์วิดท์และพลังของแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างจะต้องสูงขึ้น

2. สถานะการวิจัยทั้งที่บ้านและต่างประเทศ

2.1 แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ linewidth แคบ

2.1.1 Linewidth Semiconductor Distributed Feedback Laser

ในปี 2549 Cliche และคณะ ลดระดับ MHz ของเซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์ DFB(เลเซอร์ตอบรับแบบกระจาย) ไปยังสเกล KHZ โดยใช้วิธีการตอบรับทางไฟฟ้า ในปี 2011 Kessler และคณะ ใช้อุณหภูมิต่ำและความเสถียรสูงโพรงผลึกเดี่ยวรวมกับการควบคุมความคิดเห็นแบบแอคทีฟเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ linewidth ที่มีค่าใช้จ่ายสูง 40 MHz; ในปี 2013 Peng et al ได้รับเอาต์พุตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ด้วย linewidth 15 kHz โดยใช้วิธีการปรับข้อเสนอแนะ Fabry-Perot ภายนอก (FP) ภายนอก วิธีการตอบรับทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้การตอบสนองต่อความถี่ของความถี่ในการทำให้เกิดการตอบสนองต่อความถี่ของสระน้ำเพื่อให้เลเซอร์ linewidth ของแหล่งกำเนิดแสงลดลง ในปี 2010 Bernhardi และคณะ ผลิตอลูมินา FBG ขนาด 1 ซม. บนพื้นผิวซิลิกอนออกไซด์เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นประมาณ 1.7 kHz ในปีเดียวกัน Liang และคณะ ใช้การตอบรับการฉีดด้วยตนเองของการกระเจิงของเรย์ลีห์ย้อนหลังที่เกิดขึ้นจากการบีบอัดผนังก้องสูง Q สำหรับการบีบอัดความกว้างของเส้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ตามที่แสดงในรูปที่ 1

รูปที่ 1 (a) ไดอะแกรมของการบีบอัดด้วยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ด้วยการบีบอัดด้วยการกระจายตัวของ Rayleigh ตัวเองของการกระเจิงของ Resonator โหมดการกระซิบภายนอก
(b) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ทำงานฟรีพร้อม linewidth 8 MHz;
(c) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์ด้วย linewidth บีบอัดถึง 160 Hz
2.1.2 เลเซอร์ไฟเบอร์ linewidth แคบ

สำหรับเลเซอร์เส้นใยเชิงเส้นโพรงเส้นเลเซอร์ linewidth แคบของโหมดยาวเดี่ยวนั้นได้มาจากการลดความยาวของตัวสะท้อนแสงและเพิ่มช่วงเวลาของโหมดตามยาว ในปี 2004 Spiegelberg และคณะ ได้รับโหมด Longitudinal Linewidth Laser Output ที่มี linewidth 2 kHz โดยใช้วิธี DBR สั้น ๆ ในปี 2550 Shen และคณะ ใช้เส้นใยซิลิกอนที่เจือด้วยเออร์เบียมขนาด 2 ซม. เพื่อเขียน FBG บนเส้นใยที่มีความไวต่อแสงแบบ bi-ge และหลอมรวมด้วยเส้นใยที่ใช้งานอยู่เพื่อสร้างโพรงเชิงเส้นขนาดกะทัดรัดทำให้ความกว้างของสายไฟเลเซอร์น้อยกว่า 1 kHz ในปี 2010 หยางและคณะ ใช้โพรงเชิงเส้นสั้นที่เจือด้วย 2 ซม. รวมกับตัวกรอง FBG แบบแคบ ๆ เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์โหมดยาวเดี่ยวที่มีความกว้างของเส้นน้อยกว่า 2 kHz ในปี 2014 ทีมใช้โพรงเชิงเส้นสั้น (resonator แหวนแบบพับเสมือน) รวมกับตัวกรอง FBG-FP เพื่อรับเอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบดังแสดงในรูปที่ 3 ในปี 2012 Cai et al ใช้โครงสร้างช่องสั้น 1.4 ซม. เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์โพลาไรซ์ที่มีกำลังขับมากกว่า 114 MW ความยาวคลื่นกลางของ 1540.3 nm และความกว้างของเส้น 4.1 kHz ในปี 2013 Meng และคณะ ใช้การกระเจิงของเส้นใยเออร์เบียมเจือด้วยช่องวงแหวนสั้นของอุปกรณ์ที่เก็บรักษาแบบเต็มรูปแบบเพื่อให้ได้โหมดที่ยาวเพียงครั้งเดียว ในปี 2558 ทีมใช้โพรงแหวนที่ประกอบด้วยเส้นใยเออร์เบียมขนาด 45 ซม. เป็นตัวกลางที่กระเจิงของ Brillouin เพื่อให้ได้ค่าเลเซอร์ที่มีเกณฑ์ต่ำและแคบ

รูปที่ 2 (a) การวาดแผนผังของเลเซอร์ไฟเบอร์ SLC;
(b) lineshape ของสัญญาณ heterodyne ที่วัดด้วยความล่าช้าของเส้นใย 97.6 กม.