เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับการตรวจจับใยแก้วนำแสง ตอนที่ 1

เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับใยแก้วนำแสงการรับรู้ ตอนที่ 1

เทคโนโลยีการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงเป็นเทคโนโลยีการตรวจจับชนิดหนึ่งที่พัฒนาขึ้นพร้อมกับเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงและเทคโนโลยีการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง และได้กลายเป็นหนึ่งในสาขาหนึ่งของเทคโนโลยีโฟโตอิเล็กทริคที่มีการใช้งานมากที่สุด ระบบการตรวจจับใยแก้วนำแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยเลเซอร์ เส้นใยส่งผ่าน องค์ประกอบการตรวจจับหรือพื้นที่การปรับ การตรวจจับแสง และส่วนอื่นๆ พารามิเตอร์ที่อธิบายคุณลักษณะของคลื่นแสง ได้แก่ ความเข้ม ความยาวคลื่น เฟส สถานะโพลาไรเซชัน ฯลฯ พารามิเตอร์เหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงได้ตามอิทธิพลภายนอกในการส่งผ่านใยแก้วนำแสง ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิ ความเครียด ความดัน กระแส การกระจัด การสั่นสะเทือน การหมุน การโค้งงอ และปริมาณทางเคมีส่งผลต่อเส้นทางแสง พารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงตามลำดับ การตรวจจับด้วยไฟเบอร์ออปติกขึ้นอยู่กับความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้กับปัจจัยภายนอกเพื่อตรวจจับปริมาณทางกายภาพที่สอดคล้องกัน

มีหลายประเภทแหล่งกำเนิดเลเซอร์ใช้ในระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงซึ่งสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: เชื่อมโยงกันแหล่งเลเซอร์และแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่ต่อเนื่องกันไม่ต่อเนื่องกันแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยหลอดไส้และไดโอดเปล่งแสง และแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน ได้แก่ เลเซอร์ทึบ เลเซอร์ของเหลว เลเซอร์แก๊สเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์เลเซอร์- ต่อไปนี้เป็นส่วนใหญ่สำหรับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับไฟเบอร์: เลเซอร์ความถี่เดียวความกว้างของเส้นแคบ เลเซอร์ความถี่กวาดความยาวคลื่นเดี่ยว และเลเซอร์สีขาว

1.1 ข้อกำหนดสำหรับความกว้างของเส้นแคบแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์

ระบบการตรวจจับใยแก้วนำแสงไม่สามารถแยกออกจากแหล่งกำเนิดเลเซอร์ได้ เนื่องจากคลื่นแสงของตัวพาสัญญาณที่วัดได้ ประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เอง เช่นความเสถียรของพลังงาน ความกว้างของเส้นเลเซอร์ เสียงเฟส และพารามิเตอร์อื่น ๆ บนระยะการตรวจจับของระบบตรวจจับใยแก้วนำแสง การตรวจจับ ความแม่นยำ ความไว และลักษณะสัญญาณรบกวนมีบทบาทชี้ขาด ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงความละเอียดสูงพิเศษในระยะไกล นักวิชาการและอุตสาหกรรมได้หยิบยกข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับประสิทธิภาพความกว้างของเส้นเลเซอร์ย่อขนาด โดยส่วนใหญ่อยู่ใน: เทคโนโลยีการสะท้อนโดเมนความถี่แสง (OFDR) ใช้การเชื่อมโยงกัน เทคโนโลยีการตรวจจับเพื่อวิเคราะห์สัญญาณที่กระจัดกระจายของแบ็คเรย์ลีห์ของใยแก้วนำแสงในโดเมนความถี่ที่มีความครอบคลุมกว้าง (หลายพันเมตร) ข้อดีของความละเอียดสูง (ความละเอียดระดับมิลลิเมตร) และความไวสูง (สูงถึง -100 dBm) ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในเทคโนโลยีการวัดและการตรวจจับใยแก้วนำแสงแบบกระจาย แกนหลักของเทคโนโลยี OFDR คือการใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้เพื่อให้ได้การปรับความถี่แสง ดังนั้นประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จะกำหนดปัจจัยสำคัญ เช่น ช่วงการตรวจจับ OFDR ความไว และความละเอียด เมื่อระยะห่างของจุดสะท้อนใกล้กับความยาวการเชื่อมโยงกัน ความเข้มของสัญญาณจังหวะจะถูกลดทอนแบบเอกซ์โปเนนเชียลด้วยสัมประสิทธิ์ τ/τc สำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบเกาส์เซียนที่มีรูปร่างเป็นสเปกตรัม เพื่อให้แน่ใจว่าความถี่บีทมีการมองเห็นมากกว่า 90% ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงและความยาวการตรวจจับสูงสุดที่ระบบสามารถทำได้คือ Lmax~0.04vg /f ซึ่งหมายความว่าสำหรับเส้นใยที่มีความยาว 80 กม. ความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงจะน้อยกว่า 100 Hz นอกจากนี้ การพัฒนาแอปพลิเคชันอื่นๆ ยังทำให้เกิดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความกว้างของแหล่งกำเนิดแสงอีกด้วย ตัวอย่างเช่น ในระบบไฮโดรโฟนใยแก้วนำแสง ความกว้างของแหล่งกำเนิดแสงจะกำหนดสัญญาณรบกวนของระบบและยังกำหนดสัญญาณที่วัดได้ขั้นต่ำของระบบด้วย ในเครื่องสะท้อนโดเมนเวลาแสงของ Brillouin (BOTDR) ความละเอียดในการวัดอุณหภูมิและความเค้นจะถูกกำหนดโดยความกว้างของแหล่งกำเนิดแสงเป็นหลัก ในไจโรไฟเบอร์ออปติกรีโซเนเตอร์ ความยาวการเชื่อมโยงกันของคลื่นแสงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความละเอียดและความลึกของเรโซแนนซ์ของเครื่องสะท้อนเสียง ลดความกว้างของเส้นของตัวสะท้อนเสียง และรับประกันการวัด ความแม่นยำของไจโรไฟเบอร์ออปติก

1.2 ข้อกำหนดสำหรับแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบกวาด

เลเซอร์กวาดความยาวคลื่นเดี่ยวมีประสิทธิภาพการปรับความยาวคลื่นที่ยืดหยุ่น สามารถแทนที่เลเซอร์ความยาวคลื่นคงที่เอาต์พุตหลายตัว ลดต้นทุนในการสร้างระบบ เป็นส่วนสำคัญของระบบตรวจจับใยแก้วนำแสง ตัวอย่างเช่น ในการตรวจจับเส้นใยก๊าซปริมาณน้อย ก๊าซประเภทต่างๆ จะมีค่าการดูดซับก๊าซที่แตกต่างกัน เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการดูดกลืนแสงเมื่อก๊าซที่ตรวจวัดเพียงพอและมีความไวในการตรวจวัดที่สูงขึ้น จำเป็นต้องจัดความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงที่ส่งผ่านให้ตรงกับจุดสูงสุดของการดูดกลืนแสงของโมเลกุลก๊าซ ประเภทของก๊าซที่สามารถตรวจจับได้จะขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงที่ตรวจจับได้เป็นหลัก ดังนั้น เลเซอร์ไลน์ไวด์แคบพร้อมประสิทธิภาพการปรับแต่งบรอดแบนด์ที่เสถียรจึงมีความยืดหยุ่นในการวัดสูงกว่าในระบบการตรวจจับดังกล่าว ตัวอย่างเช่น ในระบบการตรวจจับใยแก้วนำแสงแบบกระจายบางระบบที่อิงตามการสะท้อนโดเมนความถี่แสง เลเซอร์จะต้องถูกกวาดอย่างรวดเร็วเป็นระยะเพื่อให้ได้การตรวจจับที่สอดคล้องกันที่มีความแม่นยำสูงและการแยกสัญญาณทางแสง ดังนั้นอัตราการมอดูเลตของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จึงมีความต้องการค่อนข้างสูง และโดยปกติแล้วความเร็วการกวาดของเลเซอร์แบบปรับได้จะต้องถึง 22.00 น./μs นอกจากนี้ เลเซอร์เส้นตรงแคบที่ปรับความยาวคลื่นได้ยังสามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน liDAR การตรวจจับระยะไกลด้วยเลเซอร์ และการวิเคราะห์สเปกตรัมความละเอียดสูง และฟิลด์การตรวจจับอื่นๆ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพสูงในการปรับแต่งแบนด์วิธ ความแม่นยำในการปรับแต่ง และความเร็วในการปรับแต่งของเลเซอร์ความยาวคลื่นเดี่ยวในด้านการตรวจจับไฟเบอร์ เป้าหมายโดยรวมของการศึกษาเลเซอร์ไฟเบอร์ความกว้างแคบที่ปรับได้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือการบรรลุผลสูง การปรับจูนอย่างแม่นยำในช่วงความยาวคลื่นที่มากขึ้นโดยยึดตามความกว้างของเส้นเลเซอร์ที่แคบเป็นพิเศษ สัญญาณรบกวนในเฟสต่ำเป็นพิเศษ และความถี่และกำลังเอาท์พุตที่มีความเสถียรเป็นพิเศษ

1.3 ความต้องการแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สีขาว

ในด้านการตรวจจับด้วยแสง เลเซอร์แสงสีขาวคุณภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ ยิ่งเลเซอร์แสงสีขาวครอบคลุมสเปกตรัมได้กว้างขึ้นเท่าใด การใช้งานในระบบตรวจจับไฟเบอร์ออปติกก็จะยิ่งครอบคลุมมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ตะแกรงไฟเบอร์ Bragg (FBG) เพื่อสร้างเครือข่ายเซ็นเซอร์ การวิเคราะห์สเปกตรัมหรือวิธีจับคู่ตัวกรองแบบปรับได้ก็สามารถนำมาใช้สำหรับดีมอดูเลชันได้ แบบแรกใช้สเปกโตรมิเตอร์เพื่อทดสอบความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ FBG แต่ละรายการในเครือข่ายโดยตรง อย่างหลังใช้ตัวกรองอ้างอิงเพื่อติดตามและปรับเทียบ FBG ในการตรวจจับ ซึ่งทั้งสองอย่างนี้ต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงบรอดแบนด์เป็นแหล่งกำเนิดแสงทดสอบสำหรับ FBG เนื่องจากเครือข่ายการเข้าถึง FBG แต่ละเครือข่ายจะมีการสูญเสียการแทรกที่แน่นอน และมีแบนด์วิดท์มากกว่า 0.1 นาโนเมตร การดีมอดูเลต FBG หลายรายการพร้อมกันจึงต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงบรอดแบนด์ที่มีกำลังสูงและแบนด์วิดท์สูง ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ตะแกรงไฟเบอร์ระยะยาว (LPFG) ในการตรวจจับ เนื่องจากแบนด์วิดท์ของจุดสูงสุดที่สูญเสียเพียงครั้งเดียวอยู่ในลำดับ 10 นาโนเมตร แหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างที่มีแบนด์วิดท์เพียงพอและสเปกตรัมที่ค่อนข้างแบนจึงจำเป็นต้องใช้ในการระบุลักษณะเสียงสะท้อนอย่างแม่นยำ ลักษณะสูงสุด โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ตะแกรงไฟเบอร์อะคูสติก (AIFG) ที่สร้างขึ้นโดยใช้เอฟเฟ็กต์อะคูสติกออปติคอลสามารถบรรลุช่วงการปรับความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ได้สูงถึง 1,000 นาโนเมตรโดยการปรับจูนทางไฟฟ้า ดังนั้นการทดสอบตะแกรงแบบไดนามิกด้วยช่วงการปรับที่กว้างเป็นพิเศษจึงเป็นความท้าทายอย่างมากต่อช่วงแบนด์วิธของแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้าง ในทำนองเดียวกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตะแกรงไฟเบอร์ Bragg แบบเอียงยังถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับไฟเบอร์ เนื่องจากคุณลักษณะสเปกตรัมการสูญเสียสูงสุดหลายจุด ช่วงการกระจายความยาวคลื่นจึงมักจะสูงถึง 40 นาโนเมตร กลไกการตรวจจับของมันมักจะเป็นการเปรียบเทียบการเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ระหว่างพีคการส่งสัญญาณหลายจุด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดสเปกตรัมการส่งสัญญาณอย่างสมบูรณ์ แบนด์วิธและกำลังของแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างจะต้องสูงกว่านี้

2. สถานะการวิจัยทั้งในและต่างประเทศ

2.1 แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นตรงแคบ

2.1.1 เซมิคอนดักเตอร์แบบกระจายความกว้างของเส้นแคบเลเซอร์ป้อนกลับ

ในปี 2549 Cliche และคณะ ลดขนาด MHz ของเซมิคอนดักเตอร์เดเอฟเบ เลเซอร์(เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจาย) ถึงระดับ kHz โดยใช้วิธีการป้อนกลับทางไฟฟ้า ในปี 2554 เคสเลอร์และคณะ ใช้อุณหภูมิต่ำและช่องผลึกเดี่ยวที่มีความเสถียรสูงรวมกับการควบคุมผลป้อนกลับแบบแอคทีฟเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นตรงแคบเป็นพิเศษที่ 40 MHz ในปี 2013 Peng และคณะได้รับเอาต์พุตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความกว้างเส้นตรง 15 kHz โดยใช้วิธีการปรับป้อนกลับ Fabry-Perot (FP) ภายนอก วิธีการป้อนกลับทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้การป้อนกลับการรักษาเสถียรภาพความถี่ Pond-Drever-Hall เพื่อลดความกว้างของเส้นเลเซอร์ของแหล่งกำเนิดแสง ในปี 2010 Bernhardi และคณะ ผลิต FBG อลูมินาเจือเออร์เบียม 1 ซม. บนพื้นผิวซิลิกอนออกไซด์เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นประมาณ 1.7 kHz ในปีเดียวกันนั้น เหลียงและคณะ ใช้การตอบสนองแบบฉีดด้วยตนเองของการกระเจิงของ Rayleigh ย้อนหลังที่เกิดขึ้นจากตัวสะท้อนผนังสะท้อน Q สูงสำหรับการบีบอัดความกว้างของเส้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 1 และในที่สุดก็ได้เอาต์พุตเลเซอร์ความกว้างเส้นแคบที่ 160 Hz

รูปที่ 1 (a) ไดอะแกรมของการบีบอัดความกว้างของเส้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยอิงจากการกระเจิงของเรย์ลีที่ฉีดด้วยตนเองของตัวสะท้อนโหมดแกลเลอรีเสียงกระซิบภายนอก;
(b) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ทำงานอย่างอิสระที่มีความกว้างของเส้น 8 MHz
(c) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นที่ถูกบีบอัดเป็น 160 Hz
2.1.2 ไฟเบอร์เลเซอร์แบบเส้นแคบ

สำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์แบบช่องเชิงเส้น เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างเป็นเส้นแคบของโหมดตามยาวเดี่ยวจะได้มาจากการลดความยาวของตัวสะท้อนกลับและเพิ่มช่วงโหมดตามยาว ในปี พ.ศ. 2547 Spiegelberg และคณะ ได้รับเอาต์พุตเลเซอร์ความกว้างเส้นแคบแบบโหมดยาวเดี่ยวที่มีความกว้างเส้น 2 kHz โดยใช้วิธีช่องสั้น DBR ในปี 2550 Shen และคณะ ใช้ไฟเบอร์ซิลิกอนเจือเออร์เบียมหนา 2 ซม. เพื่อเขียน FBG บนไฟเบอร์ไวแสงเจือร่วมของ Bi-Ge และหลอมรวมกับไฟเบอร์แอคทีฟเพื่อสร้างช่องเชิงเส้นขนาดกะทัดรัด ทำให้ความกว้างของเส้นเอาต์พุตเลเซอร์น้อยกว่า 1 kHz ในปี 2010 Yang และคณะ ใช้ช่องเชิงเส้นสั้นที่มีการโดปสูงขนาด 2 ซม. รวมกับตัวกรอง FBG ย่านความถี่แคบ เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์โหมดยาวเดี่ยวที่มีความกว้างของเส้นน้อยกว่า 2 kHz ในปี 2014 ทีมงานใช้ช่องเชิงเส้นสั้น (ตัวสะท้อนวงแหวนเสมือนแบบพับ) รวมกับตัวกรอง FBG-FP เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นที่แคบกว่า ดังแสดงในรูปที่ 3 ในปี 2012 Cai และคณะ ใช้โครงสร้างช่องสั้น 1.4 ซม. เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์โพลาไรซ์ที่มีกำลังเอาต์พุตมากกว่า 114 mW ความยาวคลื่นกลาง 1540.3 นาโนเมตร และความกว้างของเส้น 4.1 kHz ในปี 2013 Meng และคณะ ใช้การกระเจิงของเส้นใยเออร์เบียมที่เจือด้วย Brillouin ด้วยช่องวงแหวนสั้นของอุปกรณ์รักษาอคติแบบเต็มรูปแบบเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์สัญญาณรบกวนแบบเฟสเดียวตามยาวที่มีกำลังเอาต์พุต 10 mW ในปี พ.ศ. 2558 ทีมงานใช้ช่องวงแหวนที่ประกอบด้วยเส้นใยเจือเออร์เบียมขนาด 45 ซม. เนื่องจากตัวกลางการกระเจิงของ Brillouin เพื่อให้ได้ค่าเกณฑ์ที่ต่ำและเอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบ

รูปที่ 2 (a) แผนผังของไฟเบอร์เลเซอร์ SLC
(b) รูปทรงเส้นตรงของสัญญาณเฮเทอโรไดน์ที่วัดด้วยความล่าช้าของไฟเบอร์ 97.6 กม