เทคโนโลยีแหล่งเลเซอร์สำหรับการตรวจจับเส้นใยแก้วนำแสง ตอนที่ 1

เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดเลเซอร์สำหรับเส้นใยแก้วนำแสงการรับรู้ส่วนที่หนึ่ง

เทคโนโลยีการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงเป็นเทคโนโลยีการตรวจจับชนิดหนึ่งที่พัฒนาควบคู่ไปกับเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงและเทคโนโลยีการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง และได้กลายเป็นหนึ่งในสาขาที่มีการใช้งานมากที่สุดของเทคโนโลยีโฟโตอิเล็กทริก ระบบการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงประกอบด้วยเลเซอร์ เส้นใยนำแสง องค์ประกอบการตรวจจับหรือพื้นที่มอดูเลต การตรวจจับแสง และส่วนประกอบอื่นๆ พารามิเตอร์ที่อธิบายลักษณะของคลื่นแสง ได้แก่ ความเข้ม ความยาวคลื่น เฟส สถานะโพลาไรเซชัน ฯลฯ พารามิเตอร์เหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงได้ตามอิทธิพลภายนอกในการส่งผ่านใยแก้วนำแสง ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิ ความเครียด ความดัน กระแสไฟฟ้า การกระจัด การสั่นสะเทือน การหมุน การดัดงอ และปริมาณสารเคมี ส่งผลกระทบต่อเส้นทางแสง พารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย การตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้กับปัจจัยภายนอกเพื่อตรวจจับปริมาณทางกายภาพที่สอดคล้องกัน

มีหลายประเภทแหล่งกำเนิดเลเซอร์ใช้ในระบบตรวจจับด้วยเส้นใยแก้วนำแสง ซึ่งสามารถแบ่งได้เป็น 2 ประเภท คือ แบบสอดคล้องแหล่งกำเนิดเลเซอร์และแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่สอดคล้องกันแหล่งกำเนิดแสงส่วนใหญ่ประกอบด้วยหลอดไส้และไดโอดเปล่งแสง และแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน ได้แก่ เลเซอร์แบบของแข็ง เลเซอร์แบบของเหลว เลเซอร์แบบก๊าซเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และไฟเบอร์เลเซอร์. ต่อไปนี้เป็นหลักสำหรับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับด้วยไฟเบอร์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้แก่ เลเซอร์ความถี่เดียวความกว้างเส้นแคบ เลเซอร์ความถี่กวาดความยาวคลื่นเดียว และเลเซอร์สีขาว

1.1 ข้อกำหนดสำหรับความกว้างเส้นที่แคบแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์

ระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงไม่สามารถแยกออกจากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ได้ เนื่องจากคลื่นแสงที่วัดได้นั้น ประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เอง เช่น เสถียรภาพของกำลังไฟฟ้า ความกว้างของเส้นเลเซอร์ สัญญาณรบกวนเฟส และพารามิเตอร์อื่นๆ ของระบบตรวจจับใยแก้วนำแสง ระยะการตรวจจับ ความแม่นยำในการตรวจจับ ความไว และลักษณะสัญญาณรบกวน ล้วนมีบทบาทสำคัญ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาระบบตรวจจับใยแก้วนำแสงความละเอียดสูงพิเศษระยะไกล สถาบันการศึกษาและภาคอุตสาหกรรมได้กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับประสิทธิภาพความกว้างของเส้นเลเซอร์ในการย่อขนาดด้วยเลเซอร์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านต่างๆ ดังนี้: เทคโนโลยีการสะท้อนโดเมนความถี่แสง (OFDR) ใช้เทคโนโลยีการตรวจจับแบบโคฮีเรนต์เพื่อวิเคราะห์สัญญาณที่กระเจิงแบบแบ็คเรย์ลีห์ของใยแก้วนำแสงในโดเมนความถี่ ครอบคลุมพื้นที่กว้าง (หลายพันเมตร) ข้อดีของความละเอียดสูง (ความละเอียดระดับมิลลิเมตร) และความไวสูง (สูงสุด -100 dBm) ได้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มการใช้งานอย่างกว้างขวางในเทคโนโลยีการวัดและตรวจจับใยแก้วนำแสงแบบกระจาย หัวใจสำคัญของเทคโนโลยี OFDR คือการใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้เพื่อปรับความถี่แสง ดังนั้นประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จึงเป็นตัวกำหนดปัจจัยสำคัญต่างๆ เช่น ระยะการตรวจจับ OFDR ความไว และความละเอียด เมื่อระยะจุดสะท้อนใกล้เคียงกับความยาวคลื่นโคฮีเรนซ์ ความเข้มของสัญญาณบีตจะลดลงแบบทวีคูณโดยค่าสัมประสิทธิ์ τ/τc สำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบเกาส์เซียนที่มีรูปร่างสเปกตรัม เพื่อให้มั่นใจว่าความถี่บีตมีการมองเห็นมากกว่า 90% ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงและความยาวการตรวจจับสูงสุดที่ระบบสามารถทำได้คือ Lmax ~ 0.04vg/f ซึ่งหมายความว่าสำหรับเส้นใยแก้วที่มีความยาว 80 กิโลเมตร ความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงจะน้อยกว่า 100 เฮิรตซ์ นอกจากนี้ การพัฒนาแอปพลิเคชันอื่นๆ ยังมีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสง ตัวอย่างเช่น ในระบบไฮโดรโฟนใยแก้วนำแสง ความกว้างของเส้นของแหล่งกำเนิดแสงจะกำหนดสัญญาณรบกวนของระบบและกำหนดสัญญาณขั้นต่ำที่วัดได้ของระบบ ในรีเฟลกเตอร์โดเมนเวลาแบบออปติคัลบริลลูอิน (BOTDR) ความละเอียดในการวัดอุณหภูมิและความเครียดส่วนใหญ่ถูกกำหนดโดยความกว้างของเส้นแสงของแหล่งกำเนิดแสง ในไจโรใยแก้วนำแสงเรโซเนเตอร์ สามารถเพิ่มความยาวโคฮีเรนซ์ของคลื่นแสงได้โดยการลดความกว้างของเส้นแสงของแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งจะช่วยเพิ่มความละเอียดและความลึกของการเรโซเนเตอร์ ลดความกว้างของเส้นแสงเรโซเนเตอร์ และรับประกันความแม่นยำในการวัดของไจโรใยแก้วนำแสง

1.2 ข้อกำหนดสำหรับแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบกวาด

เลเซอร์กวาดความยาวคลื่นเดี่ยวมีประสิทธิภาพในการปรับความยาวคลื่นที่ยืดหยุ่น สามารถใช้แทนเลเซอร์ความยาวคลื่นคงที่หลายตัวได้ ลดต้นทุนการก่อสร้างระบบ และเป็นส่วนสำคัญของระบบตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสง ยกตัวอย่างเช่น ในการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงด้วยก๊าซร่องรอย ก๊าซแต่ละชนิดจะมีค่าพีคการดูดกลืนก๊าซที่แตกต่างกัน เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการดูดกลืนแสงเมื่อก๊าซที่วัดมีปริมาณเพียงพอและมีความไวในการวัดที่สูงขึ้น จำเป็นต้องปรับความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงที่ส่งผ่านให้ตรงกับพีคการดูดกลืนของโมเลกุลของก๊าซ ชนิดของก๊าซที่สามารถตรวจจับได้นั้นขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ตรวจจับเป็นหลัก ดังนั้น เลเซอร์เส้นแคบที่มีประสิทธิภาพในการปรับความยาวคลื่นแบบบรอดแบนด์ที่เสถียรจึงมีความยืดหยุ่นในการวัดที่สูงกว่าในระบบตรวจจับดังกล่าว ตัวอย่างเช่น ในระบบตรวจจับด้วยเส้นใยแก้วนำแสงแบบกระจายบางระบบที่ใช้การสะท้อนโดเมนความถี่แสง เลเซอร์จำเป็นต้องถูกกวาดอย่างรวดเร็วเป็นระยะเพื่อให้ได้การตรวจจับแบบสอดคล้องและการลดสัญญาณแสงที่มีความแม่นยำสูง ดังนั้นอัตราการมอดูเลตของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จึงมีความต้องการค่อนข้างสูง และโดยทั่วไปแล้วความเร็วในการกวาดของเลเซอร์แบบปรับได้จะต้องถึง 10 pm/μs นอกจากนี้ เลเซอร์เส้นแคบที่ปรับความยาวคลื่นได้ยังถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายใน LiDAR, การสำรวจระยะไกลด้วยเลเซอร์, การวิเคราะห์สเปกตรัมความละเอียดสูง และสาขาการตรวจจับอื่นๆ เพื่อตอบสนองความต้องการพารามิเตอร์ประสิทธิภาพสูงในการปรับแต่งแบนด์วิดท์ ความแม่นยำในการปรับแต่ง และความเร็วในการปรับแต่งของเลเซอร์ความยาวคลื่นเดียวในสาขาการตรวจจับด้วยเส้นใยแก้วนำแสง เป้าหมายโดยรวมของการศึกษาเลเซอร์เส้นแคบที่ปรับความยาวคลื่นได้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือการปรับแต่งความแม่นยำสูงในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น โดยพิจารณาจากความกว้างของเส้นเลเซอร์ที่แคบมาก สัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก และความถี่และกำลังเอาต์พุตที่เสถียรมาก

1.3 ความต้องการแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สีขาว

ในด้านการตรวจจับด้วยแสง เลเซอร์แสงขาวคุณภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ ยิ่งเลเซอร์แสงขาวครอบคลุมสเปกตรัมได้กว้างเท่าใด การประยุกต์ใช้เลเซอร์แสงขาวในระบบตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงก็ยิ่งกว้างขวางมากขึ้นเท่านั้น ยกตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ไฟเบอร์แบรกก์เกรตติง (FBG) เพื่อสร้างเครือข่ายเซ็นเซอร์ อาจใช้วิธีการวิเคราะห์สเปกตรัมหรือการจับคู่ฟิลเตอร์แบบปรับได้สำหรับการดีมอดูเลชัน วิธีแรกใช้สเปกโตรมิเตอร์เพื่อทดสอบความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ของ FBG แต่ละเส้นในเครือข่ายโดยตรง ส่วนวิธีที่สองใช้ฟิลเตอร์อ้างอิงเพื่อติดตามและปรับเทียบ FBG ในการตรวจจับ ซึ่งทั้งสองวิธีนี้จำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงบรอดแบนด์เป็นแหล่งกำเนิดแสงทดสอบสำหรับ FBG เนื่องจากเครือข่ายการเข้าถึง FBG แต่ละเครือข่ายจะมีการสูญเสียการแทรก (insertion loss) ในระดับหนึ่ง และมีแบนด์วิดท์มากกว่า 0.1 นาโนเมตร การดีมอดูเลชัน FBG หลายเส้นพร้อมกันจึงจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงบรอดแบนด์ที่มีกำลังสูงและแบนด์วิดท์สูง ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ไฟเบอร์เกรตติงแบบคาบยาว (LPFG) สำหรับการตรวจจับ เนื่องจากแบนด์วิดท์ของจุดสูงสุดของการสูญเสียสัญญาณเดียวอยู่ที่ประมาณ 10 นาโนเมตร จึงจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบสเปกตรัมกว้างที่มีแบนด์วิดท์เพียงพอและสเปกตรัมที่ค่อนข้างแบนราบเพื่อระบุลักษณะจุดสูงสุดของเรโซแนนซ์ได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไฟเบอร์เกรตติงแบบอะคูสติก (AIFG) ที่สร้างขึ้นโดยใช้เอฟเฟกต์อะคูสติกออปติคัล สามารถปรับช่วงความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ได้สูงถึง 1,000 นาโนเมตรด้วยการปรับจูนด้วยไฟฟ้า ดังนั้น การทดสอบแบบไดนามิคเกรตติงที่มีช่วงการปรับจูนที่กว้างมากเช่นนี้จึงเป็นความท้าทายอย่างมากต่อช่วงแบนด์วิดท์ของแหล่งกำเนิดแสงแบบสเปกตรัมกว้าง ในทำนองเดียวกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไฟเบอร์เกรตติงแบบเอียงของแบรกก์ก็ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในด้านการตรวจจับด้วยไฟเบอร์เช่นกัน เนื่องจากคุณสมบัติสเปกตรัมการสูญเสียหลายจุดสูงสุด ช่วงการกระจายความยาวคลื่นจึงมักจะสูงถึง 40 นาโนเมตร กลไกการตรวจจับมักจะใช้การเปรียบเทียบการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างจุดสูงสุดของสัญญาณหลายจุด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดสเปกตรัมสัญญาณให้ครบถ้วน จำเป็นต้องมีแบนด์วิดท์และพลังงานของแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างที่สูงขึ้น

2. สถานะการวิจัยในประเทศและต่างประเทศ

2.1 แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เส้นแคบ

2.1.1 เลเซอร์ป้อนกลับแบบกระจายตัวของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความกว้างเส้นแคบ

ในปี พ.ศ. 2549 Cliche และคณะได้ลดขนาด MHz ของเซมิคอนดักเตอร์ดีเอฟบี เลเซอร์(เลเซอร์แบบป้อนกลับแบบกระจาย) ในระดับ kHz โดยใช้วิธีป้อนกลับทางไฟฟ้า ในปี 2011 Kessler และคณะ ได้ใช้โพรงผลึกเดี่ยวที่มีอุณหภูมิต่ำและมีเสถียรภาพสูง ร่วมกับการควบคุมป้อนกลับแบบแอคทีฟ เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นแคบพิเศษที่ 40 MHz ในปี 2013 Peng และคณะ ได้เอาต์พุตเลเซอร์สารกึ่งตัวนำที่มีความกว้างของเส้น 15 kHz โดยใช้วิธีการปรับป้อนกลับ Fabry-Perot (FP) ภายนอก วิธีการป้อนกลับทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้การป้อนกลับเพื่อรักษาเสถียรภาพความถี่ Pond-Drever-Hall เพื่อลดความกว้างของเส้นเลเซอร์ของแหล่งกำเนิดแสง ในปี 2010 Bernhardi และคณะ ได้ผลิต FBG อะลูมินาเจือเออร์เบียมขนาด 1 ซม. บนแผ่นรองรับซิลิกอนออกไซด์ เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นประมาณ 1.7 kHz ในปีเดียวกันนั้น Liang และคณะ ใช้การป้อนกลับการฉีดด้วยตนเองของการกระเจิงเรย์ลีห์แบบย้อนกลับที่เกิดขึ้นจากเรโซเนเตอร์ผนังสะท้อน Q สูงสำหรับการบีบอัดความกว้างเส้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ตามที่แสดงในรูปที่ 1 และในที่สุดก็ได้เอาต์พุตเลเซอร์ความกว้างเส้นแคบที่ 160 เฮิรตซ์

รูปที่ 1 (ก) แผนภาพการบีบอัดความกว้างเส้นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยอาศัยการกระเจิงเรย์ลีแบบฉีดตัวเองของเรโซเนเตอร์โหมดแกลเลอรีกระซิบภายนอก
(b) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบอิสระที่มีความกว้างเส้น 8 MHz
(c) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นบีบอัดเป็น 160 เฮิรตซ์
2.1.2 เลเซอร์ไฟเบอร์ความกว้างเส้นแคบ

สำหรับเลเซอร์ไฟเบอร์โพรงเชิงเส้น เอาต์พุตเลเซอร์แบบเส้นตรงความกว้างแคบของโหมดตามยาวเดี่ยวได้มาจากการลดความยาวของเรโซเนเตอร์และเพิ่มช่วงของโหมดตามยาว ในปี พ.ศ. 2547 สปีเกลเบิร์กและคณะ ได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบเส้นตรงความกว้างแคบของโหมดตามยาวเดี่ยวที่มีความกว้างเส้น 2 กิโลเฮิรตซ์ โดยใช้วิธี DBR short cavity ในปี พ.ศ. 2550 เฉินและคณะ ได้ใช้เส้นใยซิลิคอนขนาด 2 เซนติเมตรที่โด๊ปเออร์เบียมอย่างหนักเพื่อเขียน FBG บนเส้นใยไวแสง Bi-Ge ที่ถูกโด๊ปร่วม และหลอมรวมกับเส้นใยแอคทีฟเพื่อสร้างโพรงเชิงเส้นขนาดกะทัดรัด ทำให้ความกว้างเส้นเอาต์พุตเลเซอร์น้อยกว่า 1 กิโลเฮิรตซ์ ในปี พ.ศ. 2553 หยางและคณะ ได้ใช้โพรงเชิงเส้นขนาด 2 เซนติเมตรที่โด๊ปสูงร่วมกับฟิลเตอร์ FBG แบบแถบแคบ เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบเส้นตรงความกว้างเส้นน้อยกว่า 2 กิโลเฮิรตซ์ ในปี 2014 ทีมวิจัยได้ใช้โพรงเชิงเส้นสั้น (เรโซเนเตอร์แบบวงแหวนพับเสมือน) ร่วมกับฟิลเตอร์ FBG-FP เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นที่แคบลง ดังแสดงในรูปที่ 3 ในปี 2012 Cai และคณะ ได้ใช้โครงสร้างโพรงสั้นขนาด 1.4 ซม. เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์โพลาไรซ์ที่มีกำลังเอาต์พุตมากกว่า 114 มิลลิวัตต์ ความยาวคลื่นกลาง 1540.3 นาโนเมตร และความกว้างของเส้น 4.1 กิโลเฮิรตซ์ ในปี 2013 Meng และคณะ ได้ใช้การกระเจิงแบบบริลลูอินของเส้นใยแก้วที่เจือเออร์เบียมกับโพรงวงแหวนสั้นของอุปกรณ์รักษาไบแอสแบบเต็ม เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบโหมดตามยาวเดี่ยว สัญญาณรบกวนเฟสต่ำ ที่มีกำลังเอาต์พุต 10 มิลลิวัตต์ ในปี 2558 ทีมงานได้ใช้โพรงวงแหวนที่ประกอบด้วยไฟเบอร์โด๊ปเออร์เบียมขนาด 45 ซม. เป็นตัวกลางการกระเจิงของบริลลูอินเพื่อให้ได้ค่าเกณฑ์ต่ำและเอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างเส้นแคบ

รูปที่ 2 (ก) ภาพวาดแผนผังของเลเซอร์ไฟเบอร์ SLC
(b) รูปร่างเส้นของสัญญาณเฮเทอโรไดน์ที่วัดด้วยความล่าช้าของเส้นใย 97.6 กม.