เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สำหรับการตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสง ตอนที่หนึ่ง

เทคโนโลยีแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สำหรับใยแก้วนำแสงการรับรู้ ตอนที่หนึ่ง

เทคโนโลยีการตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงเป็นเทคโนโลยีการตรวจวัดชนิดหนึ่งที่พัฒนาควบคู่ไปกับเทคโนโลยีใยแก้วนำแสงและเทคโนโลยีการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง และได้กลายเป็นหนึ่งในสาขาที่มีความเคลื่อนไหวมากที่สุดของเทคโนโลยีโฟโตอิเล็กทรอนิกส์ ระบบการตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงประกอบด้วยเลเซอร์ เส้นใยนำแสง องค์ประกอบการตรวจวัดหรือพื้นที่การปรับสัญญาณ ตัวตรวจจับแสง และส่วนอื่นๆ พารามิเตอร์ที่อธิบายลักษณะของคลื่นแสง ได้แก่ ความเข้ม ความยาวคลื่น เฟส สถานะโพลาไรเซชัน เป็นต้น พารามิเตอร์เหล่านี้อาจเปลี่ยนแปลงได้จากอิทธิพลภายนอกในการส่งผ่านใยแก้วนำแสง ตัวอย่างเช่น เมื่ออุณหภูมิ ความเครียด ความดัน กระแสไฟฟ้า การเคลื่อนที่ การสั่นสะเทือน การหมุน การดัดงอ และปริมาณสารเคมีส่งผลกระทบต่อเส้นทางแสง พารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนแปลงไปตามนั้น การตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงอาศัยความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์เหล่านี้และปัจจัยภายนอกเพื่อตรวจจับปริมาณทางกายภาพที่เกี่ยวข้อง

มีหลายประเภทแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ใช้ในระบบตรวจจับใยแก้วนำแสง ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท: แบบโคherentแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์และแหล่งกำเนิดแสงที่ไม่สอดคล้องกัน ไม่สอดคล้องกันแหล่งกำเนิดแสงโดยส่วนใหญ่ได้แก่ หลอดไฟไส้และไดโอดเปล่งแสง และแหล่งกำเนิดแสงที่สอดคล้องกัน ได้แก่ เลเซอร์ของแข็ง เลเซอร์ของเหลว และเลเซอร์ก๊าซเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และเลเซอร์ไฟเบอร์ต่อไปนี้เป็นข้อมูลหลักสำหรับแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เลเซอร์ที่มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ได้แก่ เลเซอร์ความถี่เดียวที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ เลเซอร์ความถี่กวาดความยาวคลื่นเดียว และเลเซอร์สีขาว

1.1 ข้อกำหนดสำหรับเส้นบรรทัดแคบแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์

ระบบตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงไม่สามารถแยกออกจากแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ได้ เนื่องจากคลื่นแสงพาหะของสัญญาณที่วัดได้และประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์เอง เช่น ความเสถียรของกำลัง ความกว้างของเส้นสเปกตรัมเลเซอร์ สัญญาณรบกวนเฟส และพารามิเตอร์อื่นๆ มีบทบาทสำคัญต่อระยะการตรวจจับ ความแม่นยำในการตรวจจับ ความไว และลักษณะสัญญาณรบกวนของระบบตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาของระบบตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงที่มีความละเอียดสูงเป็นพิเศษในระยะไกล นักวิชาการและอุตสาหกรรมได้กำหนดข้อกำหนดที่เข้มงวดมากขึ้นสำหรับประสิทธิภาพความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ขนาดเล็ก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเทคโนโลยีการสะท้อนแสงในโดเมนความถี่ (OFDR) ซึ่งใช้เทคโนโลยีการตรวจจับแบบโคherent เพื่อวิเคราะห์สัญญาณการกระเจิงของรังสีเอกซ์ย้อนกลับของใยแก้วนำแสงในโดเมนความถี่ ด้วยความครอบคลุมที่กว้าง (หลายพันเมตร) ข้อดีของความละเอียดสูง (ความละเอียดระดับมิลลิเมตร) และความไวสูง (สูงถึง -100 dBm) ทำให้เทคโนโลยีนี้กลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในเทคโนโลยีการวัดและการตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงแบบกระจาย หัวใจสำคัญของเทคโนโลยี OFDR คือการใช้แหล่งกำเนิดแสงที่ปรับได้เพื่อให้ได้การปรับความถี่แสง ดังนั้นประสิทธิภาพของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์จึงเป็นตัวกำหนดปัจจัยสำคัญ เช่น ระยะการตรวจจับ ความไว และความละเอียดของ OFDR เมื่อระยะห่างของจุดสะท้อนใกล้เคียงกับความยาวของความสอดคล้อง ความเข้มของสัญญาณบีตจะลดลงแบบเอกซ์โพเนนเชียลด้วยค่าสัมประสิทธิ์ τ/τc สำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบเกาส์เซียนที่มีรูปร่างสเปกตรัม เพื่อให้แน่ใจว่าความถี่บีตมีความชัดเจนมากกว่า 90% ความสัมพันธ์ระหว่างความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสงและความยาวการตรวจจับสูงสุดที่ระบบสามารถทำได้คือ Lmax~0.04vg/f ซึ่งหมายความว่าสำหรับใยแก้วนำแสงที่มีความยาว 80 กม. ความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสงจะน้อยกว่า 100 เฮิรตซ์ นอกจากนี้ การพัฒนาแอปพลิเคชันอื่นๆ ยังกำหนดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสง ตัวอย่างเช่น ในระบบไฮโดรโฟนใยแก้วนำแสง ความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสงเป็นตัวกำหนดสัญญาณรบกวนของระบบและยังเป็นตัวกำหนดสัญญาณที่วัดได้ต่ำสุดของระบบด้วย ในตัวสะท้อนแสงแบบโดเมนเวลาเชิงแสงบริลลูอิน (BOTDR) ความละเอียดในการวัดอุณหภูมิและความเค้นส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสง ในไจโรสโคปใยแก้วนำแสงแบบเรโซเนเตอร์ ความยาวของการคงตัวของคลื่นแสงสามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการลดความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสง ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความละเอียดและความลึกของการสั่นพ้องของเรโซเนเตอร์ ลดความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเรโซเนเตอร์ และรับประกันความแม่นยำในการวัดของไจโรสโคปใยแก้วนำแสง

1.2 ข้อกำหนดสำหรับแหล่งกำเนิดเลเซอร์แบบกวาด

เลเซอร์แบบกวาดความยาวคลื่นเดียวมีประสิทธิภาพในการปรับความยาวคลื่นที่ยืดหยุ่น สามารถใช้แทนเลเซอร์ความยาวคลื่นคงที่หลายตัวได้ ช่วยลดต้นทุนในการสร้างระบบ และเป็นส่วนประกอบที่ขาดไม่ได้ของระบบตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสง ตัวอย่างเช่น ในการตรวจวัดก๊าซปริมาณน้อยด้วยใยแก้วนำแสง ก๊าซชนิดต่างๆ มีจุดสูงสุดของการดูดซับแสงที่แตกต่างกัน เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการดูดซับแสงเมื่อมีก๊าซที่ต้องการวัดเพียงพอและเพื่อให้ได้ความไวในการวัดที่สูงขึ้น จำเป็นต้องปรับความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงที่ส่งผ่านให้ตรงกับจุดสูงสุดของการดูดซับของโมเลกุลก๊าซ ชนิดของก๊าซที่สามารถตรวจจับได้นั้นโดยพื้นฐานแล้วถูกกำหนดโดยความยาวคลื่นของแหล่งกำเนิดแสงที่ใช้ในการตรวจวัด ดังนั้น เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบและมีประสิทธิภาพในการปรับความยาวคลื่นแบบบรอดแบนด์ที่เสถียร จึงมีความยืดหยุ่นในการวัดสูงกว่าในระบบตรวจวัดดังกล่าว ตัวอย่างเช่น ในระบบตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสงแบบกระจายบางระบบที่ใช้การสะท้อนในโดเมนความถี่แสง เลเซอร์จำเป็นต้องถูกกวาดความถี่อย่างรวดเร็วเป็นระยะเพื่อให้ได้การตรวจจับและการถอดรหัสสัญญาณแสงแบบโคherent ที่มีความแม่นยำสูง ดังนั้นอัตราการมอดูเลชั่นของแหล่งกำเนิดเลเซอร์จึงมีความต้องการค่อนข้างสูง และความเร็วในการกวาดของเลเซอร์ที่ปรับได้มักจะต้องสูงถึง 10 pm/μs นอกจากนี้ เลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบและปรับความยาวคลื่นได้ยังสามารถนำไปใช้อย่างกว้างขวางใน LiDAR การตรวจวัดระยะไกลด้วยเลเซอร์ การวิเคราะห์สเปกตรัมความละเอียดสูง และสาขาการตรวจวัดอื่นๆ เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดของพารามิเตอร์ประสิทธิภาพสูงของแบนด์วิดท์การปรับ ความแม่นยำในการปรับ และความเร็วในการปรับของเลเซอร์ความยาวคลื่นเดียวในสาขาการตรวจวัดด้วยใยแก้วนำแสง เป้าหมายโดยรวมของการศึกษาเลเซอร์ใยแก้วนำแสงแบบปรับความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาคือการบรรลุการปรับที่แม่นยำสูงในช่วงความยาวคลื่นที่กว้างขึ้นบนพื้นฐานของการแสวงหาความกว้างของเส้นสเปกตรัมเลเซอร์ที่แคบมาก สัญญาณรบกวนเฟสต่ำมาก และความถี่และกำลังเอาต์พุตที่เสถียรมาก

1.3 ความต้องการแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์สีขาว

ในสาขาการตรวจจับด้วยแสง เลเซอร์แสงขาวคุณภาพสูงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ ยิ่งช่วงสเปกตรัมของเลเซอร์แสงขาวกว้างมากเท่าใด การใช้งานในระบบตรวจจับด้วยใยแก้วนำแสงก็จะยิ่งกว้างขวางมากขึ้นเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ไฟเบอร์แบร็กเกรตติ้ง (FBG) ในการสร้างเครือข่ายเซ็นเซอร์ สามารถใช้การวิเคราะห์สเปกตรัมหรือวิธีการจับคู่ตัวกรองแบบปรับได้สำหรับการถอดรหัสสัญญาณ วิธีแรกใช้สเปกโทรเมตรเพื่อทดสอบความยาวคลื่นเรโซแนนซ์ของ FBG แต่ละตัวในเครือข่ายโดยตรง ส่วนวิธีหลังใช้ตัวกรองอ้างอิงเพื่อติดตามและสอบเทียบ FBG ในการตรวจจับ ซึ่งทั้งสองวิธีนี้ต้องการแหล่งกำเนิดแสงแบบบรอดแบนด์เป็นแหล่งกำเนิดแสงทดสอบสำหรับ FBG เนื่องจากเครือข่ายการเข้าถึง FBG แต่ละเครือข่ายจะมีค่าการสูญเสียการแทรก (insertion loss) และมีแบนด์วิดท์มากกว่า 0.1 นาโนเมตร การถอดรหัสสัญญาณของ FBG หลายตัวพร้อมกันจึงต้องการแหล่งกำเนิดแสงแบบบรอดแบนด์ที่มีกำลังสูงและแบนด์วิดท์สูง ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้ไฟเบอร์เกรตติ้งแบบช่วงยาว (LPFG) สำหรับการตรวจวัด เนื่องจากแบนด์วิดท์ของยอดการสูญเสียเดี่ยวอยู่ในระดับ 10 นาโนเมตร จึงจำเป็นต้องใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบสเปกตรัมกว้างที่มีแบนด์วิดท์เพียงพอและสเปกตรัมที่ค่อนข้างราบเรียบ เพื่อให้สามารถระบุลักษณะเฉพาะของยอดการสั่นพ้องได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไฟเบอร์เกรตติ้งอะคูสติก (AIFG) ที่สร้างขึ้นโดยใช้เอฟเฟกต์อะคูสติก-ออปติคอล สามารถปรับช่วงความยาวคลื่นการสั่นพ้องได้ถึง 1000 นาโนเมตรโดยการปรับด้วยไฟฟ้า ดังนั้น การทดสอบเกรตติ้งแบบไดนามิกที่มีช่วงการปรับที่กว้างมากเช่นนี้จึงเป็นความท้าทายอย่างยิ่งสำหรับช่วงแบนด์วิดท์ของแหล่งกำเนิดแสงแบบสเปกตรัมกว้าง ในทำนองเดียวกัน ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ไฟเบอร์เกรตติ้งแบบแบร็กเอียงก็ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการตรวจวัดด้วยไฟเบอร์เช่นกัน เนื่องจากลักษณะสเปกตรัมการสูญเสียแบบหลายยอด ช่วงการกระจายความยาวคลื่นจึงมักจะถึง 40 นาโนเมตร กลไกการตรวจวัดของมันมักจะเปรียบเทียบการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างยอดการส่งผ่านหลายยอด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องวัดสเปกตรัมการส่งผ่านให้ครบถ้วน จำเป็นต้องมีแบนด์วิดท์และกำลังของแหล่งกำเนิดแสงสเปกตรัมกว้างที่สูงขึ้น

2. สถานะการวิจัยทั้งในและต่างประเทศ

2.1 แหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ

2.1.1 เลเซอร์แบบกระจายฟีดแบ็กเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความกว้างเส้นสเปกตรัมแคบ

ในปี 2006 Cliche และคณะ ได้ลดขนาดคลื่นความถี่ระดับเมกะเฮิร์ตซ์ของเซมิคอนดักเตอร์ลงเลเซอร์ DFB(เลเซอร์แบบกระจายฟีดแบ็ก) ในระดับกิโลเฮิร์ตซ์โดยใช้วิธีการฟีดแบ็กทางไฟฟ้า; ในปี 2011 Kessler และคณะ ใช้โพรงผลึกเดี่ยวที่มีอุณหภูมิต่ำและความเสถียรสูงร่วมกับการควบคุมฟีดแบ็กแบบแอคทีฟเพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบมากถึง 40 เมกะเฮิร์ตซ์; ในปี 2013 Peng และคณะ ได้เอาต์พุตเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัม 15 กิโลเฮิร์ตซ์ โดยใช้วิธีการปรับฟีดแบ็ก Fabry-Perot (FP) ภายนอก วิธีการฟีดแบ็กทางไฟฟ้าส่วนใหญ่ใช้ฟีดแบ็กการรักษาเสถียรภาพความถี่ Pond-Drever-Hall เพื่อลดความกว้างของเส้นสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสงเลเซอร์ ในปี 2010 Bernhardi และคณะ ผลิต FBG อลูมินาที่เจือด้วยเออร์เบียมขนาด 1 ซม. บนพื้นผิวซิลิคอนออกไซด์เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมประมาณ 1.7 กิโลเฮิร์ตซ์ ในปีเดียวกันนั้น Liang และคณะ ได้ใช้การป้อนกลับแบบฉีดตัวเองของการกระเจิงเรย์ลีแบบย้อนกลับที่เกิดขึ้นจากตัวเรโซเนเตอร์ผนังสะท้อนเสียงที่มีค่า Q สูงสำหรับการบีบอัดความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ ดังแสดงในรูปที่ 1 และในที่สุดก็ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบที่ 160 เฮิรตซ์

รูปที่ 1 (ก) แผนภาพการบีบอัดความกว้างของเส้นสเปกตรัมเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์โดยอาศัยการกระเจิงเรย์ลีแบบฉีดตัวเองของตัวเรโซเนเตอร์โหมดกระซิบแกลเลอรีภายนอก
(b) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบอิสระที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัม 8 เมกะเฮิร์ตซ์
(c) สเปกตรัมความถี่ของเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมถูกบีบอัดเหลือ 160 เฮิรตซ์
2.1.2 เลเซอร์ไฟเบอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ

สำหรับเลเซอร์ใยแก้วแบบโพรงเชิงเส้น การสร้างเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบและมีโหมดตามยาวเดี่ยวได้นั้น ทำได้โดยการลดความยาวของตัวเรโซเนเตอร์และเพิ่มช่วงห่างของโหมดตามยาว ในปี 2547 Spiegelberg และคณะ ได้สร้างเลเซอร์ที่มีโหมดตามยาวเดี่ยวที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบ โดยมีความกว้างของเส้นสเปกตรัม 2 kHz โดยใช้วิธีโพรงสั้นแบบ DBR ในปี 2550 Shen และคณะ ใช้ใยแก้วซิลิคอนที่เจือด้วยเออร์เบียมอย่างหนาแน่นขนาด 2 ซม. เพื่อสร้าง FBG บนใยแก้วไวแสงที่เจือด้วย Bi-Ge ร่วมกัน และหลอมรวมกับใยแก้วแอคทีฟเพื่อสร้างโพรงเชิงเส้นขนาดกะทัดรัด ทำให้ความกว้างของเส้นสเปกตรัมของเลเซอร์ที่ได้น้อยกว่า 1 kHz ในปี 2553 Yang และคณะ ใช้โพรงเชิงเส้นสั้นที่เจือสารอย่างหนาแน่นขนาด 2 ซม. ร่วมกับตัวกรอง FBG แบบแถบความถี่แคบ เพื่อให้ได้เลเซอร์ที่มีโหมดตามยาวเดี่ยวที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมน้อยกว่า 2 kHz ในปี 2014 ทีมวิจัยได้ใช้โพรงเชิงเส้นสั้น (วงแหวนเรโซเนเตอร์แบบพับเสมือน) ร่วมกับตัวกรอง FBG-FP เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีความกว้างของเส้นสเปกตรัมแคบลง ดังแสดงในรูปที่ 3 ในปี 2012 Cai และคณะ ได้ใช้โครงสร้างโพรงสั้นขนาด 1.4 ซม. เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบโพลาไรซ์ที่มีกำลังเอาต์พุตมากกว่า 114 มิลลิวัตต์ ความยาวคลื่นกลาง 1540.3 นาโนเมตร และความกว้างของเส้นสเปกตรัม 4.1 กิโลเฮิร์ตซ์ ในปี 2013 Meng และคณะ ได้ใช้การกระเจิงแบบบริลลูอินของเส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียมร่วมกับโพรงวงแหวนสั้นของอุปกรณ์รักษาไบแอสแบบเต็มรูปแบบ เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบโหมดตามยาวเดี่ยวที่มีสัญญาณรบกวนเฟสต่ำและมีกำลังเอาต์พุต 10 มิลลิวัตต์ ในปี 2015 ทีมงานได้ใช้โพรงวงแหวนที่ประกอบด้วยเส้นใยที่เจือด้วยเออร์เบียมขนาด 45 ซม. เป็นตัวกลางเพิ่มกำลังการกระเจิงแบบบริลลูอิน เพื่อให้ได้เอาต์พุตเลเซอร์ที่มีเกณฑ์ต่ำและแถบความกว้างแคบ

รูปที่ 2 (ก) ภาพร่างแผนผังของเลเซอร์ไฟเบอร์ SLC
(b) รูปทรงเส้นของสัญญาณเฮเทอโรไดน์ที่วัดด้วยความล่าช้าของใยแก้วนำแสง 97.6 กม.