Tecnologia de font làser per a la detecció de fibra òptica

Tecnologia de font làser per afibra òpticaSensació de la primera part

La tecnologia de detecció de fibra òptica és una mena de tecnologia de detecció desenvolupada juntament amb la tecnologia de fibra òptica i la tecnologia de comunicació de fibra òptica, i s’ha convertit en una de les branques més actives de la tecnologia fotoelèctrica. El sistema de detecció de fibra òptica es compon principalment de làser, fibra de transmissió, element de detecció o àrea de modulació, detecció de llum i altres parts. Els paràmetres que descriuen les característiques de l’ona de llum inclouen la intensitat, la longitud d’ona, la fase, l’estat de polarització, etc. Aquests paràmetres es poden canviar per influències externes en la transmissió de fibra òptica. Per exemple, quan la temperatura, la tensió, la pressió, el corrent, el desplaçament, la vibració, la rotació, la flexió i la quantitat química afecten la ruta òptica, aquests paràmetres canvien de manera corresponent. La detecció de fibra òptica es basa en la relació entre aquests paràmetres i factors externs per detectar les quantitats físiques corresponents.

Hi ha molts tipus deFont làserS'utilitza en sistemes de detecció de fibra òptica, que es poden dividir en dues categories: coherentFonts làseri fonts de llum incoherents, incoherentsFonts de llumInclouen principalment la llum incandescent i els díodes emissors de llum i les fonts de llum coherents inclouen làsers sòlids, làsers líquids, làsers de gas,làser semiconductorilàser de fibra. El següent és principalment per alFont de llum làseràmpliament utilitzat en el camp de la detecció de fibres en els darrers anys: làser de freqüència de freqüència de línia estreta, làser de freqüència de longitud d’ona d’una sola làser i làser blanc.

1.1 Requisits per a l'amplada de línia estretaFonts de llum làser

El sistema de detecció de fibra òptica no es pot separar de la font làser, ja que el portador de llum del portador de senyal Mesurat, el propi rendiment de la llum de la llum làser, com ara l'estabilitat de potència, l'amplada de línia làser, el soroll de fase i altres paràmetres en la distància de detecció del sistema de detecció del sistema de fibra òptica, la precisió de la detecció, la sensibilitat i les característiques del soroll tenen un paper decisiu. En els darrers anys, amb el desenvolupament de sistemes de detecció de fibra òptica d’ultra resolució de llarga distància, l’àmbit acadèmic i la indústria han presentat requisits més estrictes per al rendiment de l’amplada de línia de la miniaturització làser, principalment en: la reflexió de domini de freqüència òptica metres). Els avantatges de l’alta resolució (resolució a nivell de mil·límetre) i d’alta sensibilitat (fins a -100 dBm) s’han convertit en una de les tecnologies amb àmplies perspectives d’aplicació en la tecnologia distribuïda de mesurament i detecció de fibra òptica. El nucli de la tecnologia OFDR és utilitzar una font de llum ajustable per aconseguir una sintonia de freqüència òptica, de manera que el rendiment de la font làser determina els factors clau com ara el rang de detecció de OFDR, la sensibilitat i la resolució. Quan la distància del punt de reflexió estigui a prop de la longitud de coherència, la intensitat del senyal de ritme serà atenuada exponencialment pel coeficient τ/τc. Per a una font de llum gaussiana amb una forma espectral, per assegurar -se que la freqüència de ritme té més del 90% de visibilitat, la relació entre l’amplada de la línia de la font de llum i la longitud de detecció màxima que el sistema pot aconseguir és LMAX ~ 0,04VG/F, cosa que significa que per a una fibra amb una longitud de 80 km, l’amplada de la línia de la font de la llum és inferior a 100 Hz. A més, el desenvolupament d’altres aplicacions també va plantejar requisits més elevats per a l’amplada de línia de la font de llum. Per exemple, en el sistema d’hidròfon de fibra òptica, l’amplada de línia de la font de llum determina el soroll del sistema i també determina el senyal mínim mesurable del sistema. En el reflector de domini de temps òptic de Brillouin (BOTDR), la resolució de mesurament de la temperatura i l'estrès es determina principalment per l'amplada de línia de la font de llum. En un giro de fibra òptica de ressonador, la longitud de coherència de l’ona de llum es pot augmentar reduint l’amplada de la línia de la font de llum, millorant així la profunditat i la profunditat de ressonància del ressonador, reduint l’amplada de la línia del ressonador i seguint la precisió de la mesura de la fibra òptica.

1.2 Requisits per a fonts làser d’escombrat

El làser d’escombrat de longitud d’ona única té un rendiment d’afinació de longitud d’ona flexible, pot substituir làsers de longitud d’ona fixa de sortida múltiples, reduir el cost de la construcció del sistema, és una part indispensable del sistema de detecció de fibra òptica. Per exemple, en la detecció de fibra de gas de traça, diferents tipus de gasos tenen diferents pics d’absorció de gas. Per tal d’assegurar l’eficiència d’absorció de la llum quan el gas de mesura és suficient i aconseguir una sensibilitat de mesurament més elevada, cal alinear la longitud d’ona de la font de llum de transmissió amb el pic d’absorció de la molècula de gas. El tipus de gas que es pot detectar està essencialment determinat per la longitud d’ona de la font de llum de detecció. Per tant, els làsers d’amplada de línia estrets amb un rendiment d’afinació de banda ampla estable tenen una major flexibilitat de mesurament en aquests sistemes de detecció. Per exemple, en alguns sistemes de detecció de fibra òptica distribuïts basats en la reflexió del domini de freqüència òptica, el làser ha de ser arrasat periòdicament per assolir la detecció coherent i la demodulació de senyals òptics, de manera que la velocitat de modulació de la font làser té requisits relativament alts, i la velocitat d’escombra del làser regulable sol ser necessària per arribar a les 10 pm/μs. A més, el làser de línia estreta ajustable de longitud d’ona també es pot utilitzar àmpliament en lidar, teledetecció làser i anàlisi espectral d’alta resolució i altres camps de detecció. Per tal de complir els requisits dels paràmetres d’alt rendiment de l’ample de banda d’afinació, la precisió de l’afinació i la velocitat d’afinació dels làsers d’una sola longitud d’ona en el camp de la detecció de fibres, l’objectiu general d’estudiar làsers de fibra d’amplada estreta ajustables en els últims anys Freqüència i potència de sortida ultra estable.

1.3 Demanda de font de llum làser blanc

En el camp de la detecció òptica, el làser de llum blanca d’alta qualitat té una gran importància per millorar el rendiment del sistema. Com més àmplia és la cobertura de l’espectre del làser de llum blanca, més extensa és la seva aplicació en el sistema de detecció de fibres òptiques. Per exemple, quan s’utilitzen fibra Bragg Grating (FBG) per construir una xarxa de sensors, es podria utilitzar una anàlisi espectral o un mètode de concordança de filtres ajustable per a la demodulació. El primer va utilitzar un espectròmetre per provar directament cada longitud d'ona ressonant FBG a la xarxa. Aquest últim utilitza un filtre de referència per rastrejar i calibrar el FBG en la detecció, ambdues que requereixen una font de llum de banda ampla com a font de llum de prova per al FBG. Com que cada xarxa d’accés FBG tindrà una certa pèrdua d’inserció i té una amplada de banda superior a 0,1 nm, la demodulació simultània de múltiples FBG requereix una font de llum de banda ampla amb alta potència i amplada de banda alta. Per exemple, quan s’utilitza una reixa de fibra de llarg període (LPFG) per a la detecció, ja que l’ample de banda d’un pic de pèrdua única es troba en l’ordre de 10 nm, es requereix una font de llum d’ampli espectre amb amplada de banda suficient i un espectre relativament pla per caracteritzar amb precisió les seves característiques de pic ressonant. En particular, la reixa de fibra acústica (AIFG) construïda mitjançant l'ús d'efecte acousto-òptic pot aconseguir un rang d'afinació de longitud d'ona ressonant de fins a 1000 nm mitjançant sintonia elèctrica. Per tant, les proves dinàmiques de reixeta amb un rang d’afinació tan ultra ampli suposa un gran repte per a l’ample de banda d’una font de llum d’ampli espectre. De la mateixa manera, en els darrers anys, la reixa de fibra Bragg inclinada també s’ha utilitzat àmpliament en el camp de la detecció de fibres. A causa de les seves característiques de l'espectre de pèrdues multi-pic, el rang de distribució de longitud d'ona normalment pot arribar als 40 nm. El seu mecanisme de detecció sol comparar el moviment relatiu entre diversos pics de transmissió, per la qual cosa cal mesurar completament el seu espectre de transmissió. L’amplada de banda i la potència de l’ampli font de la llum de l’espectre són necessaris.

2. Estat de recerca a casa i a l'estranger

2.1 Font de llum làser de l'amplada de línia estreta

2.1.1 Làser de feedback distribuït de semiconductors de l'amplada de línia

El 2006, Clixhe et al. va reduir l'escala de semiconductors MHZLàser DFB(làser de retroalimentació distribuïda) a escala KHZ mitjançant el mètode de retroalimentació elèctrica; El 2011, Kessler et al. va utilitzar una cavitat de cristall única de temperatura baixa i alta estabilitat combinada amb el control de retroalimentació activa per obtenir una sortida làser de 40 MHz; El 2013, Peng et al van obtenir una sortida làser de semiconductors amb una amplada de línia de 15 kHz mitjançant el mètode d’ajust de retroalimentació de Fabry-Perot (FP) extern. El mètode de retroalimentació elèctrica va utilitzar principalment la retroalimentació de la freqüència de freqüència de la freqüència de la freqüència de la freqüència per fer que es redueixi l'amplada de línia làser de la font de llum. El 2010, Bernhardi et al. va produir 1 cm de FBG d'alumina dopada per Erbium en un substrat d'òxid de silici per obtenir una sortida làser amb una amplada de línia d'uns 1,7 kHz. El mateix any, Liang et al. Va utilitzar la retroalimentació d’autoinjecció de la dispersió de Rayleigh endarrerida formada per un ressonador de paret d’eco d’alta q per a la compressió d’amplada de línia de làser de semiconductor, com es mostra a la figura 1, i finalment va obtenir una sortida làser d’amplada de línia estreta de 160 Hz.

Fig. 1 (a) Diagrama de compressió de línia làser de semiconductors basat en la dispersió de Rayleigh autoinjecta del ressonador de la galeria de xiuxiuejos externs;
(b) Espectre de freqüència del làser de semiconductors en marxa lliure amb amplada de línia de 8 MHz;
(c) Espectre de freqüència del làser amb amplada de línia comprimida a 160 Hz
2.1.2 Làser de fibra d’amplada de línia estreta

Per als làsers de fibra de cavitat lineal, la sortida làser de l'amplada de línia estreta del mode longitudinal únic s'obté reduint la longitud del ressonador i augmentant l'interval de mode longitudinal. El 2004, Spiegelberg et al. Va obtenir una única sortida làser de l'amplada de línia estreta longitudinal amb una amplada de línia de 2 kHz mitjançant el mètode de cavitat curta DBR. El 2007, Shen et al. Va utilitzar una fibra de silici dopada amb força de 2 cm per escriure FBG en una fibra fotosensible co-codificada per BI-GE, i la fusiona amb una fibra activa per formar una cavitat lineal compacta, cosa que fa que la seva línia de sortida làser sigui inferior a 1 kHz. El 2010, Yang et al. Va utilitzar una cavitat lineal curta de 2 cm altament dopada combinada amb un filtre FBG de banda estreta per obtenir una sortida làser longitudinal única amb una amplada de línia inferior a 2 kHz. El 2014, l'equip va utilitzar una cavitat lineal curta (ressonador d'anells plegats virtuals) combinat amb un filtre FBG-FP per obtenir una sortida làser amb una amplada de línia més estreta, com es mostra a la figura 3. El 2012, Cai et al. Va utilitzar una estructura de cavitat curta de 1,4cm per obtenir una sortida làser polaritzant amb una potència de sortida superior a 114 MW, una longitud d'ona central de 1540,3 nm i una amplada de la línia de 4,1 kHz. El 2013, Meng et al. S'utilitza la dispersió de Brillouin de fibra dopada per erbium amb una cavitat d'anell curta d'un dispositiu de preservació de biaix complet per obtenir una sortida làser de soroll de baixa fase amb una potència de sortida de 10 MW. El 2015, l'equip va utilitzar una cavitat d'anells composta per fibra dopada per erbium de 45 cm com el medi de dispersió de Brillouin per obtenir un llindar baix i una sortida làser d'amplada de línia estreta.

Fig. 2 (a) Dibuix esquemàtic del làser de fibra SLC;
(b) Lines del senyal Heterodyne mesurat amb un retard de fibra de 97,6 km