Teknoloġija tas-sors tal-lejżer għalfibra ottikasensing Parti Ewwel
It-teknoloġija ta 'sensing tal-fibra ottika hija tip ta' teknoloġija ta 'sensing żviluppata flimkien mat-teknoloġija tal-fibra ottika u t-teknoloġija tal-komunikazzjoni tal-fibra ottika, u saret waħda mill-aktar fergħat attivi tat-teknoloġija fotoelettrika. Sistema ta 'sensing tal-fibra ottika hija magħmula prinċipalment minn laser, fibra ta' trasmissjoni, element sensing jew żona ta 'modulazzjoni, skoperta tad-dawl u partijiet oħra. Il-parametri li jiddeskrivu l-karatteristiċi tal-mewġ tad-dawl jinkludu intensità, wavelength, fażi, stat ta 'polarizzazzjoni, eċċ. Dawn il-parametri jistgħu jinbidlu minn influwenzi esterni fit-trażmissjoni tal-fibra ottika. Pereżempju, meta t-temperatura, ir-razza, il-pressjoni, il-kurrent, l-ispostament, il-vibrazzjoni, ir-rotazzjoni, il-liwi u l-kwantità kimika jaffettwaw il-mogħdija ottika, dawn il-parametri jinbidlu b'mod korrispondenti. Sensing tal-fibra ottika hija bbażata fuq ir-relazzjoni bejn dawn il-parametri u fatturi esterni biex tiskopri l-kwantitajiet fiżiċi korrispondenti.
Hemm ħafna tipi ta 'sors tal-laserużati f'sistemi ta 'sensing tal-fibra ottika, li jistgħu jinqasmu f'żewġ kategoriji: koerentisorsi tal-laseru sorsi tad-dawl inkoerenti, inkoerentisorsi tad-dawlprinċipalment jinkludu dawl inkandexxenti u dajowds li jarmu d-dawl, u sorsi tad-dawl koerenti jinkludu lejżers solidi, lejżers likwidi, lejżers tal-gass,laser semikondutturulaser tal-fibra. Dan li ġej huwa prinċipalment għall-sors tad-dawl tal-laserużat ħafna fil-qasam tas-sensing tal-fibra f'dawn l-aħħar snin: laser ta 'frekwenza waħda b'wisa' ta 'linja dejqa, laser ta' frekwenza ta 'knis b'tul ta' mewġ wieħed u laser abjad.
1.1 Rekwiżiti għal wisa' tal-linja dejqasorsi tad-dawl tal-laser
Sistema ta 'sensing tal-fibra ottika ma tistax tiġi sseparata mis-sors tal-lejżer, peress li l-mewġa tad-dawl tal-ġarrier tas-sinjali mkejla, sors tad-dawl tal-laser innifsu prestazzjoni, bħall-istabbiltà tal-enerġija, wisa' tal-linja tal-laser, ħsejjes tal-fażi u parametri oħra fuq id-distanza ta 'skoperta tas-sistema ta' sensing tal-fibra ottika, skoperta l-eżattezza, is-sensittività u l-karatteristiċi tal-istorbju għandhom rwol deċiżiv. F'dawn l-aħħar snin, bl-iżvilupp ta 'sistemi ta' sensing tal-fibra ottika b'riżoluzzjoni ultra-għolja fuq distanza twila, l-akkademja u l-industrija ressqu rekwiżiti aktar stretti għall-prestazzjoni tal-wisa 'tal-linja tal-minjaturizzazzjoni tal-lejżer, prinċipalment fi: riflessjoni tad-dominju tal-frekwenza ottika (OFDR) teknoloġija tuża koerenti teknoloġija ta 'skoperta biex tanalizza s-sinjali backrayleigh imxerrda ta' fibri ottiċi fid-dominju tal-frekwenza, b'kopertura wiesgħa (eluf ta 'metri). Il-vantaġġi ta 'riżoluzzjoni għolja (riżoluzzjoni ta' livell ta 'millimetru) u sensittività għolja (sa -100 dBm) saru waħda mit-teknoloġiji bi prospetti wiesgħa ta' applikazzjoni f'teknoloġija ta 'kejl u sensing ta' fibra ottika distribwita. Il-qalba tat-teknoloġija OFDR hija li tuża sors tad-dawl tunable biex tikseb l-irfinar tal-frekwenza ottika, sabiex il-prestazzjoni tas-sors tal-lejżer tiddetermina l-fatturi ewlenin bħall-firxa ta 'skoperta OFDR, sensittività u riżoluzzjoni. Meta d-distanza tal-punt ta 'riflessjoni tkun qrib it-tul tal-koerenza, l-intensità tas-sinjal tat-taħbit tkun attenwata b'mod esponenzjali mill-koeffiċjent τ/τc. Għal sors tad-dawl Gaussian b'forma spettrali, sabiex jiġi żgurat li l-frekwenza tat-taħbit ikollha aktar minn 90% viżibilità, ir-relazzjoni bejn il-wisa 'tal-linja tas-sors tad-dawl u t-tul massimu tas-sensing li s-sistema tista' tikseb hija Lmax ~ 0.04vg /f, li jfisser li għal fibra b'tul ta '80 km, il-wisa' tal-linja tas-sors tad-dawl hija inqas minn 100 Hz. Barra minn hekk, l-iżvilupp ta 'applikazzjonijiet oħra ressaq ukoll rekwiżiti ogħla għall-wisa' tal-linja tas-sors tad-dawl. Pereżempju, fis-sistema tal-idrofon tal-fibra ottika, il-wisa 'tal-linja tas-sors tad-dawl tiddetermina l-istorbju tas-sistema u tiddetermina wkoll is-sinjal minimu li jista' jitkejjel tas-sistema. Fir-riflettur tad-dominju tal-ħin ottiku Brillouin (BOTDR), ir-riżoluzzjoni tal-kejl tat-temperatura u l-istress hija ddeterminata prinċipalment mill-wisa 'tal-linja tas-sors tad-dawl. F'gyro tal-fibra ottika tar-resonatur, it-tul tal-koerenza tal-mewġ tad-dawl jista 'jiżdied billi titnaqqas il-wisa' tal-linja tas-sors tad-dawl, u b'hekk tittejjeb il-finezza u l-fond tar-reżonanza tar-resonatur, tnaqqas il-wisa 'tal-linja tar-resonatur, u tiżgura l-kejl l-eżattezza tal-gyro tal-fibra ottika.
1.2 Rekwiżiti għal sorsi tal-laser tal-knis
Wavelength wavelength sweep laser għandu prestazzjoni flessibbli irfinar wavelength, jista 'jissostitwixxi lejżers ta' wavelength fissi ta 'output multipli, inaqqas l-ispiża tal-kostruzzjoni tas-sistema, hija parti indispensabbli tas-sistema ta' sensing tal-fibra ottika. Pereżempju, fis-sensing tal-fibra tal-gass traċċa, tipi differenti ta 'gassijiet għandhom qċaċet differenti ta' assorbiment tal-gass. Sabiex tiġi żgurata l-effiċjenza tal-assorbiment tad-dawl meta l-gass tal-kejl ikun biżżejjed u tinkiseb sensittività ogħla tal-kejl, huwa meħtieġ li l-wavelength tas-sors tad-dawl tat-trasmissjoni jiġi allinjat mal-quċċata tal-assorbiment tal-molekula tal-gass. It-tip ta 'gass li jista' jiġi skopert huwa essenzjalment iddeterminat mill-wavelength tas-sors tad-dawl sensing. Għalhekk, lejżers tal-wisa 'tal-linja dejqa b'prestazzjoni stabbli tal-irfinar tal-broadband għandhom flessibilità ogħla ta' kejl f'sistemi ta 'sensing bħal dawn. Pereżempju, f'xi sistemi ta' sensing tal-fibra ottika mqassma bbażati fuq riflessjoni tad-dominju tal-frekwenza ottika, il-laser jeħtieġ li jiġi miknus malajr perjodikament biex jinkiseb sejbien koerenti ta 'preċiżjoni għolja u demodulazzjoni ta' sinjali ottiċi, għalhekk ir-rata ta 'modulazzjoni tas-sors tal-lejżer għandha rekwiżiti relattivament għoljin , u l-veloċità tal-knis tal-laser aġġustabbli hija ġeneralment meħtieġa biex tilħaq 10 pm/μs. Barra minn hekk, il-laser tal-linja dejqa tunable wavelength jista 'jintuża wkoll b'mod wiesa' f'liDAR, laser remote sensing u analiżi spettrali b'riżoluzzjoni għolja u oqsma oħra ta 'sensing. Sabiex tissodisfa r-rekwiżiti ta 'parametri ta' prestazzjoni għolja tal-wisa 'tal-frekwenza tal-irfinar, l-eżattezza tal-irfinar u l-veloċità tal-irfinar ta' lejżers b'tul ta 'mewġ wieħed fil-qasam tas-sensing tal-fibra, l-għan ġenerali tal-istudju ta' lejżers tal-fibra b'wisa 'dejqa tunable f'dawn l-aħħar snin huwa li jinkiseb high- irfinar ta 'preċiżjoni f'firxa akbar ta' wavelength fuq il-bażi li jsegwu wisa 'tal-linja tal-laser ultra-dejqa, storbju tal-fażi ultra-baxx, u frekwenza u qawwa tal-ħruġ ultra-stabbli.
1.3 Domanda għal sors tad-dawl abjad tal-laser
Fil-qasam tas-sensing ottiku, laser ta 'dawl abjad ta' kwalità għolja huwa ta 'sinifikat kbir biex itejjeb il-prestazzjoni tas-sistema. Aktar ma tkun wiesgħa l-kopertura tal-ispettru tal-lejżer tad-dawl abjad, aktar tkun estensiva l-applikazzjoni tagħha fis-sistema ta 'sensing tal-fibra ottika. Per eżempju, meta tuża fibra Bragg grating (FBG) biex jinbena netwerk tas-sensuri, analiżi spettrali jew metodu ta 'tqabbil ta' filtru tunable jistgħu jintużaw għad-demodulazzjoni. L-ewwel uża spettrometru biex jittestja direttament kull wavelength reżonanti FBG fin-netwerk. Dan tal-aħħar juża filtru ta 'referenza biex isegwi u jikkalibra l-FBG fis-sensing, li t-tnejn jeħtieġu sors tad-dawl broadband bħala sors tad-dawl tat-test għall-FBG. Minħabba li kull netwerk ta 'aċċess FBG se jkollu ċertu telf ta' inserzjoni, u għandu bandwidth ta 'aktar minn 0.1 nm, id-demodulazzjoni simultanja ta' FBG multipli teħtieġ sors ta 'dawl broadband b'qawwa għolja u bandwidth għolja. Pereżempju, meta tuża l-grada tal-fibra ta 'perjodu twil (LPFG) għas-sensing, peress li l-wisa' tal-frekwenza ta 'quċċata ta' telf wieħed huwa fl-ordni ta '10 nm, huwa meħtieġ sors tad-dawl ta' spettru wiesa 'b'wisa' ta 'frekwenza suffiċjenti u spettru relattivament ċatt biex jikkaratterizza b'mod preċiż ir-reżonanza tiegħu. karatteristiċi tal-quċċata. B'mod partikolari, il-ħakk tal-fibra akustika (AIFG) mibni bl-użu ta 'effett akusto-ottiku jista' jikseb firxa ta 'rfinar ta' wavelength reżonanti sa 1000 nm permezz ta 'irfinar elettriku. Għalhekk, l-ittestjar dinamiku tal-ħakk b'firxa ta 'irfinar ultra wiesgħa bħal din joħloq sfida kbira għall-firxa tal-bandwidth ta' sors tad-dawl ta 'spettru wiesa'. Bl-istess mod, f'dawn l-aħħar snin, il-ħakk tal-fibra Bragg inklinat intuża wkoll ħafna fil-qasam tas-sensing tal-fibra. Minħabba l-karatteristiċi ta 'l-ispettru ta' telf multi-peak tagħha, il-firxa tad-distribuzzjoni tal-wavelength normalment tista 'tilħaq 40 nm. Il-mekkaniżmu ta 'sensing tiegħu huwa ġeneralment li jqabbel il-moviment relattiv fost il-qċaċet tat-trażmissjoni multipli, għalhekk huwa meħtieġ li jitkejjel l-ispettru tat-trażmissjoni tiegħu kompletament. Il-bandwidth u l-qawwa tas-sors tad-dawl ta 'spettru wiesa' huma meħtieġa li jkunu ogħla.
2. Status ta 'riċerka fid-dar u barra
2.1 Sors tad-dawl tal-laser tal-linja dejqa
2.1.1 Lejżer ta 'feedback distribwit semikonduttur ta' wisa' ta 'linja dejqa
Fl-2006, Cliche et al. naqqas l-iskala MHz tas-semikondutturiLejżer DFB(laser ta' feedback distribwit) għal skala kHz bl-użu ta' metodu ta' feedback elettriku; Fl-2011, Kessler et al. kavità tal-kristall wieħed ta 'temperatura baxxa u stabbiltà għolja użata flimkien ma' kontroll attiv ta 'feedback biex tikseb output tal-laser ta' wisa 'tal-linja ultra-dejqa ta' 40 MHz; Fl-2013, Peng et al kisbu output tal-lejżer semikonduttur b'wisa 'tal-linja ta' 15 kHz billi uża l-metodu ta 'aġġustament estern ta' feedback Fabry-Perot (FP). Il-metodu ta 'feedback elettriku prinċipalment uża r-rispons ta' stabbilizzazzjoni tal-frekwenza Pond-Drever-Hall biex jitnaqqas il-wisa 'tal-linja tal-laser tas-sors tad-dawl. Fl-2010, Bernhardi et al. ipproduċa 1 ċm ta 'alumina drogata bl-erbju FBG fuq substrat ta' ossidu tas-silikon biex tikseb output tal-lejżer b'wisa 'tal-linja ta' madwar 1.7 kHz. Fl-istess sena, Liang et al. uża r-rispons ta 'awto-injezzjoni ta' tixrid ta 'Rayleigh b'lura ffurmat minn resonator tal-ħajt ta' eku għoli Q għal kompressjoni tal-wisa 'tal-linja tal-laser semikondutturi, kif muri fil-Figura 1, u finalment kiseb output tal-laser b'wisa' ta 'linja dejqa ta' 160 Hz.
Fig. 1 (a) Dijagramma tal-kompressjoni tal-wisa 'tal-linja tal-laser tas-semikondutturi bbażata fuq it-tifrix ta' Rayleigh awto-injezzjoni tar-resonatur tal-modalità tal-gallarija tal-whispering estern;
(b) Spettru tal-frekwenza tal-laser semikonduttur li jaħdem b'mod ħieles b'wisa' tal-linja ta' 8 MHz;
(c) Spettru tal-frekwenza tal-laser b'wisa' tal-linja kompressat sa 160 Hz
2.1.2 Lejżer tal-fibra tal-linja dejqa
Għal lejżers tal-fibra tal-kavità lineari, l-output tal-laser tal-linja dejqa tal-modalità lonġitudinali waħda tinkiseb billi jitqassar it-tul tar-resonatur u jiżdied l-intervall tal-modalità lonġitudinali. Fl-2004, Spiegelberg et al. kiseb output tal-laser tal-linja dejqa tal-modalità lonġitudinali waħda b'wisa 'tal-linja ta' 2 kHz bl-użu tal-metodu ta 'kavità qasira DBR. Fl-2007, Shen et al. uża fibra tas-silikon ta '2 ċm ħafna drogata bl-erbju biex tikteb FBG fuq fibra fotosensittiva ko-dopeata Bi-Ge, u għaqqadha b'fibra attiva biex tifforma kavità lineari kompatta, u tagħmel il-wisa' tal-linja tal-ħruġ tal-laser tagħha inqas minn 1 kHz. Fl-2010, Yang et al. uża kavità lineari qasira ta '2cm drogata ħafna flimkien ma' filtru FBG ta 'medda dejqa biex tikseb output tal-lejżer b'mod lonġitudinali wieħed b'wisa' ta 'linja ta' inqas minn 2 kHz. Fl-2014, it-tim uża kavità lineari qasira (resonator taċ-ċirku mitwi virtwali) flimkien ma 'filtru FBG-FP biex jikseb output tal-lejżer b'wisa' ta 'linja idjaq, kif muri fil-Figura 3. Fl-2012, Cai et al. uża struttura ta 'kavità qasira ta' 1.4cm biex tikseb output tal-lejżer polarizzanti b'qawwa tal-ħruġ akbar minn 114 mW, wavelength ċentrali ta '1540.3 nm, u wisa' ta 'linja ta' 4.1 kHz. Fl-2013, Meng et al. uża t-tifrix Brillouin ta 'fibra drogata bl-erbju b'kavità ta' ċirku qasir ta 'apparat ta' preservazzjoni ta 'polarizzazzjoni sħiħa biex tikseb modalità lonġitudinali waħda, output tal-lejżer ta' storbju ta 'fażi baxxa b'qawwa tal-ħruġ ta' 10 mW. Fl-2015, it-tim uża kavità taċ-ċirku magħmul minn fibra drogata bl-erbju ta '45 ċm bħala l-mezz ta' gwadann tat-tifrix Brillouin biex jikseb limitu baxx u output tal-laser tal-linja dejqa.
Fig. 2 (a) Tpinġija skematika tal-laser tal-fibra SLC;
(b) Forma tal-linja tas-sinjal eterodin imkejjel b'dewmien tal-fibra ta '97.6 km
Ħin tal-post: Nov-20-2023