Teknoloġija tas-sors bil-lejżer għalfibra ottikaL-Ewwel Parti Sensing
It-teknoloġija tas-sensing tal-fibra ottika hija tip ta 'teknoloġija ta' senser 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 'senser tal-fibra ottika hija prinċipalment magħmula minn laser, fibra ta' trasmissjoni, element ta 'sensing jew żona ta' modulazzjoni, skoperta ta 'dawl u partijiet oħra. Il-parametri li jiddeskrivu l-karatteristiċi tal-mewġ tad-dawl jinkludu intensità, tul ta 'mewġa, fażi, stat ta' polarizzazzjoni, eċċ. Dawn il-parametri jistgħu jinbidlu minn influwenzi esterni fit-trasmissjoni 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-passaġġ ottiku, dawn il-parametri jinbidlu b'mod korrispondenti. Is-sensing tal-fibra ottika huwa bbażat fuq ir-relazzjoni bejn dawn il-parametri u fatturi esterni biex jindividwaw il-kwantitajiet fiżiċi korrispondenti.
Hemm ħafna tipi ta 'sors tal-lejżerUżat f'sistemi ta 'senser tal-fibra ottika, li jistgħu jinqasmu f'żewġ kategoriji: koerentiSorsi tal-lejżeru sorsi tad-dawl inkoerenti, inkoerentiSorsi tad-dawlPrinċipalment jinkludu dijodi inkandexxenti tad-dawl u 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 bil-lejżerUżat ħafna fil-qasam tas-senser tal-fibra f'dawn l-aħħar snin: wisa 'tal-linja dejqa ta' laser ta 'frekwenza waħda, laser ta' frekwenza ta 'mewġ ta' mewġ wieħed u laser abjad.
1.1 Rekwiżiti għal Linewidth dejqaSorsi tad-dawl tal-lejżer
Sistema ta 'senser tal-fibra ottika ma tistax tiġi separata mis-sors tal-lejżer, billi l-mewġa tad-dawl tat-trasportatur tas-sinjal imkejjel, is-sors tad-dawl tal-lejżer innifsu, bħal stabbiltà tal-qawwa, wisa' tal-lejżer, ħoss tal-fażi u parametri oħra fuq id-distanza ta 'sejbien tas-sistema tal-fibra ottika, preċiżjoni tal-iskoperta, sensittività u karatteristiċi tal-ħoss għandhom rwol deċiżiv. Fis-snin reċenti, 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-linja ta 'minjaturizzazzjoni tal-lejżer, l-aktar f': teknoloġija ta 'riflessjoni ta' frekwenza ottika (OFDR) tuża teknoloġija ta 'skoperta koerenti biex tanalizza l-backrayleigh ta' sinjali ottiċi fid-dominju tal-frekwenza, b'kopertura ta 'frekwenza, b'kopertura ta' frekwenza, b'kovertura wiesgħa (eli ta 'metri). Il-vantaġġi ta 'riżoluzzjoni għolja (riżoluzzjoni ta' livell millimetru) u sensittività għolja (sa -100 dBm) saru waħda mit-teknoloġiji bi prospetti ta 'applikazzjoni wiesgħa fil-kejl tal-fibra ottika distribwita u t-teknoloġija tas-sensing. Il-qalba tat-teknoloġija OFDR hija li tuża sors ta 'dawl sintonizzabbli biex tinkiseb irfinar ta' frekwenza ottika, u għalhekk il-prestazzjoni tas-sors tal-lejżer tiddetermina l-fatturi ewlenin bħall-firxa ta 'sejbien ta' OFDR, sensittività u riżoluzzjoni. Meta d-distanza tal-punt ta 'riflessjoni tkun viċin it-tul tal-koerenza, l-intensità tas-sinjal tat-taħbit tkun attenwata b'mod esponenzjali mill-koeffiċjent τ / τc. Għal sors ta 'dawl Gaussjan b'forma spettrali, sabiex tkun żgurata li l-frekwenza ta' taħbit għandha aktar minn 90% viżibilità, ir-relazzjoni bejn il-wisa 'tal-linja tas-sors tad-dawl u t-tul massimu ta' sensing li s-sistema tista 'tikseb hija LMAX ~ 0.04VG / F, li jfisser li għal fibra b'tul ta' 80 km, il-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-fibra ottika tal-fibra, 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 ta 'Brillouin (BOTDR), ir-riżoluzzjoni tal-kejl tat-temperatura u l-istress hija ddeterminata prinċipalment mill-wisa' tal-linja tas-sors tad-dawl. Fil-ġiroskopju tal-fibra ottika tar-reżonatur, it-tul tal-koerenza tal-mewġa tad-dawl jista 'jiżdied billi titnaqqas il-wisa' tal-linja tas-sors tad-dawl, u b'hekk ittejjeb il-fond tal-finezza u r-reżonanza tar-reżonatur, tnaqqas il-wisa 'tal-linja tar-reżonatur, u tiżgura l-eżattezza tal-kejl tal-fibra ottika.
1.2 Rekwiżiti għal Sorsi tal-Laser Sweep
Laser tal-knis ta 'tul ta' mewġa waħdieni għandu prestazzjoni flessibbli ta 'l-irfinar tat-tul ta' mewġa, jista 'jissostitwixxi l-lejżers ta' tul ta 'mewġa fiss multiplu, inaqqsu l-ispiża tal-kostruzzjoni tas-sistema, hija parti indispensabbli tas-sistema ta' sensing tal-fibra ottika. Pereżempju, fit-traċċa tal-fibra tal-gass, 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 jinkiseb sensittività ogħla tal-kejl, huwa meħtieġ li tiġi allinjata t-tul tal-mewġa tas-sors tad-dawl tat-trasmissjoni mal-quċċata tal-assorbiment tal-molekula tal-gass. It-tip ta 'gass li jista' jiġi skopert huwa essenzjalment determinat mit-tul ta 'mewġa tas-sors tad-dawl sensittiv. Għalhekk, lejżers dojoq tal-wisa 'tal-linja b'rendiment stabbli ta' l-irfinar tal-broadband għandhom flessibilità ta 'kejl ogħla f'dawn is-sistemi ta' sensing. Pereżempju, f'xi sistemi ta 'sensing tal-fibra ottika mqassma bbażati fuq riflessjoni tad-dominju tal-frekwenza ottika, il-laser jeħtieġ li jkun miknusa malajr perjodikament biex tinkiseb skoperta koerenti ta' preċiżjoni għolja u demodulazzjoni ta 'sinjali ottiċi, u 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 tal-linja dojoq sintonizzabbli jista 'jintuża wkoll ħafna fil-lidar, telerilevament bil-lejżer u analiżi spettrali b'riżoluzzjoni għolja u oqsma oħra ta' sensing. Sabiex jintlaħqu r-rekwiżiti ta 'parametri ta' prestazzjoni għolja ta 'l-irfinar tal-bandwidth, l-eżattezza tal-irfinar u l-veloċità tal-irfinar tal-lejżers ta' mewġ wieħed fil-qasam tas-sensing tal-fibra, l-għan ġenerali li jiġu studjati lejżers tal-fibra dejqa ta 'wisa' dojoq f'dawn l-aħħar snin huwa li tinkiseb irfinar ta 'preċiżjoni għolja f'medda ta' tul ta 'mewġa akbar fuq il-bażi ta' l-insegwiment ta 'l-ultra-garża LineWidth, ultra-low ta' fażi tal-istorbju Frekwenza u qawwa ultra-stabbli tal-ħruġ.
1.3 Id-domanda għal sors tad-dawl tal-lejżer abjad
Fil-qasam tas-sensing ottiku, laser abjad ta 'kwalità għolja huwa ta' sinifikat kbir biex itejjeb il-prestazzjoni tas-sistema. Iktar ma tkun wiesgħa l-kopertura tal-ispettru tal-lejżer tad-dawl abjad, iktar tkun estensiva l-applikazzjoni tagħha fis-sistema ta 'sensing tal-fibra ottika. Pereżempju, meta tuża ħakk tal-fibra Bragg (FBG) biex tibni netwerk tas-sensuri, analiżi spettrali jew metodu ta 'tqabbil tal-filtru sintonizzabbli jistgħu jintużaw għad-demodulazzjoni. L-ewwel uża spettrometru biex jittestja direttament kull tul ta 'mewġa ta' reżonanti FBG fin-netwerk. Dan tal-aħħar juża filtru ta 'referenza biex jintraċċa u jikkalibra l-FBG fis-sensing, it-tnejn li huma jeħtieġu sors ta' dawl tal-broadband bħala sors tad-dawl tat-test għall-FBG. Minħabba li kull netwerk ta 'aċċess FBG se jkollu ċertu telf ta' inserzjoni, u għandu wisa 'ta' frekwenza ta 'aktar minn 0.1 nm, id-demodulazzjoni simultanja ta' FBG multipla teħtieġ sors ta 'dawl tal-broadband b'qawwa għolja u wisa' tal-frekwenza għolja. Pereżempju, meta tuża ħakk 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, sors ta 'dawl ta' spettru wiesa 'bi wisa' tal-frekwenza suffiċjenti u spettru relattivament ċatt huwa meħtieġ biex jikkaratterizza b'mod preċiż il-karatteristiċi tal-quċċata tar-reżonanza tiegħu. B'mod partikolari, il-ħakk tal-fibra akustika (AIFG) mibni bl-użu ta 'effett akusto-ottiku jista' jikseb firxa ta 'rfinar ta' tul ta 'mewġa reżonanti sa 1000 nm permezz ta' irfinar elettriku. Għalhekk, ittestjar dinamiku tal-ħakk b'tali firxa ta 'rfinar ultra-wiesgħa joħloq sfida kbira għall-firxa tal-wisa' tal-frekwenza ta 'sors ta' dawl ta 'spettru wiesa'. Bl-istess mod, f'dawn l-aħħar snin, il-ħakk tal-fibra Bragg inklina ntuża wkoll ħafna fil-qasam tas-sensing tal-fibra. Minħabba l-karatteristiċi tal-ispettru tat-telf multi-quċċata tiegħu, il-firxa ta 'distribuzzjoni tat-tul ta' mewġa normalment tista 'tilħaq 40 nm. Il-mekkaniżmu ta 'senser tiegħu huwa ġeneralment li jqabbel il-moviment relattiv bejn il-qċaċet ta' trasmissjoni multipli, u għalhekk huwa meħtieġ li titkejjel kompletament l-ispettru ta 'trasmissjoni tiegħu. Il-wisa 'tal-frekwenza u l-qawwa tas-sors tad-dawl tal-ispettru wiesa' huma meħtieġa li jkunu ogħla.
2. Status ta 'Riċerka fid-dar u barra
2.1 Sors tad-Dawl tal-Laser Linewidth Narrow
2.1.1 Linewidth Semiconductor Dejqa Distribut Feedback Laser
Fl-2006, Cliche et al. naqqset l-iskala MHz ta 'semikondutturiLaser DFB(Laser ta 'feedback distribwit) għal skala KHz bl-użu ta' metodu ta 'feedback elettriku; Fl-2011, Kessler et al. Użat f'temperatura baxxa u stabbiltà għolja kavità tal-kristall wieħed flimkien ma 'kontroll ta' feedback attiv biex tinkiseb output tal-laser tal-linja tal-linja ultra-narriera ta '40 MHz; Fl-2013, Peng et al kisbu output tal-lejżer semikondutturi b'wisa 'ta' 15 kHz billi uża l-metodu ta 'aġġustament ta' feedback estern Fabry-Perot (FP). Il-metodu ta 'feedback elettriku uża prinċipalment ir-rispons ta' stabbilizzazzjoni tal-frekwenza ta 'l-għadira ta' l-għadira biex isir il-linja ta 'l-għadam tas-sors tad-dawl. Fl-2010, Bernhardi et al. Prodott 1 cm ta 'FBG ta' l-alumina doped mill-erbium fuq substrat ta 'ossidu tas-silikon biex tinkiseb output tal-lejżer b'wisa' tal-linja ta 'madwar 1.7 kHz. Fl-istess sena, Liang et al. Uża l-feedback ta 'l-awto-injezzjoni ta' tifrix ta 'Rayleigh b'lura ffurmata minn reżonatur tal-ħajt ta' l-eku għoli għal kompressjoni ta 'wisa' tal-linja tal-lejżer semikondutturi, kif muri fil-Figura 1, u fl-aħħar kiseb produzzjoni tal-lejżer b'linja dejqa ta '160 Hz.
Fig. 1 (a) dijagramma ta 'kompressjoni tal-wisa' tal-linja tal-lejżer semikondutturi bbażata fuq it-tifrix ta 'rayleigh awto-injezzjoni ta' reżonatur tal-modalità tal-gallerija whispering estern;
(b) l-ispettru tal-frekwenza tal-lejżer tas-semikondutturi li jaħdem ħielsa b'wisa 'tal-linja ta' 8 MHz;
(c) Spettru tal-frekwenza tal-lejżer bil-wisa 'tal-linja kkompressata għal 160 Hz
2.1.2 Laser tal-fibra tal-linja tal-linja dejqa
Għal lasers tal-fibra tal-kavità lineari, il-ħruġ tal-laser tal-linja tal-linja dejqa tal-mod lonġitudinali wieħed huwa miksub billi tqassar it-tul tar-reżonatur u żżid l-intervall tal-mod lonġitudinali. Fl-2004, Spiegelberg et al. kiseb modalità lonġitudinali waħda dejqa tal-linja tal-laser b'wisa 'tal-linja ta' 2 kHz bl-użu ta 'metodu ta' kavità qasira DBR. Fl-2007, Shen et al. Użat 2 cm b'fibra tas-silikon doped ħafna mill-erbium biex tikteb FBG fuq fibra fotosensittiva bi-ge ko-doped, u mdewwebha b'fibra attiva biex tifforma kavità lineari kompatta, li tagħmel il-wisa 'tal-linja tal-laser tagħha inqas minn 1 kHz. Fl-2010, Yang et al. Użat kavità lineari qasira ta '2cm doped ħafna flimkien ma' filtru FBG ta 'faxxa dejqa biex tinkiseb output tal-lejżer b'modalità lonġitudinali waħda b'wisa' tal-linja ta 'inqas minn 2 kHz. Fl-2014, it-tim uża kavità lineari qasira (reżonatur taċ-ċirku mitwi virtwali) flimkien ma 'filtru FBG-FP biex jikseb output tal-lejżer b'wisa' tal-linja idjaq, kif muri fil-Figura 3. Fl-2012. Fl-2012, Cai et al. Użat struttura ta 'kavità qasira ta' 1.4cm biex tikseb output tal-lejżer polarizzanti b'qawwa ta 'ħruġ akbar minn 114 MW, tul ta' mewġa ċentrali ta '1540.3 nm, u wisa' tal-linja ta '4.1 kHz. Fl-2013, Meng et al. Użat it-tifrix ta 'brillouin ta' fibra doped ta 'erbium b'kavità ta' ċirku qasir ta 'apparat li jippreserva l-bias sħiħ biex tinkiseb mod wieħed ta' lon-longtudinali, b'fażi baxxa ta 'l-istorbju tal-lejżer b'qawwa ta' ħruġ ta '10 mW. Fl-2015, it-tim uża kavità taċ-ċirku magħmul minn fibra doped ta '45 cm erbium bħala l-qligħ ta' tifrix ta 'Brillouin biex jikseb limitu baxx u output dojoq tal-laser tal-linja tal-linja.
Fig. 2 (a) tpinġija skematika tal-laser tal-fibra SLC;
(b) Lineshape tas-sinjal heterodne imkejjel b'97.6 km fibra dewmien
Ħin ta 'wara: 20-2023 ta' Novembru