Teknoloġija tas-sors tal-lejżer għalfibra ottikaSensazzjoni Parti Wieħed
It-teknoloġija tas-sensing tal-fibra ottika hija tip ta' teknoloġija tas-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. Is-sistema tas-sensing tal-fibra ottika hija magħmula prinċipalment minn lejżer, fibra ta' trasmissjoni, element tas-sensing jew żona ta' modulazzjoni, skoperta tad-dawl u partijiet oħra. Il-parametri li jiddeskrivu l-karatteristiċi tal-mewġa tad-dawl jinkludu l-intensità, it-tul tal-mewġa, il-fażi, l-istat tal-polarizzazzjoni, eċċ. Dawn il-parametri jistgħu jinbidlu minn influwenzi esterni fit-trasmissjoni tal-fibra ottika. Pereżempju, meta t-temperatura, it-tensjoni, il-pressjoni, il-kurrent, l-ispostament, il-vibrazzjoni, ir-rotazzjoni, it-tgħawwiġ u l-kwantità kimika jaffettwaw il-mogħdija ottika, 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 jinstabu l-kwantitajiet fiżiċi korrispondenti.
Hemm ħafna tipi ta’sors tal-lejżerużat f'sistemi ta' sensing tal-fibra ottika, li jistgħu jinqasmu f'żewġ kategoriji: koerentisorsi tal-lejżeru sorsi tad-dawl inkoerenti, inkoerentisorsi tad-dawljinkludu prinċipalment dawl inkandexxenti u dijodi li jarmu d-dawl, u sorsi ta' dawl koerenti jinkludu lejżers solidi, lejżers likwidi, lejżers tal-gass,lejżer semikondutturulejżer tal-fibraDan li ġej huwa prinċipalment għall-sors tad-dawl bil-lejżerUżat ħafna fil-qasam tas-sensing tal-fibra f'dawn l-aħħar snin: lejżer ta' frekwenza waħda b'wisa' ta' linja dejqa, lejżer ta' frekwenza ta' knis b'tul ta' mewġa wieħed u lejżer abjad.
1.1 Rekwiżiti għal wisa' ta' linja dejqasorsi tad-dawl bil-lejżer
Is-sistema ta' sensing tal-fibra ottika ma tistax tiġi separata mis-sors tal-lejżer, billi l-mewġa tad-dawl li tittrasporta s-sinjal imkejla, is-sors tad-dawl tal-lejżer innifsu, bħall-istabbiltà tal-enerġija, il-wisa' tal-linja tal-lejżer, l-istorbju tal-fażi u parametri oħra fuq id-distanza ta' skoperta tas-sistema ta' sensing tal-fibra ottika, il-preċiżjoni tal-iskoperta, is-sensittività u l-karatteristiċi tal-istorbju għandhom rwol deċiżiv. Fi snin reċenti, bl-iżvilupp ta' sistemi ta' sensing tal-fibra ottika b'riżoluzzjoni ultra-għolja fuq distanzi twal, l-akkademja u l-industrija ressqu rekwiżiti aktar stretti għall-prestazzjoni tal-wisa' tal-linja tal-minjaturizzazzjoni tal-lejżer, prinċipalment f'dan ir-rigward: it-teknoloġija ta' riflessjoni fid-dominju tal-frekwenza ottika (OFDR) tuża teknoloġija ta' skoperta koerenti biex tanalizza s-sinjali mxerrda backrayleigh tal-fibri ottiċi fid-dominju tal-frekwenza, b'kopertura wiesgħa (eluf ta' metri). Il-vantaġġi ta' riżoluzzjoni għolja (riżoluzzjoni fil-livell ta' millimetru) u sensittività għolja (sa -100 dBm) saru waħda mit-teknoloġiji bi prospetti ta' applikazzjoni wiesgħa fit-teknoloġija distribwita tal-kejl u s-sensing tal-fibra ottika. Il-qalba tat-teknoloġija OFDR hija li tuża sors ta' dawl aġġustabbli biex tikseb l-irfinar tal-frekwenza ottika, għalhekk il-prestazzjoni tas-sors tal-lejżer tiddetermina l-fatturi ewlenin bħall-firxa ta' skoperta tal-OFDR, is-sensittività u r-riżoluzzjoni. Meta d-distanza tal-punt ta' riflessjoni tkun qrib it-tul tal-koerenza, l-intensità tas-sinjal tat-taħbit se titnaqqas b'mod esponenzjali bil-koeffiċjent τ/τc. Għal sors tad-dawl Gaussjan 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 ta' skoperta 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 idrofonika 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 prinċipalment determinata mill-wisa' tal-linja tas-sors tad-dawl. F'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 tittejjeb il-finezza u l-fond tar-reżonanza tar-reżonatur, titnaqqas il-wisa' tal-linja tar-reżonatur, u tiġi żgurata l-eżattezza tal-kejl tal-ġiroskopju tal-fibra ottika.
1.2 Rekwiżiti għal sorsi tal-lejżer tal-knis
Lejżer b'mewġa waħda ta' mewġa għandu prestazzjoni flessibbli ta' rfinar tal-mewġa, jista' jissostitwixxi lejżers b'mewġa fissa b'output multiplu, inaqqas l-ispiża tal-kostruzzjoni tas-sistema, huwa parti indispensabbli mis-sistema ta' sensing tal-fibra ottika. Pereżempju, fis-sensing tal-fibra tal-gass traċċabbli, 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 fil-kejl, huwa meħtieġ li l-mewġa tas-sors tad-dawl tat-trażmissjoni tiġi allinjata mal-qċaċet tal-assorbiment tal-molekula tal-gass. It-tip ta' gass li jista' jiġi skopert huwa essenzjalment determinat mit-tul tal-mewġa tas-sors tad-dawl tas-sensing. Għalhekk, lejżers b'wisa' tal-linja dojoq b'prestazzjoni stabbli ta' rfinar tal-broadband għandhom flessibbiltà ogħla fil-kejl f'sistemi ta' sensing bħal dawn. Pereżempju, f'xi sistemi ta' sensing tal-fibra ottika distribwiti bbażati fuq riflessjoni tad-dominju tal-frekwenza ottika, il-lejżer jeħtieġ li jiġi skannjat perjodikament malajr biex jinkiseb skoperta 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-lejżer aġġustabbli ġeneralment tkun meħtieġa li tilħaq 10 pm/μs. Barra minn hekk, il-lejżer b'wisa' tal-linja dojoq li jista' jiġi aġġustat bil-mewġa jista' jintuża wkoll b'mod wiesa' f'liDAR, sensing remot bil-lejżer u analiżi spettrali ta' riżoluzzjoni għolja u oqsma oħra ta' sensing. Sabiex jintlaħqu r-rekwiżiti ta' parametri ta' prestazzjoni għolja tal-bandwidth tal-irfinar, il-preċiżjoni tal-irfinar u l-veloċità tal-irfinar ta' lejżers b'tul ta' mewġa wieħed fil-qasam tas-sensing tal-fibra, l-għan ġenerali tal-istudju ta' lejżers tal-fibra b'wisa' dejqa li jistgħu jiġu aġġustati f'dawn l-aħħar snin huwa li jinkiseb irfinar ta' preċiżjoni għolja f'medda ta' wavelength akbar abbażi tal-insegwiment ta' wisa' tal-linja tal-lejżer ultra-dejqa, storbju tal-fażi ultra-baxx, u frekwenza u qawwa tal-ħruġ ultra-stabbli.
1.3 Id-domanda għal sors ta' dawl bil-lejżer abjad
Fil-qasam tas-sensing ottiku, laser tad-dawl abjad ta’ kwalità għolja huwa ta’ sinifikat kbir biex tittejjeb il-prestazzjoni tas-sistema. Iktar ma tkun wiesgħa l-kopertura tal-ispettru tal-laser tad-dawl abjad, iktar tkun estensiva l-applikazzjoni tiegħu fis-sistema ta’ sensing tal-fibra ottika. Pereżempju, meta jintuża l-fiber Bragg grating (FBG) biex tinbena netwerk ta’ sensuri, analiżi spettrali jew metodu ta’ tqabbil ta’ filtri sintonizzabbli jistgħu jintużaw għad-demodulazzjoni. Tal-ewwel uża spettrometru biex jittestja direttament kull wavelength reżonanti tal-FBG fin-netwerk. Tal-aħħar juża filtru ta’ referenza biex isegwi u jikkalibra l-FBG fis-sensing, li t-tnejn jeħtieġu sors ta’ dawl broadband bħala sors ta’ 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 gradilja tal-fibra ta' perjodu twil (LPFG) għas-sensing, peress li l-bandwidth ta' quċċata ta' telf waħda hija fl-ordni ta' 10 nm, sors ta' dawl bi spettru wiesa' b'bandwidth suffiċjenti u spettru relattivament ċatt huwa meħtieġ biex jikkaratterizza b'mod preċiż il-karatteristiċi tal-quċċata reżonanti tiegħu. B'mod partikolari, gradilja tal-fibra akustika (AIFG) mibnija bl-użu ta' effett akusto-ottiku tista' tikseb firxa ta' sintonizzazzjoni ta' wavelength reżonanti sa 1000 nm permezz ta' sintonizzazzjoni elettrika. Għalhekk, l-ittestjar dinamiku tal-gradilja b'firxa ta' sintonizzazzjoni ultra-wiesgħa bħal din joħloq sfida kbira għall-firxa tal-bandwidth ta' sors ta' dawl bi spettru wiesa'. Bl-istess mod, f'dawn l-aħħar snin, il-gradilja tal-fibra Bragg inklinata ntużat ukoll ħafna fil-qasam tas-sensing tal-fibra. Minħabba l-karatteristiċi tal-ispettru tat-telf b'ħafna qċaċet, il-firxa tad-distribuzzjoni tal-wavelength ġeneralment tista' tilħaq 40 nm. Il-mekkaniżmu ta' sensing tagħha ġeneralment huwa li tqabbel il-moviment relattiv fost qċaċet ta' trasmissjoni multipli, għalhekk huwa meħtieġ li jitkejjel l-ispettru tat-trasmissjoni tiegħu kompletament. Il-bandwidth u l-qawwa tas-sors tad-dawl bi spettru wiesa' huma meħtieġa li jkunu ogħla.
2. Status tar-riċerka f'pajjiżek u barra minn pajjiżek
2.1 Sors tad-dawl tal-lejżer b'wisa' ta' linja dejqa
2.1.1 Lejżer ta' feedback distribwit semikonduttur b'wisa' ta' linja dejqa
Fl-2006, Cliche et al. naqqsu l-iskala tal-MHz tas-semikondutturiLejżer DFB(lejżer b'feedback distribwit) għal skala kHz bl-użu tal-metodu ta' feedback elettriku; Fl-2011, Kessler et al. użaw kavità ta' kristall wieħed b'temperatura baxxa u stabbiltà għolja flimkien ma' kontroll attiv ta' feedback biex jiksbu output ta' lejżer b'wisa' tal-linja ultra-dejqa ta' 40 MHz; Fl-2013, Peng et al. kisbu output ta' lejżer semikonduttur b'wisa' tal-linja ta' 15 kHz billi użaw il-metodu ta' aġġustament estern ta' feedback Fabry-Perot (FP). Il-metodu ta' feedback elettriku uża prinċipalment il-feedback ta' stabbilizzazzjoni tal-frekwenza Pond-Drever-Hall biex inaqqas il-wisa' tal-linja tal-lejżer tas-sors tad-dawl. Fl-2010, Bernhardi et al. ipproduċew 1 cm ta' alumina FBG iddoppjata bl-erbju fuq sottostrat ta' ossidu tas-silikon biex jiksbu output ta' lejżer b'wisa' tal-linja ta' madwar 1.7 kHz. Fl-istess sena, Liang et al. uża r-rispons ta' awto-injezzjoni tat-tifrix ta' Rayleigh b'lura ffurmat minn reżonatur tal-ħajt tal-eku b'Q għolja għall-kompressjoni tal-wisa' tal-linja tal-lejżer semikonduttur, kif muri fil-Figura 1, u fl-aħħar kiseb output tal-lejżer b'wisa' tal-linja dejqa ta' 160 Hz.
Fig. 1 (a) Dijagramma tal-kompressjoni tal-wisa' tal-linja tal-lejżer semikonduttur ibbażata fuq it-tifrix Rayleigh b'awtoinjezzjoni ta' reżonatur tal-modalità gallerija ta' whispering estern;
(b) L-ispettru tal-frekwenza tal-lejżer semikonduttur li jaħdem liberament b'wisa' tal-linja ta' 8 MHz;
(c) L-ispettru tal-frekwenza tal-lejżer bil-wisa' tal-linja kkompressata għal 160 Hz
2.1.2 Lejżer tal-fibra b'wisa' ta' linja dejqa
Għal-lejżers tal-fibra b'kavità lineari, l-output tal-lejżer b'wisa' tal-linja dejqa ta' modalità lonġitudinali waħda jinkiseb billi jitqassar it-tul tar-reżonatur u jiżdied l-intervall tal-modalità lonġitudinali. Fl-2004, Spiegelberg et al. kisbu output tal-lejżer b'wisa' tal-linja dejqa ta' modalità lonġitudinali waħda b'wisa' tal-linja ta' 2 kHz billi użaw il-metodu DBR ta' kavità qasira. Fl-2007, Shen et al. użaw fibra tas-silikon ta' 2 ċm iddoppjata ħafna bl-erbju biex jiktbu FBG fuq fibra fotosensittiva ko-doppjata Bi-Ge, u għaqqduha ma' fibra attiva biex jiffurmaw kavità lineari kompatta, u b'hekk il-wisa' tal-linja tal-output tal-lejżer tagħha tkun inqas minn 1 kHz. Fl-2010, Yang et al. użaw kavità lineari qasira ta' 2 ċm iddoppjata ħafna flimkien ma' filtru FBG ta' medda dejqa biex jiksbu 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, Cai et al. użaw struttura ta' kavità qasira ta' 1.4 ċm biex jiksbu output tal-lejżer polarizzanti b'qawwa tal-output akbar minn 114 mW, wavelength ċentrali ta' 1540.3 nm, u wisa' tal-linja ta' 4.1 kHz. Fl-2013, Meng et al. użaw it-tifrix Brillouin ta' fibra ddoppjata bl-erbju b'kavità taċ-ċirku qasira ta' apparat li jippreserva l-polarizzazzjoni sħiħa biex jiksbu output tal-lejżer b'modalità lonġitudinali waħda, b'ħoss ta' fażi baxxa b'qawwa tal-output ta' 10 mW. Fl-2015, it-tim uża kavità taċ-ċirku magħmula minn fibra ddoppjata bl-erbju ta' 45 ċm bħala l-mezz ta' qligħ tat-tifrix Brillouin biex jikseb output tal-lejżer b'limitu baxx u wisa' tal-linja dejqa.
Fig. 2 (a) Tpinġija skematika tal-lejżer tal-fibra SLC;
(b) Il-forma tal-linja tas-sinjal eterodin imkejla b'dewmien tal-fibra ta' 97.6 km
Ħin tal-pubblikazzjoni: 20 ta' Novembru 2023