טכנולוגיית מקור לייזר לחישת סיבים אופטיים חלק ראשון

טכנולוגיית מקור לייזר עבורסיבים אופטייםלחוש חלק ראשון

טכנולוגיית חישת סיבים אופטיים היא סוג של טכנולוגיית חישה שפותחה יחד עם טכנולוגיית סיבים אופטיים וטכנולוגיית תקשורת סיבים אופטיים, והיא הפכה לאחד הענפים הפעילים ביותר של טכנולוגיה פוטו -אלקטרונית. מערכת חישת סיבים אופטיים מורכבת בעיקר מלייזר, סיבי הילוכים, אלמנט חישה או אזור אפנון, איתור אור וחלקים אחרים. הפרמטרים המתארים את המאפיינים של גל האור כוללים עוצמה, אורך גל, שלב, מצב קיטוב וכו '. פרמטרים אלה עשויים להשתנות על ידי השפעות חיצוניות בהעברת סיבים אופטיים. לדוגמה, כאשר טמפרטורה, מתח, לחץ, זרם, תזוזה, רטט, סיבוב, כיפוף וכמות כימית משפיעים על הנתיב האופטי, פרמטרים אלה משתנים בהתאמה. חישת סיבים אופטיים מבוססת על הקשר בין פרמטרים אלה לגורמים חיצוניים לגילוי הכמויות הפיזיות המתאימות.

ישנם סוגים רבים שלמקור לייזרמשמש במערכות חישת סיבים אופטיים, שניתן לחלק לשתי קטגוריות: קוהרנטיותמקורות לייזרומקורות אור לא קוהרנטיים, לא קוהרנטייםמקורות קליםכוללים בעיקר דיודות אור ופולטות אור, ומקורות אור קוהרנטיים כוללים לייזרים מוצקים, לייזרים נוזליים, לייזרי גז,לייזר מוליכים למחצהוכןלייזר סיביםו להלן בעיקר עבורמקור אור לייזרבשימוש נרחב בתחום חישת הסיבים בשנים האחרונות: לייזר בתדר יחיד ברוחב הקו, לייזר תדר טאטא באורך גל יחיד ולייזר לבן.

1.1 דרישות לרוחב קו צרותמקורות אור לייזר

לא ניתן להפריד בין מערכת חישת סיבים אופטיים ממקור הלייזר, כגל אור המנשא האות שנמדד, מקור האור בלייזר עצמו ביצועים, כמו יציבות כוח, רעת קו לייזר, רעש פאזה ופרמטרים אחרים על מרחק גילוי מערכת סיבים אופטי, דיוק, דיוק, רגישות ומאפייני רעש. בשנים האחרונות, עם פיתוח מערכות חישת סיבים אופטיים של סיבים אופטיים למרחקים ארוכים, האקדמיה והתעשייה הציגו דרישות מחמירות יותר לביצועי רוחב הקו של מיניאטוריזציה של לייזר, בעיקר ב: השתקפות תחום תדרים אופטיים (טכנולוגיית תדירות (טכנולוגיית תדר, עם טכנולוגיית תדירות, עם טכנולוגיית תדירות, עם השותפים התדיירים, עם השותפים המפוזרים, עם השטחים המפוזרים. מטרים). היתרונות של רזולוציה גבוהה (רזולוציה ברמת מילימטר) ורגישות גבוהה (עד -100 DBM) הפכו לאחת הטכנולוגיות עם סיכויי יישום רחבים במדידת סיבים אופטיים ומידת חישה מופצת. הליבה של טכנולוגיית OFDR היא להשתמש במקור אור מכוון כדי להשיג כוונון תדרים אופטי, ולכן הביצועים של מקור הלייזר קובעים את גורמי המפתח כמו טווח גילוי OFDR, רגישות ורזולוציה. כאשר מרחק נקודת ההשתקפות קרוב לאורך הקוהרנטיות, עוצמת אות הביט תוחלש באופן אקספוננציאלי על ידי המקדם τ/τc. עבור מקור אור גאוסי עם צורה ספקטרלית, על מנת להבטיח שלתדר הקצב יש יותר מ- 90% נראות, הקשר בין רוחב הקו של מקור האור לבין אורך החישה המרבי שהמערכת יכולה להשיג הוא LMAX ~ 0.04VG/F, מה שאומר שסיב באורך של 80 ק"מ, רוחב הקו של מקור האור הוא פחות מ 100 הרץ. בנוסף, פיתוח יישומים אחרים הציב גם דרישות גבוהות יותר לרוחב הקו של מקור האור. לדוגמה, במערכת ההידרופון הסיבים האופטיים, רוחב הקו של מקור האור קובע את רעש המערכת וקובע גם את האות המינימלי למדידה של המערכת. ב- Brillouin Optical Time Reflectore Domain (Botdr), רזולוציית המדידה של הטמפרטורה והלחץ נקבעת בעיקר על ידי רוחב הקו של מקור האור. בתהודה סיב אופטי, ניתן להגדיל את אורך הקוהרנטיות של גל האור על ידי הפחתת רוחב הקו של מקור האור, ובכך לשפר את הגמישות ואת עומק התהודה של התהודה, הפחתת רוחב הקו של התהודה והבטחת אקוור המדידה של הסיב אופטי.

1.2 דרישות למקורות לייזר טאטא

לייזר סחף אורך גל יחיד הוא בעל ביצועי כוונון אורך גל גמישים, יכול להחליף לייזרים מרובים של פלט אורך גל קבוע, להפחית את עלות בניית המערכת, הוא חלק חיוני במערכת חישת סיבים אופטיים. לדוגמה, בחישת סיבי גז עקבות, סוגים שונים של גזים יש פסגות ספיגת גז שונות. על מנת להבטיח את יעילות ספיגת האור כאשר גז המדידה מספיק ולהשיג רגישות למדידה גבוהה יותר, יש צורך ליישר את אורך הגל של מקור האור ההולכה עם שיא הספיגה של מולקולת הגז. סוג הגז שניתן לאתר נקבע בעיקרו על ידי אורך הגל של מקור האור החישה. לפיכך, לייזרי רוחב קו צרים עם ביצועי כוונון פס רחב יציבים הם בעלי גמישות מדידה גבוהה יותר במערכות חישה כאלה. לדוגמה, בכמה מערכות חישת סיבים אופטיים מבוזרים המבוססים על השתקפות תחום תדרים אופטיים, צריך לסחוף במהירות את הלייזר באופן מהיר כדי להשיג גילוי קוהרנטי בעל דיוק גבוה והדמודולציה של אותות אופטיים, כך שלרוב נדרש קצב האפנון של מקור הלייזר יחסית. בנוסף, ניתן להשתמש באופן נרחב גם בלייזר קו הרוח הצר הניתן לכוונון, גם בחישה מרחוק לייזר ובניתוח ספקטרלי ברזולוציה גבוהה ושדות חישה אחרים. על מנת לעמוד בדרישות של פרמטרים בעלי ביצועים גבוהים של רוחב פס כוונון, דיוק כוונון ומהירות הכוונון של לייזרים באורך גל יחיד בתחום חישת הסיבים, המטרה הכוללת של לימוד ליזרים סיבים רוחביים של רוחב צרה בשנים האחרונות היא להשיג רעש אולטרה-ריקוי גבוה, נרשט, אולטרה-ריקוי, אולטר-דין, אולטרה-ריקוי, אולטרה-ריקוי, אולטרה-ריקוי, ultra-lasidth that-lowara. תדירות פלט וכוח.

1.3 ביקוש למקור אור לייזר לבן

בתחום החישה האופטית, לייזר אור לבן באיכות גבוהה הוא בעל משמעות רבה לשיפור ביצועי המערכת. ככל שכיסוי הספקטרום של לייזר אור לבן רחב יותר, כך יישומו נרחב יותר במערכת חישת סיבים אופטיים. לדוגמה, בעת שימוש בסורג Bragg Bragg (FBG) כדי לבנות רשת חיישנים, ניתן להשתמש בניתוח ספקטרלי או שיטת התאמת פילטר הניתנת לכוונון. הראשון השתמש בספקטרומטר כדי לבדוק ישירות כל אורך גל תהודה FBG ברשת. האחרון משתמש במסנן התייחסות כדי לעקוב ולכייל את ה- FBG בחישה, שניהם דורשים מקור אור פס רחב כמקור תאורת מבחן עבור ה- FBG. מכיוון שלכל רשת גישה של FBG תהיה אובדן הכניסה מסוים, ויש לה רוחב פס של יותר מ- 0.1 ננומטר, ההדמיה בו זמנית של FBG מרובה דורשת מקור אור פס רחב עם כוח גבוה ורוחב פס גבוה. לדוגמה, בעת שימוש בסורג סיבים ארוך של תקופה ארוכה (LPFG) לחישה, מכיוון שרוחב הפס של שיא אובדן יחיד הוא בסדר גודל של 10 ננומטר, נדרש מקור אור רחב עם רוחב פס מספיק וספקטרום שטוח יחסית כדי לאפיין במדויק את מאפייני השיא המהדהד שלו. בפרט, סורג סיבים אקוסטי (AIFG) שנבנה על ידי שימוש באפקט אקוסטו-אופטי יכול להשיג טווח כוונון של אורך גל מהדהד של עד 1000 ננומטר באמצעות כוונון חשמלי. לפיכך, בדיקות סורג דינאמיות עם טווח כוונון כל כך רחב במיוחד מהווה אתגר גדול לטווח רוחב הפס של מקור אור רחב-ספקטרום. באופן דומה, בשנים האחרונות, סורג סיבי Bragg מוטה נמצא בשימוש נרחב גם בתחום חישת הסיבים. בשל מאפייני הספקטרום הרב-פיקנטי שלו, טווח התפלגות אורך הגל יכול לרוב להגיע ל 40 ננומטר. מנגנון החישה שלו הוא בדרך כלל להשוות את התנועה היחסית בין פסגות ההולכה המרובות, ולכן יש למדוד את ספקטרום ההולכה שלה לחלוטין. רוחב הפס והעוצמה של מקור האור הספקטרום הרחב נדרשים להיות גבוהים יותר.

2. סטטוס מחקר בבית ומחוצה לו

2.1 מקור אור לייזר ברוויד צרה

2.1.1 צרה ברוחב קו חצי מוליך למחצה לייזר משוב המופץ

בשנת 2006, Cliche et al. הפחית את סולם MHz של מוליך למחצהלייזר DFB(לייזר משוב מופץ) לסולם KHz בשיטת משוב חשמלי; בשנת 2011, קסלר ואח '. השתמשו בטמפרטורה נמוכה ובחלל גביש יחיד ביציבות גבוהה בשילוב בקרת משוב פעילה כדי להשיג תפוקת לייזר ברוחב קו אולטרה-חזר של 40 מגה הרץ; בשנת 2013, Peng et al השיגו פלט לייזר מוליכים למחצה עם רוחב קו של 15 קילו הרץ בשיטה של ​​התאמת משוב חיצונית של פברי-פרוט (FP). שיטת המשוב החשמלית השתמשה בעיקר במשוב ייצוב תדר הבריכה-סדר-הול כדי להפוך את רוחב קו הלייזר של מקור האור. בשנת 2010, Bernhardi et al. ייצר 1 ס"מ של FBG אלומינה מסומם ארביום על מצע תחמוצת סיליקון כדי להשיג תפוקת לייזר ברוחב קו של כ- 1.7 קילו הרץ. באותה שנה, ליאנג ואח '. השתמש במשוב ההזרקה העצמית של פיזור ריילי לאחור שנוצר על ידי מהדהד קיר הד גבוה של Q עבור דחיסת רוחב קו לייזר למחצה, כפי שמוצג באיור 1, ולבסוף השיג פלט לייזר רוחב קו של 160 הרץ.

איור 1 (א) תרשים של דחיסת רוחב לייזר מוליך למחצה המבוסס על פיזור ההזרקה העצמית של ריילי של מהדהד מצב גלריה לחישה חיצונית;
(ב) ספקטרום תדרים של לייזר מוליך למחצה חינם עם רוחב קו של 8 מגהרץ;
(ג) ספקטרום התדרים של הלייזר עם קו רוחב דחוס ל -160 הרץ
2.1.2 לייזר סיבי קו רוחב צרים

עבור לייזרי סיבי חלל ליניאריים, פלט לייזר רוחב קו קו צרה של מצב אורכי יחיד מתקבל על ידי קיצור אורך התהודה והגדלת מרווח המצב האורך. בשנת 2004, Spiegelberg et al. השיג מצב אורכי יחיד פלט לייזר רוחב קו רוחב עם רוחב קו של 2 קילו הרץ בשיטת חלל קצרה של DBR. בשנת 2007, Shen et al. השתמש בסיבי סיליקון מסוממים של 2 ס"מ בכבדות כדי לכתוב FBG על סיב דו-ג'י דו-סמים משותף, והתמזג עם סיב פעיל ליצירת חלל לינארי קומפקטי, מה שהופך את קו תפוקת הלייזר שלו לרוחב פחות מ -1 קילו הרץ. בשנת 2010 יאנג ואח '. השתמש בחלל ליניארי קצר מסומם מאוד מסומם בשילוב פילטר FBG פס צר כדי להשיג פלט לייזר אורך אורך יחיד עם רוחב קו של פחות מ -2 קילו הרץ. בשנת 2014 הצוות השתמש בחלל לינארי קצר (מהוד טבעת מקופל וירטואלי) בשילוב עם פילטר FBG-FP כדי להשיג פלט לייזר ברוחב קו צר יותר, כפי שמוצג באיור 3. בשנת 2012, CAI et al. השתמש במבנה חלל קצר של 1.4 ס"מ כדי להשיג תפוקת לייזר מקוטבת עם כוח יציאה העולה על 114 מגוואט, אורך גל מרכזי של 1540.3 ננומטר, ורוחב קו של 4.1 קילו הרץ. בשנת 2013, Meng et al. השתמש בפיזור ברילואין של סיבים מסוממים ארביום עם חלל טבעת קצר של מכשיר לשימור BIAS מלא כדי להשיג מצב יחיד, פלט לייזר רעש בשלב נמוך עם כוח פלט של 10 מגוואט. בשנת 2015, הצוות השתמש בחלל טבעת המורכב מסיבים מסוממים של 45 ס"מ ארביום כמי שפיזור ברילואין בינוני כדי להשיג סף נמוך ותפוקת לייזר רוחב קו צרה.

איור 2 (א) רישום סכמטי של לייזר סיבי SLC;
(ב) צורת ליין של האות ההטרודין שנמדד עם עיכוב סיבים של 97.6 ק"מ