טכנולוגיית מקור לייזר עבור חישת סיבים אופטיים חלק ראשון

טכנולוגיית מקור לייזר עבורסיב אופטיחשים בחלק הראשון

טכנולוגיית חישת סיבים אופטיים היא מעין טכנולוגיית חישה שפותחה יחד עם טכנולוגיית סיבים אופטיים וטכנולוגיית תקשורת סיבים אופטיים, והיא הפכה לאחד הענפים הפעילים ביותר של הטכנולוגיה הפוטואלקטרית. מערכת חישת סיבים אופטיים מורכבת בעיקר מלייזר, סיב שידור, אלמנט חישה או אזור אפנון, זיהוי אור וחלקים אחרים. הפרמטרים המתארים את המאפיינים של גל האור כוללים עוצמה, אורך גל, פאזה, מצב קיטוב וכו'. פרמטרים אלו 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 בהתאם. חישת סיבים אופטיים מבוססת על הקשר בין פרמטרים אלו לבין גורמים חיצוניים כדי לזהות את הכמויות הפיזיות המתאימות.

ישנם סוגים רבים שלמקור לייזרמשמש במערכות חישת סיבים אופטיים, שניתן לחלק לשתי קטגוריות: קוהרנטיתמקורות לייזרומקורות אור לא קוהרנטיים, לא קוהרנטייםמקורות אורכוללים בעיקר אור ליבון ודיודות פולטות אור, ומקורות אור קוהרנטיים כוללים לייזרים מוצקים, לייזרים נוזליים, לייזר גז,לייזר מוליכים למחצהולייזר סיבים. הבא הוא בעיקר עבורמקור אור לייזרבשימוש נרחב בתחום חישת הסיבים בשנים האחרונות: לייזר חד-תדר ברוחב קו צר, לייזר עם תדר סוויף באורך גל בודד ולייזר לבן.

1.1 דרישות לרוחב קו צרמקורות אור לייזר

מערכת חישת סיבים אופטיים לא ניתנת להפרדה ממקור הלייזר, שכן גל האור של נושא האות הנמדד, ביצועי מקור אור הלייזר עצמו, כגון יציבות הספק, רוחב קו לייזר, רעשי פאזה ופרמטרים אחרים על מרחק זיהוי מערכת החישה של סיבים אופטיים, זיהוי דיוק, רגישות ומאפייני רעש משחקים תפקיד מכריע. בשנים האחרונות, עם התפתחותן של מערכות חישת סיבים אופטיים ברזולוציה גבוהה במיוחד למרחקים ארוכים, האקדמיה והתעשייה הציעו דרישות מחמירות יותר לביצועי רוחב הקו של מזעור לייזר, בעיקר ב: טכנולוגיית תחום התדר האופטי (OFDR) משתמשת בקוהרנטית. טכנולוגיית זיהוי לניתוח האותות הפזורים ב-backrayleigh של סיבים אופטיים בתחום התדר, עם כיסוי רחב (אלפי מטרים). היתרונות של רזולוציה גבוהה (רזולוציה ברמת מילימטר) ורגישות גבוהה (עד -100 dBm) הפכו לאחת הטכנולוגיות עם סיכויי יישום רחבים בטכנולוגיית מדידה וחישה מבוזרת של סיבים אופטיים. הליבה של טכנולוגיית OFDR היא להשתמש במקור אור מתכוונן כדי להשיג כוונון תדר אופטי, כך שהביצועים של מקור הלייזר קובעים את גורמי המפתח כגון טווח זיהוי OFDR, רגישות ורזולוציה. כאשר מרחק נקודת ההשתקפות קרוב לאורך הקוהרנטיות, עוצמת אות הפעימה תוחלש באופן אקספוננציאלי על ידי מקדם τ/τc. עבור מקור אור גאוסי בעל צורה ספקטרלית, על מנת להבטיח שלתדירות הפעימה יש יותר מ-90% נראות, הקשר בין רוחב הקו של מקור האור ואורך החישה המרבי שהמערכת יכולה להשיג הוא Lmax~0.04vg /f, כלומר עבור סיב באורך של 80 ק"מ, רוחב הקו של מקור האור קטן מ-100 הרץ. בנוסף, הפיתוח של יישומים אחרים גם העלה דרישות גבוהות יותר לרוחב הקו של מקור האור. לדוגמה, במערכת ההידרופונים של סיבים אופטיים, רוחב הקו של מקור האור קובע את רעש המערכת וגם קובע את האות המינימלי הנמדד של המערכת. ברפלור תחום זמן אופטי של Brillouin (BOTDR), רזולוציית המדידה של טמפרטורה ומתח נקבעת בעיקר על ידי רוחב הקו של מקור האור. בג'ירו סיב אופטי מהוד, ניתן להגדיל את אורך הקוהרנטיות של גל האור על ידי הקטנת רוחב הקו של מקור האור, ובכך לשפר את העדינות ועומק התהודה של המהוד, להקטין את רוחב הקו של המהוד ולהבטיח את המדידה. דיוק של ג'ירו סיבים אופטיים.

1.2 דרישות למקורות לייזר לטאטא

לייזר לטאטא אורך גל בודד יש ביצועי כוונון אורך גל גמישים, יכול להחליף לייזרים באורך גל קבוע של פלט מרובות, להפחית את עלות בניית המערכת, הוא חלק הכרחי במערכת חישת סיבים אופטיים. לדוגמה, בחיישת סיבי גז עקבות, לסוגים שונים של גזים יש שיאי ספיגת גז שונים. על מנת להבטיח את יעילות ספיגת האור כאשר גז המדידה מספיק ולהשיג רגישות מדידה גבוהה יותר, יש צורך ליישר את אורך הגל של מקור האור השידור עם שיא הספיגה של מולקולת הגז. סוג הגז שניתן לזהות נקבע בעיקרו על ידי אורך הגל של מקור האור החישה. לכן, ללייזרים ברוחב קו צר עם ביצועי כוונון פס רחב יציבים יש גמישות מדידה גבוהה יותר במערכות חישה כאלה. לדוגמה, בחלק ממערכות חישת סיבים אופטיים מבוזרות המבוססות על השתקפות תחום תדר אופטי, יש צורך לטאטא את הלייזר במהירות מעת לעת כדי להשיג זיהוי קוהרנטי ודיוק גבוה של אותות אופטיים, כך שלקצב האפנון של מקור הלייזר יש דרישות גבוהות יחסית. , ומהירות הסריקה של הלייזר המתכוונן נדרשת בדרך כלל להגיע ל-10 pm/μs. בנוסף, ניתן לכוונן את אורך הגל בלייזר ברוחב קו צר גם בשימוש נרחב ב-liDAR, חישה מרחוק של לייזר וניתוח ספקטרלי ברזולוציה גבוהה ושדות חישה אחרים. על מנת לעמוד בדרישות של פרמטרי ביצועים גבוהים של כוונון רוחב פס, דיוק כוונון ומהירות כוונון של לייזרים בעלי אורך גל בודד בתחום חישת הסיבים, המטרה הכוללת של לימוד לייזרים סיבים ברוחב צר מתכווננים בשנים האחרונות היא להשיג כוונון דיוק בטווח אורכי גל גדול יותר על בסיס רדיפת קו לייזר צר במיוחד, רעש פאזה נמוך במיוחד ותדר והספק יציבים במיוחד.

1.3 ביקוש למקור אור לייזר לבן

בתחום החישה האופטית יש משמעות רבה ללייזר אור לבן איכותי לשיפור ביצועי המערכת. ככל שכיסוי הספקטרום של לייזר אור לבן רחב יותר, כך יישומו נרחב יותר במערכת חישת סיבים אופטיים. לדוגמה, כאשר משתמשים ב-fiber Bragg grating (FBG) לבניית רשת חיישנים, ניתן להשתמש בניתוח ספקטרלי או בשיטת התאמת מסננים ניתנים לכוונון לצורך דמודולציה. 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 אור בדיקה עבור ה-FBG. מכיוון שלכל רשת גישה ל-FBG תהיה אובדן הכנסה מסוים, ויש לה רוחב פס של יותר מ-0.1 ננומטר, הדמודולציה בו-זמנית של מספר FBG דורש מקור אור פס רחב עם הספק גבוה ורוחב פס גבוה. לדוגמה, כאשר משתמשים ב-long period fiber grating (LPFG) לחישה, מכיוון שרוחב הפס של שיא הפסד בודד הוא בסדר גודל של 10 ננומטר, נדרש מקור אור ספקטרום רחב עם רוחב פס מספיק וספקטרום שטוח יחסית כדי לאפיין במדויק את התהודה שלו. מאפייני שיא. בפרט, רשת סיבים אקוסטיים (AIFG) הבנויים באמצעות אפקט אקוסטו-אופטי יכולים להשיג טווח כוונון של אורך גל תהודה של עד 1000 ננומטר באמצעות כוונון חשמלי. לכן, בדיקת סורג דינמית עם טווח כוונון כה רחב מהווה אתגר גדול לטווח רוחב הפס של מקור אור רחב טווח. באופן דומה, בשנים האחרונות נעשה שימוש נרחב גם בתחום חישת הסיבים בסורג סיבי Bragg. בשל מאפייני ספקטרום הפסדים רב-שיא, טווח התפלגות אורכי הגל יכול להגיע בדרך כלל ל-40 ננומטר. מנגנון החישה שלו הוא בדרך כלל להשוות את התנועה היחסית בין שיאי שידור מרובים, ולכן יש צורך למדוד את ספקטרום השידור שלו לחלוטין. רוחב הפס והעוצמה של מקור האור בספקטרום רחב נדרשים להיות גבוהים יותר.

2. סטטוס מחקר בבית ומחוץ

2.1 מקור אור לייזר ברוחב קו צר

2.1.1 לייזר משוב מבוזר של מוליכים למחצה ברוחב קו צר

בשנת 2006, Cliche et al. הפחית את סולם ה-MHz של מוליכים למחצהלייזר DFB(לייזר משוב מבוזר) לסולם קילו הרץ בשיטת משוב חשמלי; בשנת 2011, Kessler et al. השתמשו בחלל גביש יחיד בטמפרטורה נמוכה ויציבות גבוהה בשילוב עם בקרת משוב אקטיבית להשגת פלט לייזר ברוחב קו צר במיוחד של 40 מגה-הרץ; בשנת 2013, Peng וחב' השיגו פלט לייזר מוליכים למחצה ברוחב קו של 15 קילו-הרץ על ידי שימוש בשיטה של ​​התאמת משוב חיצונית של Fabry-Perot (FP). שיטת המשוב החשמלי השתמשה בעיקר במשוב ייצוב תדר Pond-Drever-Hall כדי להקטין את רוחב קו הלייזר של מקור האור. בשנת 2010, Bernhardi et al. ייצר 1 ס"מ של אלומינה FBG מסוממת בארביום על מצע תחמוצת סיליקון כדי להשיג פלט לייזר ברוחב קו של כ-1.7 קילו-הרץ. באותה שנה, Liang et al. השתמש במשוב ההזרקה העצמית של פיזור Rayleigh לאחור שנוצר על ידי מהוד קיר הדים עם הדים גבוהים עבור דחיסת רוחב קו של מוליכים למחצה, כפי שמוצג באיור 1, ולבסוף השיג פלט לייזר ברוחב קו צר של 160 הרץ.

איור 1 (א) תרשים של דחיסת רוחב קו לייזר מוליכים למחצה המבוססת על פיזור ריילי בהזרקה עצמית של מהוד מצב גלריית לחישה חיצונית;
(ב) ספקטרום התדרים של הלייזר המוליך למחצה פועל חופשי ברוחב קו של 8 מגה-הרץ;
(ג) ספקטרום התדרים של הלייזר עם רוחב קו דחוס ל-160 הרץ
2.1.2 לייזר סיב ברוחב קו צר

עבור לייזרים סיבי חלל ליניארי, פלט הלייזר ברוחב הקו הצר של מצב אורך יחיד מתקבל על ידי קיצור אורך המהוד והגדלת מרווח המצבים האורך. בשנת 2004, Spiegelberg et al. השיג פלט לייזר צר ברוחב קו צר במצב אורך ברוחב קו של 2 קילו-הרץ באמצעות שיטת DBR קצר חלל. בשנת 2007, Shen et al. השתמשו בסיב סיליקון עם סימום כבד של 2 ס"מ כדי לכתוב FBG על סיב רגיש לאור בשיתוף Bi-Ge, והיתוך אותו עם סיב פעיל ליצירת חלל ליניארי קומפקטי, מה שהופך את רוחב קו הפלט של הלייזר שלו לפחות מ-1 קילו-הרץ. בשנת 2010, Yang et al. השתמשו בחלל ליניארי קצר עם סימום גבוה של 2 ס"מ בשילוב עם מסנן FBG צר פס כדי להשיג פלט לייזר במצב אורך יחיד ברוחב קו של פחות מ-2 קילו-הרץ. בשנת 2014, הצוות השתמש בחלל ליניארי קצר (תהודה טבעת מקופלת וירטואלית) בשילוב עם מסנן 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 פלט לייזר מקטב עם הספק פלט גדול מ-114 mW, אורך גל מרכזי של 1540.3 ננומטר ורוחב קו של 4.1 קילו-הרץ. בשנת 2013, Meng et al. השתמשו בפיזור ברילואין של סיבים מסוממים בארביום עם חלל טבעת קצר של מכשיר שימור מוטה מלאה כדי להשיג תפוקת לייזר עם רעש רעש נמוך של 10 mW במצב יחיד אורכי. בשנת 2015, הצוות השתמש בחלל טבעת המורכב מסיבים מסוממים בארביום בגודל 45 ס"מ כמדיום הרווח של פיזור Brillouin כדי להשיג פלט לייזר עם סף נמוך ורוחב קו צר.

איור 2 (א) ציור סכמטי של לייזר סיבי SLC;
(ב) צורת קו של האות ההטרודין נמדד עם עיכוב של 97.6 ק"מ