טכנולוגיית מקור לייזר לחישת סיבים אופטיים חלק ראשון

טכנולוגיית מקור לייזר עבורסיב אופטיחישה 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 פוטואלקטרית. מערכת חישת סיבים אופטיים מורכבת בעיקר מלייזר, סיב הולכה, אלמנט חישה או אזור אפנון, גילוי אור וחלקים אחרים. הפרמטרים המתארים את מאפייני גל האור כוללים עוצמה, אורך גל, פאזה, מצב קיטוב וכו'. פרמטרים אלה עשויים להשתנות על ידי השפעות חיצוניות בהעברת סיבים אופטיים. לדוגמה, כאשר טמפרטורה, מאמץ, לחץ, זרם, תזוזה, רטט, סיבוב, כיפוף וכמות כימית משפיעים על הנתיב האופטי, פרמטרים אלה משתנים בהתאם. חישת סיבים אופטיים מבוססת על הקשר בין פרמטרים אלה לגורמים חיצוניים כדי לזהות את הכמויות הפיזיקליות המתאימות.

ישנם סוגים רבים שלמקור לייזרמשמש במערכות חישה של סיבים אופטיים, אשר ניתן לחלק לשתי קטגוריות: קוהרנטיותמקורות לייזרומקורות אור לא קוהרנטיים, לא קוהרנטייםמקורות אורכוללים בעיקר אור ליבון ודיודות פולטות אור, ומקורות אור קוהרנטיים כוללים לייזרים מוצקים, לייזרים נוזליים, לייזרים גזיים,לייזר מוליך למחצהולייזר סיביםהדברים הבאים מיועדים בעיקר ל-מקור אור לייזרבשימוש נרחב בתחום חישת הסיבים בשנים האחרונות: לייזר בעל רוחב קו צר בתדר יחיד, לייזר בעל תדר סריקה באורך גל יחיד ולייזר לבן.

1.1 דרישות לרוחב קו צרמקורות אור לייזר

לא ניתן להפריד בין מערכת חישת סיבים אופטיים לבין מקור הלייזר, שכן גל האור הנשא של האות הנמדד, ביצועי מקור אור הלייזר עצמו, כגון יציבות הספק, רוחב קו הלייזר, רעש הפאזה ופרמטרים אחרים במערכת חישת הסיבים האופטיים, מרחק הגילוי, דיוק הגילוי, רגישות ומאפייני הרעש ממלאים תפקיד מכריע. בשנים האחרונות, עם פיתוח מערכות חישת סיבים אופטיים ברזולוציה גבוהה במיוחד למרחקים ארוכים, האקדמיה והתעשייה הציגו דרישות מחמירות יותר לביצועי רוחב הקו של מזעור לייזר, בעיקר בתחומים הבאים: טכנולוגיית החזרת תחום התדר האופטי (OFDR) משתמשת בטכנולוגיית גילוי קוהרנטית כדי לנתח אותות מפוזרים של סיבים אופטיים בתחום התדרים, עם כיסוי רחב (אלפי מטרים). היתרונות של רזולוציה גבוהה (רזולוציה ברמת מילימטר) ורגישות גבוהה (עד -100 dBm) הפכו לאחת הטכנולוגיות בעלות פוטנציאל יישום רחב בטכנולוגיית מדידה וחישה של סיבים אופטיים מבוזרים. הליבה של טכנולוגיית OFDR היא שימוש במקור אור מתכוונן כדי להשיג כוונון תדר אופטי, כך שביצועי מקור הלייזר קובעים את הגורמים המרכזיים כגון טווח גילוי OFDR, רגישות ורזולוציה. כאשר מרחק נקודת ההחזרה קרוב לאורך הקוהרנטיות, עוצמת אות הפעימה תוחלש באופן אקספוננציאלי על ידי המקדם τ/τc. עבור מקור אור גאוסי בעל צורה ספקטרלית, על מנת להבטיח שתדר הפעימה יהיה בעל נראות של יותר מ-90%, הקשר בין רוחב הקו של מקור האור לאורך החישה המרבי שהמערכת יכולה להשיג הוא Lmax~0.04vg/f, מה שאומר שעבור סיב באורך 80 ק"מ, רוחב הקו של מקור האור קטן מ-100 הרץ. בנוסף, פיתוח של יישומים אחרים גם העלה דרישות גבוהות יותר לרוחב הקו של מקור האור. לדוגמה, במערכת הידרופון של סיבים אופטיים, רוחב הקו של מקור האור קובע את רעש המערכת וגם קובע את האות המינימלי המדיד של המערכת. במחזיר תחום זמן אופטי של ברילואן (BOTDR), רזולוציית המדידה של טמפרטורה ומאמץ נקבעת בעיקר על ידי רוחב הקו של מקור האור. בג'ירוסקופ סיב אופטי מהוד, ניתן להגדיל את אורך הקוהרנטיות של גל האור על ידי הקטנת רוחב הקו של מקור האור, ובכך לשפר את הדקיקות ועומק התהודה של המהוד, להפחית את רוחב הקו של המהוד ולהבטיח את דיוק המדידה של הג'ירוסקופ הסיב האופטי.

1.2 דרישות למקורות לייזר סריקה

לייזר סריקה באורך גל יחיד בעל ביצועי כוונון אורך גל גמישים, יכול להחליף לייזרים מרובים באורך גל קבוע, להפחית את עלות בניית המערכת, והוא חלק הכרחי ממערכת חישת סיבים אופטיים. לדוגמה, בחישת 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 אור ההולכה עם שיא הקליטה של ​​מולקולת הגז. סוג הגז שניתן לזהות נקבע בעיקרו על ידי אורך הגל של מקור אור החישה. לכן, לייזרים בעלי רוחב קו צר עם ביצועי כוונון פס רחב יציבים בעלי גמישות מדידה גבוהה יותר במערכות חישה כאלה. לדוגמה, במערכות חישה מסוימות של סיבים אופטיים מבוזרים המבוססים על החזרת תחום התדר האופטי, יש צורך לסרוק את הלייזר במהירות מעת לעת כדי להשיג זיהוי קוהרנטי ודמודולציה של אותות אופטיים בדיוק גבוה, כך שלקצב המודולציה של מקור הלייזר יש דרישות גבוהות יחסית, ומהירות הסריקה של הלייזר המתכוונן נדרשת בדרך כלל להגיע ל-10 pm/μs. בנוסף, לייזר קו צר מתכוונן באורך גל יכול לשמש באופן נרחב גם ב-liDAR, חישה מרחוק בלייזר וניתוח ספקטרלי ברזולוציה גבוהה ותחומי חישה אחרים. על מנת לעמוד בדרישות פרמטרי ביצועים גבוהים של רוחב פס כוונון, דיוק כוונון ומהירות כוונון של לייזרים באורך גל יחיד בתחום חישת הסיבים, המטרה הכוללת של חקר לייזרי סיבים צר מתכווננים בשנים האחרונות היא להשיג כוונון מדויק בטווח אורכי גל גדול יותר על בסיס חיפוש אחר קו לייזר צר במיוחד, רעש פאזה נמוך במיוחד ותדר פלט והספק יציבים במיוחד.

1.3 ביקוש למקור אור לייזר לבן

בתחום החישה האופטית, לייזר אור לבן איכותי הוא בעל חשיבות רבה לשיפור ביצועי המערכת. ככל שכיסוי הספקטרום של לייזר אור לבן רחב יותר, כך יישומו במערכת חישה באמצעות סיבים אופטיים נרחב יותר. לדוגמה, בעת שימוש בסריג בראג סיבים (FBG) לבניית רשת חיישנים, ניתן להשתמש בניתוח ספקטרלי או בשיטת התאמת מסננים מתכווננים לצורך דמודולציה. הראשון השתמש בספקטרומטר כדי לבדוק ישירות כל אורך גל תהודה של FBG ברשת. השני משתמש במסנן ייחוס כדי לעקוב ולכייל את ה-FBG בחישה, שניהם דורשים מקור אור רחב פס כמקור אור בדיקה עבור ה-FBG. מכיוון שלכל רשת גישה ל-FBG יהיה אובדן הכנסה מסוים, ורוחב פס של יותר מ-0.1 ננומטר, הדמודולציה הסימולטנית של מספר FBG דורשת מקור אור רחב פס בעל הספק גבוה ורוחב פס גבוה. לדוגמה, בעת שימוש בסריגי סיבים ארוכי טווח (LPFG) לחישה, מכיוון שרוחב הפס של שיא אובדן יחיד הוא בסדר גודל של 10 ננומטר, נדרש מקור אור רחב טווח עם רוחב פס מספיק וספקטרום שטוח יחסית כדי לאפיין במדויק את מאפייני שיא התהודה שלו. בפרט, סריגי 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 סריגים דינמיים עם טווח כוונון אולטרה-רחב שכזה מציבה אתגר גדול לטווח רוחב הפס של מקור אור רחב טווח. באופן דומה, בשנים האחרונות, סריגי סיבים בראג מוטים נמצאים בשימוש נרחב גם בתחום חישת הסיבים. בשל מאפייני ספקטרום האובדן מרובי השיאים שלהם, טווח התפלגות אורך הגל יכול בדרך כלל להגיע ל-40 ננומטר. מנגנון החישה שלו הוא בדרך כלל להשוות את התנועה היחסית בין שיאי העברה מרובים, ולכן יש צורך למדוד את ספקטרום ההעברה שלו באופן מלא. רוחב הפס וההספק של מקור האור רחב הספקטרום נדרשים להיות גבוהים יותר.

2. סטטוס מחקרי בארץ ובחו"ל

2.1 מקור אור לייזר ברוחב קו צר

2.1.1 לייזר משוב מבוזר מוליך למחצה בעל רוחב קו צר

בשנת 2006, קליש ועמיתיו הפחיתו את סולם המהרץ של מוליכים למחצהלייזר DFB(לייזר משוב מבוזר) לסולם קילוהרץ באמצעות שיטת משוב חשמלי; בשנת 2011, קסלר ועמיתיו השתמשו בחלל גביש יחיד בטמפרטורה נמוכה ויציבות גבוהה בשילוב עם בקרת משוב אקטיבית כדי להשיג פלט לייזר ברוחב קו צר במיוחד של 40 מגה-הרץ; בשנת 2013, פנג ועמיתיו השיגו פלט לייזר מוליך למחצה עם רוחב קו של 15 קילוהרץ באמצעות שיטת כוונון משוב חיצוני של פברי-פרו (FP). שיטת המשוב החשמלי השתמשה בעיקר במשוב ייצוב תדר פונד-דריבר-הול כדי להפחית את רוחב קו הלייזר של מקור האור. בשנת 2010, ברנהרדי ועמיתיו ייצרו 1 ס"מ של אלומינה FBG מסוממת בארביום על מצע תחמוצת סיליקון כדי להשיג פלט לייזר עם רוחב קו של כ-1.7 קילוהרץ. באותה שנה, ליאנג ועמיתיו השתמשו במשוב הזרקה עצמית של פיזור ריילי לאחור שנוצר על ידי מהוד קיר הד בעל Q גבוה עבור דחיסת רוחב קו של לייזר מוליך למחצה, כפי שמוצג באיור 1, ולבסוף השיג פלט לייזר ברוחב קו צר של 160 הרץ.

איור 1 (א) תרשים של דחיסת רוחב קו בלייזר מוליך למחצה המבוסס על פיזור ריילי בהזרקה עצמית של מהוד אופן גלריה לוחש חיצוני;
(ב) ספקטרום תדרים של לייזר מוליך למחצה הפועל בחופשיות עם רוחב קו של 8 מגה-הרץ;
(ג) ספקטרום תדרים של הלייזר עם רוחב קו דחוס ל-160 הרץ
2.1.2 לייזר סיבים ברוחב קו צר

עבור לייזרי סיבים בעלי חלל ליניארי, פלט לייזר ברוחב קו צר במצב אורכי יחיד מתקבל על ידי קיצור אורך המהוד והגדלת מרווח המצבים האורכי. בשנת 2004, שפיגלברג ועמיתיו השיגו פלט לייזר ברוחב קו צר במצב אורכי יחיד עם רוחב קו של 2 קילוהרץ באמצעות שיטת חלל קצר DBR. בשנת 2007, שן ועמיתיו השתמשו בסיב סיליקון מסומם בארביום בגודל 2 ס"מ כדי לכתוב FBG על סיב רגיש לאור מסומם במשותף ב-Bi-Ge, והמחו אותו עם סיב פעיל ליצירת חלל ליניארי קומפקטי, מה שהופך את רוחב קו פלט הלייזר שלו לפחות מ-1 קילוהרץ. בשנת 2010, יאנג ועמיתיו השתמשו בחלל ליניארי קצר מסומם בגודל 2 ס"מ בשילוב עם מסנן FBG צר פס כדי לקבל פלט לייזר במצב אורכי יחיד עם רוחב קו של פחות מ-2 קילוהרץ. בשנת 2014, הצוות השתמש בחלל ליניארי קצר (מהוד טבעתי מקופל וירטואלי) בשילוב עם מסנן FBG-FP כדי להשיג פלט לייזר עם רוחב קו צר יותר, כפי שמוצג באיור 3. בשנת 2012, קאי ועמיתיו השתמשו במבנה חלל קצר של 1.4 ס"מ כדי להשיג פלט לייזר מקוטב עם הספק פלט גדול מ-114 מיליוואט, אורך גל מרכזי של 1540.3 ננומטר ורוחב קו של 4.1 קילוהרץ. בשנת 2013, מנג ועמיתיו השתמשו בפיזור ברילואן של סיב מסומם בארביום עם חלל טבעת קצר של התקן שימור בעל הטיה מלאה כדי להשיג פלט לייזר בעל רעש פאזה נמוכה במצב אורכי יחיד עם הספק פלט של 10 מיליוואט. בשנת 2015, הצוות השתמש בחלל טבעת המורכב מסיב מסומם בארביום בגודל 45 ס"מ כמדיום הגברת פיזור ברילואן כדי להשיג פלט לייזר בעל סף נמוך ורוחב קו צר.

איור 2 (א) שרטוט סכמטי של לייזר הסיבים SLC;
(ב) צורת הקו של אות ההטרודיין שנמדד עם עיכוב סיבים של 97.6 ק"מ