Tecnologia de fonte de laser para detecção de fibra óptica – Parte Um

Tecnologia de fonte de laser parafibra ópticasentindo a Parte Um

A tecnologia de detecção de fibra óptica é um tipo de tecnologia de detecção desenvolvida junto com a tecnologia de fibra óptica e a tecnologia de comunicação de fibra óptica, e se tornou um dos ramos mais ativos da tecnologia fotoelétrica. O sistema de detecção de fibra óptica é composto principalmente de laser, fibra de transmissão, elemento sensor ou área de modulação, detecção de luz e outras peças. Os parâmetros que descrevem as características da onda de luz incluem intensidade, comprimento de onda, fase, estado de polarização, etc. Esses parâmetros podem ser alterados por influências externas na transmissão de fibra óptica. Por exemplo, quando temperatura, deformação, pressão, corrente, deslocamento, vibração, rotação, flexão e quantidade química afetam o caminho óptico, estes parâmetros mudam correspondentemente. A detecção de fibra óptica é baseada na relação entre esses parâmetros e fatores externos para detectar as quantidades físicas correspondentes.

Existem muitos tipos defonte de laserusado em sistemas de detecção de fibra óptica, que podem ser divididos em duas categorias: coerentefontes de lasere fontes de luz incoerentes, incoerentesfontes de luzincluem principalmente luz incandescente e diodos emissores de luz, e fontes de luz coerentes incluem lasers sólidos, lasers líquidos, lasers de gás,laser semicondutorelaser de fibra. O seguinte é principalmente para ofonte de luz laseramplamente utilizado no campo de detecção de fibra nos últimos anos: laser de frequência única com largura de linha estreita, laser de frequência de varredura de comprimento de onda único e laser branco.

1.1 Requisitos para largura de linha estreitafontes de luz laser

O sistema de detecção de fibra óptica não pode ser separado da fonte de laser, pois a onda de luz portadora de sinal medida, o próprio desempenho da fonte de luz laser, como estabilidade de energia, largura de linha do laser, ruído de fase e outros parâmetros na distância de detecção do sistema de detecção de fibra óptica, detecção as características de precisão, sensibilidade e ruído desempenham um papel decisivo. Nos últimos anos, com o desenvolvimento de sistemas de detecção de fibra óptica de ultra-alta resolução de longa distância, a academia e a indústria apresentaram requisitos mais rigorosos para o desempenho de largura de linha da miniaturização a laser, principalmente em: tecnologia de reflexão de domínio de frequência óptica (OFDR) usa tecnologia coerente tecnologia de detecção para analisar os sinais backrayleigh espalhados de fibras ópticas no domínio da frequência, com ampla cobertura (milhares de metros). As vantagens da alta resolução (resolução em nível milimétrico) e alta sensibilidade (até -100 dBm) tornaram-se uma das tecnologias com amplas perspectivas de aplicação na medição e detecção de fibra óptica distribuída. O núcleo da tecnologia OFDR é usar uma fonte de luz sintonizável para obter ajuste de frequência óptica, de modo que o desempenho da fonte de laser determine os fatores-chave, como faixa de detecção de OFDR, sensibilidade e resolução. Quando a distância do ponto de reflexão está próxima do comprimento de coerência, a intensidade do sinal de batimento será exponencialmente atenuada pelo coeficiente τ/τc. Para uma fonte de luz gaussiana com formato espectral, a fim de garantir que a frequência de batimento tenha mais de 90% de visibilidade, a relação entre a largura da linha da fonte de luz e o comprimento máximo de detecção que o sistema pode atingir é Lmax ~ 0,04vg /f, o que significa que para uma fibra com comprimento de 80 km, a largura da linha da fonte de luz é inferior a 100 Hz. Além disso, o desenvolvimento de outras aplicações também apresenta requisitos mais elevados para a largura de linha da fonte de luz. Por exemplo, no sistema de hidrofone de fibra óptica, a largura de linha da fonte de luz determina o ruído do sistema e também determina o sinal mensurável mínimo do sistema. No refletor óptico de domínio do tempo Brillouin (BOTDR), a resolução da medição de temperatura e tensão é determinada principalmente pela largura de linha da fonte de luz. Em um giroscópio de fibra óptica ressonador, o comprimento de coerência da onda de luz pode ser aumentado reduzindo a largura da linha da fonte de luz, melhorando assim a finura e a profundidade de ressonância do ressonador, reduzindo a largura da linha do ressonador e garantindo a medição precisão do giroscópio de fibra óptica.

1.2 Requisitos para fontes de laser de varredura

O laser de varredura de comprimento de onda único tem desempenho de ajuste de comprimento de onda flexível, pode substituir lasers de comprimento de onda fixo de saída múltipla, reduzir o custo de construção do sistema e é uma parte indispensável do sistema de detecção de fibra óptica. Por exemplo, na detecção de fibra de gás traço, diferentes tipos de gases têm diferentes picos de absorção de gás. Para garantir a eficiência de absorção de luz quando o gás de medição é suficiente e obter maior sensibilidade de medição, é necessário alinhar o comprimento de onda da fonte de luz de transmissão com o pico de absorção da molécula de gás. O tipo de gás que pode ser detectado é essencialmente determinado pelo comprimento de onda da fonte de luz sensora. Portanto, lasers de largura de linha estreita com desempenho de ajuste de banda larga estável têm maior flexibilidade de medição em tais sistemas de detecção. Por exemplo, em alguns sistemas distribuídos de detecção de fibra óptica baseados na reflexão no domínio da frequência óptica, o laser precisa ser rapidamente varrido periodicamente para obter detecção e desmodulação coerente de alta precisão de sinais ópticos, de modo que a taxa de modulação da fonte de laser tenha requisitos relativamente altos , e a velocidade de varredura do laser ajustável geralmente é necessária para atingir 10 pm/μs. Além disso, o laser de largura de linha estreita ajustável em comprimento de onda também pode ser amplamente utilizado em LiDAR, sensoriamento remoto a laser e análise espectral de alta resolução e outros campos de detecção. A fim de atender aos requisitos de parâmetros de alto desempenho de largura de banda de ajuste, precisão de ajuste e velocidade de ajuste de lasers de comprimento de onda único no campo de detecção de fibra, o objetivo geral do estudo de lasers de fibra de largura estreita sintonizáveis ​​​​nos últimos anos é alcançar alta - ajuste de precisão em uma faixa de comprimento de onda maior com base na busca de largura de linha de laser ultraestreita, ruído de fase ultrabaixo e frequência e potência de saída ultraestáveis.

1.3 Demanda por fonte de luz laser branca

No campo da detecção óptica, o laser de luz branca de alta qualidade é de grande importância para melhorar o desempenho do sistema. Quanto mais ampla for a cobertura do espectro do laser de luz branca, mais extensa será sua aplicação no sistema de detecção de fibra óptica. Por exemplo, ao usar rede de Bragg de fibra (FBG) para construir uma rede de sensores, a análise espectral ou o método de correspondência de filtro sintonizável podem ser usados ​​para desmodulação. O primeiro usou um espectrômetro para testar diretamente cada comprimento de onda ressonante FBG na rede. Este último utiliza um filtro de referência para rastrear e calibrar o FBG na detecção, sendo que ambos requerem uma fonte de luz de banda larga como fonte de luz de teste para o FBG. Como cada rede de acesso FBG terá uma certa perda de inserção e uma largura de banda superior a 0,1 nm, a desmodulação simultânea de múltiplos FBG requer uma fonte de luz de banda larga com alta potência e alta largura de banda. Por exemplo, ao usar redes de fibra de longo período (LPFG) para detecção, uma vez que a largura de banda de um único pico de perda é da ordem de 10 nm, uma fonte de luz de amplo espectro com largura de banda suficiente e espectro relativamente plano é necessária para caracterizar com precisão sua ressonância. características de pico. Em particular, a rede de fibra acústica (AIFG) construída utilizando efeito acústico-óptico pode atingir uma faixa de sintonia de comprimento de onda ressonante de até 1000 nm por meio de sintonia elétrica. Portanto, o teste de grade dinâmica com uma faixa de sintonia tão ampla representa um grande desafio para a faixa de largura de banda de uma fonte de luz de amplo espectro. Da mesma forma, nos últimos anos, a grade inclinada de fibra de Bragg também tem sido amplamente utilizada no campo de detecção de fibra. Devido às suas características de espectro de perda de múltiplos picos, a faixa de distribuição de comprimento de onda geralmente pode atingir 40 nm. Seu mecanismo de detecção geralmente consiste em comparar o movimento relativo entre vários picos de transmissão, por isso é necessário medir completamente seu espectro de transmissão. A largura de banda e a potência da fonte de luz de amplo espectro devem ser maiores.

2. Status da pesquisa no país e no exterior

2.1 Fonte de luz laser de largura de linha estreita

2.1.1 Laser de feedback distribuído de semicondutor de largura de linha estreita

Em 2006, Clichê et al. reduziu a escala de MHz do semicondutorLaser DFB(laser de feedback distribuído) em escala kHz usando método de feedback elétrico; Em 2011, Kessler et al. usou cavidade de cristal único de baixa temperatura e alta estabilidade combinada com controle de feedback ativo para obter saída de laser de largura de linha ultraestreita de 40 MHz; Em 2013, Peng et al obtiveram uma saída de laser semicondutor com largura de linha de 15 kHz usando o método de ajuste de feedback externo Fabry-Perot (FP). O método de feedback elétrico usou principalmente o feedback de estabilização de frequência Pond-Drever-Hall para reduzir a largura de linha do laser da fonte de luz. Em 2010, Bernhardi et al. produziu 1 cm de alumina FBG dopada com érbio em um substrato de óxido de silício para obter uma saída de laser com uma largura de linha de cerca de 1,7 kHz. No mesmo ano, Liang et al. usou o feedback de autoinjeção do espalhamento Rayleigh reverso formado por um ressonador de parede de eco de alto Q para compressão de largura de linha de laser semicondutor, como mostrado na Figura 1, e finalmente obteve uma saída de laser de largura de linha estreita de 160 Hz.

Figura 1 (a) Diagrama de compressão de largura de linha de laser semicondutor baseado no espalhamento Rayleigh de autoinjeção do ressonador de modo de galeria de sussurro externo;
(b) Espectro de frequência do laser semicondutor de funcionamento livre com largura de linha de 8 MHz;
(c) Espectro de frequência do laser com largura de linha comprimida para 160 Hz
2.1.2 Laser de fibra de largura de linha estreita

Para lasers de fibra de cavidade linear, a saída do laser de largura de linha estreita do modo longitudinal único é obtida encurtando o comprimento do ressonador e aumentando o intervalo do modo longitudinal. Em 2004, Spiegelberg et al. obteve uma saída de laser de largura de linha estreita de modo longitudinal único com largura de linha de 2 kHz usando o método de cavidade curta DBR. Em 2007, Shen et al. usou uma fibra de silício fortemente dopada com érbio de 2 cm para escrever FBG em uma fibra fotossensível co-dopada Bi-Ge e fundiu-a com uma fibra ativa para formar uma cavidade linear compacta, tornando a largura da linha de saída do laser menor que 1 kHz. Em 2010, Yang et al. usaram uma cavidade linear curta altamente dopada de 2 cm combinada com um filtro FBG de banda estreita para obter uma única saída de laser de modo longitudinal com uma largura de linha inferior a 2 kHz. Em 2014, a equipe utilizou uma cavidade linear curta (ressonador de anel dobrado virtual) combinada com um filtro FBG-FP para obter uma saída de laser com largura de linha mais estreita, conforme mostrado na Figura 3. Em 2012, Cai et al. usaram uma estrutura de cavidade curta de 1,4 cm para obter uma saída de laser polarizador com potência de saída superior a 114 mW, comprimento de onda central de 1540,3 nm e largura de linha de 4,1 kHz. Em 2013, Meng et al. usaram o espalhamento Brillouin de fibra dopada com érbio com uma cavidade de anel curto de um dispositivo de preservação de polarização total para obter um modo longitudinal único, saída de laser de baixo ruído de fase com uma potência de saída de 10 mW. Em 2015, a equipe usou uma cavidade de anel composta de fibra dopada com érbio de 45 cm como meio de ganho de espalhamento Brillouin para obter um limiar baixo e saída de laser de largura de linha estreita.

Figura 2 (a) Desenho esquemático do laser de fibra SLC;
(b) Forma de linha do sinal heteródino medido com atraso de fibra de 97,6 km