Tecnulugia di fonte laser per u rilevamentu di fibre ottiche Prima parte

Tecnulugia di fonte laser perfibra otticaSensazione Parte Prima

A tecnulugia di rilevamentu di fibre ottiche hè un tipu di tecnulugia di rilevamentu sviluppata inseme cù a tecnulugia di fibre ottiche è a tecnulugia di cumunicazione in fibre ottiche, è hè diventata una di e branche più attive di a tecnulugia fotoelettrica. U sistema di rilevamentu di fibre ottiche hè cumpostu principalmente da laser, fibre di trasmissione, elementi di rilevamentu o area di modulazione, rilevamentu di luce è altre parti. I parametri chì descrivenu e caratteristiche di l'onda luminosa includenu intensità, lunghezza d'onda, fase, statu di polarizazione, ecc. Questi parametri ponu esse cambiati da influenze esterne in a trasmissione di fibre ottiche. Per esempiu, quandu a temperatura, a deformazione, a pressione, a corrente, u spustamentu, a vibrazione, a rotazione, a flessione è a quantità chimica influenzanu u percorsu otticu, questi parametri cambianu currispundente. U rilevamentu di fibre ottiche hè basatu annantu à a relazione trà questi parametri è fattori esterni per rilevà e quantità fisiche currispondenti.

Ci sò parechji tippi difonte laserutilizatu in i sistemi di rilevamentu di fibre ottiche, chì ponu esse divisi in duie categurie: coerentifonti laserè fonti di luce incoerenti, incoerentifonti di luceincludenu principalmente luce incandescente è diodi emettitori di luce, è e fonti di luce coerenti includenu laser solidi, laser liquidi, laser à gas,laser à semiconduttoreèlaser à fibraCiò chì seguita hè principalmente per ufonte di luce laserlargamente utilizatu in u campu di u rilevamentu di fibre in l'ultimi anni: laser à frequenza unica à larghezza di linea stretta, laser à frequenza di spazzata à lunghezza d'onda unica è laser biancu.

1.1 Requisiti per una larghezza di linea strettafonti di luce laser

U sistema di rilevamentu di fibra ottica ùn pò esse separatu da a fonte laser, postu chì l'onda luminosa di u purtatore di signale misurata, a prestazione di a fonte laser stessa, cum'è a stabilità di putenza, a larghezza di linea laser, u rumore di fase è altri parametri nantu à a distanza di rilevamentu di u sistema di rilevamentu di fibra ottica, a precisione di rilevamentu, a sensibilità è e caratteristiche di u rumore ghjocanu un rolu decisivu. In l'ultimi anni, cù u sviluppu di sistemi di rilevamentu di fibra ottica à ultra alta risoluzione à longa distanza, u mondu accademicu è l'industria anu prupostu requisiti più severi per e prestazioni di larghezza di linea di a miniaturizazione laser, principalmente in: a tecnulugia di riflessione di u duminiu di frequenza ottica (OFDR) utilizza a tecnulugia di rilevamentu coerente per analizà i signali spargugliati backrayleigh di e fibre ottiche in u duminiu di frequenza, cù una larga copertura (migliaia di metri). I vantaghji di l'alta risoluzione (risoluzione à livellu millimetricu) è di l'alta sensibilità (finu à -100 dBm) sò diventati una di e tecnulugie cù larghe prospettive d'applicazione in a tecnulugia di misurazione è rilevamentu di fibre ottiche distribuite. U core di a tecnulugia OFDR hè di utilizà una fonte di luce sintonizzabile per ottene a sintonizazione di a frequenza ottica, dunque a prestazione di a fonte laser determina i fattori chjave cum'è a gamma di rilevamentu OFDR, a sensibilità è a risoluzione. Quandu a distanza di u puntu di riflessione hè vicina à a lunghezza di cuerenza, l'intensità di u signale di battimentu serà attenuata esponenzialmente da u cuefficiente τ/τc. Per una fonte di luce gaussiana cù una forma spettrale, per assicurà chì a frequenza di battimentu abbia una visibilità di più di 90%, a relazione trà a larghezza di linea di a fonte di luce è a lunghezza massima di rilevamentu chì u sistema pò ottene hè Lmax ~ 0,04 vg / f, ciò significa chì per una fibra cù una lunghezza di 80 km, a larghezza di linea di a fonte di luce hè inferiore à 100 Hz. Inoltre, u sviluppu di altre applicazioni hà ancu messu in opera requisiti più elevati per a larghezza di linea di a fonte di luce. Per esempiu, in u sistema di idrofoni à fibra ottica, a larghezza di linea di a fonte di luce determina u rumore di u sistema è determina ancu u signale minimu misurabile di u sistema. In u riflettore di duminiu di u tempu otticu Brillouin (BOTDR), a risoluzione di misurazione di a temperatura è di u stress hè principalmente determinata da a larghezza di linea di a fonte di luce. In un giroscopiu à fibra ottica risonatore, a lunghezza di coerenza di l'onda luminosa pò esse aumentata riducendu a larghezza di a linea di a fonte luminosa, migliurendu cusì a finezza è a prufundità di risonanza di u risonatore, riducendu a larghezza di a linea di u risonatore è assicurendu a precisione di misurazione di u giroscopiu à fibra ottica.

1.2 Requisiti per e fonti laser di spazzamentu

U laser à spazzata à lunghezza d'onda unica hà prestazioni di sintonizazione di lunghezza d'onda flessibili, pò rimpiazzà laser à lunghezza d'onda fissa in uscita multipla, riduce u costu di custruzzione di u sistema, hè una parte indispensabile di u sistema di rilevamentu di fibra ottica. Per esempiu, in u rilevamentu di fibra di gas traccia, diversi tipi di gas anu diversi picchi di assorbimentu di gas. Per assicurà l'efficienza di assorbimentu di a luce quandu u gas di misurazione hè sufficiente è ottene una maggiore sensibilità di misurazione, hè necessariu allineà a lunghezza d'onda di a fonte di luce di trasmissione cù u piccu di assorbimentu di a molecule di gas. U tipu di gas chì pò esse rilevatu hè essenzialmente determinatu da a lunghezza d'onda di a fonte di luce di rilevamentu. Dunque, i laser à larghezza di linea stretta cù prestazioni di sintonizazione à banda larga stabile anu una maggiore flessibilità di misurazione in tali sistemi di rilevamentu. Per esempiu, in alcuni sistemi di rilevamentu di fibra ottica distribuiti basati nantu à a riflessione di u duminiu di frequenza ottica, u laser deve esse spazzatu periodicamente rapidamente per ottene una rilevazione coerente di alta precisione è una demodulazione di segnali ottici, dunque a velocità di modulazione di a fonte laser hà requisiti relativamente elevati, è a velocità di spazzata di u laser regulabile hè generalmente necessaria per ghjunghje à 10 pm/μs. Inoltre, u laser à larghezza di linea stretta sintonizzabile à lunghezza d'onda pò ancu esse largamente utilizatu in liDAR, telerilevamentu laser è analisi spettrale ad alta risoluzione è altri campi di rilevamentu. Per risponde à i requisiti di parametri di alta prestazione di larghezza di banda di sintonizazione, precisione di sintonizazione è velocità di sintonizazione di laser à lunghezza d'onda unica in u campu di u rilevamentu di fibre, l'ubbiettivu generale di u studiu di laser à fibra à larghezza stretta sintonizabili in l'ultimi anni hè di ottene una sintonizazione di alta precisione in una gamma di lunghezze d'onda più larga nantu à a basa di a ricerca di una larghezza di linea laser ultra-stretta, un rumore di fase ultra-bassu è una frequenza è putenza di uscita ultra-stabili.

1.3 Dumanda di fonte di luce laser bianca

In u campu di a rilevazione ottica, u laser à luce bianca d'alta qualità hè di grande impurtanza per migliurà e prestazioni di u sistema. Più larga hè a cupertura di u spettru di u laser à luce bianca, più estesa hè a so applicazione in u sistema di rilevazione di fibra ottica. Per esempiu, quandu si usa a fibra di Bragg grating (FBG) per custruisce una rete di sensori, l'analisi spettrale o u metudu di currispundenza di filtri sintonizabili puderanu esse aduprati per a demodulazione. U primu hà utilizatu un spettrometru per testà direttamente ogni lunghezza d'onda risonante FBG in a rete. U secondu usa un filtru di riferimentu per seguità è calibrà u FBG in a rilevazione, tramindui i quali richiedenu una fonte di luce à banda larga cum'è fonte di luce di prova per u FBG. Siccomu ogni rete d'accessu FBG avarà una certa perdita d'inserzione, è hà una larghezza di banda di più di 0,1 nm, a demodulazione simultanea di più FBG richiede una fonte di luce à banda larga cù alta putenza è alta larghezza di banda. Per esempiu, quandu si usa un reticolo di fibra à longu periodu (LPFG) per u rilevamentu, postu chì a larghezza di banda di un unicu piccu di perdita hè di l'ordine di 10 nm, hè necessaria una fonte di luce à spettru largu cù una larghezza di banda sufficiente è un spettru relativamente pianu per caratterizà accuratamente e so caratteristiche di piccu risonante. In particulare, u reticolo di fibra acustica (AIFG) custruitu utilizendu l'effettu acusto-otticu pò ottene una gamma di sintonizazione di lunghezza d'onda risonante finu à 1000 nm per mezu di a sintonizazione elettrica. Dunque, i test di reticolo dinamicu cù una tale gamma di sintonizazione ultra-larga pone una grande sfida per a gamma di larghezza di banda di una fonte di luce à spettru largu. In listessu modu, in l'ultimi anni, u reticolo di fibra di Bragg inclinatu hè statu ancu largamente utilizatu in u campu di u rilevamentu di fibre. A causa di e so caratteristiche di spettru di perdita multi-piccu, a gamma di distribuzione di lunghezza d'onda pò di solitu ghjunghje à 40 nm. U so mecanismu di rilevamentu hè di solitu di paragunà u muvimentu relativu trà parechji picchi di trasmissione, dunque hè necessariu misurà cumpletamente u so spettru di trasmissione. A larghezza di banda è a putenza di a fonte di luce à spettru largu devenu esse più alte.

2. Statu di ricerca in casa è à l'esteru

2.1 Fonte di luce laser à larghezza di linea stretta

2.1.1 Laser à retroazione distribuita à semiconduttore à larghezza di linea stretta

In u 2006, Cliche et al. anu riduttu a scala di MHz di i semiconduttori.Laser DFB(laser à feedback distribuitu) à scala kHz utilizendu u metudu di feedback elettricu; In u 2011, Kessler et al. anu utilizatu una cavità di cristallu unicu à bassa temperatura è alta stabilità cumminata cù un cuntrollu di feedback attivu per ottene una uscita laser à larghezza di linea ultra stretta di 40 MHz; In u 2013, Peng et al. anu ottenutu una uscita laser à semiconduttore cù una larghezza di linea di 15 kHz utilizendu u metudu di regulazione di feedback Fabry-Perot (FP) esterna. U metudu di feedback elettricu hà utilizatu principalmente u feedback di stabilizazione di frequenza Pond-Drever-Hall per riduce a larghezza di linea laser di a fonte di luce. In u 2010, Bernhardi et al. anu pruduttu 1 cm di FBG d'alumina drogata cù erbium nantu à un substratu d'ossidu di siliciu per ottene una uscita laser cù una larghezza di linea di circa 1,7 kHz. In u stessu annu, Liang et al. anu utilizatu u feedback d'autoiniezione di a diffusione Rayleigh à l'indietro furmata da un risonatore di parete d'eco à alta Q per a cumpressione di a larghezza di linea di u laser à semiconduttore, cum'è mostratu in a Figura 1, è infine anu ottenutu una uscita laser à larghezza di linea stretta di 160 Hz.

Fig. 1 (a) Diagramma di a cumpressione di a larghezza di linea di u laser à semiconduttore basatu annantu à a diffusione Rayleigh à autoiniezione di u risonatore di modu di galleria à sussurru esternu;
(b) Spettru di frequenza di u laser à semiconduttore à corsa libera cù una larghezza di linea di 8 MHz;
(c) Spettru di frequenza di u laser cù a larghezza di linea cumpressa à 160 Hz
2.1.2 Laser à fibra à larghezza di linea stretta

Per i laser à fibra à cavità lineare, l'output laser à larghezza di linea stretta di un modu longitudinale unicu hè ottenutu accurtendu a lunghezza di u risonatore è aumentendu l'intervallu di u modu longitudinale. In u 2004, Spiegelberg et al. anu ottenutu un output laser à larghezza di linea stretta di un modu longitudinale unicu cù una larghezza di linea di 2 kHz utilizendu u metudu di cavità corta DBR. In u 2007, Shen et al. anu utilizatu una fibra di silicone fortemente drogata cù erbio di 2 cm per scrive FBG nantu à una fibra fotosensibile co-dopata Bi-Ge, è l'anu fusa cù una fibra attiva per furmà una cavità lineare compatta, rendendu a so larghezza di linea di output laser inferiore à 1 kHz. In u 2010, Yang et al. anu utilizatu una cavità lineare corta altamente drogata di 2 cm cumminata cù un filtru FBG à banda stretta per ottene un output laser à modu longitudinale unicu cù una larghezza di linea inferiore à 2 kHz. In u 2014, a squadra hà utilizatu una cavità lineare corta (risonatore à anellu piegatu virtuale) cumminata cù un filtru FBG-FP per ottene una pruduzzione laser cù una larghezza di linea più stretta, cum'è mostratu in a Figura 3. In u 2012, Cai et al. anu utilizatu una struttura di cavità corta di 1,4 cm per ottene una pruduzzione laser polarizzante cù una putenza di pruduzzione superiore à 114 mW, una lunghezza d'onda cintrale di 1540,3 nm è una larghezza di linea di 4,1 kHz. In u 2013, Meng et al. anu utilizatu a diffusione Brillouin di fibra drogata cù erbio cù una cavità à anellu corta di un dispositivu di preservazione di polarizazione cumpleta per ottene una pruduzzione laser à modu longitudinale unicu, à rumore di fase bassa cù una putenza di pruduzzione di 10 mW. In u 2015, a squadra hà utilizatu una cavità à anellu cumposta da fibra drogata cù erbio di 45 cm cum'è mezu di guadagnu di diffusione Brillouin per ottene una pruduzzione laser à soglia bassa è larghezza di linea stretta.

Fig. 2 (a) Schema di u laser à fibra SLC;
(b) Forma di linea di u signale eterodinu misurata cù un ritardu di fibra di 97,6 km