Laserquelltechnologie fir d'Detektioun vun optesche Faseren Deel Een

Laserquelltechnologie firoptesch FaserSensatioun Deel Een

D'Technologie vun der optescher Fasersensor ass eng Zort Sensortechnologie, déi zesumme mat der optescher Fasertechnologie an der optescher Faserkommunikatiounstechnologie entwéckelt gouf, an ass zu engem vun den aktivsten Deeler vun der photoelektrescher Technologie ginn. D'optesch Fasersensorsystemer besteet haaptsächlech aus Laser, Transmissiounsfaser, Sensorelement oder Modulatiounsberäich, Liichtdetektioun an aneren Deeler. D'Parameteren, déi d'Charakteristike vun der Liichtwell beschreiwen, enthalen Intensitéit, Wellelängt, Phas, Polarisatiounszoustand, etc. Dës Parameteren kënnen duerch extern Aflëss an der optescher Fasertransmissioun geännert ginn. Zum Beispill, wann Temperatur, Dehnung, Drock, Stroum, Verrécklung, Vibratioun, Rotatioun, Biegung a chemesch Quantitéit den optesche Wee beaflossen, änneren sech dës Parameteren entspriechend. D'Detektioun vun optesche Faseren baséiert op der Bezéiung tëscht dëse Parameteren an externen Faktoren fir déi entspriechend physikalesch Quantitéiten z'entdecken.

Et gi vill Zorten vunLaserquella Glasfaser-Detektiounssystemer benotzt, déi an zwou Kategorien agedeelt kënne ginn: kohärentLaserquellenan inkohärent Liichtquellen, inkohärentLiichtquellenhaaptsächlech Glühbirnen a Liichtemittéierend Dioden enthalen, a kohärent Liichtquellen enthalen Festlaser, Flësseglaser, Gaslaser,HalbleiterlaseranFaserlaser. Déi folgend ass haaptsächlech fir denLaserliichtquellwäit verbreet am Beräich vun der Glasfaserdetektioun an de leschte Jore: schmuel Linnbreet Eenfrequenzlaser, Eenwellenlängt-Sweepfrequenzlaser a Wäisselaser.

1.1 Ufuerderunge fir eng schmuel LinnbreetLaserliichtquellen

D'Detektiounssystem fir optesch Faseren kann net vun der Laserquell getrennt ginn, well d'gemoossene Signalträgerliichtwell, d'Leeschtung vun der Laserliichtquell selwer, wéi d'Energiestabilitéit, d'Laserlinnbreet, de Phasenrauschen an aner Parameteren op der Detektiounsdistanz, der Detektiounsgenauegkeet, der Empfindlechkeet an der Rauschcharakteristik vum optesche Faser-Detektiounssystem eng entscheedend Roll spillen. An de leschte Joren, mat der Entwécklung vu Glasfaser-Detektiounssystemer mat ultrahéijer Opléisung op laang Distanzen, hunn d'Wëssenschaft an d'Industrie méi streng Ufuerderungen un d'Linnebreetleistung vun der Laserminiaturiséierung gestallt, haaptsächlech an de Beräicher: D'Reflexiounstechnologie am optesche Frequenzberäich (OFDR) benotzt eng kohärent Detektiounstechnologie fir d'Backrayleigh-Signaler vun optesche Faseren am Frequenzberäich mat enger breeder Ofdeckung (Dausende vu Meter) ze analyséieren. D'Virdeeler vun héijer Opléisung (Millimeterniveau-Opléisung) an héijer Empfindlechkeet (bis zu -100 dBm) sinn zu enger vun den Technologien mat breede Uwendungsperspektiven an der Miess- a Detektiounstechnologie fir verdeelt optesch Faseren ginn. De Kär vun der OFDR-Technologie ass d'Benotzung vun ofstëmmenbarer Liichtquell fir d'Ofstëmmung vun der optescher Frequenz z'erreechen, sou datt d'Leeschtung vun der Laserquell Schlësselfaktoren wéi d'Detektiounsberäich, d'Empfindlechkeet an d'Opléisung vun der OFDR bestëmmt. Wann d'Distanz vum Reflexiounspunkt no bei der Kohärenzlängt ass, gëtt d'Intensitéit vum Beatsignal exponentiell ëm de Koeffizient τ/τc ofgeschwächt. Fir eng Gauss-Liichtquell mat enger spektraler Form, fir sécherzestellen, datt d'Beatfrequenz méi wéi 90% Visibilitéit huet, ass d'Bezéiung tëscht der Linnbreet vun der Liichtquell an der maximaler Sensorlängt, déi de System erreeche kann, Lmax~0,04vg/f, wat bedeit, datt fir eng Faser mat enger Längt vun 80 km d'Linnbreet vun der Liichtquell manner wéi 100 Hz ass. Zousätzlech huet d'Entwécklung vun aneren Uwendungen och méi héich Ufuerderungen un d'Linnbreet vun der Liichtquell gestallt. Zum Beispill, am optesche Faserhydrophonsystem bestëmmt d'Linnbreet vun der Liichtquell de Systemrauschen an och dat minimal moossbart Signal vum System. Am Brillouin opteschen Zäitdomänreflektor (BOTDR) gëtt d'Miessopléisung vun Temperatur a Spannung haaptsächlech vun der Linnbreet vun der Liichtquell bestëmmt. An engem Resonator-Gyro mat Glasfaser kann d'Kohärenzlängt vun der Liichtwelle erhéicht ginn, andeems d'Linnebreet vun der Liichtquell reduzéiert gëtt, wouduerch d'Feinheet an d'Resonanzdéift vum Resonator verbessert ginn, d'Linnebreet vum Resonator reduzéiert gëtt an d'Miessgenauegkeet vum Glasfasergyro garantéiert gëtt.

1.2 Ufuerderunge fir Sweep-Laserquellen

E Laser mat enger eenzeger Wellelängt huet eng flexibel Wellelängtenofstëmmungsleistung, kann verschidde Laser mat fester Wellelängt ausginn, d'Käschte vum Systembau reduzéieren an ass en onverzichtbaren Deel vun engem optesche Fasersensorsystem. Zum Beispill hunn ënnerschiddlech Aarte vu Gasen am Spurgasfasersensorsystem ënnerschiddlech Gasabsorptiounspeaken. Fir d'Liichtabsorptiounseffizienz ze garantéieren, wann de Miessgas ausräicht, an eng méi héich Miessempfindlechkeet z'erreechen, ass et néideg, d'Wellelängt vun der Transmissiounsliichtquell mam Absorptiounspeak vum Gasmolekül auszegläichen. D'Aart vu Gas, déi nogewise ka ginn, gëtt am Wesentlechen vun der Wellelängt vun der sensorescher Liichtquell bestëmmt. Dofir hunn Laser mat enger schmueler Linnbreet a stabiler Breitbandofstëmmungsleistung eng méi héich Miessflexibilitéit an esou Sensorsystemer. Zum Beispill muss de Laser a verschiddene verdeelten optesche Fasersensorsystemer, déi op der Reflexioun am optesche Frequenzberäich baséieren, séier periodesch ofgewéckelt ginn, fir eng héichpräzis kohärent Detektioun an Demodulatioun vun optesche Signaler z'erreechen, sou datt d'Moduléierungsquote vun der Laserquell relativ héich Ufuerderungen huet, an d'Schweifgeschwindegkeet vum justierbare Laser muss normalerweis 10 pm/μs erreechen. Zousätzlech kann de wellenlängtenofstëmmenden, schmuele Linnenbreetlaser och wäit verbreet an der LiDAR, Laserfernerkundung an der héichopléisender Spektralanalyse an anere Sensorberäicher agesat ginn. Fir d'Ufuerderunge vun den héije Leeschtungsparameter vun der Ofstëmmungsbandbreet, der Ofstëmmungsgenauegkeet an der Ofstëmmungsgeschwindegkeet vun Eenzelwellenlängtelasern am Beräich vun der Faserdetektioun ze erfëllen, ass dat allgemengt Zil vun der Studie vun ofstëmmenden, schmuele Faserlasern an de leschte Joren, eng héichpräzis Ofstëmmung an engem gréissere Wellenlängteberäich z'erreechen, andeems een ultra-schmuele Laserlinnenbreet, ultra-niddrege Phasenrauschen an ultra-stabiler Ausgangsfrequenz a -leistung verfollegt.

1.3 Nofro fir wäiss Laserliichtquell

Am Beräich vun der optescher Detektioun ass e qualitativ héichwäertege Wäissliichtlaser vu grousser Bedeitung fir d'Leeschtung vum System ze verbesseren. Wat méi breet d'Spektrumofdeckung vum Wäissliichtlaser ass, wat méi extensiv seng Uwendung an optesche Faserdetektiounssystemer ass. Zum Beispill, wann e Glasfaser-Bragg-Gitter (FBG) benotzt gëtt fir e Sensornetz opzebauen, kéint d'Spektralanalyse oder d'Method vun der ofstëmmender Filteranpassung fir d'Demodulatioun benotzt ginn. Déi éischt huet e Spektrometer benotzt fir all FBG-Resonanzwellelängt am Netz direkt ze testen. Déi zweet benotzt e Referenzfilter fir d'FBG an der Detektioun ze verfollegen a ze kalibréieren, béid erfuerderen eng Breitband-Liichtquell als Testliichtquell fir d'FBG. Well all FBG-Zougangsnetz e gewëssen Insertion-Verloscht huet an eng Bandbreet vu méi wéi 0,1 nm huet, erfuerdert déi gläichzäiteg Demodulatioun vu multiple FBG eng Breitband-Liichtquell mat héijer Leeschtung an héijer Bandbreet. Zum Beispill, wann ee laangfristegt Fasergitter (LPFG) fir d'Detektioun benotzt, well d'Bandbreet vun engem eenzege Verloschtpeak an der Gréisstenuerdnung vun 10 nm läit, ass eng breetspektrum Liichtquell mat genuch Bandbreet an engem relativ flaache Spektrum noutwendeg, fir seng resonant Peak-Charakteristiken genee ze charakteriséieren. Besonnesch en akustescht Fasergitter (AIFG), dat mat Hëllef vun engem akusto-opteschen Effekt konstruéiert ass, kann en Ofstëmmungsberäich vun enger resonanter Wellelängt vu bis zu 1000 nm duerch elektresch Ofstëmmung erreechen. Dofir stellt den dynamesche Gittertest mat sou engem ultra-breeten Ofstëmmungsberäich eng grouss Erausfuerderung fir de Bandbreetberäich vun enger breetspektrum Liichtquell. Ähnlech gouf an de leschte Joren och gekippt Bragg-Fasergitter wäit verbreet am Beräich vun der Faserdetektioun benotzt. Wéinst senge Multi-Peak-Verloschtspektrum-Charakteristiken kann de Wellelängteverdeelungsberäich normalerweis 40 nm erreechen. Säi Detektiounsmechanismus ass normalerweis d'relativ Bewegung tëscht verschiddene Transmissiounspeaken ze vergläichen, dofir ass et néideg, säin Transmissiounsspektrum komplett ze moossen. D'Bandbreet an d'Leeschtung vun der breetspektrum Liichtquell musse méi héich sinn.

2. Fuerschungsstatus am In- an Ausland

2.1 Schmuel Linnbreet Laserliichtquell

2.1.1 Schmuel Linnbreet Halbleiter verdeelt Feedbacklaser

Am Joer 2006 hunn de Cliche et al. d'MHz-Skala vum Halbleiter reduzéiertDFB-Laser(verdeelte Feedbacklaser) op kHz-Skala mat Hëllef vun der elektrescher Feedbackmethod; Am Joer 2011 hunn de Kessler et al. eng Eenkristallkavitéit mat niddreger Temperatur an héijer Stabilitéit a Kombinatioun mat aktiver Feedbackkontroll benotzt, fir eng ultra-schmuel Linnebreetlaserausgang vu 40 MHz ze kréien; Am Joer 2013 hunn de Peng et al. eng Hallefleitlaserausgang mat enger Linnebreet vu 15 kHz mat Hëllef vun der Method vun der externer Fabry-Perot (FP) Feedbackanpassung kritt. Déi elektresch Feedbackmethod huet haaptsächlech d'Pond-Drever-Hall Frequenzstabiliséierungsfeedback benotzt, fir d'Laserlinnebreet vun der Liichtquell ze reduzéieren. Am Joer 2010 hunn de Bernhardi et al. 1 cm² mat Erbium dotiert Aluminiumoxid FBG op engem Siliziumoxidsubstrat produzéiert, fir eng Laserausgang mat enger Linnebreet vu ronn 1,7 kHz ze kréien. Am selwechte Joer hunn de Liang et al. huet d'Selbstinjektiouns-Feedback vun der Réckwärts-Rayleigh-Streuung benotzt, déi vun engem Echowandresonator mat héijem Q-Wäert fir d'Kompressioun vun der Linnenbreet vum Hallefleiterlaser geformt gouf, wéi an der Figur 1 gewisen, an huet schliisslech eng Laserausgang mat enger schmueler Linnenbreet vun 160 Hz kritt.

Fig. 1 (a) Diagramm vun der Hallefleiterlaser-Linnenbreetkompressioun baséiert op der Selbstinjektiouns-Rayleigh-Streuung vun engem externen Whispering-Galerie-Modus-Resonator;
(b) Frequenzspektrum vum fräi lafende Hallefleiterlaser mat enger Linnbreet vun 8 MHz;
(c) Frequenzspektrum vum Laser mat enger op 160 Hz kompriméierter Linnbreet
2.1.2 Schmuel Linnbreetfaserlaser

Fir linear Kavitéitsfaserlaser gëtt déi schmuel Linnbreetlaserausgang vum eenzege Längsmodus kritt andeems d'Längt vum Resonator verkierzt an den Längsmodusintervall erhéicht gëtt. Am Joer 2004 hunn de Spiegelberg et al. eng schmuel Linnbreetlaserausgang am eenzege Längsmodus mat enger Linnbreet vun 2 kHz mat Hëllef vun der DBR-Kuerzkavitéitsmethod kritt. Am Joer 2007 hunn de Shen et al. eng 2 cm staark mat Erbium dotiert Siliziumfaser benotzt fir FBG op eng Bi-Ge ko-dotiert photosensitiv Faser ze schreiwen, an hunn se mat enger aktiver Faser verschmolzen fir eng kompakt linear Kavitéit ze bilden, wouduerch hir Laserausgangslinnbreet manner wéi 1 kHz ass. Am Joer 2010 hunn de Yang et al. eng 2 cm héich dotiert kuerz linear Kavitéit a Kombinatioun mat engem schmuelbandege FBG-Filter benotzt fir eng eenzeg Längsmoduslaserausgang mat enger Linnbreet vu manner wéi 2 kHz ze kréien. Am Joer 2014 huet d'Team eng kuerz linear Kavitéit (virtuelle gefaltete Ringresonator) a Kombinatioun mat engem FBG-FP Filter benotzt fir eng Laserausgang mat enger méi schmueler Linnbreet ze kréien, wéi an der Figur 3 gewisen. Am Joer 2012 hunn de Cai et al. eng 1,4 cm laang Kuerzkavitéitsstruktur benotzt fir eng polariséierend Laserausgang mat enger Ausgangsleistung vu méi wéi 114 mW, enger zentraler Wellelängt vun 1540,3 nm an enger Linnbreet vu 4,1 kHz ze kréien. Am Joer 2013 hunn de Meng et al. Brillouin-Streuung vun Erbium-dotierter Faser mat enger kuerzer Ringkavitéit vun engem Voll-Bias-Erhaalungsvorrichtung benotzt fir eng Single-Longitudinal-Modus, Low-Phase-Rausch-Laserausgang mat enger Ausgangsleistung vun 10 mW ze kréien. Am Joer 2015 huet d'Team eng Ringkavitéit aus 45 cm Erbium-dotierter Faser als Brillouin-Streuverstärkungsmedium benotzt fir eng Laserausgang mat nidderegem Schwellwäert a schmueler Linnbreet ze kréien.

Fig. 2 (a) Schematesch Zeechnung vum SLC-Faserlaser;
(b) Linnenform vum Heterodynsignal gemooss mat enger Faserverzögerung vun 97,6 km