Технологија на ласерски извор за чувствителност на оптички влакна Прв дел

Технологија на ласерски извор заоптичко влакноосетувајќи го Првиот дел

Технологијата за сензори за оптички влакна е еден вид технологија на сензори развиена заедно со технологијата на оптички влакна и технологијата за комуникација со оптички влакна, и таа стана една од најактивните гранки на фотоелектричната технологија. Системот за чувствителност на оптички влакна главно се состои од ласер, преносно влакно, сензорен елемент или област за модулација, детекција на светлина и други делови. Параметрите што ги опишуваат карактеристиките на светлосниот бран вклучуваат интензитет, бранова должина, фаза, состојба на поларизација итн. Овие параметри може да се променат од надворешни влијанија во преносот на оптички влакна. На пример, кога температурата, напрегањето, притисокот, струјата, поместувањето, вибрациите, ротацијата, свиткувањето и хемиската количина влијаат на оптичката патека, овие параметри соодветно се менуваат. Чувството на оптички влакна се заснова на односот помеѓу овие параметри и надворешните фактори за откривање на соодветните физички количини.

Постојат многу видови наласерски изворсе користи во системи за сензори за оптички влакна, кои можат да се поделат во две категории: кохерентниласерски извории некохерентни извори на светлина, некохерентниизвори на светлинаглавно вклучуваат блескаво светло и диоди што емитуваат светлина, а кохерентни извори на светлина вклучуваат цврсти ласери, течни ласери, гасни ласери,полупроводнички ласериласер со влакна. Следното е главно заласерски извор на светлинашироко користен во полето на сензори за влакна во последниве години: ласер со една фреквенција со тесна ширина, ласер со фреквенција со една бранова должина и бел ласер.

1.1 Барања за тесна ширина на линијаталасерски извори на светлина

Системот за чувствителност на оптички влакна не може да се одвои од изворот на ласерот, бидејќи измерениот светлосен бран на носачот на сигналот, самиот извор на ласерска светлина перформанси, како што се стабилноста на енергија, ширината на линијата на ласерот, фазниот шум и други параметри на растојанието за откривање на системот за сензори со оптички влакна, откривање прецизноста, чувствителноста и карактеристиките на бучавата играат одлучувачка улога. Во последниве години, со развојот на системи за чувствителност на оптички влакна со ултра висока резолуција на долги растојанија, академијата и индустријата поставија построги барања за изведба на ширината на линијата на ласерската минијатуризација, главно во: технологијата за рефлексија на доменот на оптичка фреквенција (OFDR) користи кохерентна технологија за откривање за анализирање на задни расфрлани сигнали на оптички влакна во доменот на фреквенција, со широка покриеност (илјадници метри). Предностите на високата резолуција (резолуција на ниво на милиметар) и високата чувствителност (до -100 dBm) станаа една од технологиите со широки можности за примена во технологијата за мерење и сензори со дистрибуирани оптички влакна. Сржта на OFDR технологијата е да се користи прилагодлив извор на светлина за да се постигне оптичко прилагодување на фреквенцијата, така што перформансите на ласерскиот извор ги одредуваат клучните фактори како што се опсегот на откривање OFDR, чувствителноста и резолуцијата. Кога растојанието од рефлектирачката точка е блиску до должината на кохерентноста, интензитетот на сигналот за отчукување ќе биде експоненцијално ослабен со коефициентот τ/τc. За Гаусовиот извор на светлина со спектрален облик, со цел да се осигура дека фреквенцијата на отчукување има повеќе од 90% видливост, односот помеѓу ширината на линијата на изворот на светлина и максималната должина на сензорот што системот може да ја постигне е Lmax~0,04vg /f, што значи дека за влакно со должина од 80 km, ширината на линијата на изворот на светлина е помала од 100 Hz. Покрај тоа, развојот на други апликации, исто така, постави повисоки барања за ширината на линијата на изворот на светлина. На пример, во системот за хидрофон со оптички влакна, ширината на линијата на изворот на светлина ја одредува бучавата на системот и исто така го одредува минималниот мерлив сигнал на системот. Во Brillouin оптичкиот временски домен рефлектор (BOTDR), мерната резолуција на температурата и напрегањето главно се одредуваат од ширината на линијата на изворот на светлина. Во жиро со оптички влакна резонатор, должината на кохерентноста на светлосниот бран може да се зголеми со намалување на ширината на линијата на изворот на светлина, а со тоа да се подобри финоста и длабочината на резонанцијата на резонаторот, да се намали ширината на линијата на резонаторот и да се обезбеди мерење точност на жиро со оптички влакна.

1.2 Барања за извори на ласер

Ласерот со единечна бранова должина има флексибилни перформанси за подесување на бранова должина, може да замени повеќекратни излезни ласери со фиксна бранова должина, да ги намали трошоците за изградба на системот, е незаменлив дел од системот за сензори за оптички влакна. На пример, кај сензорите за гасни влакна во трагови, различни видови гасови имаат различни врвови на апсорпција на гас. Со цел да се обезбеди ефикасност на апсорпција на светлина кога мерниот гас е доволен и да се постигне поголема мерна чувствителност, неопходно е да се усогласи брановата должина на преносниот извор на светлина со врвот на апсорпција на молекулата на гасот. Типот на гас што може да се открие во суштина е одреден од брановата должина на сензорниот извор на светлина. Затоа, ласерите со тесна ширина на линијата со стабилни перформанси за подесување на широкопојасен интернет имаат поголема флексибилност за мерење во таквите системи за сензори. На пример, во некои дистрибуирани системи за чувствителност на оптички влакна базирани на рефлексија на доменот на оптичка фреквенција, ласерот треба периодично брзо да се брише за да се постигне кохерентно откривање и демодулација на оптички сигнали со висока прецизност, така што стапката на модулација на ласерскиот извор има релативно високи барања , а брзината на бришење на прилагодливиот ласер обично се бара да достигне 10 pm/μs. Дополнително, ласерот со тесна ширина на линијата што може да се прилагоди со бранова должина, исто така, може широко да се користи во liDAR, ласерско далечинско сензорирање и спектрална анализа со висока резолуција и други полиња со сензори. Со цел да се исполнат барањата на параметрите за високи перформанси на пропусниот опсег на подесување, точноста на подесување и брзината на подесување на ласерите со една бранова должина во областа на сензорот на влакна, општата цел на проучувањето на прилагодливите ласери со влакна со тесна ширина во последниве години е да се постигне висока прецизно подесување во поголем опсег на бранови должини врз основа на следење на ултра тесна ласерска ширина на линија, ултра низок фазен шум и ултрастабилна излезна фреквенција и моќност.

1.3 Побарувачка за бел ласерски извор на светлина

Во областа на оптичкото сензорирање, висококвалитетниот ласер на бела светлина е од големо значење за подобрување на перформансите на системот. Колку е поширок опсегот на спектарот на ласерот со бела светлина, толку е пообемна неговата примена во системот за сензори за оптички влакна. На пример, кога се користи влакно Браг-решетка (FBG) за изградба на сензорска мрежа, спектрална анализа или метод на усогласување на филтерот може да се користи за демодулација. Првиот користел спектрометар за директно тестирање на секоја FBG резонантна бранова должина во мрежата. Вториот користи референтен филтер за да го следи и калибрира FBG во сензорот, а и двете бараат широкопојасен извор на светлина како тест извор на светлина за FBG. Бидејќи секоја FBG пристапна мрежа ќе има одредена загуба на вметнување и има пропусен опсег од повеќе од 0,1 nm, симултаната демодулација на повеќе FBG бара широкопојасен извор на светлина со голема моќност и висок пропусен опсег. На пример, кога се користи долготрајна решетка со влакна (LPFG) за сензорирање, бидејќи пропусниот опсег на еден врв на загуба е од редот на 10 nm, потребен е извор на светлина со широк спектар со доволна пропусност и релативно рамен спектар за прецизно карактеризирање на неговата резонантна врвни карактеристики. Особено, решетката за акустични влакна (AIFG) конструирана со користење на акусто-оптички ефект може да постигне опсег на подесување на резонантна бранова должина до 1000 nm со помош на електрично подесување. Затоа, динамичкото тестирање на решетки со таков ултра-широк опсег на подесување претставува голем предизвик за опсегот на пропусниот опсег на извор на светлина со широк спектар. Слично на тоа, во последниве години, навалената решетка со влакна од Браг исто така е широко користена во областа на сензори за влакна. Поради карактеристиките на спектарот на загуби со повеќе врвови, опсегот на дистрибуција на бранова должина обично може да достигне 40 nm. Неговиот сензорен механизам обично е да го спореди релативното движење меѓу повеќе врвови на пренос, па затоа е неопходно целосно да се измери неговиот преносен спектар. Пропусниот опсег и моќноста на изворот на светлина со широк спектар треба да бидат повисоки.

2. Статус на истражување дома и во странство

2.1 Извор на ласерска светлина со тесна ширина на линијата

2.1.1 Полупроводнички дистрибуиран ласер со повратна информација со тесна ширина

Во 2006 година, Клише и сор. ја намали скалата на MHz на полупроводникотDFB ласер(дистрибуиран ласер за повратни информации ) до скала на kHz користејќи метод на електрична повратна информација; Во 2011 година, Кеслер и сор. користена ниска температура и висока стабилност еднокристална празнина во комбинација со активна контрола на повратни информации за да се добие ласерски излез со ултра тесна ширина на линијата од 40 MHz; Во 2013 година, Пенг и сор добија полупроводнички ласерски излез со ширина на линија од 15 kHz користејќи го методот на надворешно прилагодување на повратни информации Fabry-Pero (FP). Методот на електрична повратна информација главно користеше повратна информација за стабилизација на фреквенцијата Pond-Drever-Hall за да се намали ширината на ласерската линија на изворот на светлина. Во 2010 година, Бернхарди и сор. произведени 1 cm од ербиум-допирана алумина FBG на супстрат од силициум оксид за да се добие ласерски излез со ширина на линија од околу 1,7 kHz. Во истата година, Лианг и сор. ја користеше повратната информација за самовбризгување на назадното Рајлиово расејување формирано од ѕиден резонатор со ехо со висок Q за компресија на полупроводничка ласерска ширина на линијата, како што е прикажано на Слика 1, и на крајот доби ласерски излез со тесна ширина на линијата од 160 Hz.

Сл. 1 (а) Дијаграм на компресија на ширината на линијата на полупроводнички ласер врз основа на само-вбризгувачкото Рајлиово расејување на надворешен резонатор на режим на галерија со шепотење;
(б) Спектарот на фреквенција на полупроводничкиот ласер со слободно движење со широчина од 8 MHz;
(в) Фреквентен спектар на ласерот со ширина на линија компресирана до 160 Hz
2.1.2 Ласер со влакна со тесна ширина на линијата

За ласерите со линеарни влакна со празнина, излезот на ласерот со тесна ширина на линијата на единечен надолжен режим се добива со скратување на должината на резонаторот и зголемување на интервалот на надолжниот режим. Во 2004 година, Spiegelberg et al. добиен е ласерски излез со тесна ширина на линија со единечен надолжен режим со ширина на линија од 2 kHz со користење на методот на кратка шуплина DBR. Во 2007 година, Шен и сор. користеше силициумско влакно допрено со ербиум од 2 cm за да напише FBG на фотосензитивно влакно со ко-допирање на Bi-Ge и го спои со активно влакно за да формира компактна линеарна празнина, со што ширината на излезната линија на ласерот е помала од 1 kHz. Во 2010 година, Јанг и сор. користеше кратка линеарна шуплина од 2 см, во комбинација со теснопојасен FBG филтер за да се добие ласерски излез со единечен надолжен режим со ширина на линија помала од 2 kHz. Во 2014 година, тимот користеше кратка линеарна празнина (виртуелен резонатор со преклопен прстен) во комбинација со FBG-FP филтер за да се добие ласерски излез со потесна ширина на линијата, како што е прикажано на Слика 3. Во 2012 година, Cai et al. користел 1,4cm кратка структура на празнина за да добие поларизирачки ласерски излез со излезна моќност поголема од 114 mW, централна бранова должина од 1540,3 nm и ширина на линија од 4,1 kHz. Во 2013 година, Менг и сор. користеше брилонско расејување на влакно допирани со ербиум со кратка шуплина на прстенот на уред за зачувување на целосна пристрасност за да се добие ласерски излез со еднонадолжен режим, нискофазен шум со излезна моќност од 10 mW. Во 2015 година, тимот користеше прстенести шуплина составена од 45 cm допирани влакна со ербиум како медиум за засилување на расејување Брилуин за да се добие ласерски излез со низок праг и тесна ширина на линијата.

Сл. 2 (а) Шематски цртеж на ласерот со влакна SLC;
(б) Линиска форма на хетеродинскиот сигнал измерена со доцнење на влакна од 97,6 km