레이저 소스 기술광섬유감지 1부
광섬유 센싱 기술은 광섬유 기술, 광섬유 통신 기술과 함께 발전한 센싱 기술의 일종으로 광전 기술의 가장 활발한 분야 중 하나로 자리 잡았다. 광섬유 감지 시스템은 주로 레이저, 전송 광섬유, 감지 요소 또는 변조 영역, 광 감지 및 기타 부품으로 구성됩니다. 광파의 특성을 나타내는 매개변수에는 강도, 파장, 위상, 편광 상태 등이 있습니다. 이러한 매개변수는 광섬유 전송 시 외부 영향에 의해 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 온도, 변형률, 압력, 전류, 변위, 진동, 회전, 굽힘 및 화학적 양이 광학 경로에 영향을 미칠 때 이러한 매개변수는 이에 따라 변경됩니다. 광섬유 감지는 이러한 매개변수와 외부 요인 간의 관계를 기반으로 해당 물리량을 감지합니다.
많은 유형이 있습니다레이저 소스두 가지 범주로 나눌 수 있는 광섬유 감지 시스템에 사용됩니다.레이저 소스일관되지 않은 광원, 일관되지 않은광원주로 백열등과 발광다이오드를 포함하며, 간섭성 광원으로는 고체 레이저, 액체 레이저, 가스 레이저,반도체 레이저그리고파이버 레이저. 다음은 주로레이저 광원최근에는 광섬유 감지 분야에서 널리 사용됩니다: 좁은 선폭 단일 주파수 레이저, 단일 파장 스위프 주파수 레이저 및 백색 레이저.
1.1 좁은 선폭에 대한 요구 사항레이저 광원
광섬유 감지 시스템은 측정된 신호 반송파 광파, 전력 안정성, 레이저 선폭, 위상 잡음 및 광섬유 감지 시스템 감지 거리, 감지에 대한 기타 매개변수와 같은 레이저 광원 자체 성능으로 레이저 소스에서 분리될 수 없습니다. 정확성, 감도 및 소음 특성이 결정적인 역할을 합니다. 최근 몇 년 동안 장거리 초고해상도 광섬유 감지 시스템이 개발됨에 따라 학계와 업계에서는 주로 다음과 같은 분야에서 레이저 소형화의 선폭 성능에 대해 더욱 엄격한 요구 사항을 제시했습니다. 넓은 적용 범위(수천 미터)로 주파수 영역에서 광섬유의 백레일 산란 신호를 분석하는 감지 기술입니다. 고해상도(밀리미터 수준의 분해능)와 고감도(최대 -100dBm)의 장점은 분산 광섬유 측정 및 감지 기술에서 폭넓은 응용 가능성을 가진 기술 중 하나가 되었습니다. OFDR 기술의 핵심은 조정 가능한 광원을 사용하여 광 주파수 조정을 달성하는 것입니다. 따라서 레이저 소스의 성능은 OFDR 감지 범위, 감도 및 해상도와 같은 핵심 요소를 결정합니다. 반사점 거리가 일관성 길이에 가까우면 비트 신호의 강도는 계수 τ/τc에 의해 기하급수적으로 감쇠됩니다. 스펙트럼 형태의 가우스 광원의 경우 비트 주파수의 가시성을 90% 이상 보장하기 위해 광원의 선폭과 시스템이 달성할 수 있는 최대 감지 길이 간의 관계는 Lmax~0.04vg입니다. /f는 길이가 80km인 광섬유의 경우 광원의 선폭이 100Hz 미만임을 의미합니다. 또한, 다른 응용 분야의 개발로 인해 광원의 선폭에 대한 요구 사항도 높아졌습니다. 예를 들어, 광섬유 수중청음기 시스템에서는 광원의 선폭이 시스템 소음을 결정하고 시스템의 최소 측정 가능한 신호도 결정합니다. Brillouin 광 시간 영역 반사기(BOTDR)에서 온도 및 응력의 측정 분해능은 주로 광원의 선폭에 의해 결정됩니다. 공진기 광섬유 자이로에서는 광원의 선폭을 줄임으로써 광파의 결맞음 길이를 늘릴 수 있으며, 이를 통해 공진기의 정밀도와 공명 깊이를 향상시키고 공진기의 선폭을 줄이며 측정을 보장할 수 있습니다. 광섬유 자이로의 정확성.
1.2 스윕 레이저 소스 요구 사항
단일 파장 스윕 레이저는 유연한 파장 조정 성능을 가지며 다중 출력 고정 파장 레이저를 대체할 수 있고 시스템 구성 비용을 절감할 수 있으며 광섬유 감지 시스템에 없어서는 안될 부분입니다. 예를 들어, 미량 가스 섬유 감지에서는 다양한 종류의 가스가 서로 다른 가스 흡수 피크를 갖습니다. 측정 가스가 충분할 때 광 흡수 효율을 보장하고 더 높은 측정 감도를 달성하려면 투과 광원의 파장을 가스 분자의 흡수 피크와 정렬해야 합니다. 감지할 수 있는 가스의 종류는 기본적으로 감지 광원의 파장에 따라 결정됩니다. 따라서 안정적인 광대역 튜닝 성능을 갖춘 좁은 선폭 레이저는 이러한 감지 시스템에서 더 높은 측정 유연성을 갖습니다. 예를 들어, 광 주파수 영역 반사를 기반으로 하는 일부 분산 광섬유 감지 시스템에서는 광 신호의 고정밀 코히어런트 감지 및 복조를 달성하기 위해 레이저를 주기적으로 빠르게 스위핑해야 하므로 레이저 소스의 변조 속도에 대한 요구 사항이 상대적으로 높습니다. , 조정 가능한 레이저의 스위프 속도는 일반적으로 10pm/μs에 도달해야 합니다. 또한 파장 조정이 가능한 좁은 선폭 레이저는 LiDAR, 레이저 원격 감지, 고해상도 스펙트럼 분석 및 기타 감지 분야에서도 널리 사용될 수 있습니다. 광섬유 감지 분야에서 단일 파장 레이저의 튜닝 대역폭, 튜닝 정확도 및 튜닝 속도의 고성능 매개변수 요구 사항을 충족하기 위해 최근 몇 년 동안 튜닝 가능한 좁은 폭 광섬유 레이저를 연구하는 전반적인 목표는 높은 수준을 달성하는 것입니다. 매우 좁은 레이저 선폭, 초저 위상 노이즈, 매우 안정적인 출력 주파수 및 전력을 추구하는 기반으로 더 넓은 파장 범위에서 정밀 튜닝합니다.
1.3 백색 레이저 광원에 대한 수요
광학 감지 분야에서 고품질 백색광 레이저는 시스템 성능을 향상시키는 데 매우 중요합니다. 백색광 레이저의 스펙트럼 범위가 넓을수록 광섬유 감지 시스템에서의 적용 범위가 더 넓어집니다. 예를 들어, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 사용하여 센서 네트워크를 구축하는 경우 스펙트럼 분석이나 조정 가능한 필터 매칭 방법을 복조에 사용할 수 있습니다. 전자는 분광계를 사용하여 네트워크의 각 FBG 공진 파장을 직접 테스트했습니다. 후자는 참조 필터를 사용하여 감지에서 FBG를 추적하고 교정하며, 두 가지 모두 FBG의 테스트 광원으로 광대역 광원이 필요합니다. 각 FBG 액세스 네트워크에는 특정 삽입 손실이 있고 0.1nm 이상의 대역폭을 갖기 때문에 여러 FBG를 동시에 복조하려면 고전력과 고대역폭을 갖춘 광대역 광원이 필요합니다. 예를 들어, 감지를 위해 장주기 광섬유 격자(LPFG)를 사용하는 경우 단일 손실 피크의 대역폭이 10nm 정도이므로 공진을 정확하게 특성화하려면 충분한 대역폭과 상대적으로 평탄한 스펙트럼을 갖춘 넓은 스펙트럼 광원이 필요합니다. 피크 특성. 특히, 음향광학효과를 활용하여 제작한 음향섬유격자(AIFG)는 전기적 튜닝을 통해 최대 1000 nm의 공진파장 튜닝 범위를 구현할 수 있다. 따라서 매우 넓은 튜닝 범위를 사용한 동적 격자 테스트는 넓은 스펙트럼 광원의 대역폭 범위에 큰 도전 과제를 제기합니다. 마찬가지로 최근 몇 년 동안 기울어진 브래그 섬유 격자도 섬유 감지 분야에서 널리 사용되었습니다. 다중 피크 손실 스펙트럼 특성으로 인해 파장 분포 범위는 일반적으로 40 nm에 도달할 수 있습니다. 감지 메커니즘은 일반적으로 여러 전송 피크 간의 상대적인 움직임을 비교하는 것이므로 전송 스펙트럼을 완전히 측정해야 합니다. 넓은 스펙트럼 광원의 대역폭과 전력은 더 높아야 합니다.
2. 국내외 연구현황
2.1 좁은 선폭의 레이저 광원
2.1.1 좁은 선폭의 반도체 분산 피드백 레이저
2006년에 Cliche et al. 반도체의 MHz 규모를 줄였습니다.DFB 레이저(분산 피드백 레이저)를 전기 피드백 방법을 사용하여 kHz 규모로 변환합니다. 2011년에 Kessler et al. 40MHz의 매우 좁은 선폭 레이저 출력을 얻기 위해 능동 피드백 제어와 결합된 저온 및 높은 안정성의 단결정 캐비티를 사용했습니다. 2013년 Peng 등은 외부 FP(Fabry-Perot) 피드백 조정 방법을 사용하여 선폭 15kHz의 반도체 레이저 출력을 얻었습니다. 전기적 피드백 방식은 주로 Pond-Drever-Hall 주파수 안정화 피드백을 사용하여 광원의 레이저 선폭을 줄였습니다. 2010년에 Bernhardi et al. 산화규소 기판 위에 1cm의 에르븀 도핑 알루미나 FBG를 생산하여 약 1.7kHz의 선폭을 갖는 레이저 출력을 얻었다. 같은 해 Liang et al. 그림 1과 같이 반도체 레이저 선폭 압축을 위해 높은 Q 에코 벽 공진기에 의해 형성된 후방 레일리 산란의 자체 주입 피드백을 사용하여 최종적으로 160Hz의 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었습니다.
그림 1 (a) 외부 속삭임 갤러리 모드 공진기의 자체 주입 레일리 산란을 기반으로 한 반도체 레이저 선폭 압축 다이어그램.
(b) 선폭이 8MHz인 자유 구동 반도체 레이저의 주파수 스펙트럼;
(c) 선폭이 160Hz로 압축된 레이저의 주파수 스펙트럼
2.1.2 좁은 선폭 파이버 레이저
선형 공동 광섬유 레이저의 경우 공진기의 길이를 줄이고 세로 모드 간격을 늘려 단일 세로 모드의 좁은 선폭 레이저 출력을 얻습니다. 2004년 Spiegelberg et al. DBR 짧은 캐비티 방법을 사용하여 선폭이 2kHz인 단일 세로 모드 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었습니다. 2007년에 Shen et al. Bi-Ge 공동 도핑된 감광성 섬유에 FBG를 쓰기 위해 2cm의 에르븀이 도핑된 실리콘 섬유를 사용하고 이를 활성 섬유와 융합하여 소형 선형 공동을 형성하여 레이저 출력 선폭을 1kHz 미만으로 만들었습니다. 2010년에 Yang et al. 2kHz 미만의 선폭으로 단일 종방향 모드 레이저 출력을 얻기 위해 협대역 FBG 필터와 결합된 2cm 고농도로 도핑된 짧은 선형 캐비티를 사용했습니다. 2014년에 팀은 그림 3과 같이 FBG-FP 필터와 결합된 짧은 선형 캐비티(가상 접힌 링 공진기)를 사용하여 더 좁은 선폭의 레이저 출력을 얻었습니다. 2012년 Cai et al. 1.4cm 짧은 캐비티 구조를 사용하여 114mW 이상의 출력 전력, 1540.3nm의 중심 파장 및 4.1kHz의 선폭을 갖는 편광 레이저 출력을 얻었습니다. 2013년에 Meng et al. 10mW의 출력 전력을 갖는 단일 종방향 모드, 저위상 잡음 레이저 출력을 얻기 위해 풀 바이어스 보존 장치의 짧은 링 캐비티가 있는 에르븀 첨가 광섬유의 브릴루앙 산란을 사용했습니다. 2015년에 팀은 낮은 임계값과 좁은 선폭 레이저 출력을 얻기 위해 브릴루앙 산란 이득 매체로 45cm 에르븀 첨가 섬유로 구성된 링 캐비티를 사용했습니다.
그림 2 (a) SLC 광섬유 레이저의 개략도;
(b) 97.6km 광섬유 지연으로 측정된 헤테로다인 신호의 선 모양
게시 시간: 2023년 11월 20일