레이저 소스 기술광섬유1 부를 감지합니다
광섬유 감지 기술은 광섬유 기술 및 광섬유 통신 기술과 함께 개발 된 일종의 감지 기술이며, 가장 활발한 광전 기술 분야 중 하나가되었습니다. 광섬유 감지 시스템은 주로 레이저, 변속기 섬유, 감지 요소 또는 변조 영역, 조명 감지 및 기타 부품으로 구성됩니다. 광파의 특성을 설명하는 파라미터에는 강도, 파장, 위상, 편광 상태 등이 포함됩니다. 이들 파라미터는 광섬유 전송에서 외부 영향에 의해 변경 될 수 있습니다. 예를 들어, 온도, 변형, 압력, 전류, 변위, 진동, 회전, 굽힘 및 화학량이 광학 경로에 영향을 미치는 경우, 이들 파라미터는 그에 따라 변경됩니다. 광섬유 감지는 이들 파라미터와 외부 요인 사이의 관계에 기초하여 해당 물리적 수량을 감지합니다.
많은 유형이 있습니다레이저 소스광섬유 감지 시스템에서 사용되는데, 이는 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다 : Coherent레이저 소스그리고 일관성이없는 광원, 불일치광원주로 백열등 및 광 방출 다이오드를 포함하고 일관된 광원에는 고체 레이저, 액체 레이저, 가스 레이저, 가스 레이저가 포함됩니다.반도체 레이저그리고섬유 레이저. 다음은 주로입니다레이저 광원최근 몇 년간 섬유 감지 분야에서 널리 사용됩니다. 좁은 선 너비 단일 주파수 레이저, 단일 파장 스윕 주파수 레이저 및 흰색 레이저.
1.1 좁은 선폭에 대한 요구 사항레이저 광원
광섬유 감지 시스템은 레이저 소스로부터 분리 될 수 없다. 측정 된 신호 캐리어 라이트 파, 전력 안정성, 레이저 라인폭, 위상 노이즈 및 광섬유 감지 시스템 감지 거리, 감지 정확도, 민감도 및 노이즈 특성의 기타 매개 변수와 같은 레이저 광원 자체가 성능이 결정적인 역할을하기 때문이다. 최근 장거리 초고 해상도 광섬유 감지 시스템의 개발로 학계 및 산업은 주로 레이저 소형화의 라인폭 성능에 대한보다 엄격한 요구 사항을 제시했습니다. 고해상도 (밀리미터 수준 해상도)와 고감도 (최대 -100 dBm)의 장점은 분산 광섬유 측정 및 감지 기술에 광범위한 응용 전망을 갖춘 기술 중 하나가되었습니다. OFDR 기술의 핵심은 조정 가능한 광원을 사용하여 광학 주파수 튜닝을 달성하는 것입니다. 따라서 레이저 소스의 성능은 OFDR 감지 범위, 감도 및 해상도와 같은 주요 요소를 결정합니다. 반사 지점 거리가 일관성 길이에 가까울 때, 비트 신호의 강도는 계수 τ/τc에 의해 지수 적으로 감쇠됩니다. 스펙트럼 모양의 가우스 광원의 경우, 비트 주파수가 가시성이 90% 이상인 것을 보장하기 위해, 광원의 선 너비와 시스템이 달성 할 수있는 최대 감지 길이 사이의 관계는 Lmax ~ 0.04vg/f입니다. 이는 길이가 80 km 인 광섬유의 경우 100Hz 미만입니다. 또한 다른 응용 프로그램의 개발은 광원의 선폭에 대한 더 높은 요구 사항을 제시했습니다. 예를 들어, 광섬유 소수판 시스템에서 광원의 선폭은 시스템 노이즈를 결정하고 시스템의 최소 측정 가능한 신호를 결정합니다. BOTDR (Brillouin 광학 시간 도메인 반사기)에서 온도 및 응력의 측정 분해능은 주로 광원의 선폭에 의해 결정됩니다. 공진기 광섬유 자이로에서, 광원의 선 너비를 줄임으로써 광파의 일관성 길이를 증가시켜 공진기의 향상 및 공명 깊이를 향상시켜 공진기의 선 너비를 감소시키고 광섬유 자이로의 측정 정확도를 보장합니다.
1.2 스윕 레이저 소스에 대한 요구 사항
단일 파장 스윕 레이저는 유연한 파장 튜닝 성능을 가지며, 다중 출력 고정 파장 레이저를 대체하고 시스템 구성 비용을 줄이며 광섬유 감지 시스템의 필수 부분입니다. 예를 들어, 미량 가스 섬유 감지에서, 다른 종류의 가스는 다른 가스 흡수 피크를 갖는다. 측정 가스가 충분하고 더 높은 측정 감도를 달성 할 때 광 흡수 효율을 보장하기 위해, 전송 광원의 파장을 가스 분자의 흡수 피크와 정렬해야한다. 감지 될 수있는 가스의 유형은 본질적으로 감지 광원의 파장에 의해 결정됩니다. 따라서 안정적인 광대역 튜닝 성능을 갖는 좁은 선폭 레이저는 이러한 감지 시스템에서 더 높은 측정 유연성을 갖습니다. 예를 들어, 광학 주파수 도메인 반사를 기반으로 한 일부 분산 광섬유 감지 시스템에서, 레이저는 광학 신호의 고정밀 코 히어 런트 감지 및 탈조를 달성하기 위해 주기적으로 급격히 스윕되어야하므로 레이저 소스의 변조 속도는 비교적 높은 요구 사항을 가지며, 조절 가능한 레이저의 스위프 속도는 일반적으로 10 PM/μS에 도달해야합니다. 또한, 파장 조정 가능한 좁은 선폭 레이저는 LIDAR, 레이저 원격 감지 및 고해상도 스펙트럼 분석 및 기타 감지 필드에서 널리 사용될 수 있습니다. 튜닝 대역폭의 고성능 매개 변수의 요구 사항을 충족시키기 위해, 섬유 감지 분야에서 단일 파장 레이저의 튜닝 정확도 및 튜닝 속도의 요구 사항을 충족시키기 위해 최근 몇 년 동안 튜닝 가능한 좁은 폭 섬유 레이저를 연구하는 전반적인 목표는 초고속 레이저, 초대형 노이즈 및 초강량 단계의 소음을 기준으로 높은 파장 조정 범위를 달성하는 것입니다. 그리고 힘.
1.3 흰색 레이저 광원에 대한 수요
광학 감지 분야에서 고품질의 백색광 레이저는 시스템의 성능을 향상시키는 데 큰 의미가 있습니다. 백색광 레이저의 스펙트럼 커버리지가 더 넓을수록 광섬유 감지 시스템에서 더 광범위하게 적용됩니다. 예를 들어, FBG (Fiber Bragg Grating)를 사용하여 센서 네트워크를 구성 할 때 스펙트럼 분석 또는 조정 가능한 필터 매칭 방법을 사용하여 복조에 사용될 수 있습니다. 전자는 분광계를 사용하여 네트워크의 각 FBG 공진 파장을 직접 테스트했습니다. 후자는 참조 필터를 사용하여 감지에서 FBG를 추적하고 보정하며, 둘 다 FBG의 테스트 광원으로 광대역 광원이 필요합니다. 각 FBG 액세스 네트워크는 특정 삽입 손실이 있고 대역폭이 0.1 nm 이상이므로 여러 FBG의 동시 철거에는 고전력과 대역폭이 높은 광대역 광원이 필요합니다. 예를 들어, 감지에 장기 섬유 격자 (LPFG)를 사용할 때, 단일 손실 피크의 대역폭은 10 nm의 순서이기 때문에, 충분한 대역폭을 갖는 광범위한 스펙트럼 광원과 상대적으로 평평한 스펙트럼이 필요합니다. 특히, 어쿠스토리 광학 효과를 사용하여 구축 된 AIFG (Acoustic Fiber Grating)는 전기 튜닝을 통해 최대 1000 nm의 공진 파장의 튜닝 범위를 달성 할 수 있습니다. 따라서, 이러한 초반의 튜닝 범위를 사용한 동적 격자 테스트는 넓은 스펙트럼 광원의 대역폭 범위에 큰 도전을 제기합니다. 마찬가지로, 최근 몇 년 동안, 기울어 진 브래그 섬유 격자는 섬유 감지 분야에서 널리 사용되었습니다. 다중 피크 손실 스펙트럼 특성으로 인해 파장 분포 범위는 일반적으로 40 nm에 도달 할 수 있습니다. 감지 메커니즘은 일반적으로 다수의 전송 피크 간의 상대적 움직임을 비교하는 것이므로 전송 스펙트럼을 완전히 측정해야합니다. 넓은 스펙트럼 광원의 대역폭과 전력은 더 높아야합니다.
2. 국내외의 연구 상태
2.1 좁은 선폭 레이저 광원
2.1.1 좁은 linewidth 반도체 분산 피드백 레이저
2006 년 Cliche et al. 반도체의 MHZ 스케일을 감소시켰다DFB 레이저(분산 피드백 레이저) 전기 피드백 방법을 사용하여 KHZ 스케일; 2011 년 Kessler et al. 40MHz의 초 고로 선폭 레이저 출력을 얻기 위해 활성 피드백 제어와 결합 된 저온 및 고정성 단결정 캐비티를 사용 하였다. 2013 년, Peng 등은 외부 Fabry-Perot (FP) 피드백 조정 방법을 사용하여 15kHz의 선폭을 갖는 반도체 레이저 출력을 얻었습니다. 전기 피드백 방법은 주로 연못 드레이버-홀 주파수 안정화 피드백을 사용하여 광원의 레이저 라인폭을 줄였습니다. 2010 년 Bernhardi et al. 실리콘 산화물 기판에서 1cm의 에르 비움-도핑 된 알루미나 FBG를 생산하여 약 1.7 kHz의 라인 폭을 갖는 레이저 출력을 얻었다. 같은 해에 Liang et al. 도 1과 같이 반도체 레이저 라인폭 압축을위한 High-Q 에코 벽 공진기에 의해 형성된 후진 레이 글리 산란의 자체 주사 피드백을 사용하였고, 마지막으로 160 Hz의 좁은 선형 레이저 출력을 얻었다.
그림 1 (a) 외부 속삭임 갤러리 모드 공진기의 자체 주입 Rayleigh 산란에 기초한 반도체 레이저 라인폭 압축 다이어그램;
(b) 8MHz의 선폭을 갖는 자유 러닝 반도체 레이저의 주파수 스펙트럼;
(c) 160 Hz로 압축 된 라인폭을 갖는 레이저의 주파수 스펙트럼
2.1.2 좁은 선폭 파이버 레이저
선형 공동 섬유 레이저의 경우, 공진기의 길이를 단축하고 세로 모드 간격을 증가시킴으로써 단일 세로 모드의 좁은 선폭 레이저 출력이 얻어진다. 2004 년 Spiegelberg et al. DBR 단락 방법을 사용하여 2kHz의 선폭을 갖는 단일 종단 모드 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었다. 2007 년 Shen et al. 2cm의 심하게 에르 비움 도핑 된 실리콘 섬유를 사용하여 BI-ge Co-Doped Photsensitive Fiber에 FBG를 쓰고 활성 섬유로 융합하여 컴팩트 한 선형 공동을 형성하여 레이저 출력 라인 너비를 1kHz 미만으로 만듭니다. 2010 년 Yang et al. 좁은 대역 FBG 필터와 결합 된 2cm 고도로 짧은 선형 캐비티를 사용하여 선 너비가 2kHz 미만인 단일 세로 모드 레이저 출력을 얻었습니다. 2014 년에 팀은 FBG-FP 필터와 결합 된 짧은 선형 공동 (가상 접힌 링 공진기)을 사용하여 그림 3과 같이 선 너비가 더 좁은 레이저 출력을 얻었습니다. 2012 년 Cai et al. 1.4cm의 짧은 캐비티 구조를 사용하여 114MW보다 큰 출력 전력, 1540.3 nm의 중앙 파장 및 4.1 kHz의 라인 너비를 갖는 편광 레이저 출력을 얻었습니다. 2013 년 Meng et al. 전체 바이어스 보존 장치의 짧은 고리 캐비티를 갖는 에르 비움 도핑 된 섬유의 브릴 루인 산란을 사용하여 10MW의 출력 전력을 갖는 단일-조정 모드, 저 위상 노이즈 레이저 출력을 얻는다. 2015 년 에이 팀은 Brillouin 산란 배지로 45cm Erbium 도핑 된 섬유로 구성된 고리 캐비티를 사용하여 낮은 임계 값과 좁은 Linewidth 레이저 출력을 얻었습니다.
그림 2 (a) SLC 섬유 레이저의 개략도;
(b) 97.6km 섬유 지연으로 측정 된 이종 신호의 라인 모양
시간 후 : 11 월 20 일