레이저 소스 기술광섬유감지 1부
광섬유 센싱 기술은 광섬유 기술 및 광섬유 통신 기술과 함께 발전된 센싱 기술의 한 분야로, 광전 기술 분야에서 가장 활발하게 연구되고 있는 분야 중 하나입니다. 광섬유 센싱 시스템은 주로 레이저, 전송 광섬유, 센싱 소자 또는 변조 영역, 광 검출기 등으로 구성됩니다. 광파의 특성을 나타내는 매개변수에는 세기, 파장, 위상, 편광 상태 등이 포함됩니다. 이러한 매개변수는 광섬유 전송 과정에서 외부 영향에 의해 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 온도, 변형률, 압력, 전류, 변위, 진동, 회전, 굽힘, 화학 물질 등이 광 경로에 영향을 미치면 이러한 매개변수는 그에 따라 변화합니다. 광섬유 센싱은 이러한 매개변수와 외부 요인 간의 관계를 기반으로 해당 물리량을 검출합니다.
다양한 유형이 있습니다레이저 소스광섬유 감지 시스템에 사용되며 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 코히어런트레이저 소스그리고 비간섭성 광원, 비간섭성광원주로 백열등과 발광다이오드가 포함되고, 코히어런트 광원에는 고체 레이저, 액체 레이저, 가스 레이저가 포함됩니다.반도체 레이저그리고파이버 레이저. 다음은 주로 다음을 위한 것입니다.레이저 광원최근 몇 년 동안 광섬유 감지 분야에서 널리 사용된 레이저는 좁은 선폭 단일 주파수 레이저, 단일 파장 스윕 주파수 레이저 및 백색 레이저입니다.
1.1 좁은 선폭에 대한 요구 사항레이저 광원
광섬유 감지 시스템은 레이저 광원과 분리될 수 없습니다. 측정 신호의 반송파인 광파, 레이저 광원 자체의 성능, 즉 전력 안정성, 레이저 선폭, 위상 잡음 등 광섬유 감지 시스템의 감지 거리, 감지 정확도, 감도, 잡음 특성에 영향을 미치는 여러 매개변수가 결정적인 역할을 합니다. 최근 장거리 초고분해능 광섬유 감지 시스템의 개발과 함께 학계와 산업계는 레이저 소형화의 선폭 성능에 대한 더욱 엄격한 요구 사항을 제시하고 있습니다. 특히 광 주파수 영역 반사(OFDR) 기술은 코히어런트 검출 기술을 사용하여 광섬유의 백레이리 산란 신호를 주파수 영역에서 분석하며, 넓은 범위(수천 미터)를 커버합니다. 높은 분해능(밀리미터급 분해능)과 높은 감도(최대 -100dBm)의 장점은 분산형 광섬유 측정 및 감지 기술에서 폭넓은 응용 가능성을 가진 기술 중 하나로 자리 잡았습니다. OFDR 기술의 핵심은 가변 광원을 사용하여 광 주파수 동조를 달성하는 것이므로, 레이저 광원의 성능이 OFDR 감지 거리, 감도, 분해능과 같은 핵심 요소를 결정합니다. 반사점 거리가 코히어런스 길이에 가까울 때, 비트 신호의 세기는 계수 τ/τc에 의해 지수적으로 감쇠될 것이다. 스펙트럼 형상을 갖는 가우시안 광원의 경우, 비트 주파수가 90% 이상의 가시성을 갖도록 하기 위해, 광원의 선폭과 시스템이 달성할 수 있는 최대 감지 길이 사이의 관계는 Lmax~0.04vg/f이다. 이는 길이가 80km인 광섬유의 경우 광원의 선폭이 100Hz 미만임을 의미한다. 또한, 다른 응용 분야의 개발도 광원의 선폭에 대한 더 높은 요구 사항을 제시했다. 예를 들어, 광섬유 수중 청음기 시스템에서 광원의 선폭은 시스템 잡음을 결정하고 시스템의 최소 측정 가능 신호도 결정한다. 브릴루앙 광 시간 영역 반사기(BOTDR)에서 온도 및 응력의 측정 분해능은 주로 광원의 선폭에 의해 결정된다. 공진기 광섬유 자이로에서는 광원의 선폭을 줄임으로써 광파의 코히어런스 길이를 늘릴 수 있으며, 이를 통해 공진기의 미세도와 공진 깊이를 향상시키고, 공진기의 선폭을 줄여 광섬유 자이로의 측정 정확도를 확보할 수 있다.
1.2 스윕 레이저 소스에 대한 요구 사항
단일 파장 스위프 레이저는 유연한 파장 조정 성능을 가지고 있어 다중 출력 고정 파장 레이저를 대체하고 시스템 구축 비용을 절감할 수 있으며, 광섬유 감지 시스템의 필수 요소입니다. 예를 들어, 미량 가스 광섬유 감지에서 다양한 종류의 가스는 각기 다른 가스 흡수 피크를 갖습니다. 측정 가스가 충분할 때 광 흡수 효율을 보장하고 더 높은 측정 감도를 얻으려면 투과 광원의 파장을 가스 분자의 흡수 피크와 일치시켜야 합니다. 감지 가능한 가스의 종류는 본질적으로 감지 광원의 파장에 의해 결정됩니다. 따라서 안정적인 광대역 조정 성능을 가진 좁은 선폭 레이저는 이러한 감지 시스템에서 더 높은 측정 유연성을 제공합니다. 예를 들어, 광 주파수 영역 반사 기반 일부 분산 광섬유 감지 시스템에서는 고정밀 코히어런트 광 신호 감지 및 복조를 달성하기 위해 레이저를 주기적으로 빠르게 스위핑해야 합니다. 따라서 레이저 광원의 변조 속도에 대한 요구 사항이 상대적으로 높으며, 조정 가능한 레이저의 스위프 속도는 일반적으로 10pm/μs에 도달해야 합니다. 또한, 파장 가변형 협폭 레이저는 LiDAR, 레이저 원격 감지, 고해상도 스펙트럼 분석 및 기타 감지 분야에서 널리 활용될 수 있습니다. 광섬유 감지 분야에서 단일 파장 레이저의 튜닝 대역폭, 튜닝 정확도 및 튜닝 속도와 같은 고성능 매개변수 요건을 충족하기 위해, 최근 몇 년간 가변형 협폭 광섬유 레이저 연구의 전반적인 목표는 초협폭 레이저 선폭, 초저위상 잡음, 그리고 초안정성 출력 주파수 및 전력을 기반으로 더 넓은 파장 범위에서 고정밀 튜닝을 달성하는 것입니다.
1.3 백색 레이저 광원 수요
광 센싱 분야에서 고품질 백색광 레이저는 시스템 성능 향상에 매우 중요합니다. 백색광 레이저의 스펙트럼 커버리지가 넓을수록 광섬유 센싱 시스템에서의 적용 범위가 더욱 확대됩니다. 예를 들어, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 사용하여 센서 네트워크를 구축하는 경우, 스펙트럼 분석이나 가변 필터 매칭 방법을 사용하여 복조할 수 있습니다. 전자는 분광기를 사용하여 네트워크의 각 FBG 공진 파장을 직접 테스트합니다. 후자는 참조 필터를 사용하여 센싱에서 FBG를 추적하고 보정하는데, 두 방법 모두 FBG의 테스트 광원으로 광대역 광원이 필요합니다. 각 FBG 액세스 네트워크는 일정한 삽입 손실을 가지며 0.1nm 이상의 대역폭을 가지므로, 여러 FBG를 동시에 복조하려면 고출력 및 고대역폭을 가진 광대역 광원이 필요합니다. 예를 들어, 장주기 광섬유 격자(LPFG)를 센싱에 사용할 경우, 단일 손실 피크의 대역폭이 10nm 정도이므로, 공진 피크 특성을 정확하게 측정하기 위해서는 충분한 대역폭과 비교적 평탄한 스펙트럼을 가진 광범위 스펙트럼 광원이 필요합니다. 특히, 음향 광학 효과를 이용하여 제작된 음향 광섬유 격자(AIFG)는 전기적 튜닝을 통해 최대 1000nm의 공진 파장 튜닝 범위를 달성할 수 있습니다. 따라서 이처럼 매우 넓은 튜닝 범위를 갖는 동적 격자 시험은 광범위 스펙트럼 광원의 대역폭 범위에 큰 과제를 안겨줍니다. 마찬가지로, 최근 몇 년 동안 경사 브래그 광섬유 격자(tilted Bragg fiber grating)도 광섬유 센싱 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 다중 피크 손실 스펙트럼 특성으로 인해 파장 분포 범위는 일반적으로 40nm에 달할 수 있습니다. 감지 메커니즘은 일반적으로 여러 투과 피크 간의 상대적인 움직임을 비교하는 것이므로 투과 스펙트럼을 완벽하게 측정해야 합니다. 광범위 광원의 대역폭과 전력은 더 높아야 합니다.
2. 국내외 연구 현황
2.1 좁은 선폭 레이저 광원
2.1.1 좁은 선폭 반도체 분포 피드백 레이저
2006년 클리쉬 등은 반도체의 MHz 단위를 줄였다.DFB 레이저(분산 피드백 레이저) 전기 피드백 방법을 사용하여 kHz 규모로; 2011년, Kessler 등은 능동 피드백 제어와 결합된 저온 및 고안정성 단결정 공동을 사용하여 40MHz의 매우 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었습니다. 2013년, Peng 등은 외부 Fabry-Perot(FP) 피드백 조정 방법을 사용하여 15kHz의 선폭을 가진 반도체 레이저 출력을 얻었습니다. 전기 피드백 방법은 주로 Pond-Drever-Hall 주파수 안정화 피드백을 사용하여 광원의 레이저 선폭을 줄였습니다. 2010년, Bernhardi 등은 실리콘 산화물 기판에 1cm의 에르븀 도핑 알루미나 FBG를 제작하여 약 1.7kHz의 선폭을 가진 레이저 출력을 얻었습니다. 같은 해에 Liang 등은 그림 1에 나타낸 바와 같이, 고-Q 에코 벽 공진기에 의해 형성된 역방향 레이리 산란의 자체 주입 피드백을 반도체 레이저 선폭 압축에 사용하였고, 최종적으로 160Hz의 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었습니다.
그림 1 (a) 외부 속삭임 갤러리 모드 공진기의 자체 주입 레이리 산란을 기반으로 한 반도체 레이저 선폭 압축 다이어그램.
(b) 선폭이 8MHz인 자유 실행 반도체 레이저의 주파수 스펙트럼.
(c) 선폭을 160Hz로 압축한 레이저의 주파수 스펙트럼
2.1.2 좁은 선폭 파이버 레이저
선형 공동 파이버 레이저의 경우, 단일 종방향 모드의 좁은 선폭 레이저 출력은 공진기의 길이를 줄이고 종방향 모드 간격을 늘려서 얻습니다. 2004년, Spiegelberg 등은 DBR 짧은 공동 방법을 사용하여 선폭이 2kHz인 단일 종방향 모드 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었습니다. 2007년, Shen 등은 2cm의 고농도 에르븀 도핑 실리콘 파이버를 사용하여 Bi-Ge 공동 도핑된 감광성 파이버에 FBG를 작성하고 활성 파이버와 융합하여 컴팩트한 선형 공동을 형성하여 레이저 출력 선폭을 1kHz 미만으로 만들었습니다. 2010년, Yang 등은 협대역 FBG 필터와 결합된 2cm의 고농도 도핑 짧은 선형 공동을 사용하여 선폭이 2kHz 미만인 단일 종방향 모드 레이저 출력을 얻었습니다. 2014년에 연구팀은 FBG-FP 필터와 결합된 짧은 선형 공동(가상 접힌 링 공진기)을 사용하여 그림 3에서 보듯이 더 좁은 선폭의 레이저 출력을 얻었습니다.2012년에 Cai 등은 1.4cm 짧은 공동 구조를 사용하여 출력 전력이 114mW보다 크고 중심 파장이 1540.3nm이며 선폭이 4.1kHz인 편광 레이저 출력을 얻었습니다.2013년에 Meng 등은 전체 바이어스 보존 장치의 짧은 링 공동이 있는 에르븀 첨가 광섬유의 브릴루앙 산란을 사용하여 출력 전력이 10mW인 단일 종방향 모드, 저위상 잡음 레이저 출력을 얻었습니다.2015년에 연구팀은 45cm 에르븀 첨가 광섬유로 구성된 링 공동을 브릴루앙 산란 이득 매질로 사용하여 낮은 임계값과 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었습니다.
그림 2 (a) SLC 파이버 레이저의 개략도.
(b) 97.6km 광섬유 지연으로 측정한 헤테로다인 신호의 선 모양
게시 시간: 2023년 11월 20일