레이저 소스 기술광섬유감지 파트 1
광섬유 센싱 기술은 광섬유 기술 및 광섬유 통신 기술과 함께 발전해 온 센싱 기술의 일종으로, 광전자 기술 분야에서 가장 활발하게 연구되고 있는 분야 중 하나입니다. 광섬유 센싱 시스템은 주로 레이저, 전송 섬유, 센싱 소자 또는 변조 영역, 광 검출기 등으로 구성됩니다. 광파의 특성을 나타내는 매개변수에는 강도, 파장, 위상, 편광 상태 등이 있습니다. 이러한 매개변수는 광섬유 전송 과정에서 외부 영향에 의해 변할 수 있습니다. 예를 들어, 온도, 변형률, 압력, 전류, 변위, 진동, 회전, 굽힘 및 화학 물질 농도가 광 경로에 영향을 미치면 이러한 매개변수들이 그에 따라 변화합니다. 광섬유 센싱은 이러한 매개변수와 외부 요인 간의 관계를 이용하여 해당 물리량을 검출하는 기술입니다.
종류는 매우 다양합니다.레이저 소스광섬유 센싱 시스템에 사용되는 광섬유는 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다: 코히런트 광섬유레이저 소스그리고 비간섭성 광원, 비간섭성광원주로 백열등과 발광 다이오드를 포함하며, 결맞음 광원에는 고체 레이저, 액체 레이저, 기체 레이저 등이 있습니다.반도체 레이저그리고파이버 레이저다음 내용은 주로 다음을 위한 것입니다.레이저 광원최근 광섬유 센싱 분야에서 널리 사용되는 레이저로는 좁은 선폭의 단일 주파수 레이저, 단일 파장 스윕 주파수 레이저 및 백색 레이저가 있습니다.
1.1 좁은 선폭에 대한 요구 사항레이저 광원
측정 신호의 캐리어 광파인 레이저 광원은 광섬유 센싱 시스템에서 필수적인 요소입니다. 레이저 광원 자체의 성능, 즉 출력 안정성, 레이저 선폭, 위상 잡음 등은 광섬유 센싱 시스템의 검출 거리, 검출 정확도, 감도 및 잡음 특성에 결정적인 영향을 미칩니다. 최근 장거리 초고해상도 광섬유 센싱 시스템의 개발이 활발해짐에 따라, 학계와 산업계에서는 레이저 소형화에 대한 선폭 성능 요구 사항을 더욱 엄격하게 제시하고 있습니다. 특히 광 주파수 영역 반사(OFDR) 기술은 간섭성 검출 기술을 이용하여 광섬유의 후방 레일리 산란 신호를 주파수 영역에서 분석하는 기술로, 수천 미터에 달하는 넓은 범위에서 높은 해상도(밀리미터 수준)와 높은 감도(최대 -100dBm)를 제공하여 분산형 광섬유 측정 및 센싱 기술 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 보여주고 있습니다. OFDR 기술의 핵심은 가변 광원을 이용하여 광 주파수를 조절하는 것이므로, 레이저 광원의 성능은 OFDR의 검출 범위, 감도 및 해상도와 같은 주요 요소를 결정하는 핵심 요소입니다. 반사점 간 거리가 결맞음 길이와 가까워지면, 비트 신호의 강도는 계수 τ/τc에 의해 지수적으로 감쇠됩니다. 스펙트럼 형태가 가우시안인 광원의 경우, 비트 주파수의 가시성이 90% 이상이 되도록 하려면 광원의 선폭과 시스템이 달성할 수 있는 최대 감지 길이 사이의 관계는 Lmax~0.04vg/f입니다. 즉, 길이가 80km인 광섬유의 경우 광원의 선폭은 100Hz 미만이어야 합니다. 또한, 다른 응용 분야의 개발로 인해 광원의 선폭에 대한 요구 사항이 더욱 높아지고 있습니다. 예를 들어, 광섬유 수중 음파탐지기 시스템에서 광원의 선폭은 시스템 잡음과 시스템에서 측정 가능한 최소 신호를 결정합니다. 브릴루앙 광 시간 영역 반사기(BOTDR)에서 온도 및 응력의 측정 해상도는 주로 광원의 선폭에 의해 결정됩니다. 공진형 광섬유 자이로스코프에서 광파의 결맞음 길이는 광원의 선폭을 줄임으로써 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 공진기의 정밀도와 공진 깊이를 향상시키고, 공진기의 선폭을 줄여 광섬유 자이로스코프의 측정 정확도를 확보할 수 있습니다.
1.2 스윕 레이저 소스에 대한 요구 사항
단일 파장 스윕 레이저는 유연한 파장 튜닝 성능을 제공하여 다중 출력 고정 파장 레이저를 대체하고 시스템 구축 비용을 절감할 수 있으므로 광섬유 센싱 시스템에 필수적인 부품입니다. 예를 들어, 미량 가스 광섬유 센싱에서 가스의 종류에 따라 흡수 피크가 다릅니다. 측정 가스가 충분할 때 광 흡수 효율을 확보하고 측정 감도를 높이기 위해서는 투과 광원의 파장을 가스 분자의 흡수 피크와 일치시켜야 합니다. 검출 가능한 가스의 종류는 센싱 광원의 파장에 의해 결정됩니다. 따라서 안정적인 광대역 튜닝 성능을 갖춘 좁은 선폭의 레이저는 이러한 센싱 시스템에서 높은 측정 유연성을 제공합니다. 예를 들어, 광 주파수 영역 반사 기반의 일부 분산형 광섬유 센싱 시스템에서는 광 신호의 고정밀 코히런트 검출 및 복조를 위해 레이저를 주기적으로 빠르게 스윕해야 하므로 레이저 광원의 변조율이 비교적 높아야 하며, 가변 파장 레이저의 스윕 속도는 일반적으로 10 pm/μs에 도달해야 합니다. 또한, 파장 가변형 협대역 레이저는 LiDAR, 레이저 원격 감지, 고해상도 분광 분석 및 기타 감지 분야에 널리 활용될 수 있습니다. 광섬유 감지 분야에서 단일 파장 레이저의 높은 성능 매개변수(튜닝 대역폭, 튜닝 정확도, 튜닝 속도)에 대한 요구 사항을 충족하기 위해, 최근 가변형 협대역 광섬유 레이저 연구의 궁극적인 목표는 초협대역 레이저 선폭, 초저위상 잡음, 초안정 출력 주파수 및 전력을 추구하는 동시에 더 넓은 파장 범위에서 고정밀 튜닝을 달성하는 것입니다.
1.3 백색 레이저 광원 수요
광학 센싱 분야에서 고품질 백색광 레이저는 시스템 성능 향상에 매우 중요합니다. 백색광 레이저의 스펙트럼 범위가 넓을수록 광섬유 센싱 시스템에서의 활용 범위가 넓어집니다. 예를 들어, 광섬유 브래그 격자(FBG)를 사용하여 센서 네트워크를 구축할 때, 복조에는 스펙트럼 분석 또는 튜너블 필터 매칭 방식이 사용될 수 있습니다. 전자는 분광기를 사용하여 네트워크 내 각 FBG의 공진 파장을 직접 측정하고, 후자는 기준 필터를 사용하여 센싱 과정에서 FBG를 추적 및 교정합니다. 두 방식 모두 FBG 테스트 광원으로 광대역 광원을 필요로 합니다. 각 FBG 액세스 네트워크는 일정한 삽입 손실을 가지며 0.1nm 이상의 대역폭을 가지므로, 여러 FBG를 동시에 복조하려면 고출력 및 고대역폭의 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 광대역 광원이 필요합니다. 특히, 음향광학 효과를 이용하여 제작된 음향 광섬유 격자(AIFG)는 전기적 튜닝을 통해 최대 1000nm의 공진 파장 튜닝 범위를 달성할 수 있습니다. 따라서, 이처럼 초광대역 튜닝 범위를 갖는 동적 격자 테스트는 광대역 광원의 대역폭 범위에 대한 큰 과제를 제기합니다. 마찬가지로, 최근에는 경사 브래그 광섬유 격자(TBIG)도 광섬유 센싱 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 다중 피크 손실 스펙트럼 특성으로 인해 파장 분포 범위는 일반적으로 40nm에 달할 수 있습니다. TBIG의 센싱 메커니즘은 일반적으로 여러 투과 피크 간의 상대적 움직임을 비교하는 것이므로, 투과 스펙트럼 전체를 측정해야 합니다. 따라서 광대역 광원의 대역폭과 출력이 더 높아야 합니다.
2. 국내외 연구 현황
2.1 좁은 선폭 레이저 광원
2.1.1 좁은 선폭 반도체 분산 피드백 레이저
2006년 Cliche 외 연구진은 반도체의 MHz 스케일을 축소했습니다.DFB 레이저(분산 피드백 레이저) 전기 피드백 방식을 사용하여 kHz 스케일까지 구현했습니다. 2011년 Kessler 등은 저온 및 고안정성 단결정 공진기와 능동 피드백 제어를 결합하여 40MHz의 초협대역 레이저 출력을 얻었습니다. 2013년 Peng 등은 외부 Fabry-Perot(FP) 피드백 조정 방식을 사용하여 15kHz의 선폭을 갖는 반도체 레이저 출력을 얻었습니다. 전기 피드백 방식은 주로 Pond-Drever-Hall 주파수 안정화 피드백을 사용하여 광원의 레이저 선폭을 줄였습니다. 2010년 Bernhardi 등은 산화규소 기판 위에 1cm의 에르븀 도핑 알루미나 FBG를 제작하여 약 1.7kHz의 선폭을 갖는 레이저 출력을 얻었습니다. 같은 해 Liang 등은... 그림 1에서와 같이 고Q 에코 벽 공진기에 의해 형성된 후방 레일리 산란의 자체 주입 피드백을 반도체 레이저 선폭 압축에 사용하여 최종적으로 160Hz의 좁은 선폭 레이저 출력을 얻었다.
그림 1 (a) 외부 위스퍼링 갤러리 모드 공진기의 자체 주입 레일리 산란에 기반한 반도체 레이저 선폭 압축의 다이어그램;
(b) 선폭이 8MHz인 자유 발진 반도체 레이저의 주파수 스펙트럼;
(c) 선폭을 160Hz로 압축한 레이저의 주파수 스펙트럼
2.1.2 좁은 선폭의 파이버 레이저
선형 공진기 광섬유 레이저의 경우, 단일 종모드의 좁은 선폭 레이저 출력은 공진기 길이를 줄이고 종모드 간격을 늘림으로써 얻을 수 있습니다. 2004년 Spiegelberg 등은 DBR 단파장 공진기 방식을 이용하여 2kHz의 선폭을 갖는 단일 종모드 협대역 레이저 출력을 얻었습니다. 2007년 Shen 등은 2cm 길이의 고농도 에르븀 도핑 실리콘 광섬유를 사용하여 Bi-Ge 공도핑 감광 광섬유에 FBG를 새기고, 이를 활성 광섬유와 융합하여 소형 선형 공진기를 형성함으로써 1kHz 미만의 레이저 출력 선폭을 구현했습니다. 2010년 Yang 등은 2cm 길이의 고농도 도핑 단파장 선형 공진기와 협대역 FBG 필터를 결합하여 2kHz 미만의 선폭을 갖는 단일 종모드 레이저 출력을 얻었습니다. 2014년, 연구팀은 그림 3에서와 같이 짧은 선형 공진기(가상 접이식 링 공진기)와 FBG-FP 필터를 결합하여 더 좁은 선폭의 레이저 출력을 얻었습니다. 2012년, Cai 등은 1.4cm의 짧은 공진기 구조를 사용하여 114mW 이상의 출력, 1540.3nm의 중심 파장, 4.1kHz의 선폭을 갖는 편광 레이저 출력을 얻었습니다. 2013년, Meng 등은 완전 바이어스 보존 장치의 짧은 링 공진기와 에르븀 도핑 섬유의 브릴루인 산란을 이용하여 10mW의 출력, 낮은 위상 잡음을 갖는 단일 종모드 레이저 출력을 얻었습니다. 2015년, 연구팀은 45cm 에르븀 도핑 섬유로 구성된 링 공진기를 브릴루인 산란 이득 매질로 사용하여 낮은 문턱값과 좁은 선폭의 레이저 출력을 얻었습니다.
그림 2 (a) SLC 파이버 레이저의 개략도;
(b) 97.6km 광섬유 지연을 사용하여 측정한 헤테로다인 신호의 선형 모양
게시 시간: 2023년 11월 20일