Tecnología de fuente láser parafibra ópticasintiendo la primera parte
La tecnología de detección de fibra óptica es un tipo de tecnología de detección desarrollada junto con la tecnología de fibra óptica y la tecnología de comunicación por fibra óptica, y se ha convertido en una de las ramas más activas de la tecnología fotoeléctrica. El sistema de detección de fibra óptica se compone principalmente de láser, fibra de transmisión, elemento sensor o área de modulación, detección de luz y otras partes. Los parámetros que describen las características de la onda de luz incluyen intensidad, longitud de onda, fase, estado de polarización, etc. Estos parámetros pueden cambiar por influencias externas en la transmisión de fibra óptica. Por ejemplo, cuando la temperatura, la tensión, la presión, la corriente, el desplazamiento, la vibración, la rotación, la flexión y la cantidad química afectan la trayectoria óptica, estos parámetros cambian en consecuencia. La detección por fibra óptica se basa en la relación entre estos parámetros y factores externos para detectar las cantidades físicas correspondientes.
Hay muchos tipos defuente láserutilizado en sistemas de detección de fibra óptica, que se pueden dividir en dos categorías: coherentefuentes lásery fuentes de luz incoherentes, incoherentesfuentes de luzincluyen principalmente luz incandescente y diodos emisores de luz, y las fuentes de luz coherente incluyen láseres sólidos, láseres líquidos, láseres de gas,láser semiconductoryláser de fibra. Lo siguiente es principalmente parafuente de luz láserAmpliamente utilizado en el campo de la detección de fibra en los últimos años: láser de frecuencia única de ancho de línea estrecho, láser de frecuencia de barrido de longitud de onda única y láser blanco.
1.1 Requisitos para ancho de línea estrechofuentes de luz láser
El sistema de detección de fibra óptica no se puede separar de la fuente láser, ya que la onda de luz portadora de señal medida, el rendimiento de la fuente de luz láser en sí, como la estabilidad de potencia, el ancho de la línea láser, el ruido de fase y otros parámetros en la distancia de detección del sistema de detección de fibra óptica, detección La precisión, la sensibilidad y las características de ruido juegan un papel decisivo. En los últimos años, con el desarrollo de sistemas de detección de fibra óptica de resolución ultraalta de larga distancia, el mundo académico y la industria han presentado requisitos más estrictos para el rendimiento del ancho de línea de la miniaturización láser, principalmente en: la tecnología de reflexión en el dominio de frecuencia óptica (OFDR) utiliza sistemas coherentes. Tecnología de detección para analizar señales dispersas backrayleigh de fibras ópticas en el dominio de la frecuencia, con una amplia cobertura (miles de metros). Las ventajas de la alta resolución (resolución de nivel milimétrico) y la alta sensibilidad (hasta -100 dBm) se han convertido en una de las tecnologías con amplias perspectivas de aplicación en la tecnología de detección y medición de fibra óptica distribuida. El núcleo de la tecnología OFDR es utilizar una fuente de luz sintonizable para lograr la sintonización de frecuencia óptica, por lo que el rendimiento de la fuente láser determina factores clave como el rango de detección, la sensibilidad y la resolución de OFDR. Cuando la distancia del punto de reflexión está cerca de la longitud de coherencia, la intensidad de la señal de batido se atenuará exponencialmente por el coeficiente τ/τc. Para una fuente de luz gaussiana con forma espectral, para garantizar que la frecuencia de latido tenga más del 90% de visibilidad, la relación entre el ancho de línea de la fuente de luz y la longitud máxima de detección que el sistema puede lograr es Lmax~0.04vg /f, lo que significa que para una fibra con una longitud de 80 km, el ancho de línea de la fuente de luz es inferior a 100 Hz. Además, el desarrollo de otras aplicaciones también planteó requisitos más elevados en cuanto al ancho de línea de la fuente de luz. Por ejemplo, en el sistema de hidrófonos de fibra óptica, el ancho de línea de la fuente de luz determina el ruido del sistema y también determina la señal mínima mensurable del sistema. En el reflector óptico en el dominio del tiempo (BOTDR) de Brillouin, la resolución de medición de temperatura y tensión está determinada principalmente por el ancho de línea de la fuente de luz. En un giroscopio de fibra óptica resonador, la longitud de coherencia de la onda de luz se puede aumentar reduciendo el ancho de línea de la fuente de luz, mejorando así la finura y la profundidad de resonancia del resonador, reduciendo el ancho de línea del resonador y asegurando la medición. Precisión del giroscopio de fibra óptica.
1.2 Requisitos para fuentes láser de barrido
El láser de barrido de longitud de onda única tiene un rendimiento de ajuste de longitud de onda flexible, puede reemplazar láseres de longitud de onda fija de salida múltiple, reduce el costo de construcción del sistema y es una parte indispensable del sistema de detección de fibra óptica. Por ejemplo, en la detección de fibras de gases traza, diferentes tipos de gases tienen diferentes picos de absorción de gas. Para garantizar la eficiencia de absorción de luz cuando el gas de medición es suficiente y lograr una mayor sensibilidad de medición, es necesario alinear la longitud de onda de la fuente de luz de transmisión con el pico de absorción de la molécula de gas. El tipo de gas que se puede detectar está determinado esencialmente por la longitud de onda de la fuente de luz sensora. Por lo tanto, los láseres de ancho de línea estrecho con un rendimiento de sintonización de banda ancha estable tienen una mayor flexibilidad de medición en dichos sistemas de detección. Por ejemplo, en algunos sistemas de detección de fibra óptica distribuidos basados en la reflexión en el dominio de la frecuencia óptica, el láser debe ser barrido periódicamente y rápidamente para lograr una detección y demodulación coherente de alta precisión de señales ópticas, por lo que la tasa de modulación de la fuente láser tiene requisitos relativamente altos. , y generalmente se requiere que la velocidad de barrido del láser ajustable alcance las 10 pm/μs. Además, el láser de ancho de línea estrecho ajustable de longitud de onda también se puede utilizar ampliamente en liDAR, teledetección láser y análisis espectral de alta resolución y otros campos de detección. Para cumplir con los requisitos de parámetros de alto rendimiento de ancho de banda de sintonización, precisión de sintonización y velocidad de sintonización de láseres de longitud de onda única en el campo de la detección de fibra, el objetivo general del estudio de los láseres de fibra de ancho estrecho sintonizables en los últimos años es lograr alta Ajuste de precisión en un rango de longitud de onda más amplio basándose en la búsqueda de un ancho de línea láser ultraestrecho, un ruido de fase ultrabajo y una frecuencia y potencia de salida ultraestables.
1.3 Demanda de fuente de luz láser blanca
En el campo de la detección óptica, el láser de luz blanca de alta calidad es de gran importancia para mejorar el rendimiento del sistema. Cuanto más amplia sea la cobertura del espectro del láser de luz blanca, más amplia será su aplicación en el sistema de detección de fibra óptica. Por ejemplo, cuando se utiliza una rejilla de Bragg de fibra (FBG) para construir una red de sensores, se podría utilizar un análisis espectral o un método de coincidencia de filtros sintonizables para la demodulación. El primero utilizó un espectrómetro para probar directamente cada longitud de onda resonante de FBG en la red. Este último utiliza un filtro de referencia para rastrear y calibrar el FBG en la detección, los cuales requieren una fuente de luz de banda ancha como fuente de luz de prueba para el FBG. Debido a que cada red de acceso FBG tendrá una cierta pérdida de inserción y un ancho de banda de más de 0,1 nm, la demodulación simultánea de múltiples FBG requiere una fuente de luz de banda ancha con alta potencia y gran ancho de banda. Por ejemplo, cuando se utiliza una rejilla de fibra de período largo (LPFG) para la detección, dado que el ancho de banda de un único pico de pérdida es del orden de 10 nm, se requiere una fuente de luz de amplio espectro con suficiente ancho de banda y espectro relativamente plano para caracterizar con precisión su resonancia. características máximas. En particular, la rejilla de fibra acústica (AIFG) construida utilizando un efecto acústico-óptico puede lograr un rango de sintonización de longitud de onda resonante de hasta 1000 nm mediante sintonización eléctrica. Por lo tanto, las pruebas de rejilla dinámica con un rango de sintonización tan amplio plantean un gran desafío para el rango de ancho de banda de una fuente de luz de amplio espectro. De manera similar, en los últimos años, la rejilla de fibra de Bragg inclinada también se ha utilizado ampliamente en el campo de la detección de fibra. Debido a sus características espectrales de pérdida de picos múltiples, el rango de distribución de longitud de onda generalmente puede alcanzar los 40 nm. Su mecanismo de detección suele ser comparar el movimiento relativo entre múltiples picos de transmisión, por lo que es necesario medir su espectro de transmisión por completo. Se requiere que el ancho de banda y la potencia de la fuente de luz de amplio espectro sean mayores.
2. Estado de la investigación en el país y en el extranjero
2.1 Fuente de luz láser de ancho de línea estrecho
2.1.1 Láser de retroalimentación distribuida semiconductor de ancho de línea estrecho
En 2006, Cliché et al. redujo la escala de MHz de semiconductoresLáser DFB(láser de retroalimentación distribuida) a escala de kHz utilizando el método de retroalimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. utilizó una cavidad monocristalina de baja temperatura y alta estabilidad combinada con control de retroalimentación activa para obtener una salida de láser de ancho de línea ultraestrecho de 40 MHz; En 2013, Peng et al obtuvieron una salida de láser semiconductor con un ancho de línea de 15 kHz mediante el método de ajuste de retroalimentación externa de Fabry-Perot (FP). El método de retroalimentación eléctrica utilizó principalmente la retroalimentación de estabilización de frecuencia Pond-Drever-Hall para reducir el ancho de la línea láser de la fuente de luz. En 2010, Bernhardi et al. Produjeron 1 cm de FBG de alúmina dopada con erbio sobre un sustrato de óxido de silicio para obtener una salida láser con un ancho de línea de aproximadamente 1,7 kHz. Ese mismo año, Liang et al. utilizaron la retroalimentación de autoinyección de la dispersión de Rayleigh hacia atrás formada por un resonador de pared de eco de alta Q para la compresión del ancho de línea del láser semiconductor, como se muestra en la Figura 1, y finalmente obtuvieron una salida de láser de ancho de línea estrecho de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagrama de compresión del ancho de línea del láser semiconductor basado en la dispersión Rayleigh de autoinyección del resonador externo en modo de galería susurrante;
(b) Espectro de frecuencia del láser semiconductor de funcionamiento libre con un ancho de línea de 8 MHz;
(c) Espectro de frecuencia del láser con ancho de línea comprimido a 160 Hz
2.1.2 Láser de fibra de ancho de línea estrecho
Para los láseres de fibra de cavidad lineal, la salida del láser de ancho de línea estrecho del modo longitudinal único se obtiene acortando la longitud del resonador y aumentando el intervalo del modo longitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. obtuvo una salida láser de ancho de línea estrecho de modo longitudinal único con un ancho de línea de 2 kHz utilizando el método de cavidad corta DBR. En 2007, Shen et al. utilizó una fibra de silicio fuertemente dopada con erbio de 2 cm para escribir FBG en una fibra fotosensible co-dopada con Bi-Ge y la fusionó con una fibra activa para formar una cavidad lineal compacta, lo que hizo que el ancho de la línea de salida del láser fuera inferior a 1 kHz. En 2010, Yang et al. utilizaron una cavidad lineal corta altamente dopada de 2 cm combinada con un filtro FBG de banda estrecha para obtener una salida láser de modo longitudinal único con un ancho de línea de menos de 2 kHz. En 2014, el equipo utilizó una cavidad lineal corta (resonador de anillo virtual plegado) combinada con un filtro FBG-FP para obtener una salida láser con un ancho de línea más estrecho, como se muestra en la Figura 3. En 2012, Cai et al. utilizaron una estructura de cavidad corta de 1,4 cm para obtener una salida de láser polarizador con una potencia de salida superior a 114 mW, una longitud de onda central de 1540,3 nm y un ancho de línea de 4,1 kHz. En 2013, Meng et al. utilizaron dispersión Brillouin de fibra dopada con erbio con una cavidad de anillo corta de un dispositivo de preservación de polarización total para obtener una salida láser de modo longitudinal único y ruido de fase baja con una potencia de salida de 10 mW. En 2015, el equipo utilizó una cavidad anular compuesta de fibra dopada con erbio de 45 cm como medio de ganancia de dispersión Brillouin para obtener un umbral bajo y una salida láser de ancho de línea estrecho.
Fig. 2 (a) Dibujo esquemático del láser de fibra SLC;
(b) Forma de línea de la señal heterodina medida con un retardo de fibra de 97,6 km
Hora de publicación: 20-nov-2023