Tecnología de fuente láser para detección de fibra óptica Parte uno

Tecnología de fuente láser parafibra ópticadetección Primera parte

La tecnología de detección por fibra óptica es un tipo de tecnología de detección desarrollada en conjunto 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 por fibra óptica se compone principalmente de láser, fibra de transmisión, elemento sensor o área de modulación, detección de luz y otros componentes. Los parámetros que describen las características de la onda de luz incluyen intensidad, longitud de onda, fase, estado de polarización, etc. Estos parámetros pueden variar debido a influencias externas en la transmisión por fibra óptica. Por ejemplo, cuando la temperatura, la tensión, la presión, la corriente, el desplazamiento, la vibración, la rotación, la flexión y las sustancias químicas 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 magnitudes físicas correspondientes.

Hay muchos tipos defuente láserSe utilizan en sistemas de detección de fibra óptica, que se pueden dividir en dos categorías: coherentes.fuentes lásery fuentes de luz incoherentes, incoherentesfuentes de luzLas fuentes de luz coherentes incluyen principalmente luz incandescente y diodos emisores de luz, y las fuentes de luz coherentes incluyen láseres sólidos, láseres líquidos y láseres de gas.láser semiconductoryláser de fibraLo siguiente es principalmente para elfuente de luz láserAmpliamente utilizado en el campo de 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 anchos de línea estrechosfuentes de luz láser

El sistema de detección de fibra óptica es inseparable de la fuente láser, ya que la onda de luz portadora de la señal medida, el rendimiento de la propia fuente de luz láser, como la estabilidad de potencia, el ancho de línea del láser, el ruido de fase y otros parámetros en la distancia de detección del sistema de detección de fibra óptica, la precisión de detección, la sensibilidad y las características del ruido juegan un papel decisivo. En los últimos años, con el desarrollo de sistemas de detección de fibra óptica de ultra alta resolución de larga distancia, la academia 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 la frecuencia óptica (OFDR) utiliza tecnología de detección coherente para analizar las señales dispersas por backrayleigh de las 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 medición y detección de fibra óptica distribuida. El núcleo de la tecnología OFDR reside en el uso de una fuente de luz sintonizable para lograr la sintonización de la frecuencia óptica. Por lo tanto, el rendimiento de la fuente láser determina factores clave como el rango de detección OFDR, la sensibilidad y la resolución. Cuando la distancia del punto de reflexión se acerca a la longitud de coherencia, la intensidad de la señal de batido se atenúa exponencialmente mediante el coeficiente τ/τc. Para una fuente de luz gaussiana con forma espectral, para garantizar una visibilidad de la frecuencia de batido superior al 90 %, la relación entre el ancho de línea de la fuente de luz y la longitud de detección máxima que el sistema puede alcanzar es Lmax~0,04vg/f, lo que significa que, para una fibra de 80 km de longitud, el ancho de línea de la fuente de luz es inferior a 100 Hz. Además, el desarrollo de otras aplicaciones también impone requisitos más exigentes para el 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 la señal mínima medible. En el reflector óptico Brillouin de dominio temporal (BOTDR), la resolución de la medición de temperatura y tensión se determina principalmente por el ancho de línea de la fuente de luz. En un giroscopio de fibra óptica con 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 garantizando la precisión de la medición del giroscopio de fibra óptica.

1.2 Requisitos para fuentes láser de barrido

El láser de barrido de una sola longitud de onda ofrece un ajuste flexible de la longitud de onda, lo que permite reemplazar láseres de longitud de onda fija de salida múltiple, reduce el coste de construcción del sistema y es un componente indispensable de los sistemas de detección de fibra óptica. Por ejemplo, en la detección de gases traza con fibra, los diferentes tipos de gases presentan picos de absorción diferentes. Para garantizar la eficiencia de absorción de la 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 de detección. Por lo tanto, los láseres de ancho de línea estrecho con un ajuste estable de banda ancha ofrecen una mayor flexibilidad de medición en estos 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 barrer periódicamente y rápidamente para lograr una detección y demodulación coherentes de alta precisión de las señales ópticas. Por lo tanto, la tasa de modulación de la fuente láser presenta requisitos relativamente altos, y la velocidad de barrido del láser ajustable suele alcanzar los 10 pm/μs. Además, el láser de ancho de línea estrecho sintonizable por longitud de onda también se utiliza ampliamente en LIDAR, teledetección láser, análisis espectral de alta resolución y otros campos de detección. Para satisfacer los requisitos de alto rendimiento en ancho de banda, precisión y velocidad de sintonización de láseres de una sola longitud de onda en el campo de la detección por fibra, el objetivo general del estudio de láseres de fibra de ancho de línea estrecho sintonizables en los últimos años es lograr una sintonización de alta precisión en un rango de longitud de onda más amplio, buscando un ancho de línea láser ultraestrecho, ruido de fase ultrabajo y 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 espectral del láser de luz blanca, más extensa será su aplicación en el sistema de detección de fibra óptica. Por ejemplo, al utilizar la rejilla de Bragg de fibra (FBG) para construir una red de sensores, se podría utilizar el análisis espectral o el 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. El segundo utiliza un filtro de referencia para rastrear y calibrar la FBG en la detección, los cuales requieren una fuente de luz de banda ancha como fuente de luz de prueba para la FBG. Debido a que cada red de acceso FBG tendrá una cierta pérdida de inserción y tiene 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 alto ancho de banda. Por ejemplo, al utilizar rejillas de fibra de periodo 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 un espectro relativamente plano para caracterizar con precisión sus características de pico resonante. En particular, la rejilla de fibra acústica (AIFG), construida mediante efecto acústico-óptico, puede alcanzar 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 igual manera, 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 de espectro de pérdida de múltiples picos, el rango de distribución de longitud de onda suele alcanzar los 40 nm. Su mecanismo de detección suele comparar el movimiento relativo entre múltiples picos de transmisión, por lo que es necesario medir completamente su espectro de transmisión. Se requiere un mayor ancho de banda y potencia de la fuente de luz de amplio espectro.

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, Cliche et al. redujeron la escala de MHz de semiconductores.Láser DFB(láser de retroalimentación distribuida) a escala de kHz utilizando el método de retroalimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. utilizaron una cavidad de cristal único de baja temperatura y alta estabilidad combinada con un control de retroalimentación activo para obtener una salida 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 utilizando el método de ajuste de retroalimentación externa Fabry-Perot (FP). El método de retroalimentación eléctrica utilizó principalmente la retroalimentación de estabilización de frecuencia Pond-Drever-Hall para reducir el ancho de línea láser de la fuente de luz. En 2010, Bernhardi et al. produjeron 1 cm de alúmina dopada con erbio FBG sobre un sustrato de óxido de silicio para obtener una salida láser con un ancho de línea de aproximadamente 1,7 kHz. En el mismo año, Liang et al. Se utilizó la retroalimentación de autoinyección de la dispersión de Rayleigh hacia atrás formada por un resonador de pared de eco de alto Q para la compresión de ancho de línea de láser semiconductor, como se muestra en la Figura 1, y finalmente se obtuvo una salida de láser de ancho de línea estrecho de 160 Hz.

Fig. 1 (a) Diagrama de compresión de ancho de línea de láser semiconductor basado en la dispersión de Rayleigh por autoinyección del resonador de modo de galería susurrante externo;
(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

En los láseres de fibra de cavidad lineal, la salida láser de ancho de línea estrecho de un solo modo longitudinal se obtiene acortando la longitud del resonador y aumentando el intervalo entre modos longitudinales. En 2004, Spiegelberg et al. obtuvieron una salida láser de ancho de línea estrecho de un solo modo longitudinal con un ancho de línea de 2 kHz mediante el método de cavidad corta DBR. En 2007, Shen et al. utilizaron una fibra de silicio de 2 cm con alto contenido de erbio para escribir FBG en una fibra fotosensible codopada Bi-Ge y la fusionaron con una fibra activa para formar una cavidad lineal compacta, lo que hizo que su ancho de línea de salida 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 un solo modo longitudinal con un ancho de línea inferior a 2 kHz. En 2014, el equipo utilizó una cavidad lineal corta (resonador virtual de anillo 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 láser polarizadora 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 de Brillouin de fibra dopada con erbio con una cavidad de anillo corta de un dispositivo de preservación de polarización completa para obtener una salida láser de modo longitudinal único y bajo ruido de fase con una potencia de salida de 10 mW. En 2015, el equipo utilizó una cavidad de anillo compuesta por fibra dopada con erbio de 45 cm como medio de ganancia de dispersión de Brillouin para obtener una salida láser de umbral bajo y 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