tecnología de fuente láser parafibra ópticaPercepción, Parte Uno
La tecnología de detección por fibra óptica es un tipo de tecnología de detección desarrollada paralelamente a la tecnología de fibra óptica y a la tecnología de comunicación por fibra óptica, y se ha convertido en una de las ramas más activas de la tecnología fotoeléctrica. Un sistema de detección por fibra óptica se compone principalmente de un láser, una fibra de transmisión, un elemento sensor o área de modulación, un detector de luz y otros componentes. Los parámetros que describen las características de una onda de luz incluyen la intensidad, la longitud de onda, la fase y el estado de polarización. Estos parámetros pueden verse alterados por influencias externas en la transmisión por fibra óptica. Por ejemplo, cuando la temperatura, la deformación, la presión, la corriente, el desplazamiento, la vibración, la rotación, la flexión y la presencia de 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 los factores externos para detectar las magnitudes físicas correspondientes.
Existen muchos tipos defuente láserSe utilizan en sistemas de detección por fibra óptica, que pueden dividirse en dos categorías: coherentesfuentes lásery fuentes de luz incoherentes, incoherentesfuentes de luzLas fuentes de luz incluyen principalmente la luz incandescente y los diodos emisores de luz, mientras que las fuentes de luz coherente incluyen láseres de estado sólido, láseres de líquido y láseres de gas.láser semiconductoryláser de fibraLo siguiente es principalmente parafuente de luz láserEn los últimos años se han utilizado ampliamente en el campo de la detección por fibra óptica: láser de frecuencia única de línea estrecha, láser de frecuencia de barrido de longitud de onda única y láser blanco.
1.1 Requisitos para líneas estrechasfuentes de luz láser
Los sistemas de detección por fibra óptica no pueden separarse de la fuente láser, ya que la onda portadora de la señal medida y el rendimiento de la propia fuente láser (como la estabilidad de potencia, el ancho de línea, el ruido de fase y otros parámetros) influyen decisivamente en la distancia de detección, la precisión, la sensibilidad y las características de ruido del sistema. En los últimos años, con el desarrollo de sistemas de detección por fibra óptica de ultra alta resolución y largo alcance, la academia y la industria han planteado requisitos más exigentes para el rendimiento del ancho de línea en la miniaturización del láser. Esto se observa principalmente en la tecnología de reflexión en el dominio de la frecuencia óptica (OFDR), que utiliza detección coherente para analizar las señales dispersadas por retrodispersión en las fibras ópticas en el dominio de la frecuencia, con una amplia cobertura (miles de metros). Sus ventajas, como la alta resolución (a nivel de milímetros) y la alta sensibilidad (hasta -100 dBm), la han convertido en una de las tecnologías con mayor potencial de aplicación en la medición y detección distribuida por fibra óptica. La tecnología OFDR se basa 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, la sensibilidad y la resolución de la OFDR. Cuando la distancia entre los puntos de reflexión se aproxima a la longitud de coherencia, la intensidad de la señal de batido se atenúa exponencialmente según el coeficiente τ/τc. Para una fuente de luz gaussiana con forma espectral, para garantizar una visibilidad superior al 90 % de la frecuencia de batido, la relación entre el ancho de línea de la fuente de luz y la longitud máxima de detección del sistema es Lmax ~ 0,04vg/f. Esto significa que, para una fibra de 80 km, el ancho de línea de la fuente de luz es inferior a 100 Hz. Además, el desarrollo de otras aplicaciones exige un mayor ancho de línea para la fuente de luz. Por ejemplo, en un sistema de hidrófono de fibra óptica, el ancho de línea determina el ruido del sistema y la señal mínima detectable. En el reflectómetro óptico de dominio temporal Brillouin (BOTDR), 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 resonante, la longitud de coherencia de la onda de luz puede incrementarse reduciendo el ancho de línea de la fuente de luz, mejorando así la finura y la profundidad de resonancia del resonador, reduciendo su ancho de línea y garantizando la precisión de medición del giroscopio de fibra óptica.
1.2 Requisitos para fuentes láser de barrido
El láser de barrido de longitud de onda única ofrece un ajuste de longitud de onda flexible, puede reemplazar a los láseres de longitud de onda fija de múltiples salidas, reduce el costo de construcción del sistema y es una parte indispensable de los sistemas de detección por fibra óptica. Por ejemplo, en la detección de gases traza por fibra, los diferentes gases presentan distintos picos de absorción. Para garantizar la eficiencia de absorción de luz cuando la cantidad de gas a medir 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 detectable está determinado esencialmente por la longitud de onda de la fuente de luz de detección. Por lo tanto, los láseres de línea espectral estrecha con un ajuste de banda ancha estable ofrecen una mayor flexibilidad de medición en este tipo de sistemas de detección. Por ejemplo, en algunos sistemas de detección por fibra óptica distribuidos basados en la reflexión en el dominio de la frecuencia óptica, es necesario realizar un barrido periódico rápido del láser para lograr una detección coherente de alta precisión y la demodulación de señales ópticas. Por ello, la tasa de modulación de la fuente láser tiene requisitos relativamente altos, y la velocidad de barrido del láser ajustable suele alcanzar los 10 pm/μs. Además, el láser de línea espectral estrecha y longitud de onda sintonizable tiene amplias aplicaciones en LiDAR, teledetección láser, análisis espectral de alta resolución y otros campos de detección. Para satisfacer las exigencias de alto rendimiento en cuanto a ancho de banda, precisión y velocidad de sintonización de los láseres de longitud de onda única en el ámbito de la detección por fibra, el objetivo principal del estudio de los láseres de fibra de línea espectral estrecha y sintonizables en los últimos años es lograr una sintonización de alta precisión en un rango de longitudes de onda más amplio, con el fin de obtener una línea espectral ultradelgada, 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, un láser de luz blanca de alta calidad es fundamental para mejorar el rendimiento del sistema. Cuanto mayor sea la cobertura espectral del láser de luz blanca, más extensa será su aplicación en sistemas de detección por fibra óptica. Por ejemplo, al usar rejillas de Bragg de fibra (FBG) para construir una red de sensores, se puede emplear el análisis espectral o el método de adaptación de filtros sintonizables para la demodulación. El primero utiliza un espectrómetro para medir directamente la longitud de onda resonante de cada FBG en la red. El segundo utiliza un filtro de referencia para rastrear y calibrar la FBG en la detección; ambos métodos requieren una fuente de luz de banda ancha como fuente de luz de prueba para la FBG. Dado que cada red de acceso FBG presenta cierta pérdida de inserción y un ancho de banda superior a 0,1 nm, la demodulación simultánea de múltiples FBG exige una fuente de luz de banda ancha con alta potencia y gran ancho de banda. Por ejemplo, al usar rejillas de fibra de largo período (LPFG) para detección, dado que el ancho de banda de un solo 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, las rejillas de fibra acústicas (AIFG), construidas mediante el efecto acustoóptico, pueden alcanzar un rango de sintonización de longitud de onda resonante de hasta 1000 nm mediante sintonización eléctrica. Por lo tanto, las pruebas dinámicas de rejillas con un rango de sintonización tan amplio representan un gran desafío para el ancho de banda de una fuente de luz de amplio espectro. De manera similar, en los últimos años, las rejillas de fibra Bragg inclinadas también se han utilizado ampliamente en el campo de la detección por fibra. Debido a sus características de espectro de pérdida con múltiples picos, el rango de distribución de longitud de onda suele alcanzar los 40 nm. Su mecanismo de detección generalmente consiste en comparar el movimiento relativo entre múltiples picos de transmisión, por lo que es necesario medir su espectro de transmisión completo. Se requiere un mayor ancho de banda y potencia de la fuente de luz de amplio espectro.
2. Situación de la investigación a nivel nacional e internacional
2.1 Fuente de luz láser de línea espectral estrecha
2.1.1 Láser de realimentación distribuida de semiconductores de línea espectral estrecha
En 2006, Cliche et al. redujeron la escala de MHz de los semiconductores.Láser DFB(Láser de realimentación distribuida) a la escala de kHz mediante el método de realimentación eléctrica; En 2011, Kessler et al. utilizaron una cavidad monocristalina de baja temperatura y alta estabilidad, combinada con control de realimentación activa, para obtener una salida láser de ancho de línea ultradelgado de 40 MHz; En 2013, Peng et al. obtuvieron una salida láser semiconductora con un ancho de línea de 15 kHz mediante el método de ajuste de realimentación Fabry-Perot (FP) externa. El método de realimentación eléctrica utilizó principalmente la realimentación de estabilización de frecuencia Pond-Drever-Hall para reducir el ancho de línea del 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. En el mismo año, Liang et al. Se utilizó la retroalimentación de autoinyección de la dispersión Rayleigh hacia atrás formada por un resonador de pared de eco de alto Q para la compresión del ancho de línea del láser semiconductor, como se muestra en la Figura 1, y finalmente se obtuvo una salida láser de ancho de línea estrecho de 160 Hz.
Figura 1 (a) Diagrama de compresión del ancho de línea del láser semiconductor basado en la dispersión Rayleigh de autoinyección del resonador de modo de galería susurrante externo;
(b) Espectro de frecuencia del láser semiconductor de funcionamiento libre con 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 línea espectral estrecha
En los láseres de fibra de cavidad lineal, la emisión láser de modo longitudinal único con un ancho de línea estrecho se obtiene reduciendo la longitud del resonador y aumentando el intervalo entre modos longitudinales. En 2004, Spiegelberg et al. obtuvieron una emisión láser de modo longitudinal único 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 dopaje de erbio para grabar una rejilla de Bragg de fibra (FBG) en una fibra fotosensible codopada con Bi y Ge, y la fusionaron con una fibra activa para formar una cavidad lineal compacta, logrando un ancho de línea inferior a 1 kHz. En 2010, Yang et al. utilizaron una cavidad lineal corta de 2 cm con alto dopaje, combinada con un filtro FBG de banda estrecha, para obtener una emisión láser de modo longitudinal único con un ancho de línea inferior a 2 kHz. En 2014, el equipo utilizó una cavidad lineal corta (resonador de anillo plegado virtual) 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 polarizada 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 la dispersión Brillouin de fibra dopada con erbio con una cavidad de anillo corta de un dispositivo que conserva la polarización completa para obtener una salida láser de modo longitudinal único, bajo ruido de fase y una potencia de salida de 10 mW. En 2015, el equipo utilizó una cavidad de anillo compuesta por 45 cm de fibra dopada con erbio como medio de ganancia de dispersión Brillouin para obtener una salida láser de umbral bajo y ancho de línea estrecho.
Figura 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
Fecha de publicación: 20 de noviembre de 2023