Technologie de source laser pourfibre optiqueSentant la première partie
La technologie de détection des fibres optiques est une sorte de technologie de détection développée avec la technologie des fibres optiques et la technologie de communication de fibres optiques, et elle est devenue l'une des branches les plus actives de la technologie photoélectrique. Le système de détection de fibres optiques est principalement composé de laser, de fibre de transmission, d'élément de détection ou de zone de modulation, de détection de lumière et d'autres pièces. Les paramètres décrivant les caractéristiques de l'onde lumineuse comprennent l'intensité, la longueur d'onde, la phase, l'état de polarisation, etc. Ces paramètres peuvent être modifiés par des influences externes dans la transmission optique des fibres. Par exemple, lorsque la température, la contrainte, la pression, le courant, le déplacement, les vibrations, la rotation, la flexion et la quantité chimique affectent le chemin optique, ces paramètres changent en conséquence. La détection optique des fibres est basée sur la relation entre ces paramètres et les facteurs externes pour détecter les quantités physiques correspondantes.
Il existe de nombreux types desource laserutilisé dans les systèmes de détection de fibres optiques, qui peuvent être divisés en deux catégories: cohérentesources laseret sources de lumière incohérentes, incohérentesSources légèresComprennent principalement des diodes à la lumière à incandescence et à l'émission de lumière, et les sources de lumière cohérentes comprennent des lasers solides, des lasers liquides, des lasers à gaz,laser semi-conducteuretlaser en fibre. Ce qui suit est principalement pour lesource de lumière laserLargement utilisé dans le domaine de la détection des fibres au cours des dernières années: laser à une seule fréquence de largeur de ligne étroite, laser à fréquence de balayage à longueur d'onde unique et laser blanc.
1.1 Exigences pour la largeur de ligne étroiteSources de lumière laser
Le système de détection de fibres optiques ne peut pas être séparé de la source laser, car l'onde lumineuse du porte-signal mesurée, la source de lumière laser elle-même, tels que la stabilité de puissance, la largeur de ligne laser, le bruit de phase et d'autres paramètres sur le système de détection de fibre optique, la précision de la précision, la sensibilité et les caractéristiques du bruit jouent un rôle décisif. Ces dernières années, avec le développement de systèmes de détection de fibres optiques à haute résolution à longue distance, a proposé des exigences plus strictes pour la performance de la largeur de ligne de la miniaturisation laser, principalement dans: la technologie de la réflexion du domaine de la fréquence optique (OFDR) utilise la technologie de détection cohérente pour analyser le couvert dispersé de l'arrière-plan (millées de fibres optiques dans le domaine de fréquence. Les avantages de la haute résolution (résolution au niveau du millimètre) et de la sensibilité élevée (jusqu'à -100 dBm) sont devenus l'une des technologies avec de larges perspectives d'application dans la technologie de mesure et de détection des fibres optiques distribuées. Le noyau de la technologie OFDR est d'utiliser une source de lumière accordable pour obtenir un réglage de la fréquence optique, de sorte que les performances de la source laser déterminent les facteurs clés tels que la plage de détection OFDR, la sensibilité et la résolution. Lorsque la distance du point de réflexion est proche de la longueur de cohérence, l'intensité du signal de battement sera atténuée de façon exponentielle par le coefficient τ / τc. Pour une source lumineuse gaussienne avec une forme spectrale, afin de garantir que la fréquence de battement a plus de 90% de visibilité, la relation entre la largeur de ligne de la source lumineuse et la longueur maximale de détection que le système peut atteindre est LMAX ~ 0,04 VG / F, ce qui signifie que pour une fibre avec une longueur de 80 km, la largeur de ligne de la source lumineuse est inférieure à 100 Hz. De plus, le développement d'autres applications a également présenté des exigences plus élevées pour la largeur de ligne de la source lumineuse. Par exemple, dans le système d'hydrophone de fibre optique, la largeur de ligne de la source de lumière détermine le bruit du système et détermine également le signal mesurable minimum du système. Dans le réflecteur de domaine temporel optique Brillouin (BOTDR), la résolution de mesure de la température et de la contrainte est principalement déterminée par la largeur de ligne de la source de lumière. Dans un gyroscope à fibre optique de résonateur, la longueur de cohérence de l'onde lumineuse peut être augmentée en réduisant la largeur de la ligne de la source lumineuse, améliorant ainsi la finesse et la profondeur de résonance du résonateur, réduisant la largeur de la ligne du résonateur et garantissant la précision de la mesure du gyro de fibre optique.
1.2 Exigences pour les sources laser de balayage
Le laser à balayage à longueur d'onde unique a des performances de réglage de longueur d'onde flexibles, peut remplacer plusieurs lasers à longueur d'onde fixe de sortie, réduire le coût de la construction du système, est une partie indispensable du système de détection de fibres optiques. Par exemple, dans la détection des fibres de gaz trace, différents types de gaz ont différents pics d'absorption des gaz. Afin d'assurer l'efficacité d'absorption de la lumière lorsque le gaz de mesure est suffisant et d'atteindre une sensibilité de mesure plus élevée, il est nécessaire d'aligner la longueur d'onde de la source de lumière de transmission avec le pic d'absorption de la molécule de gaz. Le type de gaz qui peut être détecté est essentiellement déterminé par la longueur d'onde de la source de lumière de détection. Par conséquent, les lasers à largeur de ligne étroits avec des performances de réglage à large bande stables ont une flexibilité de mesure plus élevée dans de tels systèmes de détection. Par exemple, dans certains systèmes de détection de fibres optiques distribués basés sur la réflexion du domaine de fréquence optique, le laser doit être rapidement balayé périodiquement pour obtenir une détection cohérente de haute précision et une démodulation des signaux optiques, de sorte que le taux de modulation de la source laser a des exigences relativement élevées, et la vitesse de balayage du laser réglable est généralement nécessaire pour atteindre 10 heures / μm. De plus, le laser à largeur de ligne étroite de longueur d'onde peut également être largement utilisé dans le lidar, la télédétection laser et l'analyse spectrale haute résolution et d'autres champs de détection. Afin de répondre aux exigences des paramètres de haute performance de la bande passante de réglage, de la précision de réglage et de la vitesse de réglage des lasers à longueur d'onde à une seule longueur d'onde dans les dernières années, l'objectif global d'étudier dans une plage de longueur d'onde plus grande sur la base de la base de laser laser et de las de laser ultra-las de la ligne ultra-nocke pouvoir.
1.3 Demande de source de lumière laser blanche
Dans le domaine de la détection optique, le laser à lumière blanche de haute qualité est d'une grande importance pour améliorer les performances du système. Plus la couverture du spectre du laser de lumière blanche, plus son application est étendue dans le système de détection de fibres optiques. Par exemple, lors de l'utilisation du réseau de Bragg en fibre (FBG) pour construire un réseau de capteurs, une analyse spectrale ou une méthode de correspondance de filtre accordable pourrait être utilisé pour la démodulation. Le premier a utilisé un spectromètre pour tester directement chaque longueur d'onde de résonance FBG dans le réseau. Ce dernier utilise un filtre de référence pour suivre et calibrer le FBG dans la détection, qui nécessitent tous deux une source de lumière à large bande comme source de lumière de test pour le FBG. Étant donné que chaque réseau d'accès FBG aura une certaine perte d'insertion et a une bande passante de plus de 0,1 nm, la démodulation simultanée de plusieurs FBG nécessite une source lumineuse à large bande avec une puissance élevée et une bande passante élevée. Par exemple, lors de l'utilisation du réseau de fibres à longue période (LPFG) pour la détection, car la bande passante d'un pic de perte unique est de l'ordre de 10 nm, une source de lumière à large spectre avec une bande passante suffisante et un spectre relativement plat est nécessaire pour caractériser avec précision ses caractéristiques de pic résonantes. En particulier, le réseau de fibres acoustiques (AIFG) construit en utilisant un effet acousto-optique peut atteindre une plage de réglage de longueur d'onde résonnante jusqu'à 1000 nm au moyen d'un réglage électrique. Par conséquent, les tests de réseau dynamique avec une plage de réglage aussi ultra-large pose un grand défi à la plage de bande passante d'une source lumineuse à large spectre. De même, ces dernières années, le réseau de fibres Bragg incliné a également été largement utilisé dans le domaine de la détection des fibres. En raison de ses caractéristiques de spectre de perte multiples, la plage de distribution de longueurs d'onde peut généralement atteindre 40 nm. Son mécanisme de détection consiste généralement à comparer le mouvement relatif entre plusieurs pics de transmission, il est donc nécessaire de mesurer complètement son spectre de transmission. La bande passante et la puissance de la source de lumière du spectre large doivent être plus élevées.
2. Statut de recherche au pays et à l'étranger
2.1 Source de lumière laser à largeur de ligne étroite
2.1.1 Laser de rétroaction distribuée à largeur de semi-conducteur étroite
En 2006, Cliche et al. réduit l'échelle MHz du semi-conducteurLaser DFB(laser de rétroaction distribuée) à l'échelle KHZ en utilisant la méthode de rétroaction électrique; En 2011, Kessler et al. Utilisé à basse température et à stabilité élevée cavité monocristallière combinée à un contrôle de rétroaction actif pour obtenir une sortie laser à largeur de ligne ultra-narrow de 40 MHz; En 2013, Peng et all ont obtenu une sortie laser semi-conducteur avec une largeur de ligne de 15 kHz en utilisant la méthode de l'ajustement de rétroaction externe Fabry-Perot (FP). La méthode de rétroaction électrique a principalement utilisé le rétroaction de la stabilisation de la fréquence de la répercuste de pun-rrever pour que la largeur de ligne laser de la source lumineuse soit réduite. En 2010, Bernhardi et al. Produit 1 cm de FBG d'alumine dopé à l'erbium sur un substrat d'oxyde de silicium pour obtenir une sortie laser avec une largeur de ligne d'environ 1,7 kHz. La même année, Liang et al. Utilisé la rétroaction d'auto-injection de la diffusion de Rayleigh vers l'arrière formé par un résonateur mural d'écho à Q d'écho pour la compression de largeur de ligne laser semi-conducteur, comme le montre la figure 1, et a finalement obtenu une sortie laser étroite de largeur de ligne de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagramme de la compression Laser Laser Semiconductor Basée sur la diffusion d'auto-injection Rayleigh du résonateur en mode galerie de chuchotement externe;
(b) spectre de fréquence du laser semi-conducteur à cours libre avec largeur de ligne de 8 MHz;
(c) Spectre de fréquence du laser avec Linewidth compressé à 160 Hz
2.1.2 Laser en fibre de largeur à ligne étroite
Pour les lasers de fibres de cavité linéaire, la sortie laser à largeur de ligne étroite du mode longitudinal unique est obtenue en raccourcissant la longueur du résonateur et en augmentant l'intervalle de mode longitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. obtenu une seule sortie laser à largeur de ligne étroite à mode longitudinal avec une largeur de ligne de 2 kHz en utilisant la méthode de cavité courte DBR. En 2007, Shen et al. Utilisé une fibre de silicium dopée à 2 cm à 2 cm pour écrire un FBG sur une fibre photosensible en bi-Ge co-ge, et l'a fusionnée avec une fibre active pour former une cavité linéaire compacte, ce qui rend sa largeur de ligne de sortie laser inférieure à 1 kHz. En 2010, Yang et al. Utilisé une cavité linéaire courte hautement dopée de 2 cm combinée avec un filtre FBG à bande étroite pour obtenir une seule sortie laser en mode longitudinal avec une largeur de ligne inférieure à 2 kHz. En 2014, l'équipe a utilisé une courte cavité linéaire (résonateur à anneau plié virtuel) combinée à un filtre FBG-FP pour obtenir une sortie laser avec une largeur de ligne plus étroite, comme le montre la figure 3. En 2012, Cai et al. Utilisé une structure de cavité courte de 1,4 cm pour obtenir une sortie laser polarisante avec une puissance de sortie supérieure à 114 MW, une longueur d'onde centrale de 1540,3 nm et une largeur de ligne de 4,1 kHz. En 2013, Meng et al. Utilisé la diffusion de Brillouin de fibres dopées à l'erbium avec une cavité à anneau courte d'un dispositif de préservation des biais complètes pour obtenir une sortie laser à bruit faible en mode à faible phase avec une puissance de sortie de 10 MW. En 2015, l'équipe a utilisé une cavité annulaire composée de fibres dopées à l'erbium de 45 cm, car le milieu de diffusion de Brillouin pour obtenir un seuil faible et une sortie laser à largeur de ligne étroite.
Fig. 2 (a) Dessin schématique du laser en fibre SLC;
(b) Laxhape du signal hétérodyne mesuré avec un délai de fibre de 97,6 km
Heure du poste: 20 novembre 2023