Technologie de source laser pourfibre optiquedétection Première partie
La technologie de détection par fibre optique est une technologie de détection développée parallèlement à la technologie de la fibre optique et à la technologie de communication par fibre optique. Elle est devenue l'une des branches les plus actives de la technologie photoélectrique. Un système de détection par fibre optique est principalement composé d'un laser, d'une fibre de transmission, d'un élément de détection ou d'une zone de modulation, d'un détecteur de lumière et d'autres composants. 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 lors de la transmission par fibre optique. Par exemple, lorsque la température, la contrainte, la pression, le courant, le déplacement, les vibrations, la rotation, la flexion et les quantités chimiques affectent le trajet optique, ces paramètres changent en conséquence. La détection par fibre optique repose sur la relation entre ces paramètres et des facteurs externes pour détecter les grandeurs physiques correspondantes.
Il existe de nombreux types desource laserutilisés dans les systèmes de détection à fibre optique, qui peuvent être divisés en deux catégories : cohérentssources laseret des sources lumineuses incohérentes, incohérentessources lumineusescomprennent principalement la lumière incandescente et les diodes électroluminescentes, et les sources de lumière cohérente comprennent les lasers solides, les lasers liquides, les lasers à gaz,laser à semi-conducteuretlaser à fibre. Ce qui suit est principalement destiné àsource de lumière laserlargement utilisé dans le domaine de la détection par fibre ces dernières années : laser monofréquence à largeur de ligne étroite, laser à fréquence de balayage à longueur d'onde unique et laser blanc.
1.1 Exigences relatives à la largeur de ligne étroitesources de lumière laser
Un système de détection à fibre optique est indissociable de la source laser. En effet, l'onde porteuse du signal mesuré et les performances de la source laser, telles que la stabilité de puissance, la largeur de raie laser, le bruit de phase et d'autres paramètres liés à la distance de détection, à la précision, à la sensibilité et au bruit, jouent un rôle déterminant. Ces dernières années, avec le développement de systèmes de détection à fibre optique longue distance et ultra-haute résolution, les universités et l'industrie ont imposé des exigences plus strictes en matière de largeur de raie pour la miniaturisation des lasers, principalement dans les domaines suivants : la technologie de réflexion dans le domaine fréquentiel optique (OFDR) utilise une technologie de détection cohérente pour analyser les signaux diffusés par Backrayleigh des fibres optiques dans le domaine fréquentiel, avec une large couverture (des milliers de mètres). Les avantages d'une haute résolution (de l'ordre du millimètre) et d'une sensibilité élevée (jusqu'à -100 dBm) offrent de vastes perspectives d'application dans les technologies de mesure et de détection distribuées par fibre optique. Le cœur de la technologie OFDR repose sur l'utilisation d'une source lumineuse accordable pour obtenir un réglage de fréquence optique. Les performances de la source laser déterminent ainsi des facteurs clés tels que la portée 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 est atténuée de manière exponentielle par le coefficient τ/τc. Pour une source lumineuse gaussienne de forme spectrale, afin de garantir une visibilité de la fréquence de battement supérieure à 90 %, le rapport entre la largeur de raie de la source lumineuse et la longueur de détection maximale du système est de Lmax~0,04 vg/f, ce qui signifie que pour une fibre de 80 km, la largeur de raie de la source lumineuse est inférieure à 100 Hz. De plus, le développement d'autres applications impose des exigences plus strictes en matière de largeur de raie de la source lumineuse. Par exemple, dans un système d'hydrophone à fibre optique, la largeur de raie de la source lumineuse détermine le bruit du système et le signal minimal mesurable. Dans un réflecteur optique temporel Brillouin (BOTDR), la résolution de mesure de la température et des contraintes est principalement déterminée par la largeur de raie de la source lumineuse. Dans un gyroscope à fibre optique à résonateur, la longueur de cohérence de l'onde lumineuse peut être augmentée en réduisant la largeur de raie de la source lumineuse, ce qui améliore la finesse et la profondeur de résonance du résonateur, réduit la largeur de raie du résonateur et garantit la précision de mesure du gyroscope à fibre optique.
1.2 Exigences relatives aux sources laser à balayage
Le laser à balayage mono-longueur d'onde offre une flexibilité de réglage en longueur d'onde, peut remplacer les lasers à longueur d'onde fixe à sorties multiples et réduire les coûts de construction. Il est indispensable aux systèmes de détection à fibre optique. Par exemple, pour la détection de gaz à l'état de traces par fibre optique, les pics d'absorption varient selon le type de gaz. Afin de garantir l'efficacité d'absorption lumineuse lorsque le gaz de mesure est suffisant et d'obtenir une meilleure sensibilité de mesure, il est nécessaire d'aligner la longueur d'onde de la source lumineuse de transmission sur le pic d'absorption de la molécule de gaz. Le type de gaz détectable est essentiellement déterminé par la longueur d'onde de la source lumineuse de détection. Par conséquent, les lasers à faible largeur de raie et à réglage large bande stable offrent une plus grande flexibilité de mesure dans ces systèmes de détection. Par exemple, dans certains systèmes de détection à fibre optique distribués basés sur la réflexion dans le domaine fréquentiel optique, le laser doit être balayé périodiquement et rapidement pour obtenir une détection et une démodulation cohérentes de haute précision des signaux optiques. La fréquence de modulation de la source laser est donc relativement élevée, et la vitesse de balayage du laser réglable doit généralement atteindre 10 pm/μs. De plus, le laser à raie étroite accordable en longueur d'onde peut également être largement utilisé en lidar, en télédétection laser, en analyse spectrale haute résolution et dans d'autres domaines de détection. Afin de répondre aux exigences de performance élevées en termes de bande passante, de précision et de vitesse d'accord des lasers mono-longueur d'onde dans le domaine de la détection par fibre, l'objectif général des études menées ces dernières années sur les lasers à fibre à raie étroite accordables est d'obtenir un accord de haute précision sur une plage de longueurs d'onde plus large, en recherchant une largeur de raie laser ultra-étroite, un bruit de phase ultra-faible et une fréquence et une puissance de sortie ultra-stables.
1.3 Demande de source de lumière laser blanche
Dans le domaine de la détection optique, un laser à lumière blanche de haute qualité est essentiel pour améliorer les performances du système. Plus la couverture spectrale du laser à lumière blanche est large, plus son application dans les systèmes de détection à fibre optique est étendue. Par exemple, lors de l'utilisation d'un réseau de Bragg sur fibre (FBG) pour construire un réseau de capteurs, l'analyse spectrale ou la méthode d'adaptation de filtre accordable peuvent être utilisées pour la démodulation. La première méthode utilise un spectromètre pour tester directement chaque longueur d'onde de résonance du FBG dans le réseau. La seconde utilise un filtre de référence pour suivre et calibrer le FBG lors de la détection. Ces deux méthodes nécessitent une source lumineuse large bande comme source lumineuse de test pour le FBG. Chaque réseau d'accès FBG présentant une certaine perte d'insertion et une bande passante supérieure à 0,1 nm, la démodulation simultanée de plusieurs FBG nécessite une source lumineuse large bande à forte puissance et bande passante. Par exemple, lors de l'utilisation d'un réseau de fibres à longue période (LPFG) pour la détection, la bande passante d'un pic de perte unique étant de l'ordre de 10 nm, une source lumineuse à large spectre, dotée d'une bande passante suffisante et d'un spectre relativement plat, est nécessaire pour caractériser avec précision les caractéristiques de son pic de résonance. En particulier, un réseau de fibres acoustiques (AIFG) construit par effet acousto-optique peut atteindre une plage de réglage de longueur d'onde de résonance allant jusqu'à 1 000 nm grâce à un réglage électrique. Par conséquent, les tests dynamiques de réseaux avec une plage de réglage aussi large posent un défi majeur pour la bande passante d'une source lumineuse à large spectre. De même, ces dernières années, le réseau de Bragg incliné a également été largement utilisé dans le domaine de la détection par fibre. Grâce à son spectre de perte multi-pics, sa distribution de longueur 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 l'intégralité de son spectre de transmission. La bande passante et la puissance de la source lumineuse à large spectre doivent être supérieures.
2. Statut de la recherche au pays et à l'étranger
2.1 Source de lumière laser à largeur de raie étroite
2.1.1 Laser à rétroaction distribuée à semi-conducteur à largeur de raie étroite
En 2006, Cliche et al. ont réduit l'échelle MHz des semi-conducteursLaser DFB(laser à rétroaction distribuée) à l'échelle kHz en utilisant la méthode de rétroaction électrique ; En 2011, Kessler et al. ont utilisé une cavité monocristalline à basse température et à haute stabilité combinée à un contrôle de rétroaction actif pour obtenir une sortie laser à largeur de raie ultra-étroite de 40 MHz ; En 2013, Peng et al. ont obtenu une sortie laser à semi-conducteur avec une largeur de raie de 15 kHz en utilisant la méthode de réglage de rétroaction externe Fabry-Perot (FP). La méthode de rétroaction électrique utilisait principalement la rétroaction de stabilisation de fréquence Pond-Drever-Hall pour réduire la largeur de raie laser de la source lumineuse. En 2010, Bernhardi et al. ont produit 1 cm de FBG d'alumine dopée à l'erbium sur un substrat d'oxyde de silicium pour obtenir une sortie laser avec une largeur de raie d'environ 1,7 kHz. La même année, Liang et al. Nous avons utilisé la rétroaction d'auto-injection de la diffusion Rayleigh arrière formée par un résonateur de paroi d'écho à Q élevé pour la compression de la largeur de ligne du laser à semi-conducteur, comme illustré dans la figure 1, et avons finalement obtenu une sortie laser à largeur de ligne étroite de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagramme de compression de largeur de raie d'un laser à semi-conducteur basé sur la diffusion Rayleigh par auto-injection d'un résonateur à mode galerie chuchotant externe ;
(b) Spectre de fréquence du laser à semi-conducteur libre avec une largeur de raie de 8 MHz ;
(c) Spectre de fréquence du laser avec largeur de raie comprimée à 160 Hz
2.1.2 Laser à fibre à largeur de ligne étroite
Pour les lasers à fibre à cavité linéaire, la sortie laser à faible largeur de raie d'un mode longitudinal unique est obtenue en raccourcissant la longueur du résonateur et en augmentant l'intervalle du mode longitudinal. En 2004, Spiegelberg et al. ont obtenu une sortie laser à faible largeur de raie d'un mode longitudinal unique avec une largeur de raie de 2 kHz en utilisant la méthode de cavité courte DBR. En 2007, Shen et al. ont utilisé une fibre de silicium fortement dopée à l'erbium de 2 cm pour écrire la FBG sur une fibre photosensible co-dopée Bi-Ge, et l'ont fusionnée avec une fibre active pour former une cavité linéaire compacte, rendant sa largeur de raie de sortie laser inférieure à 1 kHz. En 2010, Yang et al. ont utilisé une cavité linéaire courte hautement dopée de 2 cm combinée à un filtre FBG à bande étroite pour obtenir une sortie laser à mode longitudinal unique avec une largeur de raie inférieure à 2 kHz. Français En 2014, l'équipe a utilisé une cavité linéaire courte (résonateur annulaire replié virtuel) combinée à un filtre FBG-FP pour obtenir une sortie laser avec une largeur de raie plus étroite, comme illustré à la figure 3. En 2012, Cai et al. ont 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 raie de 4,1 kHz. En 2013, Meng et al. ont utilisé la diffusion Brillouin d'une fibre dopée à l'erbium avec une cavité annulaire courte d'un dispositif de préservation de polarisation complète pour obtenir une sortie laser à mode longitudinal unique et à faible bruit de phase avec une puissance de sortie de 10 mW. En 2015, l'équipe a utilisé une cavité annulaire composée d'une fibre dopée à l'erbium de 45 cm comme milieu de gain de diffusion Brillouin pour obtenir une sortie laser à seuil bas et à largeur de raie étroite.
Fig. 2 (a) Dessin schématique du laser à fibre SLC ;
(b) Forme de ligne du signal hétérodyne mesuré avec un retard de fibre de 97,6 km
Date de publication : 20 novembre 2023