Technologie de source laser pourfibre optiqueDétection, première partie
La technologie de détection par fibre optique est une technique de détection développée parallèlement aux technologies de la fibre optique et des communications par fibre optique. Elle est devenue l'une des branches les plus dynamiques 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 sensible ou d'une zone de modulation, d'un détecteur de lumière et d'autres composants. Les paramètres décrivant les caractéristiques de l'onde lumineuse incluent l'intensité, la longueur d'onde, la phase et l'état de polarisation. 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 courbure ou la composition chimique affectent le trajet optique, ces paramètres varient en conséquence. La détection par fibre optique repose sur la relation entre ces paramètres et les facteurs externes pour détecter les grandeurs physiques correspondantes.
Il existe de nombreux types desource laserutilisé dans les systèmes de détection par fibre optique, qui peuvent être divisés en deux catégories : cohérentsources laseret des sources de lumière incohérentes, incohérentessources lumineusesLes sources de lumière incandescente comprennent principalement les lampes à incandescence et les diodes électroluminescentes, tandis que les sources de lumière cohérente incluent les lasers solides, les lasers liquides et les lasers à gaz.laser à semi-conducteuretlaser à fibreCe qui suit s'adresse principalement àsource de lumière laserlargement utilisés dans le domaine de la détection par fibre optique ces dernières années : laser monomode à largeur de raie 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 par fibre optique est indissociable de sa source laser. En effet, les performances de cette source, telles que la stabilité de puissance, la largeur de raie et le bruit de phase, influencent fortement la distance de détection, la précision, la sensibilité et les caractéristiques de bruit du système. Ces dernières années, le développement de systèmes de détection par fibre optique à très haute résolution et longue portée a conduit les milieux universitaires et industriels à imposer des exigences plus strictes en matière de largeur de raie pour la miniaturisation des lasers. La technologie OFDR (réflexion dans le domaine fréquentiel optique) utilise la détection cohérente pour analyser les signaux rétrodiffusés par les fibres optiques dans le domaine fréquentiel, avec une large couverture (plusieurs milliers de mètres). Grâce à sa haute résolution (de l'ordre du millimètre) et à sa haute sensibilité (jusqu'à -100 dBm), elle s'impose comme une technologie prometteuse pour les applications de mesure et de détection distribuées par fibre optique. Le principe de la technologie OFDR repose sur l'utilisation d'une source lumineuse accordable pour obtenir un réglage de la fréquence optique. Les performances de la source laser déterminent donc des facteurs clés tels que la portée de détection, la sensibilité et la résolution de l'OFDR. Lorsque la distance du point de réflexion est proche de la longueur de cohérence, l'intensité du signal de battement est atténuée exponentiellement par le coefficient τ/τc. Pour une source lumineuse gaussienne, afin de garantir une visibilité de la fréquence de battement supérieure à 90 %, la relation entre la largeur spectrale de la source et la longueur de détection maximale du système est Lmax ~ 0,04 vg/f. Cela signifie que pour une fibre de 80 km, la largeur spectrale de la source doit être inférieure à 100 Hz. Par ailleurs, le développement d'autres applications impose des exigences plus élevées en matière de largeur spectrale. Par exemple, dans un système d'hydrophone à fibre optique, la largeur spectrale de la source 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 de la contrainte est principalement déterminée par la largeur spectrale 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 spectrale de la source, ce qui améliore la finesse et la profondeur de résonance du résonateur, réduit sa largeur spectrale et garantit la précision de mesure du gyroscope.
1.2 Exigences relatives aux sources laser à balayage
Le laser à balayage de longueur d'onde unique offre une grande flexibilité de réglage, peut remplacer les lasers à longueur d'onde fixe à sorties multiples, réduit le coût de construction du système et constitue un élément indispensable des systèmes de détection par fibre optique. Par exemple, dans la détection de traces de gaz par fibre optique, différents gaz présentent des pics d'absorption différents. Afin de garantir une absorption lumineuse efficace lorsque la concentration de gaz à mesurer est suffisante et d'obtenir une sensibilité de mesure élevée, il est nécessaire d'aligner la longueur d'onde de la source lumineuse transmise avec 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 de détection. Par conséquent, les lasers à faible largeur de raie et à large bande passante stable offrent une plus grande flexibilité de mesure dans de tels systèmes de détection. Par exemple, dans certains systèmes de détection par fibre optique distribués basés sur la réflexion dans le domaine fréquentiel optique, le laser doit être balayé rapidement et périodiquement pour obtenir une détection et une démodulation cohérentes de haute précision des signaux optiques. De ce fait, le taux de modulation de la source laser est soumis à des exigences relativement élevées, et la vitesse de balayage du laser ajustable doit généralement atteindre 10 pm/µs. De plus, le laser à raie spectrale étroite et accordable en longueur d'onde peut être largement utilisé en LiDAR, en télédétection laser, en analyse spectrale haute résolution et dans d'autres domaines de la détection. Afin de répondre aux exigences de haute performance des lasers monomodes en matière de bande passante, de précision et de vitesse d'accord pour la détection par fibre optique, l'objectif principal des recherches menées ces dernières années sur les lasers à fibre à raie spectrale étroite et accordable est d'obtenir un accord de haute précision sur une large gamme de longueurs d'onde, tout en visant une raie spectrale 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 le spectre d'émission de ce laser est large, plus son application dans les systèmes de détection par fibre optique est étendue. Par exemple, lors de la construction d'un réseau de capteurs à base de réseaux de Bragg sur fibre (FBG), la démodulation peut être réalisée par analyse spectrale ou par adaptation d'impédance à l'aide d'un filtre accordable. La première méthode utilise un spectromètre pour mesurer directement la longueur d'onde de résonance de chaque FBG du réseau. La seconde utilise un filtre de référence pour suivre et calibrer le FBG pendant la détection ; ces deux méthodes nécessitent une source de lumière à large bande pour la mesure du FBG. Chaque réseau d'accès FBG présentant une perte d'insertion et une bande passante supérieure à 0,1 nm, la démodulation simultanée de plusieurs FBG requiert une source de lumière à large bande de forte puissance et de large bande passante. Par exemple, lors de l'utilisation d'un réseau de Bragg à longue période (LPFG) pour la détection, la largeur de bande d'un pic de perte unique étant de l'ordre de 10 nm, une source lumineuse à large spectre, présentant une largeur de bande suffisante et un spectre relativement plat, est nécessaire pour caractériser précisément les caractéristiques de son pic de résonance. En particulier, le réseau de Bragg acoustique (AIFG), construit grâce à l'effet acousto-optique, permet d'atteindre une plage d'accordabilité de la longueur d'onde de résonance jusqu'à 1000 nm par réglage électrique. Par conséquent, les tests dynamiques de réseaux avec une telle plage d'accordabilité constituent un défi majeur pour la largeur de bande 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 optique. Du fait de ses caractéristiques spectrales de pertes à pics multiples, la plage de distribution des longueurs d'onde peut généralement atteindre 40 nm. Son mécanisme de détection repose généralement sur la comparaison du mouvement relatif entre plusieurs pics de transmission ; il est donc nécessaire de mesurer l'intégralité de son spectre de transmission. La largeur de bande et la puissance de la source lumineuse à large spectre doivent alors être élevées.
2. État de la recherche au pays et à l'étranger
2.1 Source de lumière laser à raie spectrale étroite
2.1.1 Laser à rétroaction distribuée à semi-conducteur à faible largeur de raie
En 2006, Cliche et al. ont réduit l'échelle MHz des semi-conducteursLaser DFB(Laser à rétroaction distribuée) à l'échelle kHz par méthode de rétroaction électrique ; En 2011, Kessler et al. ont utilisé une cavité monocristalline à basse température et haute stabilité, combinée à une commande par rétroaction active, 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 d'ajustement de la rétroaction Fabry-Perot (FP) externe. La méthode de rétroaction électrique utilisait principalement la rétroaction de stabilisation de fréquence Pond-Drever-Hall pour réduire la largeur de raie de la source laser. En 2010, Bernhardi et al. ont produit 1 cm de FBG en 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. ont utilisé la rétroaction d'auto-injection de la diffusion Rayleigh inverse formée par un résonateur mural à écho à Q élevé pour la compression de la largeur de raie laser semi-conducteur, comme illustré sur la figure 1, et ont finalement obtenu une sortie laser à largeur de raie étroite de 160 Hz.
Fig. 1 (a) Diagramme de compression de la largeur de raie d'un laser semi-conducteur basé sur la diffusion Rayleigh auto-injectée d'un résonateur de mode de galerie à murmures externe ;
(b) Spectre de fréquence du laser semi-conducteur à fonctionnement libre avec une largeur de raie de 8 MHz ;
(c) Spectre de fréquence du laser avec une largeur de raie comprimée à 160 Hz
2.1.2 Laser à fibre à raie spectrale étroite
Pour les lasers à fibre à cavité linéaire, l'obtention d'un laser monomode longitudinal à raie spectrale étroite est obtenue en réduisant la longueur du résonateur et en augmentant l'intervalle entre les modes longitudinaux. En 2004, Spiegelberg et al. ont obtenu un laser monomode longitudinal à raie spectrale étroite de 2 kHz grâce à la méthode de la cavité courte DBR. En 2007, Shen et al. ont utilisé une fibre de silicium fortement dopée à l'erbium de 2 cm pour inscrire un réseau de Bragg sur une fibre photosensible co-dopée Bi-Ge, puis l'ont fusionnée avec une fibre active afin de former une cavité linéaire compacte, obtenant ainsi une largeur de raie inférieure à 1 kHz. En 2010, Yang et al. ont utilisé une cavité linéaire courte de 2 cm fortement dopée, combinée à un filtre FBG à bande étroite, pour obtenir un laser monomode longitudinal à raie spectrale inférieure à 2 kHz. En 2014, l'équipe a utilisé une courte cavité linéaire (résonateur annulaire replié virtuel) combinée à un filtre FBG-FP pour obtenir un laser à raie spectrale étroite, comme illustré sur la figure 3. En 2012, Cai et al. ont utilisé une structure de cavité courte de 1,4 cm pour obtenir un laser polarisant d'une puissance supérieure à 114 mW, d'une longueur d'onde centrale de 1540,3 nm et d'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 courte cavité annulaire d'un dispositif à polarisation intégrale pour obtenir un laser monomode longitudinal à faible bruit de phase d'une puissance de 10 mW. En 2015, l'équipe a utilisé une cavité annulaire composée de 45 cm de fibre dopée à l'erbium comme milieu amplificateur pour la diffusion Brillouin afin d'obtenir un laser à seuil bas et à raie spectrale étroite.
Fig. 2 (a) Schéma du laser à fibre SLC ;
(b) Profil de raie du signal hétérodyne mesuré avec un délai de fibre de 97,6 km
Date de publication : 20 novembre 2023