Laserlähdetekniikkaoptinen kuituaistiminen, osa yksi
Optisten kuitujen tunnistustekniikka on eräänlainen tunnistustekniikka, joka on kehitetty yhdessä optisten kuitujen ja optisten kuitujen tietoliikennetekniikoiden kanssa, ja siitä on tullut yksi aktiivisimmista valosähköisen tekniikan haaroista. Optisten kuitujen tunnistusjärjestelmä koostuu pääasiassa laserista, siirtokuidusta, tunnistuselementistä tai modulaatioalueesta, valon havaitsemisesta ja muista osista. Valoaallon ominaisuuksia kuvaavia parametreja ovat intensiteetti, aallonpituus, vaihe, polarisaatiotila jne. Näitä parametreja voivat muuttaa ulkoiset tekijät optisten kuitujen lähetyksessä. Esimerkiksi kun lämpötila, venymä, paine, virta, siirtymä, tärinä, pyöriminen, taivutus ja kemiallinen määrä vaikuttavat optiseen reittiin, nämä parametrit muuttuvat vastaavasti. Optisten kuitujen tunnistus perustuu näiden parametrien ja ulkoisten tekijöiden väliseen suhteeseen vastaavien fysikaalisten suureiden havaitsemiseksi.
On olemassa monia tyyppejälaserlähdekäytetään optisten kuitujen tunnistusjärjestelmissä, jotka voidaan jakaa kahteen luokkaan: koherenttilaserlähteetja epäkoherentit valonlähteet, epäkoherentitvalonlähteetpääasiassa hehkulamppuja ja valoa emittoivia diodeja, ja koherentteihin valonlähteisiin kuuluvat kiinteät laserit, nestelaserit, kaasulaserit,puolijohdelaserjakuitulaserSeuraava on tarkoitettu pääasiassalaservalonlähdeviime vuosina laajalti käytetty kuitutunnistuksen alalla: kapeaviivainen yksitaajuinen laser, yksiaallonpituinen pyyhkäisytaajuuslaser ja valkoinen laser.
1.1 Kapean viivanleveyden vaatimuksetlaservalonlähteet
Optista kuitua tunnistavaa järjestelmää ei voida erottaa laserlähteestä, koska mitatun signaalin kantoaallon ja laservalonlähteen suorituskyvyn, kuten tehon vakauden, laserin viivanleveyden, vaihekohinan ja muiden parametrien vaikutus optisen kuidun tunnistusjärjestelmän havaintoetäisyyden, tunnistustarkkuuden, herkkyyden ja kohinan ominaisuuksiin on ratkaiseva. Viime vuosina pitkän kantaman erittäin korkean resoluution optisten kuitujen tunnistusjärjestelmien kehityksen myötä akateeminen maailma ja teollisuus ovat asettaneet tiukempia vaatimuksia laserin miniatyrisoinnin viivanleveyden suorituskyvylle, pääasiassa seuraavilla aloilla: optinen taajuusalueen heijastus (OFDR) -teknologia käyttää koherenttia tunnistustekniikkaa analysoidakseen optisten kuitujen takaisinsäteilyä sirottavia signaaleja taajuusalueella laajalla peittoalueella (tuhansia metrejä). Korkean resoluution (millimetritason resoluutio) ja korkean herkkyyden (jopa -100 dBm) edut ovat tulleet yhdeksi tekniikoista, joilla on laaja sovelluspotentiaali hajautetussa optisessa kuitumittaus- ja tunnistustekniikassa. OFDR-teknologian ydin on käyttää viritettävää valonlähdettä optisen taajuuden virittämiseen, joten laserlähteen suorituskyky määrää keskeiset tekijät, kuten OFDR:n tunnistusalueen, herkkyyden ja resoluution. Kun heijastuspisteen etäisyys on lähellä koherenssipituutta, iskusignaalin intensiteetti vaimenee eksponentiaalisesti kertoimella τ/τc. Gaussisen valonlähteen, jolla on spektraalinen muoto, iskutaajuuden yli 90 %:n näkyvyyden varmistamiseksi valonlähteen viivanleveyden ja järjestelmän saavuttaman suurimman mittauspituuden välinen suhde on Lmax~0,04vg/f, mikä tarkoittaa, että 80 km:n pituisella kuidulla valonlähteen viivanleveys on alle 100 Hz. Lisäksi muiden sovellusten kehitys asettaa korkeampia vaatimuksia valonlähteen viivanleveydelle. Esimerkiksi optisessa kuituhydrofonijärjestelmässä valonlähteen viivanleveys määrää järjestelmän kohinan ja myös järjestelmän pienimmän mitattavan signaalin. Brillouinin optisessa aikatasoheijastimessa (BOTDR) lämpötilan ja jännityksen mittausresoluutio määräytyy pääasiassa valonlähteen viivanleveyden perusteella. Resonaattorikuituoptisessa gyroskoopissa valoaallon koherenssipituutta voidaan lisätä pienentämällä valonlähteen viivanleveyttä, mikä parantaa resonaattorin hienoutta ja resonanssisyvyyttä, pienentää resonaattorin viivanleveyttä ja varmistaa kuituoptisen gyroskoopin mittaustarkkuuden.
1.2 Pyyhkäisylaserlähteiden vaatimukset
Yhden aallonpituuden pyyhkäisylaserilla on joustava aallonpituuden virityskyky, se voi korvata useita kiinteän aallonpituuden lasereita, alentaa järjestelmän rakennuskustannuksia ja on välttämätön osa optista kuituanturijärjestelmää. Esimerkiksi jälkikaasukuituanturissa erityyppisillä kaasuilla on erilaiset kaasun absorptiohuiput. Jotta valon absorptiotehokkuus voidaan varmistaa riittävän mittauskaasun kanssa ja saavuttaa korkeampi mittausherkkyys, on läpäisevän valonlähteen aallonpituus kohdistettava kaasumolekyylin absorptiohuippuun. Havaittavan kaasun tyyppi määräytyy olennaisesti anturivalonlähteen aallonpituuden mukaan. Siksi kapeaviivaisilla lasereilla, joilla on vakaa laajakaistavirityskyky, on suurempi mittausjoustavuus tällaisissa anturijärjestelmissä. Esimerkiksi joissakin hajautetuissa optisen taajuusalueen heijastukseen perustuvissa optisissa kuituanturijärjestelmissä laseria on pyyhkäistävä nopeasti jaksottaisesti, jotta saavutetaan optisten signaalien tarkka koherentti ilmaisu ja demodulointi, joten laserlähteen modulaationopeudelle asetetaan suhteellisen korkeat vaatimukset, ja säädettävän laserin pyyhkäisynopeuden on yleensä oltava 10 pm/μs. Lisäksi aallonpituuden mukaan viritettäviä kapeita viivanleveyslasereita voidaan käyttää laajalti liDAR-analyyseissä, laserkaukokartoituksessa ja korkean resoluution spektrianalyysissä sekä muilla mittausaloilla. Jotta kuituanturin alalla yksiaallonpituisten lasereiden virityskaistanleveyden, viritystarkkuuden ja viritysnopeuden korkeat suorituskykyparametrit täyttyisivät, viritettävien kapeiden kuitulasereiden tutkimuksen yleisenä tavoitteena viime vuosina on ollut saavuttaa tarkka viritys laajemmalla aallonpituusalueella pyrkimällä erittäin kapeaan laserviivanleveyteen, erittäin alhaiseen vaihekohinaan sekä erittäin vakaaseen lähtötaajuuteen ja -tehoon.
1.3 Valkoisen laservalonlähteen kysyntä
Optisten tunnistusten alalla korkealaatuinen valkoisen valon laser on erittäin tärkeä järjestelmän suorituskyvyn parantamiseksi. Mitä laajempi valkoisen valon laserin spektrin peitto on, sitä laajempi sen käyttöalue on optisissa kuitutunnistusjärjestelmissä. Esimerkiksi käytettäessä kuitu-Bragg-hilaa (FBG) anturiverkon rakentamiseen, voidaan demodulointiin käyttää spektrianalyysiä tai viritettävän suodattimen sovitusmenetelmää. Ensimmäisessä käytettiin spektrometriä testaamaan suoraan kutakin FBG:n resonanssiaallonpituutta verkossa. Jälkimmäisessä käytettiin referenssisuodatinta FBG:n seuraamiseen ja kalibrointiin tunnistuksessa, jotka molemmat vaativat laajakaistaisen valonlähteen FBG:n testivalonlähteeksi. Koska jokaisella FBG-yhteysverkolla on tietty väliinkytkentähäviö ja sen kaistanleveys on yli 0,1 nm, useiden FBG:iden samanaikainen demodulointi vaatii laajakaistaisen valonlähteen, jolla on suuri teho ja kaistanleveys. Esimerkiksi käytettäessä pitkäjaksoista kuituhilaa (LPFG) tunnistukseen, koska yksittäisen häviöhuipun kaistanleveys on luokkaa 10 nm, tarvitaan laajaspektrinen valonlähde, jolla on riittävä kaistanleveys ja suhteellisen tasainen spektri, jotta resonanssihuippujen ominaisuudet voidaan karakterisoida tarkasti. Erityisesti akusto-optista ilmiötä hyödyntävällä akustisella kuituhilalla (AIFG) voidaan saavuttaa jopa 1000 nm:n resonanssiaallonpituuden viritysalue sähköisen virityksen avulla. Siksi dynaaminen hilatestaus näin laajalla viritysalueella asettaa suuren haasteen laaja-alaisen valonlähteen kaistanleveysalueelle. Samoin viime vuosina kallistettua Bragg-kuituhilaa on käytetty laajalti kuitutunnistuksen alalla. Monihuippuisen häviöspektrinsä ansiosta aallonpituusjakauma voi yleensä olla 40 nm. Sen tunnistusmekanismi on yleensä vertailla useiden läpäisyhuippujen välistä suhteellista liikettä, joten on tarpeen mitata sen läpäisyspektri kokonaan. Laaja-alaisen valonlähteen kaistanleveyden ja tehon on oltava suurempia.
2. Tutkimuksen tila kotimaassa ja ulkomailla
2.1 Kapeaviivainen laservalonlähde
2.1.1 Kapealinjainen puolijohdepohjainen hajautettu takaisinkytkentälaser
Vuonna 2006 Cliche ym. pienensivät puolijohteiden MHz-skaalaaDFB-laser(hajautettu takaisinkytkentälaser) kHz-asteikolle sähköisen takaisinkytkentämenetelmän avulla; Vuonna 2011 Kessler et al. käyttivät matalan lämpötilan ja korkean stabiilisuuden omaavaa yksikideonteloa yhdistettynä aktiiviseen takaisinkytkentäsäätöön saadakseen erittäin kapean 40 MHz:n viivanleveyden lasersäteilyn; Vuonna 2013 Peng et al. saivat puolijohdelaserin, jonka viivanleveys oli 15 kHz, käyttämällä ulkoista Fabry-Perot (FP) -takaisinkytkentämenetelmää. Sähköisessä takaisinkytkentämenetelmässä käytettiin pääasiassa Pond-Drever-Hall-taajuusvakautustakaisinkytkentää valonlähteen lasersäteilyn viivanleveyden pienentämiseksi. Vuonna 2010 Bernhardi et al. tuottivat 1 cm erbiumilla seostettua alumiinioksidista valmistettua FBG:tä piioksidialustalle saadakseen lasersäteilyn, jonka viivanleveys oli noin 1,7 kHz. Samana vuonna Liang et al. käytti puolijohdelaserin linjaleveyden kompressointiin korkean Q-arvon kaikuseinäresonaattorin muodostaman taaksepäin suuntautuvan Rayleigh-sironnan itseinjektiopalautetta, kuten kuvassa 1 on esitetty, ja sai lopulta kapean linjaleveyden laserlähdön 160 Hz:ssä.
Kuva 1 (a) Kaavio puolijohdelaserin viivanleveyden kompressiosta, joka perustuu ulkoisen kuiskaavan galleriamoodiresonaattorin itseinjektoivan Rayleigh-sironnan käyttöön;
(b) Vapaasti pyörivän puolijohdelaserin taajuusspektri, jonka viivanleveys on 8 MHz;
(c) Laserin taajuusspektri, jonka viivanleveys on pakattu 160 Hz:iin
2.1.2 Kapealinjainen kuitulaser
Lineaarisissa ontelokuitulasereissa kapean viivanleveyden omaava yksittäinen pitkittäismoodi saadaan lyhentämällä resonaattorin pituutta ja kasvattamalla pitkittäismoodiväliä. Vuonna 2004 Spiegelberg ym. saivat aikaan kapean viivanleveyden omaavan yksittäisen pitkittäismoodin lasersäteilyn, jonka viivanleveys oli 2 kHz, käyttämällä DBR-lyhytontelomenetelmää. Vuonna 2007 Shen ym. käyttivät 2 cm:n voimakkaasti erbiumilla seostettua piikuitua kirjoittaakseen FBG:tä Bi-Ge-ko-dopatulle valoherkälle kuidulle ja fuusioivat sen aktiivikuidun kanssa muodostaen kompaktin lineaarisen ontelon, jolloin sen lasersäteilyn viivanleveys oli alle 1 kHz. Vuonna 2010 Yang ym. käyttivät 2 cm:n voimakkaasti seostettua lyhyttä lineaarista ontelota yhdistettynä kapeakaistaiseen FBG-suodattimeen saadakseen yksittäisen pitkittäismoodin lasersäteilyn, jonka viivanleveys oli alle 2 kHz. Vuonna 2014 tiimi käytti lyhyttä lineaarista onteloa (virtuaalisesti taitettu rengasresonaattori) yhdistettynä FBG-FP-suodattimeen saadakseen lasersäteen, jolla oli kapeampi viivanleveys, kuten kuvassa 3 on esitetty. Vuonna 2012 Cai et al. käyttivät 1,4 cm:n lyhyttä ontelorakennetta saadakseen polarisoivan lasersäteen, jonka lähtöteho oli yli 114 mW, keskeinen aallonpituus 1540,3 nm ja viivanleveys 4,1 kHz. Vuonna 2013 Meng et al. käyttivät erbiumilla seostetun kuidun Brillouin-sirontaa täyden esijännitteen säilyttävän laitteen lyhyen rengasontelon kanssa saadakseen yksisuuntaisen, matalan vaihekohinan lasersäteen, jonka lähtöteho oli 10 mW. Vuonna 2015 tiimi käytti 45 cm:n erbiumilla seostetusta kuidusta koostuvaa rengasonteloa Brillouin-sirontavahvistusväliaineena saadakseen matalan kynnyksen ja kapean viivanleveyden lasersäteen.
Kuva 2 (a) SLC-kuitulaserin kaaviokuva;
(b) Heterodyynisignaalin viivan muoto mitattuna 97,6 km:n kuituviiveellä
Julkaisun aika: 20.11.2023