Technoleg ffynhonnell laser ar gyferffibr optegolsynhwyro Rhan Un
Mae technoleg synhwyro ffibr optegol yn fath o dechnoleg synhwyro a ddatblygwyd ochr yn ochr â thechnoleg ffibr optegol a thechnoleg cyfathrebu ffibr optegol, ac mae wedi dod yn un o ganghennau mwyaf gweithgar technoleg ffotodrydanol. Mae system synhwyro ffibr optegol yn cynnwys laser, ffibr trawsyrru, elfen synhwyro neu ardal modiwleiddio, canfod golau a rhannau eraill yn bennaf. Mae'r paramedrau sy'n disgrifio nodweddion ton golau yn cynnwys dwyster, tonfedd, cyfnod, cyflwr polareiddio, ac ati. Gall y paramedrau hyn newid gan ddylanwadau allanol wrth drosglwyddo ffibr optegol. Er enghraifft, pan fydd tymheredd, straen, pwysau, cerrynt, dadleoliad, dirgryniad, cylchdro, plygu a maint cemegol yn effeithio ar y llwybr optegol, mae'r paramedrau hyn yn newid yn gyfatebol. Mae synhwyro ffibr optegol yn seiliedig ar y berthynas rhwng y paramedrau hyn a ffactorau allanol i ganfod y meintiau ffisegol cyfatebol.
Mae yna lawer o fathau offynhonnell lasera ddefnyddir mewn systemau synhwyro ffibr optegol, y gellir eu rhannu'n ddau gategori: cydlynolffynonellau lasera ffynonellau golau anghyson, anghysonffynonellau golauyn bennaf yn cynnwys golau gwynias a deuodau allyrru golau, ac mae ffynonellau golau cydlynol yn cynnwys laserau solet, laserau hylif, laserau nwy,laser lled-ddargludyddionalaser ffibrMae'r canlynol yn bennaf ar gyfer yffynhonnell golau laserwedi'i ddefnyddio'n helaeth ym maes synhwyro ffibr yn ystod y blynyddoedd diwethaf: laser amledd sengl lled llinell gul, laser amledd ysgubo tonfedd sengl a laser gwyn.
1.1 Gofynion ar gyfer lled llinell gulffynonellau golau laser
Ni ellir gwahanu system synhwyro ffibr optegol oddi wrth y ffynhonnell laser, gan fod y don golau cludwr signal a fesurir, perfformiad y ffynhonnell golau laser ei hun, megis sefydlogrwydd pŵer, lled llinell laser, sŵn cyfnod a pharamedrau eraill ar bellter canfod, cywirdeb canfod, sensitifrwydd a nodweddion sŵn y system synhwyro ffibr optegol yn chwarae rhan bendant. Yn ystod y blynyddoedd diwethaf, gyda datblygiad systemau synhwyro ffibr optegol cydraniad uwch-uchel pellter hir, mae'r byd academaidd a'r diwydiant wedi cyflwyno gofynion mwy llym ar gyfer perfformiad lled llinell miniatureiddio laser, yn bennaf yn: mae technoleg myfyrio parth amledd optegol (OFDR) yn defnyddio technoleg canfod cydlynol i ddadansoddi signalau gwasgaredig backrayleigh ffibrau optegol yn y parth amledd, gyda sylw eang (miloedd o fetrau). Mae manteision cydraniad uchel (datrysiad lefel milimetr) a sensitifrwydd uchel (hyd at -100 dBm) wedi dod yn un o'r technolegau sydd â rhagolygon cymhwysiad eang mewn technoleg mesur a synhwyro ffibr optegol dosbarthedig. Craidd technoleg OFDR yw defnyddio ffynhonnell golau diwniadwy i gyflawni tiwnio amledd optegol, felly mae perfformiad y ffynhonnell laser yn pennu'r ffactorau allweddol megis ystod canfod OFDR, sensitifrwydd a datrysiad. Pan fydd pellter y pwynt adlewyrchiad yn agos at hyd y cydlyniant, bydd dwyster y signal curiad yn cael ei wanhau'n esbonyddol gan y cyfernod τ/τc. Ar gyfer ffynhonnell golau Gaussaidd â siâp sbectrol, er mwyn sicrhau bod gan yr amledd curiad welededd o fwy na 90%, y berthynas rhwng lled llinell y ffynhonnell golau a'r hyd synhwyro mwyaf y gall y system ei gyflawni yw Lmax ~ 0.04vg / f, sy'n golygu, ar gyfer ffibr â hyd o 80 km, bod lled llinell y ffynhonnell golau yn llai na 100 Hz. Yn ogystal, mae datblygiad cymwysiadau eraill hefyd wedi cyflwyno gofynion uwch ar gyfer lled llinell y ffynhonnell golau. Er enghraifft, yn y system hydroffon ffibr optegol, mae lled llinell y ffynhonnell golau yn pennu sŵn y system ac mae hefyd yn pennu'r signal mesuradwy lleiaf o'r system. Yn adlewyrchydd parth amser optegol Brillouin (BOTDR), mae datrysiad mesur tymheredd a straen yn cael ei bennu'n bennaf gan led llinell y ffynhonnell golau. Mewn gyro ffibr optig atseinydd, gellir cynyddu hyd cydlyniant y don golau trwy leihau lled llinell y ffynhonnell golau, a thrwy hynny wella manylder a dyfnder atseinydd yr atseinydd, lleihau lled llinell yr atseinydd, a sicrhau cywirdeb mesur y gyro ffibr optig.
1.2 Gofynion ar gyfer ffynonellau laser ysgubo
Mae gan laser ysgubo tonfedd sengl berfformiad tiwnio tonfedd hyblyg, gall ddisodli laserau tonfedd sefydlog allbwn lluosog, lleihau cost adeiladu system, ac mae'n rhan anhepgor o system synhwyro ffibr optegol. Er enghraifft, mewn synhwyro ffibr nwy olrhain, mae gan wahanol fathau o nwyon wahanol bigau amsugno nwy. Er mwyn sicrhau effeithlonrwydd amsugno golau pan fo'r nwy mesur yn ddigonol a chyflawni sensitifrwydd mesur uwch, mae angen alinio tonfedd y ffynhonnell golau trawsyrru â brig amsugno'r moleciwl nwy. Mae'r math o nwy y gellir ei ganfod yn cael ei bennu'n y bôn gan donfedd y ffynhonnell golau synhwyro. Felly, mae gan laserau lled llinell cul gyda pherfformiad tiwnio band eang sefydlog hyblygrwydd mesur uwch mewn systemau synhwyro o'r fath. Er enghraifft, mewn rhai systemau synhwyro ffibr optegol dosbarthedig yn seiliedig ar adlewyrchiad parth amledd optegol, mae angen ysgubo'r laser yn gyflym o bryd i'w gilydd i gyflawni canfod cydlynol manwl gywir a dadfodiwleiddio signalau optegol, felly mae gan gyfradd modiwleiddio'r ffynhonnell laser ofynion cymharol uchel, ac fel arfer mae angen i gyflymder ysgubo'r laser addasadwy gyrraedd 10 pm/μs. Yn ogystal, gellir defnyddio'r laser lled llinell gul tiwniadwy tonfedd yn helaeth hefyd mewn liDAR, synhwyro o bell laser a dadansoddi sbectrol cydraniad uchel a meysydd synhwyro eraill. Er mwyn bodloni gofynion paramedrau perfformiad uchel lled band tiwnio, cywirdeb tiwnio a chyflymder tiwnio laserau un donfedd ym maes synhwyro ffibr, nod cyffredinol astudio laserau ffibr lled cul tiwniadwy yn ystod y blynyddoedd diwethaf yw cyflawni tiwnio manwl gywir mewn ystod tonfedd fwy ar sail mynd ar drywydd lled llinell laser ultra-gul, sŵn cyfnod ultra-isel, ac amledd a phŵer allbwn ultra-sefydlog.
1.3 Galw am ffynhonnell golau laser gwyn
Ym maes synhwyro optegol, mae laser golau gwyn o ansawdd uchel o arwyddocâd mawr i wella perfformiad y system. Po ehangach yw cwmpas sbectrwm laser golau gwyn, y mwyaf helaeth yw ei gymhwysiad mewn system synhwyro ffibr optegol. Er enghraifft, wrth ddefnyddio grating Bragg ffibr (FBG) i adeiladu rhwydwaith synhwyrydd, gellid defnyddio dadansoddiad sbectrol neu ddull paru hidlwyr tiwnadwy ar gyfer dadfodiwleiddio. Defnyddiodd y cyntaf sbectromedr i brofi pob tonfedd atseiniol FBG yn y rhwydwaith yn uniongyrchol. Mae'r olaf yn defnyddio hidlydd cyfeirio i olrhain a graddnodi'r FBG yn y synhwyro, ac mae'r ddau ohonynt yn gofyn am ffynhonnell golau band eang fel ffynhonnell golau prawf ar gyfer yr FBG. Gan y bydd gan bob rhwydwaith mynediad FBG golled fewnosod benodol, a bod ganddo led band o fwy na 0.1 nm, mae dadfodiwleiddio FBG lluosog ar yr un pryd yn gofyn am ffynhonnell golau band eang gyda phŵer uchel a lled band uchel. Er enghraifft, wrth ddefnyddio grat ffibr cyfnod hir (LPFG) ar gyfer synhwyro, gan fod lled band un brig colled tua 10 nm, mae angen ffynhonnell golau sbectrwm eang gyda lled band digonol a sbectrwm cymharol wastad i nodweddu ei nodweddion brig atseiniol yn gywir. Yn benodol, gall grat ffibr acwstig (AIFG) a adeiladwyd trwy ddefnyddio effaith acwsto-optegol gyflawni ystod tiwnio o donfedd atseiniol hyd at 1000 nm trwy diwnio trydanol. Felly, mae profi grat deinamig gydag ystod tiwnio mor eang yn her fawr i ystod lled band ffynhonnell golau sbectrwm eang. Yn yr un modd, yn ystod y blynyddoedd diwethaf, mae grat ffibr Bragg gogwyddedig hefyd wedi'i ddefnyddio'n helaeth ym maes synhwyro ffibr. Oherwydd ei nodweddion sbectrwm colled aml-big, gall yr ystod dosbarthu tonfedd fel arfer gyrraedd 40 nm. Ei fecanwaith synhwyro fel arfer yw cymharu'r symudiad cymharol ymhlith brigau trosglwyddo lluosog, felly mae angen mesur ei sbectrwm trosglwyddo yn llwyr. Mae angen i led band a phŵer y ffynhonnell golau sbectrwm eang fod yn uwch.
2. Statws ymchwil gartref a thramor
2.1 Ffynhonnell golau laser lled llinell gul
2.1.1 Laser adborth dosbarthedig lled-ddargludyddion lled llinell gul
Yn 2006, gostyngodd Cliche et al. raddfa MHz lled-ddargludyddionLaser DFB(laser adborth dosbarthedig) i raddfa kHz gan ddefnyddio dull adborth trydanol; Yn 2011, defnyddiodd Kessler et al. geudod grisial sengl tymheredd isel a sefydlogrwydd uchel ynghyd â rheolaeth adborth gweithredol i gael allbwn laser lled llinell ultra-gul o 40 MHz; Yn 2013, cafodd Peng et al allbwn laser lled-ddargludyddion gyda lled llinell o 15 kHz trwy ddefnyddio'r dull addasu adborth allanol Fabry-Perot (FP). Defnyddiodd y dull adborth trydanol adborth sefydlogi amledd Pond-Drever-Hall yn bennaf i leihau lled llinell laser y ffynhonnell golau. Yn 2010, cynhyrchodd Bernhardi et al. 1 cm o alwmina FBG wedi'i dopio ag erbium ar swbstrad silicon ocsid i gael allbwn laser gyda lled llinell o tua 1.7 kHz. Yn yr un flwyddyn, Liang et al. defnyddiodd yr adborth hunan-chwistrellu o wasgariad Rayleigh yn ôl a ffurfiwyd gan atseinydd wal adlais Q uchel ar gyfer cywasgu lled llinell laser lled-ddargludyddion, fel y dangosir yn Ffigur 1, ac yn y pen draw cafodd allbwn laser lled llinell cul o 160 Hz.
Ffig. 1 (a) Diagram o gywasgiad lled llinell laser lled-ddargludyddion yn seiliedig ar wasgariad Rayleigh hunan-chwistrelliad atseinydd modd oriel sibrwd allanol;
(b) Sbectrwm amledd y laser lled-ddargludyddion rhydd gyda lled llinell o 8 MHz;
(c) Sbectrwm amledd y laser gyda lled llinell wedi'i gywasgu i 160 Hz
2.1.2 Laser ffibr lled llinell gul
Ar gyfer laserau ffibr ceudod llinol, ceir allbwn laser lled llinell gul modd hydredol sengl trwy fyrhau hyd y resonator a chynyddu'r cyfwng modd hydredol. Yn 2004, cafodd Spiegelberg et al. allbwn laser lled llinell gul modd hydredol sengl gyda lled llinell o 2 kHz trwy ddefnyddio dull ceudod byr DBR. Yn 2007, defnyddiodd Shen et al. ffibr silicon 2 cm wedi'i dopio'n drwm ag erbium i ysgrifennu FBG ar ffibr ffotosensitif wedi'i gyd-dopio â Bi-Ge, a'i asio â ffibr gweithredol i ffurfio ceudod llinol cryno, gan wneud lled llinell allbwn ei laser yn llai nag 1 kHz. Yn 2010, defnyddiodd Yang et al. ceudod llinol byr 2cm wedi'i dopio'n uchel ynghyd â hidlydd FBG band cul i gael allbwn laser modd hydredol sengl gyda lled llinell o lai na 2 kHz. Yn 2014, defnyddiodd y tîm geudod llinol byr (atseinydd cylch plygedig rhithwir) ynghyd â hidlydd FBG-FP i gael allbwn laser gyda lled llinell culach, fel y dangosir yn Ffigur 3. Yn 2012, defnyddiodd Cai et al. strwythur ceudod byr 1.4cm i gael allbwn laser polareiddio gyda phŵer allbwn yn fwy na 114 mW, tonfedd ganolog o 1540.3 nm, a lled llinell o 4.1 kHz. Yn 2013, defnyddiodd Meng et al. wasgariad Brillouin o ffibr wedi'i dopio ag erbium gyda cheudod cylch byr dyfais cadwraeth llawn-duedd i gael allbwn laser sŵn cam isel, modd hydredol sengl gyda phŵer allbwn o 10 mW. Yn 2015, defnyddiodd y tîm geudod cylch wedi'i gyfansoddi o ffibr 45 cm wedi'i dopio ag erbium fel y cyfrwng ennill gwasgariad Brillouin i gael allbwn laser trothwy isel a lled llinell gul.
Ffig. 2 (a) Lluniad sgematig o'r laser ffibr SLC;
(b) Siâp llinell y signal heterodyne wedi'i fesur gydag oedi ffibr o 97.6 km
Amser postio: Tach-20-2023