レーザーソーステクノロジー光ファイバパート1を検知します
光ファイバーセンシングテクノロジーは、光ファイバーテクノロジーおよび光ファイバー通信技術とともに開発された一種のセンシングテクノロジーであり、光電気技術の最も活性な分野の1つになりました。光ファイバーセンシングシステムは、主にレーザー、透過繊維、センシング要素または変調領域、光検出およびその他の部品で構成されています。光波の特性を記述するパラメーターには、強度、波長、位相、偏光状態などが含まれます。これらのパラメーターは、光ファイバー伝達における外部の影響によって変更される場合があります。たとえば、温度、ひずみ、圧力、電流、変位、振動、回転、曲げ、および化学物質が光学経路に影響する場合、これらのパラメーターはそれに応じて変化します。光ファイバーセンシングは、これらのパラメーターと外部因子との関係に基づいて、対応する物理量を検出します。
多くの種類がありますレーザーソース光ファイバーセンシングシステムで使用します。これは、2つのカテゴリに分類できます。レーザーソースおよび一貫性のない光源、一貫性のない光源光源主に白熱光と発光ダイオードが含まれ、コヒーレントな光源には固体レーザー、液体レーザー、ガスレーザーが含まれます。半導体レーザーそしてファイバーレーザー。以下は主にのためですレーザー光源近年のファイバーセンシングの分野で広く使用されています：狭い線幅単一周波レーザー、単波長スイープ周波数レーザー、白いレーザー。
1.1狭い線幅の要件レーザー光源
測定された信号キャリア光波、電力安定性、レーザー線幅、位相ノイズ、光ファイバーセンシングシステムの検出距離、検出精度、感受性、ノイズの特性に関するその他のパラメーターなど、レーザー光源自体の性能が測定的な役割を果たします。近年、長距離超高解像度の光ファイバーセンシングシステムの開発により、アカデミアと産業は、主に次のように、光周波数ドメインの散在する標識を分析するために、光周波数ドメインリフレクションを使用します。高解像度（ミリメートルレベルの解像度）と高感度（最大-100 dBM）の利点は、分散型光ファイバー測定とセンシングテクノロジーに幅広いアプリケーションの見通しを持つ技術の1つになりました。 OFDRテクノロジーのコアは、調整可能な光源を使用して光周波数調整を実現することです。そのため、レーザーソースの性能により、OFDR検出範囲、感度、解像度などの重要な要因が決定されます。反射点距離がコヒーレンスの長さに近い場合、ビート信号の強度は係数τ/τcによって指数関数的に減衰します。スペクトル形状のガウス光源の場合、拍動周波数が90％以上の視界を確保するために、光源の線幅とシステムが達成できる最大センシング長の関係は、LMAX〜0.04VG/Fです。さらに、他のアプリケーションの開発により、光源のライン幅の高い要件も提案しました。たとえば、光ファイバーハイドロフォンシステムでは、光源のライン幅がシステムノイズを決定し、システムの最小測定信号も決定します。ブリルアン光学タイムドメインリフレクター（BOTDR）では、温度と応力の測定解像度は、主に光源の線幅によって決定されます。共振器光ファイバージャイロでは、光源の線幅を減らすことで光波のコヒーレンス長を増やすことができ、それにより共振器の細かさと共振の深さを改善し、共振器のライン幅を減らし、光学ジロの測定精度を確保します。
1.2スイープレーザーソースの要件
シングル波長スイープレーザーは、柔軟な波長チューニング性能を持ち、複数の出力固定波長レーザーを置き換え、システム構造のコストを削減し、光ファイバーセンシングシステムの不可欠な部分です。たとえば、微量ガス繊維センシングでは、さまざまな種類のガスが異なるガス吸収ピークを持っています。測定ガスが十分であるときに光吸収効率を確保し、より高い測定感度を達成するために、透過光源の波長をガス分子の吸収ピークに合わせて整列する必要があります。検出できるガスの種類は、センシング光源の波長によって本質的に決定されます。したがって、安定したブロードバンドチューニング性能を備えた狭いライン幅レーザーは、このようなセンシングシステムで測定の柔軟性が高くなります。たとえば、光周波数ドメイン反射に基づいた一部の分散光ファイバーセンシングシステムでは、光学信号の高精度コヒーレント検出と復調を実現するために、レーザーを急速に定期的に排除する必要があります。そのため、レーザー源の変調率は比較的高い要件を持ち、調整可能なレーザーのスイープ速度は通常10 PM/μsに到達する必要があります。さらに、波長調整可能な狭い線幅レーザーは、Lidar、レーザーリモートセンシング、高解像度スペクトル分析、その他のセンシングフィールドでも広く使用できます。チューニング帯域幅、チューニング精度、繊維センシングの分野での単一波長レーザーのチューニング精度、調整速度の高性能パラメーターの要件を満たすために、最近のチューニング可能な狭幅ファイバーレーザーを研究するという全体的な目標は、Ultra-narrow stra asput-line as furcidthとultra nowsの範囲を超えて、より大きな波長範囲で高い波長チューニングを達成することです。とパワー。
1.3ホワイトレーザー光源の需要
光学センシングの分野では、高品質の白色光レーザーは、システムのパフォーマンスを改善するために非常に重要です。ホワイトライトレーザーのスペクトルカバレッジが広くなるほど、光ファイバーセンシングシステムにおけるより広範囲に適用されます。たとえば、ファイバーブラッググレーティング（FBG）を使用してセンサーネットワークを構築する場合、復調にはスペクトル分析または調整可能なフィルターマッチング方法を使用できます。前者は分光計を使用して、ネットワーク内の各FBG共鳴波長を直接テストしました。後者は、参照フィルターを使用してセンシングでFBGを追跡および較正します。どちらもFBGのテスト光源としてブロードバンド光源を必要とします。各FBGアクセスネットワークには特定の挿入損失があり、帯域幅が0.1 nmを超えるため、複数のFBGの同時復調には、高出力と高帯域幅を持つブロードバンド光源が必要です。たとえば、単一の損失ピークの帯域幅は10 nmのオーダーであるため、センシングに長期繊維格子（LPFG）を使用する場合、その共鳴ピーク特性を正確に特性化するために、十分な帯域幅と比較的フラットスペクトルを備えた広範な光源が必要です。特に、音響オプティック効果を利用することで構築された音響繊維格子（AIFG）は、電気チューニングによって最大1000 nmの共鳴波長のチューニング範囲を達成できます。したがって、このような超幅のチューニング範囲を使用した動的なグレーティングテストは、広範囲の光源の帯域幅範囲に大きな挑戦をもたらします。同様に、近年、傾斜したブラッグ繊維格子も繊維センシングの分野で広く使用されています。マルチピーク損失スペクトル特性により、通常、波長分布範囲は40 nmに達する可能性があります。そのセンシングメカニズムは通常、複数の伝送ピーク間の相対的な動きを比較することであるため、その透過スペクトルを完全に測定する必要があります。広いスペクトルの光源の帯域幅とパワーは、より高いものにする必要があります。
2。国内外での研究状況
2.1狭い線幅レーザー光源
2.1.1狭い線幅半導体分散フィードバックレーザー
2006年、Cliche et al。半導体のMHzスケールを削減しましたDFBレーザー（分散フィードバックレーザー）電気フィードバック方法を使用したKHZスケールへ。 2011年、ケスラー等。低温と高安定性の単結晶空洞を使用して、アクティブなフィードバック制御と組み合わせて、40 MHzの超ナロウライン幅レーザー出力を得ました。 2013年、Pengらは、外部Fabry-Perot（FP）フィードバック調整の方法を使用して、15 kHzのライン幅で半導体レーザー出力を取得しました。電気フィードバック法は、主に池のドレイバーホール周波数安定化フィードバックを使用して、光源のレーザーライン幅を削減しました。 2010年、Bernhardi et al。 1 cmのエルビウムドープのアルミナFBGを酸化シリコン基板上に生成し、約1.7 kHzのライン幅のレーザー出力を得ました。同じ年に、Liang et al。図1に示すように、半導体レーザー線幅圧縮の高Qエコー壁共振器によって形成された後方レイリー散乱の自己注入フィードバックを使用し、最後に160 Hzの狭いライン幅レーザー出力を得ました。
図1（a）外部ささやくギャラリーモード共振器の自己注入レイリー散乱に基づく半導体レーザー線幅圧縮の図。
（b）8 MHzのライン幅を持つフリーランニング半導体レーザーの周波数スペクトル。
（c）160 Hzに圧縮されたライン幅を持つレーザーの周波数スペクトル
2.1.2狭い線幅ファイバーレーザー
線形空洞繊維レーザーの場合、共振器の長さを短縮し、縦方向モード間隔を増加させることにより、単一縦モードの狭い線幅レーザー出力が得られます。 2004年、Spiegelberg et al。 DBRショートキャビティ法を使用して、2 kHzのライン幅で単一の縦方向モードの狭い線幅レーザー出力を取得しました。 2007年、シェン等。 2 cmの重いエルビウムドープシリコンファイバーを使用して、bi-ge共同ドープの光敏感繊維にFBGを書き込み、アクティブファイバーと融合してコンパクトな線形キャビティを形成し、レーザー出力ライン幅を1 kHz未満にしました。 2010年、Yang et al。 2 cm高ドープの短い線形空洞を狭帯域FBGフィルターと組み合わせて使用して、2 kHz未満のライン幅で単一の縦方向モードレーザー出力を取得しました。 2014年、チームはFBG-FPフィルターと組み合わせた短い線形キャビティ（仮想折りたたみ式リング共振器）を使用して、図3に示すように、より狭いライン幅のレーザー出力を取得しました。2012年には、Cai et al。 1.4cmの短い空洞構造を使用して、114 mWを超える出力電力、1540.3 nmの中心波長、および4.1 kHzのライン幅を持つ偏光レーザー出力を得ました。 2013年、Meng et al。エルビウムドープ繊維のブリルアン散乱を使用して、フルビアス保存装置の短いリングキャビティを使用して、10 mWの出力電力を備えた単一相ノイズレーザー出力を得るために使用しました。 2015年、チームは45 cmのエルビウムドープ繊維で構成されるリングキャビティを使用して、ブリルアン散乱ゲイン培地として低いしきい値と狭い線幅レーザー出力を得ました。
図2（a）SLCファイバーレーザーの概略図。
（b）97.6 kmの繊維遅延で測定されたヘテロダイン信号のラインシェープ
投稿時間：2023年11月20日