レーザー光源技術光ファイバーセンシングパート1
光ファイバセンシング技術は、光ファイバ技術や光ファイバ通信技術とともに発展したセンシング技術の一種であり、光電技術の中でも最も活発な分野の一つとなっています。光ファイバセンシングシステムは、主にレーザー、伝送ファイバ、センシング素子または変調領域、光検出などの部品で構成されています。光波の特性を表すパラメータには、強度、波長、位相、偏光状態などがあります。これらのパラメータは、光ファイバ伝送における外部の影響によって変化する可能性があります。例えば、温度、歪み、圧力、電流、変位、振動、回転、曲げ、化学量が光路に影響を与えると、これらのパラメータもそれに応じて変化します。光ファイバセンシングは、これらのパラメータと外部要因の関係に基づいて、対応する物理量を検出します。
さまざまな種類がありますレーザー光源光ファイバーセンシングシステムで使用されるもので、コヒーレントの2つのカテゴリーに分けられます。レーザー光源非コヒーレント光源、非コヒーレント光源主に白熱灯と発光ダイオードが含まれ、コヒーレント光源には固体レーザー、液体レーザー、ガスレーザーなどが含まれる。半導体レーザーそしてファイバーレーザー以下は主にレーザー光源近年、ファイバーセンシングの分野で広く使用されているのは、狭線幅単一周波数レーザー、単一波長掃引周波数レーザー、白色レーザーです。
1.1 狭線幅の要件レーザー光源
光ファイバーセンシングシステムは、測定対象となる搬送光波であるレーザー光源から切り離すことはできません。レーザー光源自体の性能、例えばパワー安定性、レーザー線幅、位相雑音などのパラメータが、光ファイバーセンシングシステムの検出距離、検出精度、感度、雑音特性に決定的な役割を果たします。近年、長距離超高解像度光ファイバーセンシングシステムの発展に伴い、学界と産業界は、主に以下の点でレーザーの線幅性能の小型化に対してより厳しい要求を提示しています：光周波数領域反射（OFDR）技術は、コヒーレント検出技術を使用して周波数領域で光ファイバーの後方レイリー散乱信号を分析します。広範囲（数千メートル）をカバーします。高解像度（ミリメートルレベルの分解能）と高感度（最大-100 dBm）の利点は、分散型光ファイバー測定およびセンシング技術において幅広い応用展望を持つ技術の1つになっています。 OFDR技術の中核は、可変光源を用いて光周波数の同調を実現することであるため、レーザー光源の性能がOFDRの検出範囲、感度、分解能などの重要な要素を決定します。反射点の距離がコヒーレンス長に近い場合、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。スペクトル形状を持つガウス光源の場合、ビート周波数の可視性が90%以上であることを保証するために、光源の線幅とシステムが達成できる最大検知長の関係はLmax〜0.04vg/fです。これは、長さ80kmのファイバーの場合、光源の線幅が100Hz未満であることを意味します。さらに、他のアプリケーションの開発も、光源の線幅に対してより高い要件を提示しています。たとえば、光ファイバーハイドロホンシステムでは、光源の線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。ブリルアン光時間領域反射器（BOTDR）では、温度と応力の測定分解能は主に光源の線幅によって決まります。共振器型光ファイバージャイロでは、光源の線幅を狭くすることで光波のコヒーレンス長を長くすることができ、共振器の細かさと共振深度が向上します。これにより、共振器の線幅が狭くなり、光ファイバージャイロの測定精度が向上します。
1.2 掃引レーザー光源の要件
単波長掃引レーザーは柔軟な波長調整性能を備えており、複数の出力を持つ固定波長レーザーを置き換え、システム構築コストを削減できるため、光ファイバセンシングシステムに不可欠な要素です。例えば、微量ガス光ファイバセンシングでは、ガスの種類によって吸収ピークが異なります。測定ガスが十分にある場合の光吸収効率を確保し、より高い測定感度を得るためには、送信光源の波長をガス分子の吸収ピークに合わせる必要があります。検出可能なガスの種類は、基本的にセンシング光源の波長によって決まります。したがって、安定した広帯域調整性能を備えた狭線幅レーザーは、このようなセンシングシステムにおいてより高い測定柔軟性を備えています。例えば、光周波数領域反射に基づく一部の分散型光ファイバセンシングシステムでは、高精度なコヒーレント検波と光信号の復調を実現するために、レーザーを周期的に高速掃引する必要があるため、レーザー光源の変調速度に対する要件は比較的高く、調整可能なレーザーの掃引速度は通常10pm/μsに達する必要があります。さらに、波長可変狭線幅レーザーは、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などのセンシング分野にも広く応用されています。ファイバーセンシング分野における単一波長レーザーのチューニング帯域幅、チューニング精度、チューニング速度といった高性能パラメータの要求を満たすため、近年の波長可変狭線幅ファイバーレーザー研究の全体目標は、超狭線幅レーザー、超低位相ノイズ、超安定出力周波数・出力の追求を基盤として、より広い波長範囲で高精度なチューニングを実現することです。
1.3 白色レーザー光源の需要
光センシングの分野において、高品質の白色光レーザーはシステム性能の向上に極めて重要です。白色光レーザーのスペクトル範囲が広いほど、光ファイバセンシングシステムへの応用範囲が広がります。例えば、ファイバ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、スペクトル分析またはチューナブルフィルタマッチング法を使用して復調を行うことができます。前者は、分光計を使用してネットワーク内の各FBG共振波長を直接テストします。後者は、基準フィルタを使用してセンシング中の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広帯域光源が必要です。各FBGアクセスネットワークには一定の挿入損失があり、帯域幅は0.1 nmを超えるため、複数のFBGを同時に復調するには、高出力で高帯域幅の広帯域光源が必要です。例えば、長周期ファイバグレーティング（LPFG）をセンシングに用いる場合、単一の損失ピークの帯域幅は10nm程度であるため、その共振ピーク特性を正確に評価するには、十分な帯域幅と比較的平坦なスペクトルを持つ広帯域光源が必要となる。特に、音響光学効果を利用して構成される音響ファイバグレーティング（AIFG）は、電気的なチューニングにより最大1000nmの共振波長のチューニング範囲を実現できる。したがって、このような極めて広いチューニング範囲を持つ動的グレーティング試験は、広帯域光源の帯域幅範囲に対する大きな課題となる。同様に、近年では、傾斜ブラッグファイバグレーティングもファイバセンシングの分野で広く用いられている。その多ピーク損失スペクトル特性により、波長分布範囲は通常40nmに達する。そのセンシング機構は通常、複数の透過ピーク間の相対的な動きを比較することであるため、透過スペクトルを完全に測定する必要がある。広帯域光源には、より高い帯域幅とより高い出力が求められる。
2. 国内外の研究状況
2.1 狭線幅レーザー光源
2.1.1 狭線幅半導体分布帰還型レーザー
2006年、クリシェらは半導体のMHzスケールを縮小した。DFBレーザー（分布帰還型レーザー）を電気的フィードバック方式でkHzスケールにまで拡大しました。2011年に、Kesslerらは、低温で安定性の高い単結晶キャビティとアクティブフィードバック制御を組み合わせて、40MHzの超狭線幅レーザー出力を実現しました。2013年に、Pengらは外部ファブリペロー（FP）フィードバック調整法を使用して、線幅15kHzの半導体レーザー出力を実現しました。電気的フィードバック方式では、主にPond-Drever-Hall周波数安定化フィードバックを使用して、光源のレーザー線幅を縮小しました。2010年に、Bernhardiらはシリコン酸化物基板上に1cmのエルビウムドープアルミナFBGを作製し、線幅1.7kHz程度のレーザー出力を実現しました。同年、Liangらは、外部ファブリペロー（FP）フィードバック調整法を使用して、線幅15kHzの半導体レーザー出力を実現しました。図1に示すように、高Q値エコー壁共振器によって形成される後方レイリー散乱の自己注入フィードバックを半導体レーザーの線幅圧縮に使用し、最終的に160 Hzの狭線幅レーザー出力を得ました。
図1（a）外部ウィスパリング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の線幅圧縮の図。
（b）線幅8MHzの自由走行半導体レーザーの周波数スペクトル
(c) 線幅を160 Hzに圧縮したレーザーの周波数スペクトル
2.1.2 狭線幅ファイバーレーザー
線形空洞ファイバレーザの場合、共振器長を短くし、縦モード間隔を広げることで、単一縦モードの狭線幅レーザ出力が得られる。2004年にSpiegelbergらはDBR短空洞法を用いて、線幅2kHzの単一縦モード狭線幅レーザ出力を得た。2007年にShenらは2cmの高濃度エルビウムドープシリコンファイバを用いてBi-Ge共ドープ感光性ファイバ上にFBGを書き込み、それをアクティブファイバと融合してコンパクトな線形空洞を形成し、そのレーザー出力線幅を1kHz未満にした。2010年にYangらは2cmの高濃度ドープ短線形空洞と狭帯域FBGフィルタを組み合わせて、線幅2kHz未満の単一縦モードレーザ出力を得た。 2014年に、研究チームは短い線形空洞（仮想折り返しリング共振器）をFBG-FPフィルタと組み合わせて使用し、図3に示すように、より狭い線幅のレーザー出力を得ました。2012年に、Caiらは1.4cmの短い空洞構造を使用して、出力が114mWを超え、中心波長が1540.3nm、線幅が4.1kHzの偏光レーザー出力を得ました。2013年に、Mengらは、フルバイアス保存デバイスの短いリング空洞を備えたエルビウム添加光ファイバのブリルアン散乱を使用して、出力が10mWの単一縦モード、低位相雑音レーザー出力を得ました。2015年に、研究チームは45cmのエルビウム添加光ファイバで構成されたリング空洞をブリルアン散乱利得媒体として使用し、
図2（a）SLCファイバーレーザーの概略図
(b) 97.6 kmの光ファイバー遅延で測定されたヘテロダイン信号の線形
投稿日時: 2023年11月20日