レーザー光源技術光ファイバーセンシング パート 1
光ファイバーセンシング技術は、光ファイバー技術や光ファイバー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。光ファイバーセンシングシステムは、主にレーザー、伝送ファイバー、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は、光ファイバー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。たとえば、温度、ひずみ、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。光ファイバーセンシングは、これらのパラメータと外部要因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光源光ファイバー センシング システムで使用され、次の 2 つのカテゴリに分類できます。レーザー光源インコヒーレント光源、インコヒーレント光源主に白熱光と発光ダイオードが含まれ、コヒーレント光源には固体レーザー、液体レーザー、ガスレーザー、半導体レーザーそしてファイバーレーザー。主に以下のような方向けです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 狭い線幅の要件レーザー光源
光ファイバセンシングシステムは、信号搬送光波、パワー安定性、レーザ線幅、位相雑音などのレーザ光源自体の性能、および光ファイバセンシングシステムの検出距離、検出に関するその他のパラメータを測定するため、レーザ源から分離することはできません。精度、感度、ノイズ特性が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開発に伴い、学界と産業界は、主に以下の点でレーザー小型化の線幅性能に対するより厳しい要件を提示しています。 光周波数領域反射 (OFDR) 技術はコヒーレントを使用します。光ファイバーのバックレイリー散乱信号を周波数領域で分析する検出技術で、広範囲 (数千メートル) をカバーします。高分解能（ミリメートルレベルの分解能）と高感度（最大-100dBm）の利点は、分散型光ファイバーの測定およびセンシング技術において幅広い応用が期待できる技術の1つとなっています。 OFDR テクノロジーの中核は、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あるため、レーザー光源の性能が OFDR 検出範囲、感度、解像度などの重要な要素を決定します。反射点距離がコヒーレンス長に近づくと、ビート信号の強度は係数τ/τcにより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、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出長の関係は Lmax ～ 0.04vg です。 /f、これは、長さが 80 km のファイバーの場合、光源の線幅が 100 Hz 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により、光源の線幅に対するより高い要件も求められています。たとえば、光ファイバー水中聴音器システムでは、光源の線幅によってシステムのノイズが決まり、またシステムの測定可能な最小信号も決まります。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、これにより共振器の微細さと共振深さが改善され、共振器の線幅が減少し、測定が確実になります。光ファイバージャイロの精度。
1.2 掃引レーザー光源の要件
単一波長掃引レーザーは、柔軟な波長調整性能を備えており、複数出力の固定波長レーザーを置き換えることができ、システム構築のコストを削減でき、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、微量ガスファイバーセンシングでは、異なる種類のガスは異なるガス吸収ピークを持ちます。測定ガスが十分な場合に光の吸収効率を確保し、より高い測定感度を得るには、透過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。検出できるガスの種類は基本的に検出光源の波長によって決まります。したがって、安定した広帯域チューニング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。たとえば、光周波数領域の反射に基づく一部の分散型光ファイバー センシング システムでは、高精度のコヒーレント検出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で掃引する必要があるため、レーザー光源の変調レートには比較的高い要件が課せられます。 、調整可能なレーザーの掃引速度は通常 10 pm/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、その他のセンシング分野でも広く使用できます。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、チューニング速度の高性能パラメーターの要件を満たすために、近年のチューニング可能な狭幅ファイバーレーザーの研究の全体的な目標は、高パフォーマンスを達成することです。超狭いレーザー線幅、超低位相ノイズ、超安定した出力周波数と出力の追求に基づいて、より広い波長範囲での精密チューニングを実現します。
1.3 白色レーザー光源の需要
光学センシングの分野では、システムの性能を向上させるために高品質の白色光レーザーが非常に重要です。白色光レーザーのスペクトル範囲が広ければ広いほど、光ファイバーセンシングシステムでの応用範囲が広がります。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チューナブル フィルター マッチング手法を使用できます。前者は分光計を使用して、ネットワーク内の各 FBG 共振波長を直接テストしました。後者では、参照フィルターを使用してセンシング時に FBG を追跡および校正します。どちらの場合も、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、0.1 nm 以上の帯域幅があるため、複数の FBG を同時に復調するには、高出力と高帯域幅を備えた広帯域光源が必要です。たとえば、センシングに長周期ファイバーグレーティング (LPFG) を使用する場合、単一損失ピークの帯域幅は 10 nm 程度であるため、その共振を正確に特性評価するには、十分な帯域幅と比較的平坦なスペクトルを備えた広帯域スペクトル光源が必要です。ピーク特性。特に、音響光学効果を利用して構築された音響ファイバーグレーティング（AIFG）は、電気的調整により共振波長の調整範囲を1000nmまで実現できます。したがって、このような超広い調整範囲での動的回折格子のテストは、広スペクトル光源の帯域幅範囲に対して大きな課題となります。同様に、近年、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、波長分布範囲は通常 40 nm に達します。その感知メカニズムは通常、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、その透過スペクトルを完全に測定する必要があります。広スペクトル光源の帯域幅と出力は、より高いことが要求されます。
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レーザー
2006 年に、Cliche らは、半導体のMHzスケールを縮小DFBレーザー(分布帰還型レーザー) 電気帰還法を使用した kHz スケールまで。 2011 年に、ケスラーら。低温で安定性の高い単結晶キャビティをアクティブフィードバック制御と組み合わせて使用し、40 MHzの超狭線幅レーザー出力を実現しました。 2013 年に、Peng らは、外部ファブリーペロー (FP) フィードバック調整の方法を使用して、線幅 15 kHz の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方法では、主にポンド・ドレバー・ホール周波数安定化フィードバックを使用して、光源のレーザー線幅を縮小しました。 2010 年に、ベルンハルディらはは、約1.7kHzの線幅のレーザー出力を得るために、酸化シリコン基板上に1cmのエルビウムドープアルミナFBGを作製した。同じ年に、Liang ら。は、図1に示すように、高Q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取得しました。
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 8 MHz の自走半導体レーザーの周波数スペクトル。
(c) 線幅が 160 Hz に圧縮され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
リニアキャビティファイバーレーザーの場合、単一縦モードの狭い線幅のレーザー出力は、共振器の長さを短くし、縦モード間隔を増やすことによって得られます。 2004 年に、シュピーゲルバーグらは、 ＤＢＲ短共振器法を用いて、線幅２ｋＨｚの単一縦モード狭線幅レーザー出力を得た。 2007 年に、Shen らは、は、2cmの高エルビウムドープシリコンファイバーを使用してBi-Ge共ドープ感光性ファイバーにFBGを書き込み、それを活性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、そのレーザー出力線幅を1kHz未満にしました。 2010 年に、Yang et al.は、2cm の高濃度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、線幅 2 kHz 未満の単一縦モード レーザー出力を取得しました。 2014 年、チームは、図 3 に示すように、短い線形キャビティ (仮想折り返しリング共振器) と FBG-FP フィルターを組み合わせて、より狭い線幅のレーザー出力を取得しました。らは、1.4cmの短共振器構造を使用して、114mWを超える出力、1540.3nmの中心波長、および4.1kHzの線幅を有する偏光レーザー出力を得た。 2013 年に、Meng らはは、出力 10 mW の単一縦モード、低位相雑音レーザー出力を得るために、フルバイアス保存デバイスのショート リング キャビティを備えたエルビウム ドープ ファイバーのブリルアン散乱を使用しました。 2015年、研究チームは、ブリルアン散乱利得媒質として45cmのエルビウムドープファイバーで構成されるリングキャビティを使用し、低しきい値と狭い線幅のレーザー出力を取得しました。
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