Teknologi sumber laser kanggoserat optikngrasakake Bagian Siji
Teknologi penginderaan serat optik iku sawijining jinis teknologi penginderaan sing dikembangake bebarengan karo teknologi serat optik lan teknologi komunikasi serat optik, lan wis dadi salah sawijining cabang paling aktif saka teknologi fotoelektrik. Sistem penginderaan serat optik utamane kasusun saka laser, serat transmisi, elemen penginderaan utawa area modulasi, deteksi cahya lan bagean liyane. Parameter sing nggambarake karakteristik gelombang cahya kalebu intensitas, dawa gelombang, fase, kahanan polarisasi, lan liya-liyane. Parameter kasebut bisa diganti dening pengaruh eksternal ing transmisi serat optik. Contone, nalika suhu, regangan, tekanan, arus, pamindahan, getaran, rotasi, lentur lan kuantitas kimia mengaruhi jalur optik, parameter kasebut uga owah. Penginderaan serat optik adhedhasar hubungan antarane parameter kasebut lan faktor eksternal kanggo ndeteksi kuantitas fisik sing cocog.
Ana akeh jinissumber laserdigunakake ing sistem sensor serat optik, sing bisa dipérang dadi rong kategori: koherensumber laserlan sumber cahya sing ora koheren, ora koherensumber cahyautamane kalebu cahya pijar lan dioda pemancar cahya, lan sumber cahya koheren kalebu laser padat, laser cair, laser gas,laser semikonduktorlanlaser seratIng ngisor iki utamane kanggosumber cahya laserdigunakake sacara wiyar ing bidang penginderaan serat ing taun-taun pungkasan: laser frekuensi tunggal jembar garis sempit, laser frekuensi sapuan gelombang tunggal lan laser putih.
1.1 Syarat kanggo jembar garis sing sempitsumber cahya laser
Sistem penginderaan serat optik ora bisa dipisahake saka sumber laser, amarga gelombang cahya pembawa sinyal sing diukur, kinerja sumber cahya laser dhewe, kayata stabilitas daya, linewidth laser, gangguan fase lan parameter liyane ing jarak deteksi sistem penginderaan serat optik, akurasi deteksi, sensitivitas lan karakteristik gangguan nduweni peran sing nemtokake. Ing taun-taun pungkasan, kanthi pangembangan sistem penginderaan serat optik resolusi ultra-tinggi jarak jauh, akademisi lan industri wis ngetrapake syarat sing luwih ketat kanggo kinerja linewidth miniaturisasi laser, utamane ing: teknologi refleksi domain frekuensi optik (OFDR) nggunakake teknologi deteksi koheren kanggo nganalisis sinyal serat optik sing kasebar ing domain frekuensi, kanthi jangkoan sing amba (ewonan meter). Kauntungan resolusi dhuwur (resolusi tingkat milimeter) lan sensitivitas dhuwur (nganti -100 dBm) wis dadi salah sawijining teknologi kanthi prospek aplikasi sing amba ing teknologi pangukuran lan penginderaan serat optik sing disebar. Inti saka teknologi OFDR yaiku nggunakake sumber cahya sing bisa disetel kanggo entuk penyetelan frekuensi optik, saengga kinerja sumber laser nemtokake faktor kunci kayata rentang deteksi OFDR, sensitivitas lan resolusi. Nalika jarak titik pantulan cedhak karo dawa koherensi, intensitas sinyal denyut bakal dikurangi sacara eksponensial dening koefisien τ/τc. Kanggo sumber cahya Gaussian kanthi bentuk spektral, kanggo mesthekake yen frekuensi denyut duwe visibilitas luwih saka 90%, hubungan antarane jembar garis sumber cahya lan dawa penginderaan maksimum sing bisa digayuh sistem yaiku Lmax ~ 0.04vg/f, sing tegese kanggo serat kanthi dawa 80 km, jembar garis sumber cahya kurang saka 100 Hz. Kajaba iku, pangembangan aplikasi liyane uga menehi syarat sing luwih dhuwur kanggo jembar garis sumber cahya. Contone, ing sistem hidrofon serat optik, jembar garis sumber cahya nemtokake gangguan sistem lan uga nemtokake sinyal sistem sing bisa diukur minimal. Ing reflektor domain wektu optik Brillouin (BOTDR), resolusi pangukuran suhu lan stres utamane ditemtokake dening jembar garis sumber cahya. Ing giro serat optik resonator, dawa koherensi gelombang cahya bisa ditambah kanthi nyuda jembar garis sumber cahya, saengga ningkatake kehalusan lan ambane resonansi resonator, nyuda jembar garis resonator, lan njamin akurasi pangukuran giro serat optik.
1.2 Syarat kanggo sumber laser sapuan
Laser sapuan gelombang tunggal nduweni kinerja tuning gelombang fleksibel, bisa ngganti laser gelombang tetep output ganda, nyuda biaya konstruksi sistem, minangka bagean penting saka sistem penginderaan serat optik. Contone, ing penginderaan serat gas jejak, macem-macem jinis gas duwe puncak penyerapan gas sing beda. Kanggo njamin efisiensi penyerapan cahya nalika gas pangukuran cukup lan entuk sensitivitas pangukuran sing luwih dhuwur, perlu kanggo nyetel dawa gelombang sumber cahya transmisi karo puncak penyerapan molekul gas. Jinis gas sing bisa dideteksi intine ditemtokake dening dawa gelombang sumber cahya penginderaan. Mulane, laser linewidth sempit kanthi kinerja tuning broadband sing stabil nduweni fleksibilitas pangukuran sing luwih dhuwur ing sistem penginderaan kasebut. Contone, ing sawetara sistem penginderaan serat optik sing disebar adhedhasar refleksi domain frekuensi optik, laser kudu disapu kanthi cepet kanthi periodik kanggo entuk deteksi koheren presisi dhuwur lan demodulasi sinyal optik, mula tingkat modulasi sumber laser nduweni syarat sing relatif dhuwur, lan kecepatan sapuan laser sing bisa diatur biasane dibutuhake nganti tekan 10 pm/μs. Kajaba iku, laser jembar dawa gelombang sing bisa diatur dawane gelombang uga bisa digunakake sacara wiyar ing liDAR, penginderaan jarak jauh laser lan analisis spektral resolusi dhuwur lan bidang penginderaan liyane. Kanggo nyukupi syarat parameter kinerja dhuwur saka bandwidth tuning, akurasi tuning lan kecepatan tuning laser dawa gelombang tunggal ing bidang penginderaan serat, tujuan sakabèhé saka nyinaoni laser serat jembar dawa sempit sing bisa diatur ing taun-taun pungkasan yaiku kanggo entuk tuning presisi dhuwur ing rentang dawa gelombang sing luwih gedhe adhedhasar nggayuh jembar dawa gelombang laser ultra-sempit, gangguan fase ultra-rendah, lan frekuensi lan daya output ultra-stabil.
1.3 Kebutuhan sumber cahya laser putih
Ing babagan penginderaan optik, laser cahya putih kualitas dhuwur nduweni makna sing penting banget kanggo ningkatake kinerja sistem. Sing luwih jembar jangkoan spektrum laser cahya putih, sing luwih jembar aplikasine ing sistem penginderaan serat optik. Contone, nalika nggunakake grating serat Bragg (FBG) kanggo mbangun jaringan sensor, analisis spektral utawa metode pencocokan filter sing bisa diatur bisa digunakake kanggo demodulasi. Sing pertama nggunakake spektrometer kanggo nguji langsung saben dawa gelombang resonansi FBG ing jaringan. Sing terakhir nggunakake filter referensi kanggo nglacak lan kalibrasi FBG ing penginderaan, sing loro-lorone mbutuhake sumber cahya broadband minangka sumber cahya uji kanggo FBG. Amarga saben jaringan akses FBG bakal duwe kerugian penyisipan tartamtu, lan duwe bandwidth luwih saka 0,1 nm, demodulasi simultan saka pirang-pirang FBG mbutuhake sumber cahya broadband kanthi daya dhuwur lan bandwidth dhuwur. Umpamane, nalika nggunakake grating serat periode dawa (LPFG) kanggo sensor, amarga bandwidth puncak kerugian tunggal ana ing urutan 10 nm, sumber cahya spektrum sing amba kanthi bandwidth sing cukup lan spektrum sing relatif rata dibutuhake kanggo menehi ciri kanthi akurat karakteristik puncak resonansi. Utamane, grating serat akustik (AIFG) sing digawe kanthi nggunakake efek akusto-optik bisa entuk rentang tuning dawa gelombang resonansi nganti 1000 nm kanthi tuning listrik. Mulane, uji grating dinamis kanthi rentang tuning ultra-amba kaya ngono dadi tantangan gedhe kanggo rentang bandwidth sumber cahya spektrum sing amba. Kajaba iku, ing taun-taun pungkasan, grating serat Bragg sing miring uga wis digunakake sacara wiyar ing bidang sensor serat. Amarga karakteristik spektrum kerugian multi-puncak, rentang distribusi dawa gelombang biasane bisa tekan 40 nm. Mekanisme sensor biasane kanggo mbandhingake gerakan relatif ing antarane pirang-pirang puncak transmisi, mula perlu kanggo ngukur spektrum transmisi kanthi lengkap. Bandwidth lan daya sumber cahya spektrum sing amba kudu luwih dhuwur.
2. Status riset ing njero lan njaba negeri
2.1 Sumber cahya laser jembar garis sing sempit
2.1.1 Laser umpan balik semikonduktor sing disebarake kanthi jembar garis sempit
Ing taun 2006, Cliche et al. ngurangi skala MHz semikonduktorLaser DFB(laser umpan balik sing disebar) nganti skala kHz nggunakake metode umpan balik listrik; Ing taun 2011, Kessler et al. nggunakake rongga kristal tunggal suhu rendah lan stabilitas dhuwur sing digabungake karo kontrol umpan balik aktif kanggo entuk output laser linewidth ultra-sempit 40 MHz; Ing taun 2013, Peng et al entuk output laser semikonduktor kanthi linewidth 15 kHz kanthi nggunakake metode penyesuaian umpan balik Fabry-Perot (FP) eksternal. Metode umpan balik listrik utamane nggunakake umpan balik stabilisasi frekuensi Pond-Drever-Hall kanggo nggawe linewidth laser sumber cahya bisa dikurangi. Ing taun 2010, Bernhardi et al. ngasilake 1 cm alumina FBG sing didoping erbium ing substrat silikon oksida kanggo entuk output laser kanthi jembar garis udakara 1,7 kHz. Ing taun sing padha, Liang et al. nggunakake umpan balik injeksi mandiri saka hamburan Rayleigh mundur sing dibentuk dening resonator tembok gema Q dhuwur kanggo kompresi jembar garis laser semikonduktor, kaya sing dituduhake ing Gambar 1, lan pungkasane entuk output laser jembar garis sempit 160 Hz.
Gambar 1 (a) Diagram kompresi jembar garis laser semikonduktor adhedhasar hamburan Rayleigh injeksi mandiri saka resonator mode galeri bisikan eksternal;
(b) Spektrum frekuensi laser semikonduktor sing mlaku bebas kanthi jembar garis 8 MHz;
(c) Spektrum frekuensi laser kanthi jembar garis sing dikompres nganti 160 Hz
2.1.2 Laser serat jembar garis sempit
Kanggo laser serat rongga linier, output laser linewidth sempit saka mode longitudinal tunggal dipikolehi kanthi nyepetake dawa resonator lan nambah interval mode longitudinal. Ing taun 2004, Spiegelberg et al. entuk output laser linewidth sempit mode longitudinal tunggal kanthi linewidth 2 kHz kanthi nggunakake metode rongga cendhak DBR. Ing taun 2007, Shen et al. nggunakake serat silikon sing didoping erbium kanthi bobot 2 cm kanggo nulis FBG ing serat fotosensitif sing didoping Bi-Ge, lan nggabungake karo serat aktif kanggo mbentuk rongga linier sing kompak, nggawe jembar garis output laser kurang saka 1 kHz. Ing taun 2010, Yang et al. nggunakake rongga linier cendhak sing didoping kanthi bobot 2 cm sing digabungake karo filter FBG pita sempit kanggo entuk output laser mode longitudinal tunggal kanthi jembar garis kurang saka 2 kHz. Ing taun 2014, tim kasebut nggunakake rongga linier cendhak (resonator cincin lipat virtual) sing digabungake karo filter FBG-FP kanggo entuk output laser kanthi jembar garis sing luwih sempit, kaya sing dituduhake ing Gambar 3. Ing taun 2012, Cai et al. nggunakake struktur rongga cendhak 1,4cm kanggo entuk output laser polarisasi kanthi daya output luwih saka 114 mW, dawa gelombang pusat 1540,3 nm, lan jembar garis 4,1 kHz. Ing taun 2013, Meng et al. nggunakake hamburan Brillouin saka serat sing didoping erbium kanthi rongga cincin cendhak saka piranti pengawet bias lengkap kanggo entuk output laser noise fase rendah mode longitudinal tunggal kanthi daya output 10 mW. Ing taun 2015, tim kasebut nggunakake rongga cincin sing kasusun saka serat sing didoping erbium 45 cm minangka medium gain hamburan Brillouin kanggo entuk ambang batas sing endhek lan output laser jembar garis sing sempit.
Gambar 2 (a) Gambar skematis laser serat SLC;
(b) Wangun garis sinyal heterodyne sing diukur nganggo wektu tundha serat 97,6 km
Wektu kiriman: 20-Nov-2023