Leysitækni fyrirljósleiðariskynjun fyrsta hluti
Ljósleiðaraskynjunartækni er tegund skynjunartækni sem þróuð hefur verið samhliða ljósleiðaratækni og ljósleiðarasamskiptatækni og hefur orðið ein virkasta grein ljósleiðaratækni. Ljósleiðaraskynjunarkerfi samanstendur aðallega af leysi, sendistreng, skynjaraþætti eða mótunarsvæði, ljósgreiningu og öðrum hlutum. Færibreytur sem lýsa eiginleikum ljósbylgju eru meðal annars styrkleiki, bylgjulengd, fasi, skautunarástand o.s.frv. Þessar breytur geta breyst vegna utanaðkomandi áhrifa í ljósleiðaraflutningi. Til dæmis, þegar hitastig, álag, þrýstingur, straumur, tilfærsla, titringur, snúningur, beygja og efnafræðileg magn hafa áhrif á ljósleiðarann, breytast þessar breytur samsvarandi. Ljósleiðaraskynjun byggir á sambandi þessara breyta og utanaðkomandi þátta til að greina samsvarandi eðlisfræðilegar stærðir.
Það eru margar gerðir afleysigeislagjafinotað í ljósleiðaraskynjunarkerfum, sem má skipta í tvo flokka: samhangandileysigeislagjafarog ósamhverfar ljósgjafar, ósamhverfarljósgjafaraðallega glóandi ljós og ljósdíóður, og samhæfðar ljósgjafar eru meðal annars fastir leysir, fljótandi leysir, gasleysir,hálfleiðara leysirogtrefjalaserEftirfarandi er aðallega fyrirleysigeislaljósgjafiVíða notað á sviði ljósleiðaraskynjunar á undanförnum árum: þrönglínubreidd eintíðnislaser, einbylgjulengdarsveiflutíðnislaser og hvítur leysir.
1.1 Kröfur um þrönga línubreiddleysigeislaljósgjafar
Ekki er hægt að aðskilja ljósleiðaraskynjunarkerfi frá leysigeislagjafanum, þar sem mældur ljósbylgja merkisflutnings, afköst leysigeislagjafans sjálfs, svo sem aflstöðugleiki, línubreidd leysigeisla, fasahávaði og aðrir þættir gegna lykilhlutverki í greiningarfjarlægð, nákvæmni greiningar, næmi og hávaðaeiginleikum ljósleiðaraskynjunarkerfisins. Á undanförnum árum, með þróun langdrægrar, mjög hárrar upplausnar ljósleiðaraskynjunarkerfa, hafa fræðasamfélagið og atvinnulífið sett fram strangari kröfur um línubreiddarafköst leysigeisla, aðallega í: ljósleiðaratíðnisviðsspeglun (OFDR) tækni notar samfellda greiningartækni til að greina dreifð merki frá ljósleiðurum í tíðnisviðinu, með breiðu þekjusviði (þúsundir metra). Kostirnir við mikla upplausn (millimetraupplausn) og mikla næmi (allt að -100 dBm) hafa orðið ein af þeim tækni sem hefur víðtæka notkunarmöguleika í dreifðum ljósleiðaramælingum og skynjunartækni. Kjarninn í OFDR tækni er að nota stillanlega ljósgjafa til að ná fram stillingu á ljóstíðni, þannig að afköst leysigeislans ákvarða lykilþætti eins og OFDR greiningarsvið, næmi og upplausn. Þegar fjarlægðin milli endurskinspunktanna er nálægt samfelldarlengdinni, mun styrkleiki slagmerkisins minnka veldisvísis um stuðulinn τ/τc. Fyrir Gauss-ljósgjafa með litrófslögun, til að tryggja að slagtíðnin hafi meira en 90% sýnileika, er sambandið milli línubreiddar ljósgjafans og hámarks skynjunarlengdar sem kerfið getur náð Lmax ~ 0,04vg/f, sem þýðir að fyrir ljósleiðara sem er 80 km langur er línubreidd ljósgjafans minni en 100 Hz. Að auki hefur þróun annarra forrita einnig sett fram hærri kröfur um línubreidd ljósgjafans. Til dæmis, í ljósleiðarakerfi með vatnshljóðnema, ákvarðar línubreidd ljósgjafans hávaða kerfisins og ákvarðar einnig lágmarks mælanlegt merki kerfisins. Í Brillouin ljósleiðaratímasviðsspegli (BOTDR) er mælingarupplausn hitastigs og spennu aðallega ákvörðuð af línubreidd ljósgjafans. Í ljósleiðaragyró með ómsveiflu er hægt að auka samfelldarlengd ljósbylgjunnar með því að minnka línubreidd ljósgjafans, og þannig bæta fínleika og ómdýpt ómsveiflunnar, minnka línubreidd ómsveiflunnar og tryggja mælingarnákvæmni ljósleiðaragyrósins.
1.2 Kröfur um sveifluleysigeislagjafa
Einbylgjulengdar sveifluleysir hefur sveigjanlega bylgjulengdarstillingargetu, getur komið í stað margra úttaks fastbylgjulengdarleysira, dregið úr kostnaði við kerfisbyggingu og er ómissandi hluti af ljósleiðaraskynjunarkerfum. Til dæmis, í snefilgasskynjun, hafa mismunandi gerðir lofttegunda mismunandi gasgleypnistoppa. Til að tryggja ljósgleypni skilvirkni þegar mæligasið er nægilegt og ná hærri mælinæmi er nauðsynlegt að samræma bylgjulengd sendisljósgjafans við gleypnistopp gassameindarinnar. Tegund gassins sem hægt er að greina er í meginatriðum ákvörðuð af bylgjulengd skynjunarljósgjafans. Þess vegna hafa þrönglínubreiddarleysir með stöðugri breiðbandsstillingargetu meiri mælingarsveigjanleika í slíkum skynjunarkerfum. Til dæmis, í sumum dreifðum ljósleiðaraskynjunarkerfum sem byggjast á endurspeglun ljóstíðnisviðsins, þarf að sveipa leysirinn hratt og reglulega til að ná nákvæmri samfelldri greiningu og afmótun ljósmerkja, þannig að mótunarhraði leysigjafans hefur tiltölulega miklar kröfur og sveifluhraði stillanlegs leysis þarf venjulega að ná 10 pm/μs. Að auki er hægt að nota bylgjulengdarstillanlegan þröngan línubreiddarleysir mikið í liDAR, fjarkönnun með leysi og litrófsgreiningu með mikilli upplausn og öðrum skynjunarsviðum. Til að uppfylla kröfur um háafköst eins og stillingarbandvídd, nákvæmni stillingar og stillingarhraða einnar bylgjulengdarleysir á sviði ljósleiðaraskynjunar, hefur heildarmarkmið rannsókna á stillanlegum þröngum ljósleiðaraleysirum á undanförnum árum verið að ná fram mikilli nákvæmni stillingu á stærra bylgjulengdarbili með því að sækjast eftir mjög þröngum leysilínubreidd, mjög lágum fasahávaða og mjög stöðugri úttakstíðni og afli.
1.3 Eftirspurn eftir hvítum leysigeislaljósgjafa
Á sviði ljósnema er hágæða hvítljóslaser mjög mikilvægur til að bæta afköst kerfisins. Því breiðara sem litróf hvítljóslasersins er, því víðtækari er notkun hans í ljósleiðaraskynjunarkerfum. Til dæmis, þegar ljósleiðara Bragg-grind (FBG) er notuð til að smíða skynjaranet, gæti litrófsgreining eða stillanleg síupassunaraðferð verið notuð til afmótunar. Hið fyrra notaði litrófsmæli til að prófa beint hverja FBG ómbylgjulengd í netinu. Hið síðara notaði viðmiðunarsíu til að rekja og kvarða FBG í skynjuninni, sem bæði krefjast breiðbandsljósgjafa sem prófunarljósgjafa fyrir FBG. Þar sem hvert FBG aðgangsnet mun hafa ákveðið innsetningartap og hefur bandvídd meira en 0,1 nm, krefst samtímis afmótun margra FBG breiðbandsljósgjafa með mikilli afköstum og mikilli bandvídd. Til dæmis, þegar notað er langtíma trefjagrind (LPFG) til skynjunar, þar sem bandvídd eins taptopps er í kringum 10 nm, þarf breiðvirka ljósgjafa með nægilega bandvídd og tiltölulega flatt litróf til að lýsa nákvæmlega eiginleikum ómsveiflutoppsins. Sérstaklega getur hljóðtrefjagrind (AIFG) sem er smíðuð með því að nota hljóð- og ljósfræðileg áhrif náð stillingarsviði með ómsveiflubylgjulengd allt að 1000 nm með rafstillingu. Þess vegna er prófun á kraftmiklum grindum með svona afar breiðu stillingarsviði mikil áskorun fyrir bandvíddarsvið breiðvirks ljósgjafa. Á sama hátt hefur hallað Bragg trefjagrind einnig verið mikið notað á sviði ljósleiðarskynjunar á undanförnum árum. Vegna eiginleika margpunkta taptopps getur bylgjulengdardreifingarsviðið venjulega náð 40 nm. Skynjunarkerfi þess er venjulega að bera saman hlutfallslega hreyfingu milli margra sendisviða, þannig að það er nauðsynlegt að mæla sendisvið þess að fullu. Bandvídd og afl breiðvirkra ljósgjafa þarf að vera hærri.
2. Staða rannsókna heima og erlendis
2.1 Þröng línubreidd leysigeislaljósgjafi
2.1.1 Þröng línubreidd hálfleiðara dreifð afturvirk leysir
Árið 2006 minnkuðu Cliche o.fl. MHz kvarðann á hálfleiðurum.DFB leysir(dreifður afturvirkur leysir) í kHz kvarða með rafknúinni afturvirkri aðferð; Árið 2011 notuðu Kessler o.fl. lághita og mikla stöðugleika einkristallahola ásamt virkri afturvirkri stýringu til að fá afar þrönga línubreidd leysigeisla upp á 40 MHz; Árið 2013 fengu Peng o.fl. hálfleiðara leysigeisla með línubreidd upp á 15 kHz með því að nota aðferðina með ytri Fabry-Perot (FP) afturvirkri aðlögun. Rafknúna afturvirkniaðferðin notaði aðallega Pond-Drever-Hall tíðnistöðugleika afturvirkni til að minnka leysigeislalínubreidd ljósgjafans. Árið 2010 framleiddu Bernhardi o.fl. 1 cm af erbíum-dópuðu áloxíð FBG á kísilloxíð undirlagi til að fá leysigeisla með línubreidd upp á um 1,7 kHz. Á sama ári, Liang o.fl. notaði sjálfsprautunarendurgjöf afturábaks Rayleigh-dreifingar sem myndaðist af bergmálsveggsómhermi með háu Q-gildi fyrir þjöppun á línubreidd hálfleiðara leysigeisla, eins og sýnt er á mynd 1, og fékk að lokum þrönga línubreidd leysigeislaúttak upp á 160 Hz.
Mynd 1 (a) Skýringarmynd af línubreiddarþjöppun hálfleiðara leysigeisla byggða á sjálfsprautandi Rayleigh-dreifingu ytri hvíslandi galleríhamsóma;
(b) Tíðnisvið frjálshlaupandi hálfleiðaraleysis með línubreidd 8 MHz;
(c) Tíðnisvið leysisins með línubreidd þjappaða niður í 160 Hz
2.1.2 Þrönglínubreidd trefjalaser
Fyrir trefjalasera með línulegum holrými fæst þröngt línubreidd leysigeisla með einni langsum stillingu með því að stytta lengd ómholfsins og auka lengdarstillingarbilið. Árið 2004 fengu Spiegelberg o.fl. úttak úr einni langsum stillingu, þröngt línubreidd leysigeisla með línubreidd upp á 2 kHz, með því að nota DBR stuttholsaðferð. Árið 2007 notuðu Shen o.fl. 2 cm þungt erbíum-dópað kísilþráð til að skrifa FBG á Bi-Ge samdópaðan ljósnæman trefja og sameinuðu hann við virkan trefja til að mynda þétt línulegt holrými, sem gerir línubreidd leysigeislans minni en 1 kHz. Árið 2010 notuðu Yang o.fl. 2 cm þungt, mjög dopað stutt línulegt holrými ásamt þröngbands FBG síu til að fá úttak úr einni langsum stillingu leysigeisla með línubreidd minni en 2 kHz. Árið 2014 notaði teymið stutt línulegt holrými (sýndarbrotinn hringómtæki) ásamt FBG-FP síu til að fá leysigeisla með þrengri línubreidd, eins og sýnt er á mynd 3. Árið 2012 notuðu Cai o.fl. 1,4 cm stutt holrýmisbyggingu til að fá skautunarleysigeisla með úttaksafli meiri en 114 mW, miðbylgjulengd 1540,3 nm og línubreidd 4,1 kHz. Árið 2013 notuðu Meng o.fl. Brillouin-dreifingu á erbíum-dópuðum trefjum með stuttu hringholrými í full-bias varðveislutæki til að fá einhliða, lágfasa hávaðaleysigeisla með úttaksafli upp á 10 mW. Árið 2015 notaði teymið hringholrými úr 45 cm erbíum-dópuðum trefjum sem Brillouin-dreifingarstyrkingarmiðil til að fá leysigeisla með lágu þröskuldi og þröngri línubreidd.
Mynd 2 (a) Skýringarmynd af SLC trefjalasernum;
(b) Línuform heteródínmerkisins mælt með 97,6 km ljósleiðaraseinkun
Birtingartími: 20. nóvember 2023