방법 논문

Gain Spectrum Engineering을 기반으로 한 Brillouin Optical Time-Domain Analyzer 최적화

DOI:

10.3791/61115

⸱

2020년 5월 11일

 , 
1THz-Photonics Group, Technische Universität Braunschweig

이 논문에서

요약

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이득 스펙트럼 엔지니어링을 기반으로 하는 Brillouin 광학 시간 영역 분석기를 위한 프로토콜이 제시됩니다. 감지 범위 및 측정 분해능을 포함한 감지 성능의 향상이 달성되고 과도한 Brillouin 강도 잡음이 연구됩니다. 이 프로토콜은 분산 브릴루인 감지 성능을 향상시키는 새로운 방법을 도입합니다.

초록

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Brillouin 광학 시간 영역 분석기(BOTDA)에서 성능 향상을 감지하는 고유한 방법을 시연했습니다. Brillouin 이득 스펙트럼(BGS)에는 두 개의 대칭 Brillouin 손실 스펙트럼(BLS)이 중첩됩니다. 이로 인해 감지 시스템 잡음에 더 잘 견디는 복잡하게 설계된 스펙트럼 모양이 생성됩니다. 기존 BOTDA 설정에서와 같이 하나의 펌프와 프로브가 상호 작용하는 대신 3개의 광학 프로브 웨이브가 활용되며, 하나의 프로브는 BGS에 있고 다른 두 개는 BLS에 대칭으로 있습니다. 엔지니어링된 스펙트럼 모양의 잡음에 대한 저항과 둔감성으로 인해 감지 성능이 60% 향상되고 측정 분해능이 두 배로 증가합니다.

서론

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DFS(Distributed Fiber Sensing)는 전체 광섬유를 감지 매체로 사용하는 고유한 메커니즘입니다. 섬유 손실이 적기 때문에 많은 관심을 끌었습니다. 작은 크기; 댐, 교량, 건물 등 다양한 구조물에 쉽게 매립되어 인공 신경계로 환경 감시를 수행할 수 있는 능력. 광섬유 브래그 격자(FBG)와 같은 수많은 기존 포인트 센서를 적용하는 것과 비교하여 인프라 및 구조 건전성 모니터링1과 같은 광범위한 대규모 감지 작업에서 보다 효율적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공합니다.

전류 분산 센서는 광섬유 내부의 다양한 산란 메커니즘을 활용하여 온도와 변형률 분포를 측정합니다. 그 중 브릴루인 산란을 기반으로 하는 DFS는 높은 신호 대 잡음비(SNR), 낮은 임계값, 온도2 및 변형률3에 대한 민감도와 같은 유도 브릴루인 산란(SBS)의 눈에 띄는 장점으로 인해 가장 매력적입니다. SBS는 고전적으로 입사 광학 연속파(CW), 즉 펌프와 음파를 통한 역전파 CW 프로브파 간의 상호 작용으로 설명할 수 있습니다. 에너지와 운동량의 보존에 따라 프로브 파동은 펌프로 주파수 하향 이동됩니다. 이러한 이동을 브릴루인 ....

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프로토콜

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1. 시뮬레이션을 통한 스펙트럼 엔지니어링에 최적화된 파라미터 선택

  1. 방정식28,29를 사용하여 엔지니어링된 BGS gSBS(ν,z)를 모델링합니다.
    figure-protocol-1
    예를 들어, 추가 MATLAB 스크립트에 의해 구현됩니다.
    참고: 여기서 G(ν)는 기존 BGS의 SBS_g 함수 또는 엔지니어링된 BGS의 SBS_gl 함수 내에서 G_complex 스크립트에서 계산된 복합 이득 계수입니다. g(ν,z)는 국소 복소 브릴루인 이득입니다. gSBS 및 φSBS는 g(ν,z)의 실수 및 허수 부분이며 각각 펌프 발사 끝에서 z 위치에서 BGS 및 SBS 위상 응답을 ....

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결과

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그림 3은 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 그림 1A에서 η < 3 점이 있으면 엔지니어링된 BGS에서 더 작은 주파수 오류(더 높은 측정 분해능)를 나타냅니다. 값이 낮을수록 이점이 커집니다. 최소 비율은 m = 1이었으며, 이는 다중 펌프 방식 대신 다중 프로브를 수행할 수 있음을 나타냅니다(토론 참조). 그림 3B는 m 및 d에 대해 선택된 매개변수와 함께 광섬유를 따라 η 주파수 오류 비율의 분포를 보여줍니다. 대시선은 동일한 주파수 오류 허용 오차(측정 분해능 요구 사항)에서 감지 범위 확장을 나타냅니다. 60%의 최대 감지 범위 확장이 표시됩니다. 실험은

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토론

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실험 중 가장 중요한 단계는 m = 1이고 두 Brillouin 손실 스펙트럼 간의 대칭이 달성되도록 세 개의 프로브 파워를 균등화하는 것입니다. 4.9 및 4.10 단계에서 제시된 바와 같이 Cir 포트 2의 전력계를 사용한 별도의 전력 확인 외에도 디지타이저에서 전력 이퀄라이제이션을 보다 정확하게 확인할 수 있습니다. RF 1 주파수를 ~11GHz(광섬유 BFS)로 설정하고 EDFA 3을 끄면 피크 이득이 있는 기존 트레이스를 디지타이저(트레이스 I)에 기록할 수 있습니다. 그런 다음 RF 2 및 RF 3 주파수는 각각 BFS - d∙ΔνB0 및 BFS + d∙Δν B0로 설정됩니다. EDFA 2를 끄고 EDFA 3을 켜면 OS 1과 OS 2를 각각 닫으면 하한(트레이스 2) 및 상위 주파수(트레이스 3)에서 손실이.......

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공개 사항

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저자는 경쟁하는 재정적 이해관계가 없다고 선언합니다. 토마스 슈나이더(Thomas Schneider)는 브라운슈바이크 공과대학교(Technische Universität Braunschweig)의 직원입니다. Cheng Feng은 독일 연구 재단과 Niedersächsisches Vorab으로부터 자금을 지원받습니다.

감사의 글

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쳉펑(Cheng Feng)은 독일연구재단(SCHN 716/13-1, 716/15-2, 716/18-1, 716/26-1)과 Niedersächsisches Vorab(NL-4 프로젝트 "QUANOMET")의 재정적 지원에 감사를 표한다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
레이저 다이오드 ILX광파LDX3220
디지타이저Acqiris SAU5309A-1039
에르븀 도핑 광섬유 증폭기 1PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
에르븀 도핑 광섬유 증폭기 2LiCommOFA-TCH
에르븀 도핑 광섬유 증폭기 3Calmar OptcomAMP-ST30
에르븀 도핑 광섬유 증폭기 4PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
파이버 브래그 격자 1고급 광학 솔루션T-FBG
파이버 브래그 격자 2고급 광학 솔루션T-FBG
파이버대상
아이솔레이터General PhotonicsS-15-NTSS
레이저 다이오드3SP GroupA1905 LMI
Mach-Zehnder 변조기 1AvanexIM10
Mach-Zehnder 변조기 2AvanexIM10
Mach-Zehnder 변조기 3AvanexIM10
나노초 구동 보드Highland TechnologyT160-9 (28A160-9C)
광 커플러 10:90Newport벤치탑 커플러/WDM
광 커플러 50:50Newport벤치탑 커플러/WDM
광 스펙트럼 분석기Hewlett Packard86145A
광 스위치 1JDSUSN12-1075NC
포토다이오드ThorlabsD400FC
편광 스크램블러General PhotonicsPSY-101
풀라제 발생기Hewlett Packard8082A
무선 함수 발생기 1AnritsuMG3692C
무선 함수 발생기 2Agilent TechnologyE8257D
무선 함수 발생기 3HTMT2100
반도체 광 증폭기ThorlabsSOA1013SXS
레이저 다이오드 ILX광파LDT5948
용 온도 컨트롤러 반도체 광 증폭기TektronixTED200
가변 광 감쇠기JDSUmVOA-A1광 스위치 기능 포함
테스트 반도체 광 증폭기 용 온도 컨트롤러

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Motil, A., Bergman, A., Tur, M. [INVITED] State of the art of Brillouin fiber-optic distributed sensing. Optics & Laser Technology. 78, 81-103 (2016).
  2. Kurashima, T., Tateda, M. Thermal effects on the Brillouin frequency shift in jacketed optic....

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재인쇄 및 허가

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