Artykuł metodologiczny

Optymalizacja optycznych analizatorów w dziedzinie czasu Brillouin w oparciu o inżynierię widma wzmocnienia

DOI:

10.3791/61115

⸱

11 maja 2020

 , 
1THz-Photonics Group, Technische Universität Braunschweig

W tym artykule

Podsumowanie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Przedstawiono protokół dla optycznych analizatorów w dziedzinie czasu Brillouin oparty na inżynierii widma wzmocnienia. Uzyskuje się poprawę wydajności wykrywania, w tym zasięgu wykrywania i rozdzielczości mierzonej wielkości, a także bada się nadmierne natężenie szumu Brillouina. Protokół wprowadza nowy sposób na zwiększenie wydajności rozproszonego wykrywania Brillouina.

Streszczenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zademonstrowana jest unikalna metoda wykrywania poprawy wydajności w optycznych analizatorach domeny czasu Brillouin (BOTDA). Widmo wzmocnienia Brillouina (BGS) jest nałożone na dwa symetryczne widma strat Brillouina (BLS). Prowadzi to do uzyskania złożonego, zaprojektowanego kształtu widma, który jest bardziej odporny na zakłócenia systemu czujników. Zamiast tylko jednej interakcji pompy i sondy, jak w konwencjonalnej konfiguracji BOTDA, wykorzystywane są trzy fale sondy optycznej, z których jedna znajduje się w BGS, a pozostałe dwie symetrycznie w BLS. Ze względu na odporność i niewrażliwość zaprojektowanego kształtu widma na szumy, wydajność wykrywania wzrasta o 60%, a rozdzielczość mierzonej wielkości jest podwojona.

Wprowadzenie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rozproszony czujnik światłowodowy (DFS) to unikalny mechanizm, który wykorzystuje całe światłowód jako medium wykrywające. Cieszy się dużym zainteresowaniem ze względu na niską utratę włókien; mały rozmiar; oraz możliwość łatwego osadzania w różnych konstrukcjach, takich jak tamy, mosty i budynki, w celu prowadzenia nadzoru środowiska jako sztuczny system nerwowy. W porównaniu z zastosowaniem wielu tradycyjnych czujników punktowych, takich jak światłowodowe siatki Bragga (FBG), zapewnia bardziej wydajne i ekonomiczne rozwiązanie w szerokim zakresie zadań detekcyjnych na dużą skalę, takich jak monitorowanie stanu infrastruktury i konstrukcji1.

Czujniki rozproszone prądem wykorzystują różne mechanizmy rozpraszania wewnątrz światłowodu do pomiaru temperatury i rozkładu odkształceń. Wśród nich DFS oparty na rozpraszaniu Brillouina jest najbardziej atrakcyjny ze względu na uderzające zalety wymuszonego rozpraszania Brillouina (SBS), takie jak wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR), niski próg oraz czułość zarówno na temperaturę2 jak i strain3. SBS można klasycznie opisać jako oddziaływanie między padającymi ciągłymi falami optycznymi (CW), tj. pompą, a przeciwbieżnie rozchodzącą się falą sondy CW za pomocą fali akustycznej. Zgodnie z zasadą zachowania energii i pędu, fala sondy jest przesunięta w dół częstotliwości do pompy. To przesunięcie nazywa się przesunięciem częstotliwości Brillouina (BFS). Biorąc pod uwagę skończony czas życia fali akustycznej 10 ns, istnieje skończony rozkład widmowy fali załamanej, zwany również widmem wzmocnienia Brillouina (BGS), w którym BFS jest różnicą częstotliwości między falą pompy a szczytową częstotliwością środkową. Interakcja między falami prowadzi do obszaru wzmocnienia przesuniętego w dół częstotliwości i obszaru utraty częstotliwości przesuniętego w górę, w którym fala sondy jest odpowiednio wzmacniana i tłumiona. W przypadku standardowego światłowodu jednomodowego (SSMF) w paśmie C, BFS ma około 11 GHz, a BGS ma kształt Lorentza z ultra wąskim pełnym szerokością do połowy maksimum (FWHM) 10-30 MHz, które można dodatkowo zmniejszyć do 3,4 MHz za pomocą określonych technik4,5,6,7. W oparciu o te cechy, SBS może być również stosowany w mikrofalowych filtrach fotonicznych8,9,10, filtry optyczne11, wolne i szybkie światło12,13,14 oraz spektroskopia optyczna o wysokiej rozdzielczości7,15.

Jednym z najbardziej obiecujących zastosowań SBS jest rozproszony czujnik Brillouin. Czujniki te wykorzystują zależność BFS od temperatury i odkształcenia. Pierwszym, który został zademonstrowany, był optyczny analizator domeny czasu Brillouin (BOTDA)16, który jest najbardziej skonsolidowaną techniką wykrywania Brillouina z rozproszeniem w dziedzinie czasu. Różni się od konwencjonalnej interakcji CW-SBS tym, że wykorzystuje interakcję SBS między impulsową falą pompy a sondą CW, dzięki czemu informacje środowiskowe są lokalnie sprawdzane na każdym odcinku światłowodu. Częstotliwość pompy lub sondy jest zwykle stała, podczas gdy sonda lub częstotliwość pompy jest skanowana w pobliżu BFS. Moc sondy jest rejestrowana do rekonstrukcji BGS, a BFS jest idealnie szczytową częstotliwością lokalnego BGS na każdym odcinku światłowodu. Jednak ze względu na nieunikniony szum systemowy, szczyt BGS jest zwykle niejednoznaczny i należy zastosować algorytm dopasowywania17, co prowadzi do pewnego błędu oszacowania w frequency18 i wpływa na rozdzielczość wielkości mierzonej.

Statystycznie, błąd oszacowania BFS jest odwrotnie proporcjonalny do stosunku sygnału do szumu systemu (SNR). Najprostszym sposobem na zwiększenie SNR jest zwiększenie mocy pompy i sondy. Są one jednak ograniczone przez niestabilność modulacji (MI)19 i efekty nielokalne (NLE)20,21 do ~20 dBm i -14 dBm, odpowiednio. Aby przełamać te ograniczenia, zaproponowano liczne techniki, takie jak kodowanie22 i Ramanowskie wzmocnienie inline-amplification23. Ostatnio pojawiły się doniesienia, że ten błąd częstotliwości można zminimalizować, wybierając odpowiedni algorytm dopasowania24. W związku z tym pomiary wykorzystujące fazę Brillouina i algorytm dopasowania liniowego mają również zmniejszony błąd częstotliwości25, co wskazuje na potencjał dobrze zaprojektowanego BGS do wykrywania poprawy wydajności. Inną opcją poprawy stosunku sygnału do szumów jest redukcja szumów. Jednak zgodnie z tradycyjnym punktem widzenia, szum systemu wykrywania pochodzi głównie z detektora (tj. szum w trybie wspólnym, w tym ciemny szum, odgłos strzału itp.)26,27 i poprawa jest mniej prawdopodobna.

Podstawową ideą tego artykułu jest inżynieria BGS poprzez superpozycję konwencjonalnego BGS z dwoma symetrycznymi widmami strat Brillouina (BLS) (zobacz Rysunek 1). W porównaniu z konwencjonalnym widmem BGS, które ma kształt Lorentza, zaprojektowane widmo jest ostrzejsze i bardziej wytrzymałe przy tym samym poziomie szumów systemowych. W związku z tym hałas ma mniejszy wpływ na określenie częstotliwości szczytowej. Można to zweryfikować, zbierając i dopasowując dane pomiarowe BGS statystycznie istotną liczbę razy. Ze względu na lepszą odporność na szumy, uzyskuje się poprawę wydajności wykrywania, w tym zasięg wykrywania o 60% i podwojenie rozdzielczości mierzonej wielkości, tj. 50% mniejszy błąd częstotliwości. Ze względu na udział pomiaru z interakcją strat Brillouina w części zaprojektowanego BGS, dokonuje się bezpośredniego porównania śladowego szumu z oddziaływaniem Brillouina i bez niego. Dzięki obejściu nadmiaru szumów Brillouin, ślad za pomocą zaprojektowanego BGS jest znacznie wyraźniejszy.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Schemat zaprojektowanego BGS poprzez nałożenie jednego widma wzmocnienia Brillouina i dwóch symetrycznych widm strat Brillouina. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Wybór zoptymalizowanych parametrów dla inżynierii widma za pomocą symulacji

  1. Modeluj inżynierię BGS gSBS(ν,z) za pomocą równań28,29
    figure-protocol-1
    zaimplementowany na przykład przez uzupełniający skrypt MATLAB.
    UWAGA: Tutaj G(ν) jest zespolonym współczynnikiem wzmocnienia, obliczonym w skrypcie jako G_complex w funkcji SBS_g dla konwencjonalnego BGS lub funkcji SBS_gl dla zaprojektowanego BGS; g(ν,z) jest lokalnym zespolonym przyrostem Brillouina; oraz gSBS i φSBS są rzeczywistą i urojoną częścią g(ν,z) i symbolizują odpowiedź fazową BGS i SBS odpowiednio w miejscu z od końca rozruchu pompy. W skrypcie gSBS jest symbolizowany przez zmienne SBS_g_log i SBS_gl_log odpowiednio dla konwencjonalnego i inżynieryjnego BGS w skali logarytmicznej. Pp = 20 dBm (P_pump w skrypcie) to szczytowa moc impulsu pompy na końcu wypuszczania światłowodu; νB to BFS (znormalizowany w skrypcie); g0 = 0,2 W-1 m-1 (g0 w skrypcie) to współczynnik wzmocnienia Brillouina; ΔνB = 50 MHz (gamma_B w skrypcie) oznacza FWHM BGS; α = 0,2 dB/km to współczynnik strat włókien, reprezentowany przez alpha_log i alpha_lin jako wartość odpowiednio w skali logarytmicznej i liniowej w skrypcie; ν jest częstotliwością fali sondy, tak aby przesunięcie częstotliwości pompy i sondy ν - νB było skanowane w zakresie od -250 MHz do 250 MHz. Przesunięcie częstotliwości pompy i sondy jest reprezentowane w skrypcie jako globalny wektor f. Termin g1 = mg0 jest współczynnikiem straty; 2d∙ΔνB jest przesunięciem częstotliwości między dwoma stratami; a Leff = 10 m (L_eff w skrypcie) to długość oddziaływania Brillouina dla szerokości impulsu 100 ns. Zaprojektowany kształt spektralny można łatwo dostosować, dostrajając dwa znormalizowane czynniki, m i d. Konwencjonalny BGS można modelować po prostu za pomocą m = 0.
  2. Dodaj losowy szum (tj. addytywny biały szum Gaussa) o tym samym poziomie zarówno na konwencjonalnym, jak i zaprojektowanym BGS. Dostosowanie parametru noise_level w skrypcie może zmienić poziom szumu.
  3. Dopasuj konwencjonalny hałaśliwy BGS do funkcji Lorentza (funkcja Lorentz_g_gain_fun w skrypcie), a zaprojektowany hałaśliwy BGS do nałożonej funkcji Lorentza (funkcja Lorentz_gl_gain_fun w skrypcie) (patrz Rysunek 2A).
  4. Określ przesunięcie częstotliwości szczytowej spowodowane szumem dla konwencjonalnego i inżynieryjnego BGS (Rysunek 2B).
  5. Powtórz kroki 1.2-1.4 dla N = 500 i zbierz wszystkie przesunięcia częstotliwości szczytowej Δfci i Δfpi (reprezentowane odpowiednio przez delta_g_g i delta_g_gl w skrypcie) odpowiednio dla konwencjonalnego i inżynieryjnego BGS w itym procesie.

figure-protocol-2
Rysunek 2: Symulowany BGS. (A) Demonstracja dopasowania typowego Lorentza (czerwonego) i inżynieryjnego (niebieskiego) BGS w symulacji. (B) Pik Lorentza BGS z (A). Δfci oznacza błąd oszacowania BFS dla konwencjonalnego BGS w i-tym pomiarze. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

  1. Obliczyć stosunek odchylenia standardowego błędów oszacowania BFS wywołanych hałasem jako:
    figure-protocol-3
  2. Wykreśl η jako funkcję m i d (patrz Rysunek 3A). Znajdź minimalną wartość ηmin i odpowiadające jej m i d. Przewaga dokładności szacowania zostanie utrzymana na całej powierzchni fiber28.
  3. Dostosuj wartość z (tj. długość włókna, również z w skrypcie) w równaniu (2) od 0 km do 60 km, krok 50 m i powtórz kroki 1.1-1.7 z wybranymi wartościami m i d. Następnie można uzyskać stosunek odchylenia standardowego w funkcji długości włókna (patrz Rysunek 3B).

2. Przygotuj i przetestuj konwencjonalną konfigurację BOTDA (podświetlony blok w Rysunek 4B)

  1. Włącz diodę laserową (LD) i sprawdź działanie diody LD za pomocą optycznego analizatora widma (OSA). Zwykle używana jest długość fali około 1,550 nm.
  2. Podłącz LD do łącznika optycznego (OC) 10:90. Sprawdź moc z wyjścia 10% OC. Jeśli moc jest wyższa niż 13 dBm (maksymalna moc wejściowa kodera polaryzacyjnego [Pol.S.]), zmniejsz moc wyjściową LD, obniżając prąd LD.
  3. Podłącz wyjście 10% OC do Pol.S. Aby uniknąć zanikania polaryzacji1, ustaw częstotliwość kodowania na 1 kHz.
  4. Sprawdź moc z wyjścia Pol.S. Jeśli moc jest wyższa niż -3 dBm (maksymalny limit mocy wejściowej półprzewodnikowego wzmacniacza optycznego [SOA]), dodawaj tłumiki, aż zapotrzebowanie na moc zostanie spełnione. Podłącz Pol.S. z architekturą SOA.
  5. Zastosuj sygnał elektrycznego ciągu impulsów o szerokości impulsu 100 ns i częstotliwości powtarzania 4 kHz z generatora impulsów (PG) na SOA. Upewnij się, że amplituda sygnału impulsowego jest wyższa niż próg logiki tranzystor-tranzystor (TTL) SOA (tj. 4 dBm), a częstotliwość powtarzania spełnia wymóg rundy powrotnej30.
  6. Podłącz wyjście z SOA do wzmacniacza światłowodowego domieszkowanego erbem (EDFA 1) i pracuj z EDFA w trybie automatycznej kontroli prądu (ACC). Podłącz wyjście z EDFA 1 do portu 1 pompy cyrkulacyjnej (Cir).
  7. Sprawdź optyczny sygnał impulsowy z portu 2 Cir w digitizerze, łącząc go z fotodiodą (PD). Aby uniknąć uszkodzenia wyładowań niezupełnych, konieczne jest wystarczające tłumienie.
  8. Oblicz szczytową moc impulsu optycznego na podstawie kształtu fali zmierzonego w digitizerze. Szczytową moc optyczną Po szacuje się według wzoru
    figure-protocol-4
    gdzie VE jest szczytowym napięciem impulsu elektrycznego, a R i Rf są responsywnością i transrezystancją WNZ. W tych obliczeniach należy uwzględnić tłumienie ochrony, aby ocenić prawidłową moc wejściową pompy do badanego światłowodu (FUT, 10,6 km).
  9. Zwróć uwagę na wartość prądu EDFA I20, gdy obliczona szczytowa moc impulsu optycznego osiągnie 20 dBm (próg MI19). Współczynnik ekstynkcji (ER) ciągu impulsów optycznych można ocenić zgodnie z zasadą zachowania energii:
    figure-protocol-5
    gdzie Pavg jest średnią mocą optyczną ciągu impulsów; frep oznacza częstotliwość powtórzeń; a τ jest szerokością impulsu. ER SOA wynosi zwykle ponad 30 dBm, skutecznie unikając NLE31,32.
    UWAGA: Wyłącz EDFA przed odłączeniem PD i kontynuowaniem budowy systemu.
  10. Podłącz port 2 Cir do jednego końca FUT, aby zakończyć konfigurację gałęzi pompy. Sprawdź, czy system będzie cierpiał z powodu MI, sprawdzając widmo z drugiego końca FUT w OSA i ustawiając EDFA na stałą wartość prądu, I20. Jeśli wykryte widmo jest takie samo (pod względem kształtu, niekoniecznie amplitudy) jak zmierzone w kroku 2.1, oznacza to, że system jest wolny od zawału prądu. W przeciwnym razie, gdy zaobserwuje się oczywiste poszerzenie widma lub podział pików33, zmniejsz prąd EDFA 1, aby zachować kształt widma.
  11. Podłącz wyjście 90% OC do OC 50:50 OC 1 i podłącz jedno z wyjść OC 1 do modulatora Mach-Zehnder (MZM 1) za pomocą regulatora polaryzacji (PC). Ustaw prawidłowo polaryzację, aby moc wyjściowa z MZM 1 była zmaksymalizowana (wyrównanie polaryzacji).
  12. Zastosuj sygnał o częstotliwości radiowej (RF) z generatora RF (RFG 1) z BFS FUT (dla SSMF około 11 GHz) i amplitudą 16 dBm do MZM 1. Ustaw napięcie polaryzacji DC MZM 1 tak, aby nośna była stłumiona do minimum.
  13. Połącz wyjście MZM 1 z światłowodową kratką Bragga (FBG 1). Sprawdź widmo wyjściowe z FBG 1 w OSA, tak aby FBG 1 był ustawiony tak, aby blokować górną wstęgę boczną częstotliwości i nośną.
  14. Podłącz kolejno wyjście z FBG 1 do EDFA 2, kolejne 50:50 OC 2 i izolator (ISO).
  15. Uruchom EDFA 2 również w trybie ACC i ustaw aktualną wartość na Ig, tak aby moc wyjściowa z ISO była niższa niż -14 dBm, minimalizując NLE20. Wyłącz EDFA przed odłączeniem miernika mocy i kontynuuj budowę systemu. Podłącz wyjście ISO do drugiego końca FUT, aby zakończyć tworzenie konfiguracji gałęzi sondy wzmocnienia.
  16. Podłącz port Cir 3 do EDFA 4 (dla pre-amplifikacji34) i PD. Ustaw EDFA w trybie ACC. Aktualna wartość I4 powinna pozwolić, aby moc wyjściowa z EDFA była o 4 mniejsza niż limit wejściowy PD. Podłącz wyjście PD RF do filtra dolnoprzepustowego RF 10 MHz35,36. Podłącz wyjście filtra do digitizera.
  17. Połącz spust digitizera z zsynchronizowanym (lub odwróconym) wyjściem generatora impulsów. Ustaw parametry digitizera w następujący sposób: Częstotliwość próbkowania: 500 MSa/s; Średnio: 4 096 razy; Liczba próbek: 10 000.
  18. Ustaw bieżącą wartość EDFA 1, EDFA 2 i EDFA 4 odpowiednio na I20, Ig i I4. Uruchom program do nagrywania śladów. Sprawdź ślad zmierzony w digitizerze. Jeśli amplituda śladu jest zgodna z zanikiem wykładniczym, oznacza to, że system wykrywania jest wolny od MI. W przeciwnym razie zmniejsz bieżącą wartość EDFA 1.

3. Pomiar przy użyciu konwencjonalnej konfiguracji BOTDA i przetwarzania danych

  1. Ustaw wartości EDFA 1 i EDFA 2 odpowiednio na I20 i Ig. Skanuj częstotliwość RFG 1 w zakresie BFS ± 90 MHz z krokiem co 1 MHz. Zapisuj ślad z programu rejestrującego po każdym kroku skanowania.
  2. Oblicz lokalne wzmocnienie Brillouina, dzieląc amplitudę śladową (w okresie oddziaływania Brillouina) przez każde przesunięcie DC (okres oddziaływania bez Brillouina).
  3. Pobierz BGS na każdej sekcji światłowodu, dopasowując zmierzony hałaśliwy BGS do łącznika Lorentza. Określić FWHM konwencjonalnego BGS ΔνB0 z łącznika.
  4. Powtórz kroki 3.1 i 3.2 dla N = 48 razy i zbierz wszystkie szacowane rozkłady częstotliwości pików (BFS) wzdłuż włókna νBci(z) w i-tym procesie (patrz Rysunek 5A).
  5. Oblicz błąd oszacowania BFS jako odchylenie standardowe dopasowanego BFS dla każdej sekcji włókna w 48 pomiarach (patrz Rysunek 5B).

4. Przygotowanie reszty ustawień

UWAGA: W tym przypadku użyto m = 1 i d = 1,24, zgodnie z wynikami symulacji (patrz sekcja 1 i Rysunek 3).

  1. Podłącz drugie wyjście 50:50 OC 1 w gałęzi sondy do EDFA 3 i 50:50 OC 3.
  2. Podłącz jedno z wyjść 50:50 OC 3 do komputera i MZM 2. Dostosuj polaryzację tak, aby moc wyjściowa z MZM 2 była zmaksymalizowana.
  3. Zastosuj sygnał RF z RFG 2 z BFS - d∙ΔνB0 i amplitudą 16 dBm na MZM 2. Sprawdź widmo modulacji w OSA i dostosuj napięcie polaryzacji, aby zminimalizować amplitudę nośnej.
  4. Podłącz wyjście z MZM 2 do wejścia przełącznika optycznego (OS 1), jednego z wejść 50:50 OC 4 i FBG 2.
  5. Sprawdź sygnał optyczny w OSA i dostosuj środkową długość fali FBG 2 tak, aby nośna i wstęga boczna dolnej częstotliwości były zablokowane (patrz Rysunek 4A). Konfiguracja gałęzi sondy straty 1 zostanie zakończona.
  6. Podłącz drugie wyjście 50:50 OC 3 do komputera i MZM 3. Dostosuj polaryzację tak, aby moc wyjściowa z MZM 3 była zmaksymalizowana.
  7. Zastosuj sygnał RF z RFG 3 z BFS + d∙ΔνB0 i amplitudą 16 dBm na MZM 3. Sprawdź widmo modulacji w OSA i dostosuj napięcie polaryzacji, aby zminimalizować amplitudę nośnej.
  8. Podłącz wyjście z MZM 3 do zmiennego tłumika optycznego (VOA) z funkcją przełączania (OS 2) i drugim wejściem 50:50 OC 4. Biorąc pod uwagę, że przesunięcie między częstotliwościami sondy stratnej jest stosunkowo małe w porównaniu z oknem transmisyjnym FBG 2 (kilka GHz), nośna i pasmo boczne niższej częstotliwości z MZM 3 również będą blokowane przez FBG 2. Konfiguracja gałęzi sondy loss 2 zostanie zakończona.
  9. Zamknij OS 1, otwórz OS 2 i ustaw wartość prądu EDFA 3 na Il, tak aby moc sondy stratnej 1 wynosiła -14 dBm (m = 1).
  10. Otwórz OS 1, zamknij OS 2 i dostosuj tłumienie VOA tak, aby moc sondy loss 2 również wynosiła -14 dBm.

5. Pomiar przy użyciu kompletnej proponowanej konfiguracji BOTDA i przetwarzania danych

  1. Zamknij OS 1, zamknij OS 2 i ustaw bieżącą wartość EDFA 1, EDFA 2, EDFA 3 i EDFA 4 odpowiednio na I20, Ig, Il i I4. Skanuj częstotliwość RFG 1 w zakresie BFS ± 90 MHz w krokach co 1 MHz. Częstotliwości z RFG 2 i RFG 3 skanują odpowiednio. Zapisz ślad z programu po każdym kroku skanowania.
  2. Oblicz lokalne wzmocnienie Brillouina jak w kroku 3.2 i pobierz zaprojektowany BGS w każdej sekcji włókna, dopasowując zmierzony szum BGS do nałożonej funkcji Lorentza.
  3. Powtórz kroki 5.1 i 5.2 dla N = 48 razy i zbierz wszystkie szacowane rozkłady częstotliwości pików (BFS) wzdłuż włókna νBpi(z) w i-tym procesie (patrz Rysunek 5A).
  4. Oblicz błąd oszacowania BFS jako odchylenie standardowe dopasowanego BFS dla każdej sekcji włókna w 48 pomiarach (patrz Rysunek 5B).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 3 pokazuje wyniki symulacji. Punkty z η < 1 w Rysunek 3A wskazują mniejszy błąd częstotliwości (wyższa rozdzielczość mierzonej wielkości) z zaprojektowanym BGS. Im niższa wartość, tym większa przewaga. Minimalny współczynnik wynosił m = 1, co wskazuje, że można przeprowadzić schemat multisondy zamiast wielopompowego (patrz Dyskusja). Rysunek 3B pokazuje rozk...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Najbardziej krytycznym krokiem podczas eksperymentu jest wyrównanie trzech mocy sondy tak, aby uzyskać m = 1 i symetrię między dwoma widmami strat Brillouina. Oprócz oddzielnej kontroli mocy za pomocą miernika mocy na porcie Cir 2, jak pokazano w krokach 4.9 i 4.10, wyrównanie mocy można dokładniej sprawdzić w digitizerze. Ustawiając częstotliwość RF 1 na ~11 GHz (światłowód BFS) i wyłączając EDFA 3, konwencjonalna ścieżka ze wzmocnieniem szczytowym może zostać zapisana w digitizerze (ścieżka I). Następnie częst...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych. Thomas Schneider jest pracownikiem Technische Universität Braunschweig. Cheng Feng otrzymuje dofinansowanie od Niemieckiej Fundacji Badawczej i Niedersächsisches Vorab.

Podziękowania

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cheng Feng pragnie podziękować za wsparcie finansowe ze strony Niemieckiej Fundacji Badawczej (SCHN 716/13-1, 716/15-2, 716/18-1, 716/26-1) i Niedersächsisches Vorab (Projekt NL-4 "QUANOMET").

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Regulator prądu do diody laserowejILX LightwaveLDX3220
DigitizerAcqiris SAU5309A-1039
Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem 1PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem 2LiCommOFA-TCH
Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem 3Calmar OptcomAMP-ST30
Wzmacniacz światłowodowy domieszkowany erbem 4PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
Światłowodowa siatka Bragga 1Zaawansowane rozwiązania optyczneBragga T-FBG
2Zaawansowane rozwiązania optyczneT-FBG
w testachizolatora
General PhotonicsS-15-NTSS
3SP GroupA1905 LMI
Modulator Mach-Zehnder 1AvanexIM10
Modulator Mach-Zehnder 2AvanexIM10
Modulator Mach-Zehnder 3AvanexIM10
Nanosekundowa płytka sterująca do półprzewodnikowego wzmacniacza optycznegoHighland TechnologyT160-9 (28A160-9C)
Łącznik optyczny 10:90Łącznik stołowy Newport/WDM
Łącznik optyczny 50:50Newport/WDM
Optyczny analizator widmaHewlett Packard86145A
Przełącznik optyczny 1JDSUSN12-1075NC
FotodiodaThorlabsD400FC
Scrambler polaryzacyjnyGeneral PhotonicsPSY-101
Generator PulaseHewlett Packard8082A
Generator funkcji radiowych 1AnritsuMG3692C
Generator funkcji radiowych 2Agilent TechnologyE8257D
Generator funkcji radiowych 3HTMT2100
Półprzewodnikowy wzmacniacz optycznyThorlabsSOA1013SXS
Regulator temperatury do diody laserowejILX LightwaveLDT5948
Regulator temperatury do półprzewodnikowego wzmacniacza optycznegoTektronixTED200
Zmienny tłumik optycznyJDSUmVOA-A1Z funkcją przełącznika optycznego
Siatka światłowodowa Włókno Dioda laserowa Łącznik stołowy

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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 optical silica fibers. Applied Optics. 29 (15), 2219-2222 (1990).
  3. Horiguchi, T., Kurashima, T., Tateda, M. Tensile strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers. IEEE Photonics Technology Letters. 1 (5), 107-108 (1989).
  4. Preussler, S., Wiatrek, A., Jamshidi, K., Schneider, T. Brillouin scattering gain bandwidth reduction down to 3.4MHz. Optics Express. 19 (9), 8565-8570 (2011).
  5. Wiatrek, A., Preußler, S., Jamshidi, K., Schneider, T. Frequency domain aperture for the gain bandwidth reduction of stimulated Brillouin scattering. Optics Letters. 37 (5), 930-932 (2012).
  6. Preussler, S., Schneider, T. Bandwidth reduction in a multistage Brillouin system. Optics Letters. 37 (19), 4122-4124 (2012).
  7. Preussler, S., Schneider, T. Stimulated Brillouin scattering gain bandwidth reduction and applications in microwave photonics and optical signal processing. Optical Engineering. 55 (3), 031110(2015).
  8. Wei, W., Yi, L., Jaouen, Y., Morvan, M., Hu, W. Brillouin Rectangular Optical Filter with Improved Selectivity and Noise Performance. IEEE Photonics Technology Letters. 27 (15), 1593-1596 (2015).
  9. Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. The Influence of Dispersion on Stimulated Brillouin Scattering Based Microwave Photonic Notch Filters. Journal of Lightwave Technology. 36 (22), 5145-5151 (2018).
  10. Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. Investigation of the Dispersion Effect on Stimulated Brillouin Scattering based Microwave Photonic Notch Filters. 2018 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). , 1-4 (2018).
  11. Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. Sharp tunable and additional noise-free optical filter based on Brillouin losses. Photonics Research. 6 (2), 132-137 (2018).
  12. Henker, R., et al. Gain enhancement in multiple-pump-line Brillouin-based slow light systems by using fiber segments and filter stages. Applied Optics. 48 (29), 5583-5588 (2009).
  13. Zhang, L., et al. Superluminal propagation at negative group velocity in optical fibers based on Brillouin lasing oscillation. Physical Review Letters. 107 (9), 93903(2011).
  14. Xing, L., Zhan, L., Xia, Y. Large delay tunable slow-light based on high-gain stimulated-Brillouin-scattering amplification in optical fibers. Chinese Science Bulletin. 54 (21), 3947-3952 (2009).
  15. Preussler, S., Wiatrek, A., Jamshidi, K., Schneider, T. Ultrahigh-resolution spectroscopy based on the bandwidth reduction of stimulated brillouin scattering. IEEE Photonics Technology Letters. 23 (16), 1118-1120 (2011).
  16. Horiguchi, T., Tateda, M. Optical-fiber-attenuation investigation using stimulated Brillouin scattering between a pulse and a continuous wave. Optics Letters. 14 (8), 408-410 (1989).
  17. Feng, C., Emad Kadum, J., Schneider, T. The State-of-the-Art of Brillouin Distributed Fiber Sensing. Brillouin Distributed and Fiber-bragg-grating-based Fiber Sensing - Principle, Measurement and Applications. , (2019).
  18. Soto, M. A., Thévenaz, L. Modeling and evaluating the performance of Brillouin distributed optical fiber sensors. Optics Express. 21 (25), 31347-31366 (2013).
  19. Alem, M., Soto, M. A., Thévenaz, L. Analytical model and experimental verification of the critical power for modulation instability in optical fibers. Optics Express. 23 (23), 29514-29532 (2015).
  20. Thévenaz, L., Mafang, S. F., Lin, J. Effect of pulse depletion in a Brillouin optical time-domain analysis system. Optics Express. 21 (12), 14017-14035 (2013).
  21. Iribas, H., Urricelqui, J., Mompó, J. J., Mariñelarena, J., Loayssa, A. Non-Local Effects in Brillouin Optical Time-Domain Analysis Sensors. Applied Sciences. 7 (8), 761(2017).
  22. Soto, M. A., Le Floch, S., Thévenaz, L. Bipolar optical pulse coding for performance enhancement in BOTDA sensors. Optics Express. 21 (14), 16390-16397 (2013).
  23. Angulo-Vinuesa, X., Martin-Lopez, S., Corredera, P., Gonzalez-Herraez, M. Raman-assisted Brillouin optical time-domain analysis with sub-meter resolution over 100 km. Optics Express. 20 (11), 12147(2012).
  24. Haneef, S. M., Yang, Z., Thévenaz, L., Venkitesh, D., Srinivasan, B. Performance analysis of frequency shift estimation techniques in Brillouin distributed fiber sensors. Optics Express. 26 (11), 14661-14677 (2018).
  25. Lopez-Gil, A., et al. Evaluation of the accuracy of BOTDA systems based on the phase spectral response. Optics Express. 24 (15), 17200-17214 (2016).
  26. Urricelqui, J., Soto, M. A., Thévenaz, L. Sources of noise in Brillouin optical time-domain analyzers. 24th International Conference on Optical Fibre Sensors. 9634, 963434(2015).
  27. Zornoza, A., Sagues, M., Loayssa, A. Self-heterodyne detection for SNR improvement and distributed phase-shift measurements in BOTDA. Journal of Lightwave Technology. 30 (8), 1066-1072 (2012).
  28. Feng, C., Lu, X., Preussler, S., Schneider, T. Gain Spectrum Engineering in Distributed Brillouin Fiber Sensors. Journal of Lightwave Technology. 37 (20), 5231-5237 (2019).
  29. Feng, C., Lu, X., Preussler, S., Schneider, T. Measurement accuracy enhancement of distributed Brillouin sensors based on gain spectrum engineering. Seventh European Workshop on Optical Fibre Sensors. 11199, 9(2019).
  30. Peled, Y., Motil, A., Tur, M. Fast Brillouin optical time domain analysis for dynamic sensing. Optics Express. 20 (8), 8584-8591 (2012).
  31. Feng, C., Iribas, H., Marinelaerña, J., Schneider, T., Loayssa, A. Detrimental Effects in Brillouin Distributed Sensors Caused By EDFA Transient. Conference on Lasers and Electro-Optics. , JTu5A.85(2017).
  32. Iribas, H., et al. Effects of pump pulse extinction ratio in Brillouin optical time-domain analysis sensors. Optics Express. 25 (22), 27896-27911 (2017).
  33. Tai, K., Hasegawa, A., Tomita, A. Observation of modulational instability in optical fibers. Physical Review Letters. 56 (2), 135-138 (1986).
  34. De Souza, K., Newson, T. P. Brillouin-based fiber-optic distributed temperature sensor with optical preamplification. Optics Letters. 25 (18), 1331(2000).
  35. Feng, C., Preussler, S., Emad Kadum, J., Schneider, T. Measurement Accuracy Enhancement via Radio Frequency Filtering in Distributed Brillouin Sensing. Sensors. 19 (13), 2878(2019).
  36. Kadum, J., Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. Improvement of the measurement accuracy of distributed Brillouin sensing via radio frequency filtering. Seventh European Workshop on Optical Fibre Sensors. 19 (13), 3(2019).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Optyczny analizator domeny czasowej Brillouinawidmo wzmocnienia Brillouinawidmo strat Brillouinaoptyczne fale sondypoprawa wydajno ci pomiarowejpoprawa rozdzielczo ci mierzonej wielko citechnika odporno ci na szumysymetryczna superpozycja widmkonfiguracja tr jsondowa
Film wkrótce dostępny

Powiązane artykuły