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Method Article
Un protocole pour les analyseurs optiques Brillouin dans le domaine temporel basé sur l’ingénierie du spectre de gain est présenté. Des améliorations des performances de détection, y compris la portée de détection et la résolution de mesure, sont obtenues et le bruit d’intensité Brillouin excédentaire est étudié. Le protocole introduit une nouvelle façon d’améliorer les performances de détection Brillouin distribuée.
La démonstration d’une méthode unique d’amélioration des performances de détection dans les analyseurs optiques dans le domaine temporel (BOTDA) Brillouin. Un spectre de gain Brillouin (BGS) est superposé à deux spectres symétriques de perte Brillouin (BLS). Cela conduit à une forme de spectre complexe qui est plus résistante au bruit du système de détection. Au lieu d’une seule interaction entre la pompe et la sonde comme dans la configuration BOTDA conventionnelle, trois ondes de sonde optiques sont exploitées, une sonde étant située dans le BGS et les deux autres symétriquement dans le BLS. En raison de la résistance et de l’insensibilité de la forme du spectre au bruit, les performances de détection sont améliorées de 60 % et la résolution du mesurande est doublée.
La détection distribuée par fibre (DFS) est un mécanisme unique qui utilise une fibre entière comme support de détection. Il a suscité beaucoup d’intérêt en raison de la faible perte de fibre ; petite taille ; et la capacité d’être facilement intégré dans diverses structures, telles que des barrages, des ponts et des bâtiments, pour effectuer une surveillance de l’environnement en tant que système nerveux artificiel. Par rapport à l’application de nombreux capteurs ponctuels traditionnels, tels que les réseaux de Bragg à fibre (FBG), il offre une solution plus efficace et plus rentable dans un large éventail de tâches de détection à grande échelle, telles que la surveillance de l’infrastructure et de l’état desstructures1.
Les capteurs distribués en courant exploitent différents mécanismes de diffusion à l’intérieur de la fibre pour mesurer la température et la distribution de la déformation. Parmi eux, le DFS basé sur la diffusion Brillouin est le plus attrayant en raison des avantages frappants de la diffusion Brillouin stimulée (SBS), tels que le rapport signal/bruit (SNR) élevé, le seuil bas et la sensibilité à la fois à la température2 et à la déformation3. La SBS peut être classiquement décrite comme une interaction entre les ondes optiques continues (CW) incidentes, c’est-à-dire la pompe, et l’onde de sonde CW à contre-propagation via une onde acoustique. En fonction de la conservation de l’énergie et de la quantité de mouvement, la fréquence de l’onde de la sonde est rétrogradée à la pompe. Ce décalage est appelé décalage de fréquence de Brillouin (BFS). Si l’on considère la durée de vie finie d’une onde acoustique de 10 ns, il existe une distribution spectrale finie de l’onde réfractée, également appelée spectre de gain de Brillouin (BGS), dans laquelle le BFS est la différence de fréquence entre l’onde de pompe et la fréquence centrale de crête. L’interaction entre les ondes conduit à une région de gain décalée en fréquence et à une région de perte décalée en fréquence où l’onde de sonde est amplifiée et atténuée, respectivement. Pour une fibre monomode standard (SSMF) en bande C, le BFS est d’environ 11 GHz et le BGS a une forme lorentzienne avec une largeur totale ultra-étroite à mi-hauteur (FWHM) de 10-30 MHz, qui peut être encore réduite à 3,4 MHz avec des techniques spécifiques 4,5,6,7. Sur la base de ces caractéristiques, le SBS peut également être appliqué dans les filtres photoniques à micro-ondes 8,9,10, les filtres optiques11, la lumière lente et rapide 12,13,14 et la spectroscopie optique à haute résolution 7,15.
L’une des applications les plus prometteuses de la SBS est la détection Brillouin distribuée. Ces capteurs exploitent la dépendance du BFS à la température et à la déformation. Le premier à avoir été présenté a été l’analyseur optique dans le domaine temporel Brillouin (BOTDA)16, qui est la technique de détection Brillouin distribuée dans le domaine temporel la plus consolidée. Elle diffère de l’interaction conventionnelle CW-SBS en ce qu’elle exploite l’interaction SBS entre une onde de pompe pulsée et une sonde CW de sorte que les informations environnementales sont interrogées localement sur chaque section de fibre. La fréquence de la pompe ou de la sonde est généralement fixe pendant que la fréquence de la sonde ou de la pompe est balayée à proximité du BFS. La puissance de la sonde est enregistrée pour la reconstruction du BGS et le BFS est idéalement la fréquence de crête du BGS local à chaque section de fibre. Cependant, en raison de l’inévitable bruit du système, le pic BGS est généralement ambigu et un algorithme d’ajustement doit être appliqué17, ce qui conduit à une certaine erreur d’estimation de la fréquence18 et influence la résolution du mesure.
Statistiquement, l’erreur d’estimation BFS est inversement proportionnelle au rapport signal/bruit (SNR) du système. La façon la plus simple d’améliorer le SNR est d’augmenter la puissance de la pompe et de la sonde. Cependant, ceux-ci sont limités par l’instabilité de modulation (MI)19 et les effets non locaux (NLE)20,21 à ~20 dBm et -14 dBm, respectivement. De nombreuses techniques, telles que le codage22 et l’amplification en ligne basée sur Raman23, ont été proposées pour briser ces limites. Récemment, il a été rapporté que cette erreur de fréquence peut être minimisée en choisissant un algorithme d’ajustement approprié24. De même, les mesures exploitant la phase Brillouin et un algorithme d’ajustement linéaire présentent également une erreur de fréquence réduitede 25, ce qui indique le potentiel d’un BGS bien conçu pour l’amélioration des performances de détection. Une autre option pour améliorer le SNR est la réduction du bruit. Cependant, selon le point de vue traditionnel, le bruit du système de détection provient principalement du détecteur (c’est-à-dire le bruit de mode commun, y compris le bruit sombre, le bruit de tir, etc.)26,27 et l’amélioration est moins probable.
L’idée de base de cet article est de concevoir le BGS par la superposition d’un BGS conventionnel avec deux spectres de perte de Brillouin (BLS) symétriques (voir Figure 1). Par rapport à un spectre BGS conventionnel, qui suit une forme lorentzienne, le spectre conçu est plus net et plus robuste avec le même niveau de bruit du système. Ainsi, le bruit a moins d’influence sur la détermination de la fréquence de crête. Cela peut être vérifié en collectant et en ajustant les données de mesure BGS un nombre statistiquement significatif de fois. En raison de cette meilleure résistance au bruit, des améliorations des performances de détection sont obtenues, notamment la portée de détection de 60 % et une résolution de mesure doublée, c’est-à-dire une erreur de fréquence réduite de 50 %. En raison de l’implication de la mesure avec l’interaction de perte de Brillouin dans une partie du BGS conçu, une comparaison directe du bruit à l’état de traces avec et sans interaction de Brillouin est effectuée. En raison du contournement de l’excès de bruit Brillouin, la trace avec le BGS conçu est beaucoup plus claire.
Figure 1 : Schéma d’un BGS conçu par la superposition d’un gain de Brillouin et de deux spectres de perte de Brillouin symétriques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
1. Sélection de paramètres optimisés pour l’ingénierie spectrale par simulation
Figure 2 : BGS simulé. (A) Démonstration de l’ajustement d’un BGS typique de Lorentz (rouge) et d’ingénierie (bleu) dans la simulation. (B) Le pic Lorentzien BGS de (A). Δfci représente l’erreur d’estimation BFS pour le BGS conventionnel dans la ième mesure. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
2. Préparez et testez la configuration BOTDA conventionnelle (bloc mis en évidence sur la figure 4B)
3. Mesure à l’aide de la configuration conventionnelle BOTDA et traitement des données
4. Préparation du reste de la configuration
REMARQUE : Dans ce cas, m = 1 et d = 1,24 ont été utilisés, selon les résultats de la simulation (voir la section 1 et la figure 3).
5. Mesure à l’aide de la configuration et du traitement des données BOTDA
La figure 3 montre les résultats de la simulation. Les points η < 1 dans la figure 3A indiquent une erreur de fréquence plus faible (résolution de mesure plus élevée) avec le BGS conçu. Plus la valeur était faible, plus l’avantage était grand. Le rapport minimum était à m = 1, ce qui indique qu’il est possible d’utiliser un schéma multisonde au...
L’étape la plus critique de l’expérience est l’égalisation des trois puissances de la sonde de sorte que m = 1 et la symétrie entre les deux spectres de perte de Brillouin soit atteinte. Outre la vérification séparée de l’alimentation à l’aide du capteur de puissance sur le port Cir 2, comme présenté aux étapes 4.9 et 4.10, l’égalisation de puissance peut être vérifiée plus précisément dans le numériseur. En réglant la fréquence RF 1 sur ~11 GHz (...
Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents. Thomas Schneider est employé de la Technische Universität Braunschweig. Cheng Feng reçoit des fonds de la Fondation allemande pour la recherche et de Niedersächsisches Vorab.
Cheng Feng tient à remercier la Fondation allemande pour la recherche (SCHN 716/13-1, 716/15-2, 716/18-1, 716/26-1) et Niedersächsisches Vorab (projet NL-4 « QUANOMET »).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Current controller for laser diode | ILX Lightwave | LDX3220 | |
Digitizer | Acqiris SA | U5309A-1039 | |
Erbium doped fiber amplifier 1 | Photop | PTEDFA-A-PA-C-SCH-15 | |
Erbium doped fiber amplifier 2 | LiComm | OFA-TCH | |
Erbium doped fiber amplifier 3 | Calmar Optcom | AMP-ST30 | |
Erbium doped fiber amplifier 4 | Photop | PTEDFA-A-PA-C-SCH-15 | |
Fiber Bragg grating 1 | Advanced Optics Solutions | T-FBG | |
Fiber Bragg grating 2 | Advanced Optics Solutions | T-FBG | |
Fiber under test | ofs | ||
Isolator | General Photonics | S-15-NTSS | |
Laser diode | 3SP Group | A1905 LMI | |
Mach-Zehnder modulator 1 | Avanex | IM10 | |
Mach-Zehnder modulator 2 | Avanex | IM10 | |
Mach-Zehnder modulator 3 | Avanex | IM10 | |
Nanosecond driving board for semiconductor optical amplifier | Highland Technology | T160-9 (28A160-9C) | |
Optical coupler 10:90 | Newport | Benchtop coupler/WDM | |
Optical coupler 50:50 | Newport | Benchtop coupler/WDM | |
Optical spectrum analyzer | Hewlett Packard | 86145A | |
Optical switch 1 | JDSU | SN12-1075NC | |
Photodiode | Thorlabs | D400FC | |
Polarization scrambler | General Photonics | PSY-101 | |
Pulase generator | Hewlett Packard | 8082A | |
Radio function generator 1 | Anritsu | MG3692C | |
Radio function generator 2 | Agilent Technology | E8257D | |
Radio function generator 3 | HTM | T2100 | |
Semiconductor optical amplifier | Thorlabs | SOA1013SXS | |
Temperature controller for laser diode | ILX Lightwave | LDT5948 | |
Temperature controller for semiconductor optical amplifier | Tektronix | TED200 | |
Variable optical attenuator | JDSU | mVOA-A1 | With optical switch function |
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