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Method Article
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.
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.
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 주파수 편이(BFS)라고 합니다. 10ns 음파의 유한한 수명을 고려할 때, Brillouin gain spectrum (BGS)라고도하는 굴절파의 유한 스펙트럼 분포가 있으며, 여기서 BFS는 펌프파와 피크 중심 주파수 사이의 주파수 차이입니다. 파동 간의 상호 작용은 프로브 파동이 각각 증폭 및 감쇠되는 주파수 하향 이동 이득 영역과 주파수 상향 이동 손실 영역으로 이어집니다. C-Band의 표준 단일 모드 광섬유(SSMF)의 경우 BFS는 약 11GHz이고 BGS는 10-30MHz의 FWHM(ultra-narrow full-width at half maximum)을 가진 로렌찔 모양이며, 이는 특정 기술 4,5,6,7을 사용하여 3.4MHz로 더 줄일 수 있습니다. 이러한 특성을 바탕으로 SBS는 마이크로파 포토닉스 필터 8,9,10, 광학 필터11, 저속 및 고속 광 12,13,14 및 고해상도 광학 분광법 7,15에도 적용할 수 있습니다.
가장 유망한 SBS 응용 프로그램 중 하나는 분산 Brillouin 감지입니다. 이 센서는 온도 및 변형률에 대한 BFS 의존성을 이용합니다. 가장 먼저 시연된 것은 Brillouin 광학 시간 도메인 분석기(BOTDA)16으로, 이는 가장 통합된 시간 도메인 분포 Brillouin 감지 기술입니다. 이는 펄스 펌프파와 프로브 CW 사이의 SBS 상호 작용을 활용하여 환경 정보가 모든 광섬유 섹션에서 국부적으로 조사된다는 점에서 기존의 CW-SBS 상호 작용과 다릅니다. 펌프 또는 프로브 주파수는 일반적으로 프로브 또는 펌프 주파수가 BFS 근처에서 스캔되는 동안 고정됩니다. 프로브 전력은 BGS 재구성을 위해 기록되며 BFS는 이상적으로 각 광섬유 섹션에서 로컬 BGS의 피크 주파수입니다. 그러나 불가피한 시스템 노이즈로 인해 BGS 피크는 일반적으로 모호하고 피팅 알고리즘(17)을 적용해야 하며, 이는 주파수(18 )에서 특정 추정 오류를 유발하고 측정 분해능에 영향을 미칩니다.
통계적으로 BFS 추정 오차는 시스템 신호 대 잡음비(SNR)에 반비례합니다. SNR을 향상시키는 가장 간단한 방법은 펌프와 프로브 출력을 높이는 것입니다. 그러나 이는 변조 불안정성(MI)19 및 비국소 효과(NLE)20,21 - ~20 dBm 및 -14 dBm에 의해 제한됩니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 코딩(22) 및 라만 기반 인라인 증폭(23)과 같은 수많은 기술이 제안되었습니다. 최근에, 이러한 주파수 오차는 적절한 피팅 알고리즘(24)을 선택함으로써 최소화될 수 있다는 것이 보고되고 있다. 이와 관련하여, Brillouin 위상 및 선형 피팅 알고리즘을 활용하는 측정은 주파수 오류25가 감소하는 것으로 보고되었으며, 이는 감지 성능 향상에 대한 잘 설계된 BGS의 잠재력을 나타냅니다. SNR을 향상시키는 또 다른 옵션은 노이즈 감소입니다. 그러나 전통적인 관점에 따르면 감지 시스템 노이즈는 주로 검출기에서 발생합니다(즉, 암흑 노이즈, 샷 노이즈 등을 포함한 공통 모드 노이즈).26,27 그리고 개선될 가능성은 적습니다.
이 논문의 기본 아이디어는 기존 BGS를 두 개의 대칭 Brillouin 손실 스펙트럼(BLS)과 중첩하여 BGS를 엔지니어링하는 것입니다( 그림 1 참조). 로렌쯔안 모양을 따르는 기존 BGS 스펙트럼과 비교할 때 엔지니어링 스펙트럼은 동일한 수준의 시스템 잡음으로 더 선명하고 견고합니다. 따라서 잡음은 피크 주파수의 결정에 미치는 영향이 적습니다. 이는 BGS 측정 데이터를 통계적으로 유의미한 횟수만큼 수집하고 피팅하여 확인할 수 있습니다. 이러한 잡음에 대한 저항력이 향상되기 때문에 감지 범위가 60% 증가하고 측정 분해능이 두 배로 증가하여 주파수 오류가 50% 감소하는 등 감지 성능이 향상됩니다. 엔지니어링된 BGS의 일부에서 Brillouin 손실 상호 작용과 측정의 관련으로 인해 Brillouin 상호 작용이 있는 것과 없는 미량 잡음의 직접적인 비교가 이루어집니다. 과도한 Brillouin 노이즈의 우회로 인해 엔지니어링 된 BGS의 추적이 훨씬 명확합니다.
그림 1: 하나의 Brillouin 이득과 두 개의 대칭 Brillouin 손실 스펙트럼의 중첩에 의한 엔지니어링된 BGS의 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
1. 시뮬레이션을 통한 스펙트럼 엔지니어링에 최적화된 파라미터 선택
그림 2: 시뮬레이션된 BGS. (A) 시뮬레이션에서 일반적인 Lorentzian (빨간색) 및 엔지니어링 (파란색) BGS의 피팅 시연. (B) (A)의 로렌츠안 BGS 피크. Δfci는 i번째 측정에서 종래 BGS에 대한 BFS 추정 오차를 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
2. 기존 BOTDA 설정을 준비하고 테스트합니다( 그림 4B에서 강조 표시된 블록).
3. 기존의 BOTDA 설정 및 데이터 처리를 사용한 측정
4. 나머지 설정 준비
참고: 이 경우 시뮬레이션 결과에 따라 m = 1 및 d = 1.24가 사용되었습니다(섹션 1 및 그림 3 참조).
5. 제안된 전체 BOTDA 설정 및 데이터 처리를 사용한 측정
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 나?...
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 ...
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.
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.
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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