ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2024-24-5-699-708ntv-110Research ArticleОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИOPTICAL ENGINEERINGИсследование характеристик полупроводникового лазерного диода с распределенной обратной связью в режиме источника и приемника оптического излучения для регистрации отклика волоконных решеток БрэггаInvestigation of the characteristics of a semiconductor laser diode as a transceiver for fiber Bragg gratings interrogationhttps://orcid.org/0000-0002-2983-4397ОшлаковВ. С.OshlakovV. S.

Ошлаков Вадим Сергеевич - начальник группы

Санкт-Петербург, 197101

Vadim S. Oshlakov - Head of Group

Saint Petersburg, 197101

voshlakov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7682-348XАлейникА. С.AleinikA. S.

Алейник Артем Сергеевич - кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией

Санкт-Петербург, 197101

Artem S. Aleinik - PhD, Associate Professor

Saint Petersburg, 197101

artemal@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8462-5208ВолковскийС. А.VolkovskiyS. A.

Волковский Сергей Александрович - кандидат технических наук, ассистент, научный сотрудник

Санкт-Петербург, 197101

Sergey A. Volkovskiy - PhD, Assistant, Scientific Researcher

Saint Petersburg, 197101

savolkovskii@itmo.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4324-9327СмирновД. С.SmirnovD. S.

Смирнов Даниил Сергеевич - кандидат технических наук, ассистент

Санкт-Петербург, 197101

Daniil S. Smirnov - PhD, Assistant

Saint Petersburg, 197101

dsmirnov@itmo.ruУниверситет ИТМОРоссияITMO UniversityRussian Federation202412122024245699708Copyright © Ошлаков В.С., Алейник А.С., Волковский С.А., Смирнов Д.С., 20242024Ошлаков В.С., Алейник А.С., Волковский С.А., Смирнов Д.С.Oshlakov V.S., Aleinik A.S., Volkovskiy S.A., Smirnov D.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/110

Введение. Представлены результаты экспериментального исследования возможности применения узкополосного полупроводникового лазерного диода с распределенной обратной связью в качестве источника и приемника оптического излучения для детектирования спектрального отклика волоконной решетки Брэгга.Метод. В качестве исследуемого полупроводникового лазерного диода выбран DFB-лазер LDI-1550-DFB-2.5G-20/70 компании Laserscom, серийно выпускаемый на российском рынке и обладающий типовыми характеристиками. Для перестройки центральной длины волны полупроводникового лазерного диода с распределенной обратной связью в диапазоне 1549,5–1552,0 нм использовалась прямая импульсная токовая модуляция с частотой 100 кГц, скважностью 40 и величиной тока 1 А в импульсе. Отраженное от волоконной решетки Брэгга оптическое излучение, соответствующее центральной длине волны Брэгга, регистрировалось за счет фотоэффекта в лазерном диоде. Проведена экспериментальная оценка оптоэлектронных параметров лазерного диода в фотовольтаическом режиме и режиме короткого замыкания: темновой ток, полоса пропускания и спектральная чувствительность. Оценка проводилась при температуре 25 °С.Основные результаты. Создана измерительная схема для детектирования отклика волоконной решетки Брэгга. Показано, что фотовольтаический режим лазерного диода применим для задач регистрации оптического излучения. Экспериментально получена амплитудно- частотная характеристика лазерного диода в фотовольтаическом режиме в зависимости от напряжения прямого смещения. Результаты эксперимента: полоса пропускания по уровню –3 дБ составляет 300 МГц, максимальная чувствительность равна 0,1 А/Вт в режиме короткого замыкания, а амплитудный отклик линеен в диапазоне длин волн 1540–1560 нм. Для лазерного диода экспериментально получена вольтамперная характеристика при обратном смещении. Темновой ток при нулевом смещении лазерного диода составляет 12,5 пА.Обсуждение. Представленный метод регистрации отклика волоконной решетки Брэгга может быть использован для миниатюризации и упрощения оптических схем измерительных каналов устройств опроса волоконных решеток Брэгга. Полученные результаты могут быть полезны специалистам, занимающимся волоконно-оптическими датчиками и системами сбора и обработки сигналов с таких датчиков.

The paper presents the results of an experimental study of the possibility of using a narrow-band semiconductor distributed feedback laser diode used as a source and detector of optical radiation to detect the spectral response from a fiber Bragg grating. The DFB laser “LDI-1550-DFB-2.5G-20/70” from the company “Laserscom”, mass-produced on the Russian market and having standard characteristics, was chosen as the laser diode under study. To sweep the central wavelength of a semiconductor distributed feedback laser diode in the range 1549.5–1552 nm, direct pulse current modulation was used with a frequency of 100 kHz, a duty cycle of 40, and a current value of 1 A per pulse. The radiation reflected from the fiber Bragg grating corresponding to the central Bragg wavelength was recorded as a change in voltage at the anode and cathode of the laser diode due to the photoelectric effect in the laser diode. An experimental assessment of the optoelectronic parameters of a laser diode in photovoltaic and short-circuit modes was carried out: dark current, bandwidth and spectral sensitivity. The evaluation was carried out at a temperature of 25 °C. A measuring circuit has been created to detect the response from a fiber Bragg grating based on direct pulse current modulation and the photovoltaic mode of a semiconductor distributed feedback laser diode. It is shown that the photovoltaic mode of the laser diode is applicable to problems of recording optical radiation. The amplitude-frequency characteristic of a laser diode in the photovoltaic mode was experimentally obtained depending on the forward bias voltage. It is experimentally found that the –3 dB bandwidth is 300 MHz and the maximum sensitivity is 0.1 A/W in short-circuit mode, and the amplitude response is linear in the wavelength range from 1540 to 1560 nm. For the laser diode under study, the reverse branch of the current-voltage characteristic was experimentally obtained and the dark current at zero bias of the laser diode is 12.5 pA. The demonstrated method of FBG interrogation can be used for miniaturization and simplification of optical devices for fiber Bragg grating interrogation. The obtained results may be useful to specialists in fiber optic sensors, system for interrogation and processing signals from fiber optic sensors.

волоконные решетки Брэггадетектирование отклика от ВБРперестройка центральной длины волнытемновой токамплитудно-частотная характеристикаfiber-optic Bragg gratingsFBG interrogationwavelength sweepdark currentBode plotРабота выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006).This research was carried out within the state assignment of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project No. FSER-2024-0006).ReferencesFiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation / ed. by A. Cusano, A. Cutolo, J. Albert. Bentham Science Publishers, 2011. https://doi.org/10.2174/97816080508401110101Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation. Ed. by A. Cusano, A. Cutolo, J. Albert. Bentham Science Publishers, 2011. https://doi.org/10.2174/97816080508401110101Chen J., Liu B., Zhang H. Review of fiber Bragg grating sensor technology // Frontiers of Optoelectronics in China. 2011. V. 4. N 2. P. 204–212. https://doi.org/10.1007/s12200-011-0130-4Chen J., Liu B., Zhang H. Review of fiber Bragg grating sensor technology. Frontiers of Optoelectronics in China, 2011, vol. 4, no. 2, pp. 204–212. https://doi.org/10.1007/s12200-011-0130-4Silveira P.C., Dante A., Keley M.M., Carvalho C., Allil R., Mok R., Garcao L., Werneck M. Experimental evaluation of low-cost interrogation techniques for FBG sensors // Proc. of the IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC). 2018. P. 1–6. https://doi.org/10.1109/i2mtc.2018.8409722Silveira P.C., Dante A., Keley M.M., Carvalho C., Allil R., Mok R., Garcao L., Werneck M. Experimental evaluation of low-cost interrogation techniques for FBG sensors. Proc. of the IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC), 2018, pp. 1–6. https://doi.org/10.1109/i2mtc.2018.8409722Lee H.S., Lee H., Kim H., Cho J., Jeong M., Kim C.-S. A fiber Bragg grating sensor interrogation system based on a linearly wavelengthswept thermo-optic laser chip // Sensors. 2014. V. 14. N 9. P. 16109–16116. https://doi.org/10.3390/s140916109Lee H.S., Lee H., Kim H., Cho J., Jeong M., Kim C.-S. A fiber Bragg grating sensor interrogation system based on a linearly wavelengthswept thermo-optic laser chip. Sensors, 2014, vol. 14, no. 9, pp. 16109–16116. https://doi.org/10.3390/s140916109Flores-Bravo J.A., Madrigal J., Zubia J., Sales S., Villatoro J. Coupled-core fiber Bragg gratings for low-cost sensing // Scientific Reports. 2022. V. 12. N 1. P. 1280. https://doi.org/10.1038/s41598-022-05313-9Flores-Bravo J.A., Madrigal J., Zubia J., Sales S., Villatoro J. Coupled-core fiber Bragg gratings for low-cost sensing. Scientific Reports, 2022, vol. 12, no. 1, pp. 1280. https://doi.org/10.1038/s41598-022-05313-9Yang F., Zhang W., Zhao S., Liu Q., Tao J., He Z. Miniature interrogator for multiplexed FBG strain sensors based on a thermally tunable microring resonator array // Optics Express. 2019. V. 27. N 5. P. 6037–6046. https://doi.org/10.1364/oe.27.006037Yang F., Zhang W., Zhao S., Liu Q., Tao J., He Z. Miniature interrogator for multiplexed FBG strain sensors based on a thermally tunable microring resonator array. Optics Express, 2019, vol. 27, no. 5, pp. 6037–6046. https://doi.org/10.1364/oe.27.006037Darwich D., Youssef A., Zaraket H. Low-cost multiple FBG interrogation technique for static applications // Optics Letters. 2020. V. 45. N 5. P. 1116–1119. https://doi.org/10.1364/ol.386053Darwich D., Youssef A., Zaraket H. Low-cost multiple FBG interrogation technique for static applications. Optics Letters, 2020, vol. 45, no. 5, pp. 1116–1119. https://doi.org/10.1364/ol.386053Darwich D., Youssef A., Pisco M., Zaraket H. Investigation of lowcost interrogation technique based on modulated distributed feedback laser // IEEE Sensors Journal. 2020. V. 20. N 5. P. 2460–2466. https://doi.org/10.1109/jsen.2019.2951436Darwich D., Youssef A., Pisco M., Zaraket H. Investigation of lowcost interrogation technique based on modulated distributed feedback laser. IEEE Sensors Journal, 2020, vol. 20, no. 5, pp. 2460–2466. https://doi.org/10.1109/jsen.2019.2951436Qiao P., Cook K.T., Li K., Chang-Hasnain C.J. Wavelength-swept VCSELs // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23. N 6. P. 1700516. https://doi.org/10.1109/jstqe.2017.2707181Qiao P., Cook K.T., Li K., Chang-Hasnain C.J. Wavelength-swept VCSELs. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2017, vol. 23, no. 6, pp. 1700516. https://doi.org/10.1109/jstqe.2017.2707181Алейник А.С., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Чиргин М.А., Беликин М.Н. Подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брегговских решеток // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 5. С. 809–816. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2015-15-5-809-816Aleynik A.S., Kireenkova A.Yu., Mekhrengin M.V., Chirgin M.A., Belikin M.N. Central wavelength adjustment of light emitting source in interferometric sensors based on fiber-optic Bragg gratings. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2015, vol. 15, no. 5, pp. 809–816. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2015-15-5-809-816Njegovec M., Donlagic D. Rapid and broad wavelength sweeping of standard telecommunication distributed feedback laser diode // Optics Letters. 2013. V. 38. N 11. P. 1999–2001. https://doi.org/10.1364/ol.38.001999Njegovec M., Donlagic D. Rapid and broad wavelength sweeping of standard telecommunication distributed feedback laser diode. Optics Letters, 2013, vol. 38, no. 11, pp. 1999–2001. https://doi.org/10.1364/ol.38.001999Liu B., Ruan Y., Yu Y., Xi J., Guo Q., Tong J., Rajan G. Laser selfmixing fiber Bragg grating sensor for acoustic emission measurement // Sensors. 2018. V. 18. N 6. P. 1956. https://doi.org/10.3390/s18061956Liu B., Ruan Y., Yu Y., Xi J., Guo Q., Tong J., Rajan G. Laser selfmixing fiber Bragg grating sensor for acoustic emission measurement. Sensors, 2018, vol. 18, no. 6, pp. 1956. https://doi.org/10.3390/s18061956Lim Y.L., Bertling K., Rio P., Tucker J.R., Rakic A.D. Displacement and distance measurement using the change in junction voltage across a laser diode due to the self-mixing effect // Proceedings of SPIE. 2006. V. 6038. P. 60381O. https://doi.org/10.1117/12.638433Lim Y.L., Bertling K., Rio P., Tucker J.R., Rakic A.D. Displacement and distance measurement using the change in junction voltage across a laser diode due to the self-mixing effect. Proceedings of SPIE, 2006, vol. 6038, pp. 60381O. https://doi.org/10.1117/12.638433Liu Z., Slavík R. Optical injection locking: From principle to applications // Journal of Lightwave Technology. 2020. V. 38. N 1. P. 43–59. https://doi.org/10.1109/jlt.2019.2945718Liu Z., Slavík R. Optical injection locking: From principle to applications. Journal of Lightwave Technology, 2020, vol. 38, no. 1, pp. 43–59. https://doi.org/10.1109/jlt.2019.2945718Njegovec M., Donlagic D. Interrogation of FBGs and FBGs arrays using standard telecom DFB diode // Journal of Lightwave Technology. 2016. V. 34. N 22. P. 5340–5348. https://doi.org/10.1109/jlt.2016.2616725Njegovec M., Donlagic D. Interrogation of FBGs and FBGs arrays using standard telecom DFB diode. Journal of Lightwave Technology, 2016, vol. 34, no. 22, pp. 5340–5348. https://doi.org/10.1109/jlt.2016.2616725Беликин М.Н. Быстродействующее малогабаритное устройство регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.11.01 / Университет ИТМО. Санкт-Петербург, 2017. 131 с.Belikin M.N. A high-speed, small-sized spectral response recording device for fiber-optic Bragg grating sensors. Dissertation for the degree of candidate of technical sciences. St. Petersburg, ITMO University, 2017, 131 p. (in Russian)Tudose M., Enciu D., Ursu I. Towards use of Fiber Bragg Grating sensors for structural health monitoring of (aero) space structures // International Journal of Modeling and Optimization. 2018. V. 8. N 4. P. 246–249. https://doi.org/10.7763/ijmo.2018.v8.659Tudose M., Enciu D., Ursu I. Towards use of Fiber Bragg Grating sensors for structural health monitoring of (aero) space structures. International Journal of Modeling and Optimization, 2018, vol. 8, no. 4, pp. 246–249. https://doi.org/10.7763/ijmo.2018.v8.659Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer // Optical and Quantum Electronics. 2016. V. 48. N 12. P. 540. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3Gribaev A.I., Pavlishin I.V., Stam A.M., Idrisov R.F., Varzhel S.V., Konnov K.A. Laboratory setup for fiber Bragg gratings inscription based on Talbot interferometer. Optical and Quantum Electronics, 2016, vol. 48, no. 12, pp. 540. https://doi.org/10.1007/s11082-016-0816-3Henzler S. Time-to-Digital Converter Basics. Springer Netherlands, 2010. P. 5–18. https://doi.org/10.1007/978-90-481-8628-0_2Henzler S. Time-to-Digital Converter Basics. Springer Netherlands, 2010, pp. 5–18. https://doi.org/10.1007/978-90-481-8628-0_2

The authors declare that there are no conflicts of interest present.