Исследование характеристик полупроводникового лазерного диода с распределенной обратной связью в режиме источника и приемника оптического излучения для регистрации отклика волоконных решеток Брэгга

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.

1. Fiber 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/10.2174/97816080508401110101

2. Chen 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/s12200-011-0130-4

3. Silveira 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.2018.8409722

4. Lee 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/s140916109

5. Flores-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/s41598-022-05313-9

6. Yang 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.27.006037

7. Darwich 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.386053

8. Darwich 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.2019.2951436

9. Qiao 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.2017.2707181

10. Алейник 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/10.17586/2226-1494-2015-15-5-809-816

11. Njegovec 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.38.001999

12. Liu 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/s18061956

13. Lim 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/10.1117/12.638433

14. Liu 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.2019.2945718

15. Njegovec 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.2016.2616725

16. Беликин 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.

17. 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.v8.659

18. Gribaev 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/s11082-016-0816-3

19. Henzler S. Time-to-Digital Converter Basics. Springer Netherlands, 2010. P. 5–18. https://doi.org/10.1007/978-90-481-8628-0_2