Применение эффекта перекрестной модуляции усиления в эрбиевом волокне для увеличения эффективной ширины спектра интеррогатора

   Введение. Исследовано влияние эффекта перекрестной модуляции усиления в эрбиевом волокне на эффективную ширину спектрального диапазона волоконно-оптической системы опроса датчиков (интеррогатора), использующей волоконные брэгговские решетки и лазерный диод с распределенной обратной связью. Интеррогаторы на основе лазерных диодов обладают высокой скоростью (до 33 пм/нс) и большим диапазоном перестройки длины волны (до 10 нм). Однако при перестройке длины волны таких лазеров возникает нестабильность мгновенной мощности зондирующего импульса, которая может достигать 20 дБ. Такая нестабильность приводит к ошибкам при опросе датчиков на основе волоконных брэгговских решеток. Для уменьшения ошибок обычно анализируют только часть импульса интеррогатора, в течение которой мощность остается относительно стабильной (в пределах 1 дБ). Это приводит к уменьшению эффективной ширины спектрального диапазона интеррогатора (до 20 %). Для решения подобной проблемы впервые предложено использовать эффект перекрестной модуляции усиления в эрбиевом волокне.

   Метод. При оценке возможности применения эффекта перекрестной модуляции усиления для увеличения эффективной ширины спектрального диапазона интеррогатора выполнен теоретический анализ взаимодействия в эрбиевом волокне двух оптических сигналов: зондирующего сигнала интеррогатора и дополнительного управляющего сигнала. Количественная оценка влияния этого эффекта на нестабильность мгновенной мощности и эффективную ширину спектрального диапазона интеррогатора выполнена в среде Optisystem. Исследовано влияние формы управляющего сигнала и величины смещения момента начала генерации управляющего сигнала на эффективную ширину спектрального диапазона интеррогатора. Предложенный подход позволяет не только оптимизировать временной профиль оптического импульса субмикросекундной длительности, но и увеличить его амплитуду за счет усиления в эрбиевом волокне.

   Основные результаты. Показано, что перекрестная модуляция усиления позволяет управлять мгновенной мощностью зондирующего сигнала с глубиной модуляции до 30 дБ, что достаточно для стабилизации мощности импульса лазерного диода с распределенной обратной связью. Численное моделирование подтвердило, что подбор формы и смещение момента начала генерации управляющего сигнала позволяют существенно уменьшить нестабильность мгновенной мощности зондирующего импульса. Показано, что при использовании для модуляции управляющего сигнала импульсов прямоугольной формы нестабильность мощности зондирующего сигнала уменьшается с 20 до 7 дБ. Длительность стабильной модуляции на уровне от максимальной мощности 1 дБ увеличивается с 62 до 267 нс. Это позволяет увеличить эффективную ширину спектрального диапазона интеррогатора в 4,3 раза.

   Обсуждение. Эффект перекрестной модуляции усиления в эрбиевом волокне может быть использован для увеличения стабильности интеррогаторов на основе лазерных диодов без применения высокочастотных аттенюаторов. Повышается дальность их работы, снижаются требования к отражательной способности используемых волоконных брэгговских решеток.

1. Soto V.D., López-Amo M. Truly remote fiber optic sensor networks // Journal of Physics: Photonics. 2019. V. 1. N 4. P. 042002. doi: 10.1088/2515-7647/ab3f0e

2. Ma Z., Chen X. Fiber Bragg gratings sensors for aircraft wing shape measurement: Recent applications and technical analysis // Sensors. 2018. V. 19. N 1. P. 55. doi: 10.3390/s19010055

3. Schena E.,Tosi D., Saccomandi P., Lewis E., Kim T. Fiber optic sensors for temperature monitoring during thermal treatments : an overview // Sensors. 2016. V. 16. N 7. P. 1144. doi: 10.3390/s16071144

4. Qiao X., Shao Z.H., Bao W.J., Rong Q.Z. Fiber bragg grating sensors for the oil industry // Sensors. 2017. V. 17. N 3. P. 429. doi: 10.3390/s17030429

5. Al-Fakih E., Osman N.A.A., Adikan F.R.M. The use of fiber Bragg grating sensors in biomechanics and rehabilitation applications: The state-of-the-art and ongoing research topics // Sensors. 2012. V. 12. N 10. P. 12890–12926. doi: 10.3390/s121012890

6. Xia L., Cheng R., Li W., Liu D.M. Identical FBG-based quasidistributed sensing by monitoring the microwave responses // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. V. 27. N 3. P. 323–325. doi: 10.1109/lpt.2014.2370650

7. Margulis W., Lindberg R., Laurell F., Hedin G. Intracavity interrogation of an array of fiber Bragg gratings // Optics Express. 2021. V. 29. N 1. P. 111–118. doi: 10.1364/OE.414094

8. Luo Z., Wen H., Guo H., Yang M. A time-and wavelength-division multiplexing sensor network with ultra-weak fiber Bragg gratings // Optics Express. 2013. V. 21. N 19. P. 22799–22807. doi: 10.1364/OE.21.022799

9. 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. doi: 10.1007/s12200-011-0130-4

10. 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. doi: 10.1364/OL.386053

11. Wilson A., James S.W., Tatam R.P. Time-division-multiplexed interrogation of fibre Bragg grating sensors using laser diodes // Measurement Science and Technology. 2001. V. 12. N 2. P. 181. doi: 10.1088/0957-0233/12/2/309

12. Cui J., Hu Y., Feng K., Li J., Tan J. FBG interrogation method with high resolution and response speed based on a reflective-matched FBG scheme // Sensors. 2015. V. 15. N 7. P. 16516–16535. doi: 10.3390/s150716516

13. Yan H.T., Liu Q., Ming Y., Luo W., Chen Y., Lu Y.Q. Metallic grating on a D-shaped fiber for refractive index sensing // IEEE Photonics Journal. 2013. V. 5. N 5. P. 4800706. doi: 10.1109/JPHOT.2013.2284244

14. Kouroussis G., Kinet D., Mendoza E., Dupuy J., Moeyaert V., Caucheteur C. Edge-filter technique and dominant frequency analysis for high-speed railway monitoring with fiber Bragg gratings // Smart Materials and Structures. 2016. V. 25. N 7. P. 075029. doi: 10.1088/0964-1726/25/7/075029

15. Cheng R., Xia L., Zhou J., Liu D. Wavelength interrogation of fiber Bragg grating sensors based on crossed optical Gaussian filters // Optics Letters. 2015. V. 40. N 8. P. 1760–1763. doi: 10.1364/OL.40.001760

16. Fernandez M.P., Bulus-Rossini L.A., Cruz J.L., Andres M.V., Costanzo-Caso P.A. High-speed and high-resolution interrogation of FBG sensors using wavelength-to-time mapping and Gaussian filters // Optics Express. 2019. V. 27. N 25. P. 36815–36823. doi: 10.1364/OE.27.036815

17. 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. doi: 10.1109/JLT.2016.2616725

18. Javernik A., Donlagic D. High-speed interrogation of low-finesse Fabry–Perot sensors using a telecom DFB laser diode // Journal of Lightwave Technology. 2017. V. 35. N 11. P. 2280–2290. doi: 10.1109/JLT.2016.2642222

19. Mizunami T., Hirose S., Yoshinaga T., Yamamoto K. Power-stabilized tunable narrow-band source using a VCSEL and an EDFA for FBG sensor interrogation // Measurement Science and Technology. 2013. V. 24. N 9. P. 094017. doi: 10.1088/0957-0233/24/9/094017

20. Tang Y., Siahmakoun A., Granieri S.C., Vlahovic B., Cheng C. Erbium doped fiber ring laser for optical wavelength conversion // Optik. 2011. V. 122. N 4. P. 340–344. doi: 10.1016/j.ijleo.2010.01.007

21. Ahosan-ul-Karim M., Hossain M.I., Mehal M.T., Majumder S.P. All optical wavelength conversion based on cross gain modulation in Erbium Doped Fiber Amplifier // Proc. of the Asia-Pacific Microwave Conference. 2007. P. 1–4. doi: 10.1109/APMC.2007.4554657

22. Giles C.R., Desurvire E. Modeling erbium-doped fiber amplifiers // Journal of Lightwave Technology. 1991. V. 9. N 2. P. 271–283. doi: 10.1109/50.65886