01 導(dǎo)讀

2024年1 月20日，電子科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室饒?jiān)平淌趫F(tuán)隊(duì)在光纖分布式聲波傳感關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得了突破性進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次提出了基于雙頻梳的光纖分布式聲波傳感技術(shù)（DAS）新概念（Comb-DAS），通過將集成雙克爾孤子微腔頻梳與DAS結(jié)合，利用光頻梳線天然的高度相干性，實(shí)現(xiàn)了光纖瑞利散射信號的波分復(fù)用相位并行疊加，取得了高達(dá)560 fε/√HZ的應(yīng)變探測靈敏度。相較于常規(guī)DAS，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級的靈敏度提升，1.6倍的傳感距離拓展和顯著的相干衰落抑制。該研究為研發(fā)下一代超靈敏、超長距離的DAS系統(tǒng)提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖1論文剪影

相關(guān)成果以“Coherently parallel fiber-optic distributed acoustic sensing using dual Kerr soliton microcombs”為題發(fā)表于《科學(xué)-進(jìn)展》（Science Advances）雜志上。電子科技大學(xué)為論文第一作者單位，饒?jiān)平淌凇⒁Π鄢薪淌跒檎撐耐ㄓ嵶髡摺?/p>

2024| 前沿進(jìn)展

02 研究背景

分布式光纖傳感是一種以光纖為載體的分布式測量手段，可以對數(shù)十乃至上百公里范圍內(nèi)數(shù)十萬點(diǎn)的物理信息（如溫度、應(yīng)變、聲波等）進(jìn)行連續(xù)的測量，而獨(dú)樹一幟。其中，基于光纖瑞利后向散射機(jī)理的分布式聲波傳感技術(shù)(DAS)因?yàn)槠渚哂醒毓饫w鏈路能進(jìn)行長距離聲波高靈敏分布式感知的能力，從而成為一種不可替代的變革性聲學(xué)/地震/振動傳感技術(shù)，在油氣勘探開發(fā)、安防入侵檢測、地震臺網(wǎng)探測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，目前基于單頻激光源的常規(guī)DAS，其有限的入纖光功率導(dǎo)致了其信噪比和傳感距離嚴(yán)重受限。此外，單頻激光產(chǎn)生的相干衰落也是一個(gè)難題。上述問題已成為研發(fā)下一代超長距離、超高精度DAS系統(tǒng)的一個(gè)原理性瓶頸障礙。

片上孤子微梳是一種多頻輸出光源，由于其高精度、高相干和高集成的特性，可服務(wù)如光通信、光子計(jì)算、光學(xué)原子鐘等多領(lǐng)域應(yīng)用。同時(shí)，雙頻梳技術(shù)提供了將光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換為射頻的先進(jìn)手段，被廣泛應(yīng)用于成像、測距、光譜等領(lǐng)域。近日，電子科技大學(xué)光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室饒?jiān)平淌趫F(tuán)隊(duì)將集成雙克爾孤子微梳與DAS結(jié)合進(jìn)行相干并行傳感。在該研究中，創(chuàng)造性地提出了相干合成相位解調(diào)方案，實(shí)現(xiàn)了DAS靈敏度、傳感距離和抗衰落性能的全面提升。

圖2基于片上雙光梳的DAS新方案

03 研究創(chuàng)新點(diǎn)

Comb-DAS工作原理：常規(guī)DAS中，外界聲波會引起光纖瑞利散射信號的相位變化?φ。在Comb-DAS相干并行傳感中，每條梳線會攜帶相同的相位信息?φ，并經(jīng)過I-Q處理后最終累積起來。雙孤子微梳的高相干性保證了所有的梳線具有相同的相位信息，所以，若有N根梳線的話，Comb-DAS的靈敏度便能提高N倍。實(shí)際情況中，?φ大小與外界聲波信號的幅度線性相關(guān)。因此，若?φ為DAS的探測極限時(shí)，Comb-DAS的探測極限可從?φ減小到?φ/N，因而具備了檢測極弱聲波信號的能力。

圖3 (A)單頻激光DAS的相位信息示意圖。(B)Comb-DAS的相位信息示意圖。(C)梳線的數(shù)目和測量的相位變化的映射譜。(D)信號PSD譜對比圖

Comb-DAS實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：研究者們在兩個(gè)重復(fù)頻率差為200 MHz的氮化硅微腔中產(chǎn)生一對克爾孤子頻率梳(重復(fù)頻率≈110 GHz)，將其對應(yīng)的十對梳線濾出形成具有十根梳線的一對頻率梳，其中一組頻率梳作為探測光，另一組則作為本振光，從而形成雙頻梳干涉儀。探測光在傳輸中獲得外界聲波信息后其回光與本振光發(fā)生干涉，無需高速光電探測器便可實(shí)現(xiàn)外差測量。通過基于頻分復(fù)用的相干并行傳感，與常規(guī)單頻激光器相比，獲得了10倍的靈敏度增強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了傳感距離為10 km，空間分辨率為5 m的Comb-DAS聲波測量，并與基于單頻光源的常規(guī)DAS進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢悦黠@地看出Comb-DAS在各目標(biāo)頻率下的信號質(zhì)量提升，獲得了世界級的聲學(xué)探測靈敏度，達(dá)到了560fε/√HZ的水平。此外，Comb-DAS可在具有更低布里淵閾值的長光纖中實(shí)現(xiàn)更高的功率傳輸，使其最大傳感距離從43公里擴(kuò)展延長到72公里，延長1.6倍以上，且不需要任何如分布式光放大等額外的輔助手段。

圖4 (A)傳感信號時(shí)域?qū)Ρ葓D。(B)傳感信號頻域瀑布圖。(C)傳感信號PSD譜對比圖。(D)傳感距離對比圖。(E)傳感信號時(shí)域瀑布對比圖

04 總結(jié)與展望

該研究報(bào)告了一種基于集成雙孤子微梳的相干并行光纖分布式聲傳感新技術(shù)（Comb-DAS）。雙頻梳光源通過提供相位互鎖多頻信道，實(shí)現(xiàn)了傳感信號的線性疊加、頻分復(fù)用和高精度相位解調(diào)，并具有極大的靈敏度提升潛力。實(shí)驗(yàn)中，通過使用10條梳線進(jìn)行傳感，獲得了亞皮應(yīng)變的靈敏度，同時(shí)，頻率復(fù)用的策略有效地抑制了相干衰落。此外，更高的入纖功率獲得了更遠(yuǎn)的傳感距離。雙孤子微梳和DAS的結(jié)合不僅打破了當(dāng)前DAS技術(shù)受限于單頻激光源的原理性限制，成為將微腔頻率梳擴(kuò)展到光纖傳感領(lǐng)域的成功范例，而且還引入了一種能顯著提升DAS性能的變革性策略，即基于寬帶雙頻梳光源，可望為研發(fā)下一代超靈敏、長距離DAS系統(tǒng)提供核心技術(shù)支撐，為油氣勘探開發(fā)、安防入侵檢測、地震臺網(wǎng)探測、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域提供新一代的Comb-DAS儀器。