基于集成双孤子微梳的相干并行分布式声学传感器 | 应用物理前沿推介系列No.46

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本期推介

利用双克尔孤子微梳实现光纤上相干并行分布式声学传感

分布式光纤传感器由于其独特的长距离高分辨感知能力，可以在大空间范围对各种环境量（如温度、应变、压力、湿度等）进行监测，因此在许多应用领域备受关注[1]。利用光纤的自然散射过程，例如拉曼散射、布里渊散射或瑞利散射，人们开发出了多种不同类型的分布式光纤传感器。在这些技术中，相干瑞利散射对外部扰动（如振动）具有高灵敏度和快响应性，使得分布式声学传感器（DAS）得以蓬勃发展[2]。它的原理是，当一定长度的传感光纤受到外部物理环境（如声波、温度、振动或应变）的扰动时，光纤的长度和折射率会通过弹光效应或热光效应发生变化，从而引起光纤内背向瑞利散射的光学特征（振幅或相位）发生调制。外部物理场的变化可通过检测和解调光场来恢复（图1）。

图1.  分布式声传感的工作原理[3]。

除了分布式光纤传感的固有优点（如远距离分布式传感、不受电磁干扰、抗恶劣环境的鲁棒性等），DAS系统还具有其独特的特点。由于振动可以在介质中传播很长的距离，DAS可以检测到光缆外部一定距离内的振动事件。而且，DAS能够获取长达100公里光纤上所有位置的完整振动信息（包括振幅、频率和相位）。因此，DAS在海底断层和海洋动力学照明、地震和海洋动力学检测、冰川活动、天然气/石油勘探、水听声呐和能源运输中的入侵检测和动态结构健康监测等领域有着广泛的应用。

目前，单频光源成为DAS进一步发展的瓶颈之一，具体表现为以下几个方面：(1)对于传感距离较短的高灵敏度DAS，其性能主要受到激光源相位噪声的限制。由于相位噪声的存在，系统无法准确区分激光源的相位变化和传感光纤沿线的相位变化，从而影响了系统的探测精度和稳定性。(2)对于传感距离较远的DAS，其灵敏度和最大可探测距离主要受到信噪比的限制。信噪比的大小直接决定了系统的探测性能，其又与激光能量密切相关。然而，由于光纤中的非线性效应，激光功率不能无限放大，这进一步限制了系统的探测距离和性能。(3)在所有基于的相敏的DAS方案中，单频激光引起的相干衰落也是一个关键问题。相干衰落会导致信号的幅度减小，从而影响系统的探测性能。因此，如何克服相干衰落问题也是DAS进一步发展中需要解决的一个重要难题。

光频梳是一种性能优异的光源，在频域上表现为一系列等频率间隔的相干谱线，而在时域上表现为等时间间隔的光脉冲。它在现代频率计量、精密光谱学、天文观测、超快光学和量子信息等领域中发挥着至关重要的作用。近年来，在超高品质因子微腔中产生的基于克尔和拉曼非线性的芯片级微频率梳引起了广泛的关注。孤子微梳实现了孤子模式锁定，是光频梳的一项重大进展[4]。孤子微梳是一种用于高精度计量（包括 DAS）的前景广阔的光源，这得益于它的多频输出，具有天然的高重复频率和赫兹级的高相干性。进而，基于双光梳的频率合成技术，为光学频率转换为射频提供了新的工具。该技术可以展示宽带光谱，同时避免了使用大型光学光谱仪所带来的移动部件和有限光带宽的问题。双光梳为测距、力检测、气体光谱、超声波检测和光声成像等应用提供了独特的高分辨率外差测量方法。

2016年，Myoung-Gyun Suh等研究者展示了一个微型化的基于孤子的双光梳系统[5]。这种集成在芯片上的光梳系统实现了高相干脉冲模式锁定，并具有宽带宽和可重复的光谱包络。他们用双光梳系统展示了气体光谱的检测（图2a），有望实现高信噪比和快速采集速率的集成光谱。此外，双光梳光谱还可以与光声检测技术相结合，通过多外差拍频将光频域的光谱信息转换到音频域，从而实现高分辨率和宽带宽的无背景光谱测量[6-8]，双梳在生命科学领域也发挥着重要作用，T. Mizuno等人展示了一种无扫描全场荧光寿命成像显微镜（图2b）。它基于二维图像像素和频率多路复用射频信号之间一一对应的关系[9]。通过利用双光梳之间拍频进行二维频谱映射和射频区域的高密度频率复用，无需机械扫描即可从荧光射频梳模式的振幅和相位光谱中获得荧光振幅和寿命双模态图像（图2c）。在2018年，有研究者进一步演示了使用基于芯片的双孤子源进行飞行时间距离测量，精度为200 nm，平均时间为500 ms，误差范围为16 mm[10]。此外他们还进行了距离达25 m，精度稍低的测量。这种基于芯片的光源是迈向适合光子集成的微型双梳激光测距系统的重要一步，其双孤子光梳的产生以及距离测量如图2d所示。

图2.  (a)基于微谐振器的双光梳光谱测量气体吸收谱[5]。(b)双光梳测量气体光声光谱[6]。(c)双光梳的二维光谱映射[9]。(d)双孤子光梳的产生以及距离测量[10]。

光学孤子微梳具有在更宽范围内产生更多梳齿的能力，可以达到数十太赫兹的带宽，并展现出接近太赫兹级别的重复频率。这种能力为分布式光纤传感器提供了全光工具，可以实现更丰富的频率复用和更大的调制带宽。近日，电子科技大学的研究团队首次展示了基于集成双孤子微梳的相干并行DAS[11]。这一创新方案利用两个氮化硅微腔中产生的一对克尔孤子频率梳构成了全锁定的双梳干涉仪。其中一个作为探测光，另一个作为本地参考光，实现了方便的外差测量，而无需光学频谱分析仪或高速光电探测器。他们同时利用了锁定相位的多个频率信道，使复用光频能够共用一个调制器，并提供前所未有的信噪比(图3a)。具体而言，探测光和参考光拍频的单边带相位噪声低至-116 dBc/Hz @100 kHz，相对强度噪声则达到-127 dBc/Hz @100 kHz（图3b）。这确保了DAS 测量的超高灵敏度。此外，通过对10条梳齿的频率偏移的巧妙设计，避免了调制引起的频谱混叠，实现了基于频分复用的并行传感。在传感中，每个频率通道的响应可以线性累积，与单频激光器相比，灵敏度提高了10倍。不同声波频率下的检测极限如图3c,所示。在相同的检测条件下，利用不同的方案检测声信号，双孤子微梳源对任何频率的灵敏度都提高了10 dB。实验展示了在传感距离为10 km，空间分辨率为5 m的双梳DAS中获得了创纪录的声波探测灵敏度，最低可达560 fε/Hz^1/2 @1 kHz。此外，这种频率复用能力还有助于抑制相干衰落。

图3. (a)使用双孤子梳作为光源的光纤DAS。两个具有不同重复频率的同步克尔孤子分别作为探测光和本地参考光。相干并行信道在波分复用外差中进行I-Q解调。(b)测量到的第一对双孤子拍频（红色）和 NKT-E15激光器自拍频（蓝色）的相位噪声。(c-d)不同频率下固定应变 ±5.6 nε时单频激光器方案(c)和双光梳方案(d)的灵敏度比较。平均而言，对于任何信号频率，双孤子方案的应变噪声比比单频激光方案的高10 dB。图中是从5 Hz到5 kHz的传感信号。(e)上图：当增加单频通道的功率时，10条梳齿光梳的总功率会增加10倍。下图：激发SBS时，瑞利散射效率迅速降低。对于单频激光器，衰减阈值为20.3 dBm；对于10条梳齿的光梳，衰减阈值为30.4 dBm。(f)光纤距离与接收到的瑞利散射功率的相关性。在固定的噪声基准为-70 dB的情况下，基于双频梳的分布式光纤感知系统展现出最大的感知距离为72公里。

此外，他们还发现光频梳源确实有助于提高传感距离，因为光纤中的多频传输可以提供更高的光功率。由于光纤的固有损耗，光源的功率决定了传感距离。然而，由于调制不稳定性（MI）和受激布里渊散射（SBS）等非线性效应的限制，单频激光的功率不可能无限放大。SBS会大幅消耗输入功率，从而降低瑞利散射效率。然而，由于光梳光源多波长的特性，其总功率可因更高的MI和SBS阈值而大幅提升。在DAS中，最大传感距离位于光信号衰减到光电探测器检测极限的位置。使用探测光梳源时，无SBS的总功率可以达到30.4 dBm（图3e），最大探测距离为72 km（图3f）。尽管这一传感距离比基于分布式放大的DAS系统短，但已经是对基于单频激光的传统DAS的显著改进，且有效回避了放大引入的噪声问题。预计在未来，其结合低噪声分布式放大技术，可以进一步扩大传感距离，同时优化传感性能。

未来DAS的发展将着重于提高系统的灵敏度、空间分辨率、动态范围、频率响应等性能。与光纤光栅或其他反射器相比，背向瑞利散射要弱得多，相对较低的灵敏度也是应用中的主要问题。双孤子微梳与DAS的结合不仅开创了一种物理范式，将微梳的应用拓展至光纤传感领域，而且引入了一种突破性的策略，以超越当前基于单频光源的DAS系统所面临的性能限制。未来，通过增加梳齿的数量和优化光谱参数，双梳和光纤传感协同作用的潜力将得到进一步提升，应用范围也将更加广泛。有望开启一个在fε/Hz^1/2水平上探测的DAS时代，引领下一代分布式地震检测器和声纳的产生。

推介人

曹雪凝，中国科学院物理研究所，博士研究生。

李贝贝，中国科学院物理研究所，特聘研究员，主要研究领域为回音壁模式光学微腔，包括光学微腔传感，微腔磁力仪，超声波传感，微腔光频梳，微腔布里渊激光等。

参考资料

1. He Z, Liu Q. Optical fiber distributed acoustic sensors: A review[J]. Journal of Lightwave Technology, 2021, 39(12): 3671-3686.

2. Zhu H H, Liu W, Wang T, et al. Distributed acoustic sensing for monitoring linear infrastructures: current status and trends[J]. Sensors, 2022, 22(19): 7550.

3. Shatalin S, Parker T, Farhadiroushan M. High definition seismic and microseismic data acquisition using distributed and engineered fiber optic acoustic sensors[M]. In Distributed Acoustic Sensing in Geophysics: Methods and Applications; Wiley: Hoboken, NJ, USA, 2021:1-32.

4. Kippenberg T J, Gaeta A L, Lipson M, et al. Dissipative Kerr solitons in optical microresonators[J]. Science, 2018, 361(6402): eaan8083.

5. Suh M G, Yang Q F, Yang K Y, et al. Microresonator soliton dual-comb spectroscopy[J]. Science, 2016, 354(6312): 600-603.

6. Wildi T, Voumard T, Brasch V, et al. Photo-acoustic dual-frequency comb spectroscopy[J]. Nature communications, 2020, 11(1): 4164.

7. Friedlein J T, Baumann E, Briggman K A, et al. Dual-comb photoacoustic spectroscopy[J]. Nature Communications, 2020, 11(1): 3152.

8. Ren X, Pan J, Yan M, et al. Dual-comb optomechanical spectroscopy[J]. Nature Communications, 2023, 14(1):5037.

9. Mizuno T, Hase E, Minamikawa T, et al. Full-field fluorescence lifetime dual-comb microscopy using spectral mapping and frequency multiplexing of dual-comb optical beats[J]. Science Advances, 2021, 7(1): eabd2102.

10. Suh M G, Vahala K J. Soliton microcomb range measurement[J]. Science, 2018, 359(6378): 884-887.

11. Li J T, Chang B, Du J T, et al. Coherently parallel fiber-optic distributed acoustic sensing using dual Kerr soliton microcombs[J]. Science Advances, 2024, 10(3): eadf8666.

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中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。

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中国物理学会

应用物理前沿推介委员会

主    任：吴义政， 复旦大学

副主任：杨海涛，中科院物理所

一、传感与探测方向

召集人：柴国志

委   员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞

二、量子精密测量方向

召集人：荣星

委   员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为

三、新型信息载体与技术方向

召集人：黄元

委   员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星

四、微波与太赫兹物理与技术方向

召集人：孙亮

委   员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔

五、光子与光电子学方向

召集人：肖云峰

委   员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震

六、功率半导体物理与器件方向

召集人：孙钱

委   员：黄森、江洋、周弘、王俊

七、材料物理方向

召集人：于浦

委   员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨

八、低温物理与技术方向

召集人：金魁

委   员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊

九、能量转化、存储与传输方向

召集人：禹习谦

委   员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯

十、极端条件物理与技术方向

召集人：吉亮亮

委   员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚

END

设计：陈   龙

排版：陈   龙

美编：张   悦

主编：吴义政

副主编：杨海涛

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