基于雙頻梳的光纖分布式聲波傳感（Comb-DAS）研究

01 導讀

2024年1 月20日，電子科技大學信息與通信工程學院光纖傳感與通信教育部重點實驗室饒云江教授團隊在光纖分布式聲波傳感關鍵技術研究方面取得了突破性進展。研究團隊首次提出了基于雙頻梳的光纖分布式聲波傳感技術（DAS）新概念（Comb-DAS），通過將集成雙克爾孤子微腔頻梳與DAS結合，利用光頻梳線天然的高度相干性，實現了光纖瑞利散射信號的波分復用相位并行疊加，取得了高達560 fε/√HZ的應變探測靈敏度。相較于常規DAS，實現了一個數量級的靈敏度提升，1.6倍的傳感距離拓展和顯著的相干衰落抑制。該研究為研發下一代超靈敏、超長距離的DAS系統提供了關鍵技術支撐。

圖1論文剪影

相關成果以“Coherently parallel fiber-optic distributed acoustic sensing using dual Kerr soliton microcombs”為題發表于《科學-進展》（Science Advances）雜志上。電子科技大學為論文第一作者單位，饒云江教授、姚佰承教授為論文通訊作者。

2024| 前沿進展

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，可以對數十乃至上百公里范圍內數十萬點的物理信息（如溫度、應變、聲波等）進行連續的測量，而獨樹一幟。其中，基于光纖瑞利后向散射機理的分布式聲波傳感技術(DAS)因為其具有沿光纖鏈路能進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/地震/振動傳感技術，在油氣勘探開發、安防入侵檢測、地震臺網探測、結構健康監測等領域有著廣泛的應用。然而，目前基于單頻激光源的常規DAS，其有限的入纖光功率導致了其信噪比和傳感距離嚴重受限。此外，單頻激光產生的相干衰落也是一個難題。上述問題已成為研發下一代超長距離、超高精度DAS系統的一個原理性瓶頸障礙。

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，可服務如光通信、光子計算、光學原子鐘等多領域應用。同時，雙頻梳技術提供了將光學頻率轉換為射頻的先進手段，被廣泛應用于成像、測距、光譜等領域。近日，電子科技大學光纖傳感與通信教育部重點實驗室饒云江教授團隊將集成雙克爾孤子微梳與DAS結合進行相干并行傳感。在該研究中，創造性地提出了相干合成相位解調方案，實現了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 研究創新點

Comb-DAS工作原理：常規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。實際情況中，?φ大小與外界聲波信號的幅度線性相關。因此，若?φ為DAS的探測極限時，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)梳線的數目和測量的相位變化的映射譜。(D)信號PSD譜對比圖

Comb-DAS實驗驗證：研究者們在兩個重復頻率差為200 MHz的氮化硅微腔中產生一對克爾孤子頻率梳(重復頻率≈110 GHz)，將其對應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生干涉，無需高速光電探測器便可實現外差測量。通過基于頻分復用的相干并行傳感，與常規單頻激光器相比，獲得了10倍的靈敏度增強。實驗中進行了傳感距離為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DAS進行對比，實驗結果如圖3所示?？梢悦黠@地看出Comb-DAS在各目標頻率下的信號質量提升，獲得了世界級的聲學探測靈敏度，達到了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現更高的功率傳輸，使其最大傳感距離從43公里擴展延長到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)傳感信號時域對比圖。(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)傳感信號時域瀑布對比圖

04 總結與展望

該研究報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（Comb-DAS）。雙頻梳光源通過提供相位互鎖多頻信道，實現了傳感信號的線性疊加、頻分復用和高精度相位解調，并具有極大的靈敏度提升潛力。實驗中，通過使用10條梳線進行傳感，獲得了亞皮應變的靈敏度，同時，頻率復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的傳感距離。雙孤子微梳和DAS的結合不僅打破了當前DAS技術受限于單頻激光源的原理性限制，成為將微腔頻率梳擴展到光纖傳感領域的成功范例，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，可望為研發下一代超靈敏、長距離DAS系統提供核心技術支撐，為油氣勘探開發、安防入侵檢測、地震臺網探測、結構健康監測等領域提供新一代的Comb-DAS儀器。