双克尔孤子微梳，让光纤分布式声学传感更厉害

大家好！今天要给大家介绍一项的光纤传感技术——《Coherently parallel fiber-optic distributed acoustic sensing using dual Kerr soliton microcombs》发表于《SCIENCE ADVANCES》。光纤分布式声学传感（DAS）意义非凡，但单频光源却成了其发展的绊脚石。不过别担心，双克尔孤子微梳技术横空出世啦！它能带来前所未有的灵敏度提升、衰落抑制，还能延长检测距离。接下来，让我们一起深入了解这项技术是如何改变光纤声学传感领域的格局吧。

* 本文只做阅读笔记分享 *

一、研究背景与意义

分布式光纤传感器在环境监测等领域具有重要意义，其中基于瑞利背向散射的相位敏感光时域反射仪（Φ-OTDR）是分布式声学传感（DAS）的基础，可用于多种场景的监测。然而，当前DAS技术在追求更高性能时面临单频光源带来的瓶颈，如相位噪声、信噪比限制以及相干衰落等问题。而孤子微梳作为高精度计量光源具有多频输出等优势，在多个领域已展现出广泛应用潜力，但在DAS中的应用尚未得到充分开发。本研究旨在利用双克尔孤子微梳解决现有DAS技术的瓶颈，推动DAS技术的发展。

二、双孤子微梳DAS的原理

（一）概念阐述

1、原理介绍

在基于双孤子微梳的DAS中，探测梳和本地参考梳分别在两个微环腔中独立产生，均提供多个频率。由于孤子特性，所有梳线的初始相位锁定，可实现频率复用且无噪声叠加。包含声学信息的探测梳线与本地梳线在光电探测器中通过异频外差形成射频梳，再经IQ解调得到相位变化的功率密度谱。

2、灵敏度增强原理

对于传统单频激光的DAS，只能在一个频率上测量声学信号引起的相位变化；而基于双梳的DAS，每个梳线都携带相同的声学信息相位变化Δφ，经IQ处理后可累积，从而实现灵敏度增强。假设每个频率通道的检测极限为Δφ，增加双孤子微梳源的频率通道数，在噪声基底不变时，检测极限可降至Δφ/N（N为梳线数）。例如，随着梳线数量增加，灵敏度因信号累积而提高。使用单频激光（蓝色）和10梳线（红色）的功率谱密度模拟结果对比，显示双梳方案检测极限更低。

（二）双孤子微梳特性

1、微环结构与参数

用于生成孤子梳的硅氮化硅微环，其截面尺寸为1650nm×800nm，在1550nm附近处于反常色散区域，可实现单模振荡。两个微环直径约600μm，测量Q因子为5×10⁶，用于激发探测梳和参考梳，其重复频率分别为109.85GHz和110.05GHz，光谱覆盖1490nm-1550nm范围，通过滤波器选择10条梳线（经度模式数2-11）并放大至相同功率（每条线高达200mW），两梳线间光谱差异调整为205MHz（对应1.64μm波长差）。

2、相位噪声特性

两梳的拍频信号，重复频率差为200MHz，第一拍频信号位于205MHz，放大后的射频频谱显示每个拍频信号的信噪比（SNR）> 50dB，线宽小于10Hz。

双梳第一拍频（红色）和NKT-E15自拍频（蓝色）的单边带相位噪声（SSB-PN），双梳拍频的SSB-PN在10Hz时接近-56.7dBc/Hz，1kHz时为-89.8dBc/Hz，10kHz时为-115.7dBc/Hz，在声学频率区域具有更低相位噪声。

（三）传感操作与参数设计

1、实验设置与传感原理

利用可调谐单频激光（NKTE15）生成探测梳，同时通过可调谐移频器（如AOM）产生本地参考孤子梳，两者由同一泵浦激光驱动，有助于抑制泵浦噪声。在DAS系统中，方波脉冲调制决定传感距离（L _D ）和空间分辨率（d），由调制周期（T _M ）决定（2 L _D = v T _M ，v ≈ 2×10⁸ m/s为光纤中光速），d取决于调制脉冲宽度（2d = vt）。例如，设置L _D = 10km和d = 5km时，需设置T _M = 0.1ms和τ= 50ns。探测梳经调制、滤波、放大后通过10km长光纤，在距光源5km处用光纤缠绕的PZT产生频率1-10kHz、应变11.2nε/V的声学信号，通过测量背向瑞利散射的相位变化，经IQ解调分析声学响应的功率谱密度。

2、梳源参数设计

调制梳线的原理图，为确保调制波形接近理想周期方波并避免采样引起的混叠效应，需满足D1 > NΔD ₁ + σ（D ₁ 为探测梳重复率，N为梳线数，σ为调制确定的光谱带宽），同时要避免调制引起的频谱混叠（ΔD ₁ >σ）和双梳外差混叠（D ₁ > 2f ₁ + (2N-2) ΔD ₁ + 2σ，f ₁ 为第一双梳拍频频率），且要考虑光电探测器带宽限制（f ₁ + (N-1) ΔD ₁ + σ/2 < f _PD ），所有梳线还需位于EDFA有效放大区域内。基于双梳的DAS计算参数空间，表明可接受的最小梳重复率（D _1,min ）和最小双梳重复频率差（ΔD _1,min ），本实验中微梳D ₁ ≈ 110GHz > D _1,min ≈3.6GHz，ΔD ₁ = 200 MHz > D _1,min ≈ 188.4MHz，主要考虑EDFA光学带宽（限制N < 16）和低噪声光电探测器电带宽（限制N < 12），未来可通过调整参数使用更多梳线。调制后探测梳和参考梳的测量拍频，验证了各频率通道侧带不重叠，中心频率通道调制结构明显。

三、实验结果展示

（一）声学传感灵敏度增强结果

1、不同频率信号测量对比

在5km处引入频率为20Hz、50Hz和100Hz（应变均为±5.6nε）的声学信号，对比单频激光（NKTE15，灰色曲线）和双孤子微梳（蓝色曲线）测量结果，双梳测量噪声明显更低，SNR更高。相应的功率谱密度（PSD）地图，20Hz、50Hz和100Hz声学频率下，双梳DAS测量的PSD的SNR分别大于39dB、52dB和60dB，检测极限分别为134pε、61.5pε和5.6pε。

2、频率-应变关系及检测极限总结

在5.6nε固定应变下，单频激光和双孤子微梳DAS在5Hz-5kHz频率范围内的灵敏度比较，双梳方案在任何信号频率下应变-噪声比均高10dB。不同声学频率下的检测极限，双梳DAS在高频区域性能更好，对>500Hz信号检测极限<1pε/√Hz，且在相同系统和检测条件下，双梳微梳源在任何声学频率下灵敏度均增强10dB。

（二）传感距离延长结果

1、单频与多频传输非线性效应对比

单频通道在10km单模光纤中背向散射光谱随输入功率的演变，当功率增加时，会出现自发布里渊散射、调制不稳定性（MI）和受激布里渊散射（SBS）等非线性现象，SBS会消耗输入功率，抑制瑞利散射效率。而对于双梳源，由于频率复用，总功率更高且非线性阈值更高。