Avec le laser LXM à 100% à l'état solide, indie introduit un élément clé pour une intégration transparente dans les applications de détection nécessitant un faible bruit de fréquence et un réglage précis de la fréquence à un taux d'échantillonnage élevé.
Le LXM établit une nouvelle norme pour la détection améliorée en offrant un faible bruit, une puissance optique élevée et une largeur de raie étroite, autant de caractéristiques des sources laser supérieures et d'éléments essentiels pour des applications réussies. Le LXM-S présente une largeur de bande typique de 15 kHz, tandis que le LXM-U intègre une boucle de verrouillage de fréquence qui réduit la largeur de bande à une valeur typique de seulement 0,08 kHz.
Au cœur du LXM, le laser semi-conducteur à rétroaction distribuée (DFB) propriétaire d'indie fournit une réponse de modulation de fréquence (FM) plate à la fois en magnitude et en phase. Cette note d'application explique comment la réponse FM plate permet des performances exceptionnelles dans des applications avec des exigences de modulation élevées, y compris le LiDAR à ondes continues modulées en fréquence (FMCW), la réflectométrie optique dans le domaine des fréquences (OFDR), la détection distribuée par fibre et la détection acoustique distribuée (DAS).
Note rapide sur la notion de modulation de fréquence (FM)
- La réponse FM d'un laser définit la manière dont sa fréquence optique est déplacée sous l'effet d'une modulation externe.
- La réponse FM est quantifiée par une magnitude et un retard de phase. Une amplitude élevée permet un grand décalage de la fréquence optique. Un retard de phase plat permet une modulation à faible distorsion et des boucles de verrouillage à grande largeur de bande.
Le module LXM est conçu de manière à ce que le courant qui alimente sa diode laser DFB puisse être modulé à grande vitesse. La variation du courant appliqué à un laser à semi-conducteur entraîne une modification de l'indice de réfraction effectif et de la température du matériau semi-conducteur composant sa cavité1. Ces changements entraînent un déplacement de la fréquence optique de la lumière émise par le laser. Généralement, cette modulation du courant de commande est une composante alternative relativement faible ajoutée au courant continu beaucoup plus fort qui alimente l'inversion de population.
La relation entre cette modulation du courant d'entraînement d'un laser à semi-conducteur et la modulation consécutive de la fréquence optique du faisceau laser de sortie est appelée réponse de modulation de fréquence (FM) du laser. La réponse FM est caractérisée par un spectre d'amplitude [en MHz/mA] et un retard de phase [en degrés ou radians]. Elle est équivalente à la fonction de transfert reliant la forme d'onde de la modulation du courant entrant à la forme d'onde de la fréquence optique modulée correspondante.
Une réponse FM plate signifie que la fréquence optique de la lumière laser suit linéairement la forme d'onde du courant de modulation. D'autre part, les non-uniformités dans la réponse FM du laser peuvent entraîner des distorsions indésirables de la fréquence optique de la lumière de sortie.
Grâce à un équilibre soigneusement établi entre les effets thermiques et les effets des porteurs de charge, les caractéristiques intrinsèques de la diode laser DFB d'indie sont optimisées de manière à obtenir une réponse plate en magnitude et en phase jusqu'à la bande passante la plus élevée.
La figure 1 compare la réponse FM de la diode laser DFB de la série LXM à celle d'une diode laser DFB typique.
LXM-S : une solution simple pour les applications exigeantes de détection et de communication
- Le LXM-S est la version à fonctionnement libre de la ligne laser à largeur de raie étroite LXM d'indie.
- Il intègre un DFB avec une réponse FM intrinsèquement plate et à large bande passante (magnitude et phase).
- Il offre une vitesse de modulation de fréquence de plusieurs MHz et une excursion de fréquence jusqu'à 4 GHz-pp en standard, avec une option de 8 GHz-pp disponible.
- Il s'agit donc d'une source laser idéale pour les applications de détection à balayage de fréquence telles que le LiDAR FMCW et la détection à fibre distribuée OFDR, qui exigent également une grande stabilité de la longueur d'onde et une largeur de raie étroite.
Alors que certaines applications bénéficient de la largeur de raie ultra-fine de la boucle de verrouillage du LXM-U, d'autres peuvent tirer parti du LXM-S à fonctionnement libre. Les deux exemples ci-dessous montrent comment les capacités de modulation uniques du LXM-S en font un choix idéal pour les applications de fibre optique et de télédétection.
Le LiDAR FMCW tire pleinement parti de la réponse FM du LXM-S
La largeur de bande de modulation à haute fréquence du LXM peut être utilisée efficacement dans les applications de détection FMCW. La figure 2 montre le schéma de modulation typique pour cette mesure. Les rampes de fréquence triangulaires doivent être très linéaires, car la précision des mesures repose sur les mesures de battement. Une rampe plus linéaire permet de mieux définir les battements.
Le LiDAR FMCW tire pleinement parti de la réponse FM du LXM-S.
1. Linéarité intrinsèque: Une onde triangulaire est composée d'harmoniques impaires du taux de répétition. La réponse FM plate du LXM-S conduit à de faibles distorsions harmoniques intrinsèques dans les MHz. Pour une onde triangulaire de 100 kHz, cela signifie que plus de 50 harmoniques peuvent être reproduites dans la sortie optique avec peu ou pas de distorsions, ce qui est plus que suffisant pour reproduire une forme d'onde triangulaire correcte. C'est une autre façon de dire que le laser présente une linéarité intrinsèque élevée. À 100 kHz, le LXM-S offre typiquement moins de 1 % de non-linéarité, contre plus de 10 % pour un DFB conventionnel.
2. Pré-compensation simple de la forme d'onde de modulation: Une excellente répétabilité de la fréquence émise
en fonction du courant d'entraînement est importante pour la compensation de la non-linéarité au niveau du courant. Pour les applications dans lesquelles la non-linéarité de 1 % est trop élevée, la forme d'onde d'entrée peut être pré-déformée pour augmenter la linéarité de la fréquence optique de sortie.
Pour ce faire, une fonction de correction, déterminée de manière itérative, est appliquée à la forme d'onde d'entrée. Cette forme d'onde de correction peut comporter des composantes de haute amplitude et de haute fréquence, auxquelles le laser doit pouvoir réagir correctement. Ainsi, la réponse FM du laser peut limiter la linéarité maximale obtenue par la précompensation de la forme d'onde.
La figure 3 montre l'effet du contrôle du courant d'entraînement dans le LXM-S pour obtenir la meilleure linéarité, avec une non-linéarité inférieure à 0,1 % pour une rampe de 2 GHz à un taux de répétition de 100 kHz.
La figure 4 montre une non-linéarité inférieure à 0,04 % pour une rampe de 7,5 GHz à un taux de répétition de 10 kHz.
Il convient de noter que dans cette application, la distance et la vitesse longitudinale mesurées sont toutes deux affectées par le RIN et le PSDFN de la source laser. Le PSDFN limite la distance minimale mesurable. Avec le LXM-S, on bénéficie d'un bruit de faible intensité, d'un bruit de faible fréquence et d'une largeur de bande de modulation élevée et de haute fidélité.
Détection acoustique distribuée (DAS) dans le domaine des fréquences
La détection acoustique distribuée (DAS) est une autre application qui nécessite toutes les performances du LXM. La DAS basée sur la réflectométrie optique cohérente dans le domaine temporel (C-OTDR) peut être limitée en SNR lorsqu'il y a une limite à la puissance optique maximale que l'on peut lancer dans une fibre. L'OFDR contourne cette limitation en codant l'information temporelle dans la fréquence d'une source de lumière à onde continue. L'utilisation d'une source à onde continue augmente la puissance moyenne que l'on peut utiliser, tout en maintenant la puissance de crête à un niveau minimal. En outre, la résolution spatiale de la C-OTDR est limitée à quelques mètres par la durée de l'impulsion, alors que l'OFDR peut atteindre une résolution centimétrique, voire millimétrique.
La plupart des systèmes DAS sont basés sur la rétrodiffusion de Rayleigh (RBS). Dans des conditions statiques, la RBS varie le long d'une fibre en raison d'imperfections de fabrication. En dynamique, elle est sensible aux changements des conditions environnementales, tels que les vibrations acoustiques, la température, la compression de la fibre et d'autres contraintes. Ces changements entraînent des modifications locales du RBS. Le signal de réflectométrie varie donc lorsque de telles contraintes se produisent et peut être détecté par comparaison avec une mesure de référence. Une référence stable et à faible bruit, combinée à une mesure précise, est nécessaire pour obtenir une sensibilité de détection élevée sur une longue distance. L'amplitude de la modulation de fréquence, la répétabilité, la linéarité et les niveaux de bruit sont donc essentiels.
Le LXM-S présente une amplitude de modulation élevée à grande vitesse, ce qui en fait une source idéale pour les DAS OFDR. Dans la plupart des applications de détection par balayage de fréquence, la résolution spatiale est limitée par l'amplitude de la modulation de fréquence. Le balayage d'une grande plage de fréquences est nécessaire pour obtenir la localisation précise de la perturbation surveillée. Cependant, les fréquences acoustiques s'étendent bien au-delà de la gamme des kHz, ce qui est beaucoup trop rapide pour un balayage de fréquence basé sur les effets thermiques. À 10 kHz, par modulation directe, le LXM-S peut encore atteindre une amplitude de fréquence de 8 GHz p-p.
Un exemple d'application DAS est la sécurité périmétrique. Une fibre est déployée le long d'un périmètre surveillé. Les tentatives d'intrusion (par exemple, escalade d'une clôture, creusement d'un tunnel, etc.) provoquent des perturbations dans le RBS, qui sont mesurées en continu. La figure 5 montre un exemple de mesure DAS basée sur l'OFDR utilisant le LXM-S. La carte en 2D montre la mesure complète avec les transformées de Fourier donnant l'emplacement et la fréquence de la vibration détectée.
Un laser DFB à 100 % à l'état solide conçu pour un meilleur verrouillage de la fréquence
- Une bonne réponse en phase est nécessaire pour obtenir un verrouillage de fréquence stable.
- La largeur de bande d'une boucle de verrouillage de fréquence est souvent limitée par la réponse FM du laser verrouillé.
La largeur de raie d'un laser est déterminée par son bruit de fréquence. Aux basses fréquences, le bruit technique est le facteur dominant et décroît à un taux de 1/f, jusqu'à une limite de bruit blanc. Ce bruit de fond constant est principalement défini par l'émission spontanée dans la cavité du laser2.
Le bruit technique et l'émission spontanée au sein d'un laser à cavité courte alimenté par des courants élevés peuvent être élevés, ce qui élargit la forme des raies spectrales. Pour un laser fonctionnant librement, cette largeur de raie plus importante peut entraîner des incertitudes de mesure élevées dans toute application sensible aux fréquences instantanées ou aux déphasages. La diode laser DFB indie, avec une valeur typique de 15 kHz, présente la largeur de raie intrinsèque la plus faible de sa catégorie.
Ces limitations des diodes laser DFB autonomes peuvent être contournées en utilisant un discriminateur de fréquence dans une boucle de rétroaction fermée avec le laser. Les discriminateurs de fréquence sont des éléments optiques qui convertissent tout décalage de la fréquence optique en un décalage facilement détectable de l'intensité lumineuse, fournissant ainsi un signal d'erreur. Inversé, ce signal d'erreur peut être renvoyé au laser pour corriger sa fréquence instantanée limitée par le bruit. Les discriminateurs peuvent être conçus de manière à ce que leur bruit technique et leur bruit blanc soient naturellement beaucoup plus faibles que ceux du laser. Avec un matériel de verrouillage approprié, on peut obtenir des améliorations significatives du bruit de fréquence, et donc de la largeur de raie.
Les signaux d'erreur décrits ci-dessus peuvent présenter des composantes à très haute fréquence. Pour que la boucle de verrouillage soit efficace, le laser doit pouvoir suivre de près le signal de correction correspondant jusqu'à ces hautes fréquences, à la fois en magnitude et en phase. Une phase fortement retardée ne permettrait pas au signal de correction de compenser le bruit de fréquence qui a généré son signal d'erreur en premier lieu, ce qui conduirait à des boucles instables.
Grâce à sa réponse FM plate dans la gamme des dizaines de MHz, le LXM permet à l'utilisateur de réaliser des boucles de verrouillage stables, à gain élevé et à large bande passante. Le signal de correction de toute boucle de rétroaction externe basée sur un discriminateur peut être renvoyé au laser directement par le port de modulation SMA du LXM.
Conclusion
Le LXM-S établit une nouvelle référence pour la modulation laser haute performance dans les applications de détection et de communication. Sa réponse de modulation de fréquence (FM) intrinsèquement plate et à large bande permet un réglage précis, à faible distorsion et à grande vitesse, essentiel pour des applications telles que le LiDAR FMCW et la détection acoustique distribuée (DAS) basée sur l'OFDR. Qu'il soit utilisé en mode libre ou associé à des boucles de verrouillage de fréquence externes, le LXM-S offre une grande linéarité de modulation et de grands balayages de fréquence sans sacrifier la stabilité ou la vitesse.
Pour les variantes LXM-S et LXM-U verrouillées, les utilisateurs bénéficient d'un bruit d'intensité relative (RIN) et d'un bruit à basse fréquence très faibles, essentiels pour améliorer la sensibilité et la précision des mesures dans les environnements exigeants. Associée à une architecture clé en main, entièrement à l'état solide, la série LXM offre une solution fiable et prête à l'emploi pour les systèmes optiques de la prochaine génération.
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