[[alternative]]Study of optically pumped DFB laser applied to temperature monitoring

碩士[[abstract]] 近年來，光纖通信產業及光纖感測器技術日益成熟。因光纖小尺寸、低損耗傳輸、不易遭受電磁波及優異的抗惡劣環境之優點，它非常適合於長距離光傳輸與監控線路。儘管電子式感測器有很好的發展，它們大多需要一個就近的電源和一些連接線，這可能導致它們的性能下降，因電磁和雜訊干擾。另外，當處於惡劣環境中，它們是易損壞的。 在本篇論文中，我們提出了以泵浦雷射做為光源，以遠端入射至分佈式反饋雷射產生單一模態激發光源，藉由DFB雷射受環境溫度的影響，其輸出中心波長會隨著溫度變化而偏移。在實驗中，使用溫度控制器模擬環境溫度，透過光譜分析儀觀察，可以得到一DFB中心波長與溫度之關係。此外，因光泵浦雷射輸出的光強度相當大，因此探討採用光脈衝模式泵激，以減少熱累積效應。同時，也驗證了長距離時DFB雷射隨著操作時間拉長的穩定。 本溫度感測器屬於主動式感測器，具有可遠端即時監測、無需近端供電，且不易受電磁波及雜訊影響等優點。[[abstract]]Recently, fiber-optic communications and fiber-optic sensor technology have made great progress. Because of the advantages of optical fiber, including small size, low-loss transmission, less susceptible to electromagnetic interference, and excellent immunity to harsh environments, it is very suitable for long-haul optical transmission and monitoring lines. Although the electronic sensors have a good development, they mostly need a nearby power supply and connected wires, which may cause them performance degradation due to electromagnetic and noise interference. In addition, they are damageable when laid in harsh environments. In this thesis, the characteristics of optically pumped DFB lasers as temperature sensors have been studied; meanwhile, experimental results have also verified the feasible scheme for implementing the remote temperature monitoring system based on an optically pumped DFB laser.[[tableofcontents]]第一章 緒論 1.1 前言 ...................1 1.2 研究動機.................1 1.3 論文架構.................3 第二章 光纖溫度感測之技術與應用 2.1光纖溫度感測器介紹..........4 2.1.1電子式溫度感測器介紹......4 2.1.2 光纖溫度感測器介紹.......5 2.2 先前研究.................9 第三章 光泵激半導體雷射工作原理 3.1 半導體雷射簡介............12 3.2 非溫控雷射介紹............15 3.2.1 非溫控雷射簡介..........15 3.2.2 非溫控雷射設計..........17 3.3 光泵激原理介紹............19 3.3.1 光泵激簡介.............19 3.3.2 光泵激原理.............21 第四章 監測系統之架構及實驗結果 4.1 監測系統架構之介紹........23 4.2 DFB雷射之基本特性測試.....27 4.3 連續光泵激之理論分析與實驗結果..33 4.4 脈衝模式泵激之實驗結果.....35 4.5 遠距光泵激DFB雷射之實驗結果....40 4.6 水溫之量測實驗結果............42 第五章 結論與未來研究方向 5.1 成果與討論...............47 5.2 未來研究方向..............48 參考文獻.....................49 圖目錄 圖2.1 Pt100溫度曲線圖.....................5 圖2.2光纖光子晶體溫度感測器結構圖............6 圖2.3 SMS架構示意圖與結構圖................7 圖2.4 FBG工作原理圖.......................9 圖2.5 雙金屬片之外觀圖.....................10 圖2.6 光纖溫度超載感測器之特性分析...........10 圖3.1 光的激發放射........................12 圖3.2 半導體雷射居量反轉示意圖..............13 圖3.3 單模態半導體雷射結構示意圖............14 圖3.4非溫控雷射輸出光功率曲線...............16 圖3.5 DFB雷射輸出光頻譜...................16 圖3.6釹元素寬頻段吸收頻譜..................19 圖3.7 光泵激原理示意圖.....................22 圖4.1 本監測系統之實驗架構圖................23 圖4.2 DFB雷射中心波長隨溫度之光頻譜圖........24 圖4.3 脈衝模式示意圖.......................25 圖4.4 泵浦雷射二極體之 L-I關係曲線...........26 圖4.5 Appointech DFB L-I 關係曲線.........27 圖4.6 Liverage DFB L-I 關係曲線...........28 圖4.7 Emcore DFB L-I 關係曲線.............28 圖4.8 Appointech DFB L-P關係曲線..........29 圖4.9 Liverage DFB L-P 關係曲線...........30 圖4.10 Emcore DFB L-P 關係曲線............30 圖4.11 Appointech DFB 輸出光頻譜與溫度關係圖.31 圖4.12 Liverage DFB輸出光頻譜與溫度關係圖....32 圖4.13 Emcore DFB 輸出光頻譜與溫度關係圖.....32 圖4.14 連續光泵激之DFB中心波長-溫度曲線實驗結果.34 圖4.15 Appointech DFB雷射光脈衝泵激之波長-溫度曲線實驗結果.36 圖4.16 Appointech DFB高溫時連續泵激與光脈衝泵激操作之比較..37 圖4.17 Liverage DFB 雷射光脈衝泵激之波長-溫度曲線實驗結果...38 圖4.18 Emcore DFB 雷射光脈衝泵激之波長-溫度曲線實驗結果.....39 圖4.19三顆DFB波長穩定度測試實驗結果 @10km SMF.............41 圖4.20三顆DFB輸出光功率穩定度測試實驗結果 @10km SMF......41 圖4.21 水溫測試架構圖................................43 圖4.22 水溫測試DFB溫度與波長變化實驗結果................43 圖4.23 Appointech DFB雷射水溫測試輸出光頻譜圖..........44 圖4.24 Liverage DFB雷射水溫測試輸出光頻譜圖............45 圖4.25 Emcore DFB雷射水溫測試輸出光頻譜圖..............45 表目錄 表 3.5非溫控高頻雷射結構設計 ..............18 表 4.1實驗用DFB雷射基本資料 ..............25 表 4.2 DFB雷射之旁模抑制比之比較...........33 表 4.3 Appointech DFB雷射中心波長與溫度曲線的斜率.....36 表 4.4 Liverage DFB 雷射中心波長與溫度曲線的斜率......39 表 4.5 Emcore DFB雷射中心波長與溫度曲線的斜率.........40 表 4.6三顆DFB雷射實驗結果之平均值與標準差..............42[[note]]學號: 601450215, 學年度: 10