Optovláknový senzor teploty s využitím EDFA zesilovače

Radek Pobořil

Doctoral thesis

A Fiber Optic Temperature Sensor Using an EDFA Amplifier

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá vývojem nového typu optovláknového senzoru teploty, který je založen na kombinaci interferometru a erbiem dopovaného vláknového zesilovače. V první části práce jsou popsány aktuálně dostupné technologie pro měření teploty spolu s jejich parametry a funkčností. Následuje kapitola o interferometrech, která kromě popisu samotného jevu interference světla představuje jednotlivé typy interferometrů, jejich zapojení a vyhodnocení základních vlastností. Třetí část se věnuje rozboru technologie erbiem dopovaných vláknových zesilovačů a seznamuje čtenáře s provedenou rešerší na téma spojení vláknových zesilovačů a senzorů, jejichž klíčovou vlastností je teplotní nestabilita. Část čtvrtá přináší návrh samotného nového teplotního senzoru, jehož hlavními součástmi jsou způsob integrace EDFA zesilovače do interferometru, volba délky dopovaného vlákna, analýza všech použitých komponent a popis měřicího pracoviště s testovací sestavou. V závěrečné části práce je provedena analýza a experimentální ověření již navrženého a zkonstruovaného teplotního senzoru. Jsou testována rozdílná nastavení čerpacího laseru a směru čerpání, za použití dvou typů vláken s rozdílným obsahem erbiových iontů. V samotném závěru je pak analyzován dosah senzoru a odstup signálu od šumu. Důležitou součástí práce je návrh metody pro získání převodní charakteristiky z fázového posunu na stupně Celsia. Výstupem je komplexní návrh nového typu teplotního senzoru, který dosahuje vynikající citlivosti.

Abstract:

This dissertation deals with the development of a new type of fiber optic temperature sensor, based on an interferometer in combination with an erbium doped fiber amplifier. The first part describes currently available technologies for temperature measurement along with their parameters and functionality. The following chapter deals with interferometers and, apart from explaining the phenomenon of light interference itself, it presents individual types of interferometers, their connection schemes and an evaluation of basic properties. The third part is dedicated to the analysis of the technology of erbium doped fiber amplifiers and introduces literature retrieval on connecting fiber amplifiers and sensors whose key feature is thermal instability. The fourth part presents a design of the new temperature sensor, the main parts of which are a method of integrating the EDFA amplifier into the interferometer, a choice of the doped fiber length, an analysis of all used components and a description of the measuring station with the testing set. The final part of the work is dedicated to the analysis and experimental verification of the designed and constructed temperature sensor. Various pumping laser settings and different pumping directions are tested, using two types of fibers with different erbium ion content. At the very end the range of the sensor and the signal-to-noise ratio are analysed. An important part of the work is a design of a method for obtaining the phase shift to degrees Celsius conversion characteristic. The output is a comprehensive design of a new type of temperature sensor that achieves excellent sensitivity.

Keywords

dopované vlákno, EDFA, erbium, interferometr, Mach-Zehnder, měření teploty, optovláknový senzor teploty, teplota, teplotní senzor, vláknový zesilovač, vzácné zeminy

Keywords

doped fiber, EDFA, erbium, fiber amplifier, fiber optic temperature sensor, interferometer, Mach-Zehnder, rare earth elements, temperature, temperature measurement, temperature sensor

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 2. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 2. 9. 2021
• Supervisor: Vladimír Vašinek
• Reader: Milan Dado, Čestmír Vlček, Stanislav Zvánovec

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Informatika, komunikační technologie a aplikovaná matematika / Komunikační technologie