БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
FAST-OPERATION LASER RADIATION WAVELENGTH METER FOR FIBER OPTIC DATA TRANSFER SYSTEMS

Изобретение относится к измерительной технике в области спектрометрии и представляет собой быстродействующий измеритель длины волны лазерного излучения, распространяющегося по волоконному световоду, построенный на основе двухканального интерферометра Майкельсона.
Известно множество устройств, предназначенных для измерения длины волны лазерного излучения, поэтому целесообразно указать ближайший аналог, описанный в патенте US 005422721 A (опубл. 06.06.1995). В данном патенте предложен фурье-спектрометр (см. фиг.1), разделяющий поступающее излучение на множество оптических пар и одновременно изменяющий оптическую разность хода (далее - ОРХ) между пучками. Фурье-спектрометр предназначен для исследования спектрального состава немоно-хроматического излучения без использования опорного канала.
Устройство работает следующим образом. Излучение точечного источника 1 преобразуется коллимирующей линзой 2 в плоскую волну, разделяющуюся на два пучка светоделителем 3. Далее один пучок, отражаясь от светоделителя 3, падает на плоское зеркало 4, положение которого задает пьезопривод 8. Второй пучок, пройдя через светоделитель 3, отражается от набора плоских зеркал 5. Каждый отраженный от плоского зеркала пучок попадает на светоделитель 3, после отражения от которого проходит через соответствующую фокусирущую линзу 6 и попадает на соответствующее фотоприемное устройство (далее - ФПУ) 7, которое, в свою очередь, соединено с аналого-цифровым преобразователем 9. Выходы аналого-цифровых преобразователей соединены с вычислителем, который выводит информацию на экран 11. Делая отсчеты для каждой пары пучков: пучка, отраженного от плоского зеркала 4, и одного из пучков, отраженных от каждого из плоских зеркал 5, спектрометр генерирует множество разных интерферограмм и определяет спектральный состав входящего излучения, осуществляя преобразование фурье суммарной интерферограммы, полученной из участков, соответствующих каждой из пар, что позволяет получить спектральное разрешение, значительно превышающее то, что могло быть получено путем обработки единой интерферограммы, полученной с помощью единого диапазона сканирования.
Основным недостатком рассматриваемого аналога является низкий уровень интенсивности выходных сигналов, связанный с необходимостью разделения исходного пучка на множество каналов, при этом при небольшом количестве фотоприемников энергетические потери оказываются наиболее существенными. Фиг.2 иллюстрирует вид пучков в плоскости ФПУ в случае построения спектрометра с использованием двух фотоприемных устройств. Примем, что пучок, отраженный от зеркала 4, единичного радиуса. Тогда подсчитаем потери как отношение площади пучка, отраженного от зеркала 4, к площадям пучков, отраженных от зеркал 5.
I
поmерь
где  - интенсивность, составляющая потери;
I
0
- интенсивность пучка, прошедшего через светоделитель:
S
4
- площадь пучка, отраженного от зеркала 4, в плоскости ФПУ;
S
5
- площадь пучка, отраженного от каждого из зеркал 5, в плоскости ФПУ.
Видно, что потери составляют 50% от интенсивности пучка, прошедшего через светоделитель.
Столь значительные энергетические потери делают затруднительным использование устройства для измерения значения длины волны малоинтенсивного излучения и для работы в волоконно-оптических системах.
Еще один существенный недостаток связан с низким быстродействием устройства вследствие необходимости сканирования большого числа точек интерференционной картины, что заметно увеличит время обработки сигналов аналого-цифровым преобразователем и вычислительным устройством.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении скорости измерения длины волны лазерного излучения, а также в увеличении динамического диапазона измеряемых сигналов.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве, выполненном по схеме двухканального интерферометра Майкельсона, содержится исследуемый и измеряемый лазерные источники, излучение которых разделяется светоделителем на два пучка, каждый из которых, отражаясь от соответствующих отражателей, один из которых выполнен с возможностью смещения вдоль оптической оси с помощью привода, снова проходит светоделитель и попадает на вход фотоприемного устройства, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен со входом электронно-вычислительной машины, которая выдает измеренную информацию на экран.
В отличие от рассматриваемого аналога в схему интерферометра дополнительно введен калибровочный канал, содержащий эталонный лазерный источник, а также введены три дополнительных плеча разной длины и быстродействующий электрооптический переключатель, позволяющий с высокой скоростью последовательно подключать к интерферометру соответствующее плечо.
В результате последовательного подключения плеч разной длины происходит последовательное уточнение измеряемой длины волны путем более точного определения фаз интерферограмм за счет известного из предыдущего измерения числа периодов интерференционной картины, укладывающихся в разность хода, вносимую подключенным плечом другой длины при текущем измерении.
Далее изобретение описано более подробно с помощью чертежей.
На фиг.1 изображена структурная схема устройства - ближайшего аналога.
На фиг.2 изображена конфигурация пучков в плоскости ФПУ в случае использования двух плоских зеркал 5.
На фиг.3 изображена структурная схема предлагаемого устройства.
На фиг.4 изображен вид пучков лучей в плоскости ФПУ при использовании четырех ФПУ.
На фиг.2 условно показана структурная схема предлагаемого устройства. Для осуществления предлагаемого изобретения в качестве эталонного источника излучения 12 в калибровочном канале интерферометра необходимо использовать стабилизированный по частоте лазер. Излучение эталонного и измеряемого лазера разделяется на два пучка светоделителем 14, представляющим собой полупрозрачную пластину. Для создания оптимального соотношения сигнал/помеха светоделитель целесообразно выполнить с коэффициентом светоделения 50%/50%. Полученные пучки, отражаясь от соответствующих отражателей, попадают на вход соответствующих ФПУ 22 и 23, где образуют интерференционную картину.
Для измерения периода интерференционной картины необходимо производить ее сдвиг на определенное заранее известное целое число периодов, а затем измерять фазу сдвига, соответствующую дробной части периода. Для осуществления указанного измерения реализована схема двухканального интерферометра с одним стационарным плечом с отражателем 15 и набором из четырех подключаемых плеч с отражателями 18, 19, 20 и 21. Сдвиг интерференционной картины осуществляется с помощью переключателя 17 путем последовательного подключения к интерферометру плеч с разной длиной, а измерение величины сдвига картины, соответствующей дробной части периода, происходит путем изменения длины стационарного плеча с помощью пьезопривода отражателя 15, установленного в этом плече.
Для измерения длины волны измеряемого лазера 13 выполняются следующие операции.
1. Осуществляется перестройка отражателя 15 при помощи пьезопривода на расстояние DS шагом DS/k, где k выбирается, как привило, в диапазоне 10-20 и означает число выбираемых точек на одном периоде интерферограммы. Диапазон перемещения отражателя 1 выбирается в соответствии с формулой:
OPD
1-2
max
где 0 - вносимая ОРХ, λ - верхняя граница рабочего диапазона, q>0,5 - коэффициент, гарантирующий смещение интерференционной картины более чем на один период.
эт
изм
2. После каждого шага пъезопривода осуществляется синхронное измерение интенсивности в канале эталонного лазера 12 и измеряемого лазера 13. Оцифрованные АЦП 24 данные записываются в два массива I1 и I2 и поступают на вход ЭВМ 25.
3. Вычисляются фазы первой и k-ой точки в канале эталонного лазера 12 и измеряемого лазера 13. Фазы могут быть определены, например, при помощи 5-точечного алгоритма [Р.Hariharan, В.F.Oreb and T.Eiju Digital phaseshifting interferometry: a simple error-compensating phase calculation algorithm. Applied optics, Vol.26, No. 13, 1987]. Согласно этому алгоритму фаза каждой N-й точки может быть вычислена по формуле:
где ϕ - фаза N-й точки;
I
, I
, I
, I
, I
N
N+1
N+2
N+3
N+4
- интенсивности 5-ти последовательно следующих точек интерферограммы.
4. Определяется целое число периодов (длин волн) в канале эталонного и измеряемого лазера.
5. Вычисляется длина волны измеряемого лазера по формуле на основе сравнения периодов интерферограмм [Оптические измерения / А.Н.Андреев, Е.В.Гаврилов, Г.Г.Ишанин и др.: Учебное пособие. - М.: Университетская книга; Логос, 2008. - 416 с., с.353-354]:
эт
где N - целое число периодов в интерферограмме эталонного лазера;
изм
N - целое число периодов в интерферограмме измеряемого лазера;
φ
эm_1m
- фаза первой точки в интерферограмме эталонного лазера;
φ
эm_km
- фаза k-ой точки в интерферограмме эталонного лазера;
φ
изм_1m
- фаза первой точки в интерферограмме измеряемого лазера;
φ
изм_km
- фаза k-ой точки в интерферограмме измеряемого лазера.
6. Максимально возможную погрешность измерения длины волны при сканировании интерферограммы длиной DS можно оценить, воспользовавшись зависимостью длины волны измеряемого лазера от ряда параметров, см. (4):
Воспользовавшись формулой для суммарной стандартной неопределенности [Основы оптической радиометрии / под. ред. проф. А.Ф.Котюка. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 544 с., с.36], получим следующую формулу для погрешности длины волны измеряемого лазера:
δφ
δλ
эт
эт
где  - погрешность измерения фазы. Таким образом, например, если λ=632 нм (длина волны стабилизированного по частоте He-Ne лазера), δφ=3° - типичная погрешность измерения фазы при помощи пятиточечного алгоритма [Р.Hariharan, В.F.Oreb and T.Eijn Digital phase-shifting interferometry: a simple error-compensating phase calculation algorithm. Applied optics, Vol.26, No. 13, 1987], N=1, то погрешность после сканирования отражателя в диапазоне DS составит =5,2 нм.
Возможное начальное внесение ОРХ между отражателями 15 и 18 устанавливается в соответствии со следующим неравенством:
изм_min
которое означает, что неопределенность длины волны может привести к изменению числа длин волн, укладывающихся в ОРХ не более чем на единицу, т.е. неопределенность длины волны может привести к изменению лишь дробной части периода интерферограммы. Из (7) можно приближенно оценить значение ОРХ, если, например, нижняя граница рабочего спектрального диапазона составит λ=1200 нм:
эт
Если при этом начальная ОРХ была измерена с погрешностью не более 0,2·λ, то появляется возможность повысить точность измерения более чем в 30 раз, осуществив вычисления по следующей формуле:
где mod - операция определения целой части числа. Соответствующая погрешность после уточнения может быть определена из следующего выражения:
эт
изм_уm1
δλ
Таким образом, если, например, λ=632 нм, то погрешность после уточнения составит =0,012 нм.
7. После того как проведено уточнение измерения, отражатель 15 возвращается в изначальное положение. Причем возврат осуществляется точно так же пошагово с шагом DS/k. После этого осуществляется вычисление ошибки возврата в начальное положение при помощи следующего выражения:
φ
эm_1m_возв
где  - фаза 1-й точки интерферограммы после возврата в исходное положение, вычисленная при помощи пятиточечного алгоритма.
8. Затем осуществляется переключение отражателей при помощи переключателя 17. Теперь интерферометр образуется при помощи отражателей 15 и 19. Начальная ОРХ между отражателями 15 и 19 должна быть установлена равной:
эт
и должна быть измерена с погрешностью не более 0,2·λ.
9. Теперь для уменьшения погрешности измерения длины волны осуществляется перестройка отражателя 15 при помощи пьезопривода на расстояние DS с шагом DS/k.
эт
изм
После каждого шага пъезопривода осуществляется синхронное измерение интенсивности в каналах эталонного и измеряемого лазеров. Оцифрованные аналого-цифровым преобразователем 24 данные записываются в два массива I2 и I2.
эт
изм
10. Определяется целое число периодов (длин волн) в массивах I2 и I2.
11. Вычисляется уточненная длина волны при помощи следующего выражения:
После этого производится оценка погрешности измерения длины волны при помощи следующего выражения:
δλ
изм_уm4
Последовательно проводя процедуры (8)-(11) при подключении плеч с отражателями 20 и 21 и варьируя соответствующие параметры, легко получить на последнем четвертом этапе при подключении плеча с отражателем 21 значение погрешности =1 пм, что соответствует лучшим образцам серийно выпускаемых измерителей длины волны.
Рассчитаем выигрыш по динамическому диапазону по сравнению с аналогом. Рассмотрим случай, когда в аналоге используется четыре фотоприемных устройства и соответственно четыре положения отражателей (см. фиг.4). В таком случае выигрыш по энергетике разрабатываемого устройства перед аналогом будет представлять собой отношение общей площади пучка, который полностью используется в предлагаемой схеме, к площади четырех пучков диаметром d, используемых в аналоге. Численно выигрыш составит:
Это означает, что предлагаемое устройство способно измерять длину волны лазерного источника примерно в 1,5 раза меньшей мощности.
Рассчитаем выигрыш по скорости, получаемый благодаря применению другого способа обработки сигнала. Так как в аналоге используется непрерывная запись всей интерферограммы с ее разбивкой на равные участки, регистрация которых осуществляется одновременно, то время регистрации, ограниченное АЦП, будет составлять:
изм
ФПУ
диск_АЦП
где N - количество целых периодов в интерферограмме измеряемого лазера, необходимое для измерения длины волны с заданной точностью, К=4 - количество фотоприемников, ƒ - частота дискретизации АЦП, m - количество точек на период интерферограммы, необходимое для идентификации периода (m>2 исходя из критерия Найквиста).
Применительно к предлагаемому устройству минимальное время регистрации составит:
t
пер
где q - коэффициент, гарантирующий смещение интерференционной картины более чем на один период, i - число последовательных уточнений измеряемой длины волны (число подключаемых плеч), NS - выбранное число шагов, р - количество переключений в пределах одного цикла измерений,  - время переключения отражателей. В рассматриваемом случае примем q=0,75, i=4, NS=20, р=3. Напрямую сравнить предельно достижимое время не представляется возможным, так как в расчете времени измерения предлагаемого устройства присутствует еще и время переключения, однако можно осуществить сравнение исходя из технических характеристик, существующих на сегодняшний день устройств.
изм
диск_АЦП
пер
t
http://www.bostonati.com/products/PI-FOS.pdf]
Пусть требуемое количество периодов N=300000, m=3, ƒ=500 МГц, =200 нс [Boston Applies Technologies Inc. NanonaTM High Speed&Low Loss Optical Switch, , тогда время измерения в рассматриваемом аналоге:
Время измерения в предлагаемом устройстве:
Таким образом, предлагаемый быстродействующий измеритель длины волны лазерного излучения для волоконно-оптических систем передачи информации обеспечивает увеличение скорости измерения длины волны лазерного излучения, а также увеличение динамического диапазона измеряемых сигналов.