Устройство передачи аналогового электрического сигнала по ВОЛС
DEVICE FOR TRANSMITTING ANALOGUE ELECTRICAL SIGNAL VIA FOCL

Изобретение относится к системам передачи аналоговых сигналов микро-, наносекундного временного диапазона по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) с использованием внешней модуляции излучения и может быть использовано в многоканальных системах.
Для преобразования электрического сигнала в модуляцию параметров оптического излучения, передаваемого по ВОЛС, возможно использовать электрооптические модуляторы по схеме интерферометра Маха-Цендера (далее по тексту ММЦ).
Функция пропускания ММЦ (зависимость пропускания модулятора от приложенного к электрическому сигнальному входу напряжения) по форме близка к синусоидальной. Поэтому при передаче аналоговых сигналов с использованием таких модуляторов для восстановления формы передаваемого сигнала необходимо знать как функцию пропускания (заранее определенную), так и рабочую точку модулятора (пропускание модулятора при отсутствии напряжения на электрическом сигнальном входе). Изменение интенсивности на выходе модулятора при подаче сигнала на электрический сигнальный вход модулятора зависит от положения рабочей точки модулятора. Дрейф рабочей точки (изменение пропускания модулятора с течением времени при отсутствии напряжения на электрическом сигнальном входе модулятора) вызван тепловыми процессами в модуляторе (поглощение лазерного излучения в модуляторе, изменение температуры модулятора и т.д.), поэтому требуется постоянный контроль и стабилизация рабочей точки. В качестве рабочей точки чаще всего выбирают минимум, максимум или середину склона функции пропускания модулятора, так как эти точки наиболее просто поддаются настройке и контролю при помощи специализированных устройств (контроллеров рабочей точки). Точность установки рабочей точки при работе контроллера рабочей точки пропорциональна времени наличия постоянного оптического излучения на оптическом входе ММЦ. При передаче сигналов микро-, наносекундного диапазона длительность сигнала существенно меньше времени наличия постоянного оптического излучения на оптическом входе ММЦ, необходимом для настройки рабочей точки.
Для ограничения времени засветки приемника оптического излучения из непрерывного излучения одного или нескольких лазерных модулей (источников излучения) с использованием акустооптических модуляторов и генераторов высокочастотного сигнала для акустооптических модуляторов формируются импульсы с плоской вершиной. Время начала формирования импульса с плоской вершиной и его длительность определяют начало и длительность регистрации передаваемого (информационного) электрического сигнала, поступающего на сигнальный вход ММЦ.
Ограничение времени засветки приемника оптического излучения при постоянном контроле рабочей точки ММЦ основано на использовании акустооптического модулятора, установленного после ММЦ, при этом на оптический вход ММЦ подается постоянный уровень оптического излучения от лазерного модуля, используемого для передачи информационного сигнала, что необходимо для работы контроллера рабочей точки, а длительность засветки приемника оптического излучения ограничивается акустооптическим модулятором и генератором высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора. Метод также применим при многоканальной (N>1) передаче сигнала, при этом ограничение времени засветки приемника оптического излучения для каждого канала передачи производится аналогичным способом.
Известна система передачи аналогового сигнала по ВОЛС, в которой задание и контроль рабочей точки ММЦ осуществляется при помощи специализированных устройств - контроллеров рабочей точки и дополнительного источника оптического излучения, где для настройки и стабилизации рабочей точки модуляторов используется непрерывное излучение лазерного диода (LD1) и контроллер рабочей точки, а для передачи информационного сигнала используется излучение лазерного диода (LD3) с другой длиной волны. Для разделения излучений диодов используется WDM-разветвитель. Для формирования оптического импульса с плоской вершиной и ограничения времени засветки приемника оптического излучения излучением лазерного диода LD3 используется акустооптический модулятор (АОМ2), установленный перед ММЦ (MZ3). Для восстановления сигнала используется заранее определенная функция пропускания ММЦ. Limin Ji «А Novel Electro-Optic Measurement System using Multiple Wavelengths» Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for the Degree Doctor of Philosophy, University of Rochester Rochester, New York 2011, стр. 58-64.
Недостатком этой системы является необходимость использования отдельного источника оптического излучения (LD1) для настройки рабочей точки ММЦ контроллером рабочей точки и WDM-разветвителя для исключения подачи этого оптического излучения на вход приемника оптического излучения (фотодиода PD), что усложняет оптическую схему системы и увеличивает стоимость системы передачи.
Известна система передачи аналогового сигнала по ВОЛС, в которой задание и контроль рабочей точки модулятора осуществляется при помощи контроллера рабочей точки без использования дополнительного источника оптического излучения, где для настройки и стабилизации рабочей точки модулятора и передачи информационного сигнала используется излучение одного и того же лазерного диода. Из непрерывного излучения лазерного диода для ограничения времени засветки приемника оптического излучения при помощи акустооптического модулятора, установленного перед ММЦ, вырезаются три прямоугольных оптических импульса, первый используется для настройки рабочей точки модулятора интенсивности, далее напряжение на электродах смещения фиксируется, затем подается второй оптический импульс, на котором производится передача информационного сигнала, затем подается третий оптический импульс, на котором производится проверка положения рабочей точки. Для восстановления сигнала также используется заранее определенная функция пропускания модулятора интенсивности. W.R. Donaldson et al., «А single-shot, multiwavelength electro-optic data-acquisition system for inertial confinement fusion applications (invited)», Rev. Sci. Instrum. 83, 10D726 (2012).
Недостатками данной системы являются необходимость формирования трех прямоугольных оптических импульсов для проведения процедур настройки рабочей точки модулятора и передачи информационного сигнала, длительное время подготовки к передаче информационного сигнала, следствием чего являются усложнение процедуры передачи сигнала и увеличение стоимости системы передачи.
Известна система передачи аналогового сигнала, содержащая лазерный диод, акустооптический модулятор, волоконный разветвитель, модуляторы Маха-Цандера, контролеры рабочей точки, одномодовый волоконный ответвитель, фотодиод, цифровой осциллограф, где для настройки и контроля положения рабочей точки модулятора используется контроллер рабочей точки, подающий на электроды сдвига модулятора биполярное пилообразное напряжение и по оптическому отклику на выходе модулятора настраивающий положение рабочей точки модулятора и производящий периодический контроль положения рабочей точки, а для ограничения времени засветки приемника оптического излучения используется акустооптический модулятор, установленный перед ММЦ. В.V. Beeman, et al., «Mach-Zehnder Detector System Issues and Enhancements for use on the NIF DANTE X-Ray Diagnostic», Proc. of SPIE Vol. 9211 92110E-1, doi: 10.1117/12.2063836. Прототип.
При использовании контроллеров рабочей точки с использованием вспомогательной частоты (принцип dither) для настройки рабочей точки модулятора требуется продолжительное время. В прототипе для сокращения времени настройки на электроды сдвига модулятора подают пилообразный биполярный сигнал с амплитудой ~18 В для определения минимума и максимума пропускания модулятора (значение минимума и максимума оптической мощности на выходе модулятора). Далее происходит настройка рабочей точки модулятора и ее тонкая корректировка. Подача пилообразного напряжения на электроды сдвига и последующая подстройка рабочей точки модулятора занимают время порядка 3.5 с, после чего производится настройка регулируемого оптического ослабителя, который задает необходимый уровень оптической мощности после модулятора, но уже не влияет на напряжение смещения подаваемого на электроды сдвига. Циклы настройки модулятора повторяются каждые 5 с. По заданному положению рабочей точки и предварительно определенной функции пропускания модулятора производится восстановление информационного электрического сигнала по зарегистрированному оптическому сигналу после модулятора.
Таким образом для работы прототипа необходима разработка специализированного контроллера рабочей точки, формирующего пилообразное напряжение, это связано с ограниченным временем наличия оптического излучения на оптическом входе модулятора и необходимостью проведения циклов настройки модулятора.
Недостатком прототипа является невозможность ограничения времени засветки приемника оптического излучения при непрерывной настройке и контроле положения рабочей точки ММЦ с использованием контроллеров рабочей точки и при наличии на оптическом входе ММЦ постоянного уровня оптического излучения от лазерного модуля, используемого для передачи информационного сигнала.
Изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является возможность ограничения времени засветки приемника оптического излучения при непрерывной настройке и контроле положения рабочей точки ММЦ с использованием контроллеров рабочей точки и при наличии на оптическом входе ММЦ постоянного уровня оптического излучения от лазерного модуля, используемого для передачи информационного сигнала.
Технический результат достигается тем, что устройство передачи аналогового электрического сигнала по ВОЛС, содержащее один канал, который состоит из лазерного модуля, оптический выход которого соединен через входное одномодовое волокно с оптическим входом электрооптического модулятора интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера (ММЦ), контроллера рабочей точки ММЦ, соединенного с электродами сдвига ММЦ, источника высокочастотного информационного электрического сигнала, соединенного с электрическим сигнальным входом ММЦ, акустооптического модулятора, генератора высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора, соединенного с электрическим входом акустооптического модулятора, приемника оптического излучения, аналоговый выход которого соединен с аналоговым входом оцифровщика, оптический информационный выход ММЦ соединен через соединительное одномодовое волокно с оптическим входом акустооптического модулятора, оптический выход которого соединен через выходное одномодовое волокно с оптическим входом приемника оптического излучения.
Таким образом, на вход электрооптического модулятора интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цендера подается постоянное оптическое излучение от лазерного модуля, используемого для передачи информационного сигнала, что необходимо для непрерывной настройки и контроля положения рабочей точки ММЦ с использованием контроллеров рабочей точки, при этом обеспечивается возможность ограничения времени засветки приемника оптического излучения.
Метод также применим при многоканальной (N>1) передаче сигнала, при этом ограничение времени засветки приемника оптического излучения для каждого канала передачи производится аналогичным способом.
При этом элементы, входящие в состав каждого из каналов (лазерный модуль, входное одномодовое волокно, электрооптический модулятор интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цендера, контроллер рабочей точки, соединительное одномодовое волокно) могут быть разными (не идентичными друг другу).
Поскольку подача на оптический вход электрооптического модулятора излучения от лазерного модуля происходит постоянно, это в свою очередь позволяет непрерывно производить контроль положения рабочей точки ММЦ с использованием контроллеров рабочей точки без использования дополнительного лазерного модуля для введения в оптическую схему дополнительного излучения перед ММЦ и вывода этого излучения перед приемником оптического излучения, тем самым упрощается оптическая схема системы передачи.
Поскольку промодулированное оптическое излучение с оптического выхода ММЦ подается на оптический вход акустооптического модулятора, на электрический вход акустооптического модулятора подается высокочастотный сигнал от генератора высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора, тем самым ограничивается время засветки приемника оптического излучения оптическим излучением лазерного модуля.
Сущность изобретения поясняется на чертеже.
вч
На чертеже приведена схема одного канала устройства передачи аналогового электрического сигнала по ВОЛС, где: 1 - лазерный модуль; 2 -входное одномодовое волокно; 3 - электрооптический модулятор интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера (ММЦ); 4 -электроды сдвига ММЦ; 5 - электрический сигнальный вход ММЦ; 6 - соединительное одномодовое волокно; 7 - акустооптический модулятор; 8 - электрический вход акустооптического модулятора; 9 - выходное одномодовое волокно; 10 - приемник оптического излучения; 11 -оцифровщик; 12 - генератор высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 7; 13 - источник высокочастотного информационного электрического сигнала; 14 - контроллер рабочей точки ММЦ 3; 15 - оптическое излучение на входе ММЦ 3; 16 - информационный электрический ВЧ сигнал; 17 - изменение оптического сигнала на выходе ММЦ 3, вызванное приходом информационного электрического сигнала 16 от источника 13 высокочастотного информационного электрического сигнала; 18 - высокочастотный сигнал заданной длительности (t) от генератора 12 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 7; 19 - изменение оптического сигнала на выходе акустооптического модулятора 7, ограниченное длительностью высокочастотного сигнала 18 от генератора 12 высокочастотного сигнала.
Устройство содержит: лазерный модуль 1, оптический выход которого соединен через входное одномодовое волокно 2 с оптическим входом электрооптического модулятора 3 интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера (ММЦ), оптический информационный выход ММЦ 3 соединен через соединительное одномодовое волокно 6 с оптическим входом акустооптического модулятора 7, оптический информационный выход акустооптического модулятора 7 соединен через выходное одномодовое волокно 9 с оптическим входом приемника 10 оптического излучения, аналоговый выход которого соединен с аналоговым входом оцифровщика 11, генератор 12 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 7 соединен с электрическим входом 8 акустооптического модулятора 7, источник 13 высокочастотного информационного электрического сигнала соединен с электрическим сигнальным входом 5 ММЦ 3 электрооптического модулятора 3, контроллер 14 рабочей точки ММЦ 3 соединен с электродами сдвига 4 ММЦ 3.
Устройство работает следующим образом.
вч
вч
вч
Оптическое излучение 15 от лазерного модуля 1 подают по входному одномодовому оптическому волокну 2 на оптический вход электрооптического модулятора 3. Контроллер 14 рабочей точки соединен с электродами сдвига 4 электрооптического модулятора 3, таким образом, постоянно контролируется положение рабочей точки электрооптического модулятора 3. Информационный электрический ВЧ сигнал 16 от источника 13 высокочастотного информационного электрического сигнала поступает на электрический сигнальный вход 5 электрооптического модулятора 3. Изменение оптического сигнала 17 на выходе ММЦ 3, вызванное приходом информационного электрического сигнала 16 от источника 13 высокочастотного информационного электрического сигнала по соединительному одномодовому волокну 6 передают на вход акустооптического модулятора 7. Высокочастотный сигнал 18 заданной длительности (t) от генератора 12 высокочастотного сигнала поступает на электрический вход 8 акустооптического модулятора 7. Изменение 19 оптического сигнала на выходе акустооптического модулятора 7, ограниченное длительностью (t) высокочастотного сигнала 18 от генератора 12 высокочастотного сигнала, по выходному одномодовому волокну 9 передают на вход приемника 10 оптического излучения, сигнал приемника 10 оптического излучения регистрируют оцифровщиком 11. В оптическом излучении после акустооптического модулятора 7 приемником 10 оптического излучения регистрируют изменение 19 оптического сигнала на выходе акустооптического модулятора 7, ограниченное длительностью высокочастотного сигнала 18 от генератора 12 высокочастотного сигнала, вызванное информационным электрическим ВЧ сигналом 16 от источника 13 высокочастотного информационного электрического сигнала и ограниченное длительностью (t) высокочастотного сигнала 18 от генератора 12 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 7.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно, возможность ограничения времени засветки приемника 10 оптического излучения при непрерывной настройке и контроле положения рабочей точки ММЦ 3 с использованием контроллеров 14 рабочей точки и при наличии на оптическом входе ММЦ 3 постоянного уровня оптического излучения 15 от лазерного модуля 1, используемого для передачи информационного сигнала.
В качестве лазерного модуля 1 может быть использован лазерный диод типа WDM8-C-16A-20-NM фирмы Thorlabs, установленный в шасси PRO800 фирмы Thorlabs, в качестве электрооптического модулятора 3 интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера может быть использован электрооптический модулятор интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера LN56S фирмы Thorlabs, в качестве акустооптического модулятора 7 может быть использован акустооптический модулятор T-M200-0.1C2J-3-F2P фирмы Gooch and Housego, в качестве приемника 10 оптического излучения - фотодиод DET01CFC фирмы Thorlabs, в качестве оцифровщика 11 может быть использован цифровой осциллограф LeCroy Waverunner 640 Zi, в качестве генератора 12 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора может быть использован драйвер AODR 1200AF-AINA-2.5 HCR фирмы Crystal Technology Inc., в качестве источника 13 высокочастотного электрического сигнала может быть использован детектор импульсного ионизирующего излучения ССДИ38, в качестве контроллера 14 рабочей точки ММЦ 3 может быть использован контроллер MBC-DG фирмы Photline Technologies, в качестве входного одномодового волокна 2, соединительного одномодового волокна 6 и выходного одномодового волокна 9 могут быть использованы оптические волокна РМ1550-ХР фирмы Thorlabs (входное одномодовое волокно 2, соединительное одномодовое волокно 6 и выходное одномодовое волокно 9 могут быть разными).