УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Данная полезная модель относится к области спектрального анализа, в том числе к приборам для спектрального анализа оптического излучения с высокой разрешающей способностью в видимой и ближней инфракрасной области.
Для спектрального анализа оптического излучения используется хорошо известный интерферометр Фабри-Перо (ИФП), представляющий собой многолучевой интерферометр с двумя зеркалами на некотором расстоянии друг от друга и устройство регистрации - фотокамеру. Вариантом ИФП является т.н. сканирующий ИФП, дополнительно включающий элементы управляемой механической подвижки зеркал и фотоэлектронную систему регистрации.
6
7
-5
8
Разрешающая способность известных ИФП, не превышающая 10÷10, является недостаточной, ограничивающей использование их как спектральных приборов в современной технике - в оптической связи, в квантовой электронике и пр. Например, спектральная ширина лазерных диодов (ЛД) может составлять величину менее 10 нм (и даже много меньше); очевидно, что разрешающая способность спектрального прибора в этом случае должна быть выше 10.
Техническим результатом полезной модели является повышение разрешающей способности устройств, используемых для измерения спектральных характеристик оптического излучения, с возможностью ее регулирования.
В качестве наиболее близкого по отношению к предлагаемой модели аналога, рассматривается ИФП [1], включающий многолучевой интерферометр - два зеркала - и устройство регистрации.
Результат достигается тем, что полезная модель содержит многолучевой интерферометр и устройство регистрации, при этом многолучевой интерферометр выполнен в виде волоконно-оптического кольцевого тракта, включающего оптически соединенные между собой световод, разветвитель типа «X» и фазовый модулятор, причем разветвитель первым и вторым своими портами соединен со световодом, третий и четвертый его порты являются входным и выходным оптическими портами всего устройства и имеет коэффициенты передачи между портами, обеспечивающие многократную циркуляцию оптического излучения внутри кольцевого тракта.
При этом световод снабжен оптическими разъемами и является сменным элементом, длина которого может быть не менее 1 метра.
При этом в качестве световода может использоваться сохраняющий поляризацию одномодовый световод.
При этом в качестве световода может также использоваться несохраняющий поляризацию излучения одномодовый световод.
При этом дополнительно может использоваться контроллер поляризации, устанавливаемый на входном оптическом порте устройства или внутри кольцевого волоконно-оптического тракта.
При этом в качестве фазового модулятора может использоваться отрезок световода, намотанный вокруг поверхности пьезокерамического цилиндра.
При этом разветвитель типа «X» и фазовый модулятор могут быть выполнены в виде монолитного твердотельного электрооптического устройства, имеющего входные и выходные порты в виде световодов.
При этом устройство регистрации и обработки измерений, включает фотоприемник, блоки для усиления и оцифровывания фототока, для генерирования пилообразного напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, а также компьютер для обработки сигналов и выдачи результатов измерения.
На чертежах представлены:
Фиг.1 - блок-схема одного из вариантов полезной модели с использованием сохраняющего поляризацию одномодового световода,
Фиг.2 - интенсивность поля на выходе многолучевого интерферометра, иллюстрирующая возможность спектральных измерений,
Фиг.3 - блок-схема другого варианта полезной модели с использованием изотропного одномодового световода,
Фиг.4 - блок-схема еще одного варианта полезной модели с использованием фазового модулятора в виде электрооптического устройства,
Фиг.5 - блок-схема еще одного варианта полезной модели с использованием электрооптического устройства совмещающего функцию разветвителя и фазового модулятора и
Фиг.6 - результат измерений спектра излучения ЛД с экране монитора ПК, входящего в состав полезной модели по Фиг.1.
На Фиг.1 приведена блок-схема одного из вариантов полезной модели с использованием сохраняющего поляризацию одномодового световода. Оптическая часть полезной модели представляет собой многолучевой интерферометр 1, выполненный в виде волоконно-оптического кольцевого тракта, включающего соединенные между собой световод 2, оптический разветвитель 3 типа «X» и фазовый модулятор 4. Полезная модель имеет входной 5 и выходной 6 порты, армированные оптическими разъемами 7.
Для реализации возможности регулирования разрешающей способности световод 2 является сменным - длина световода 2 может составлять от 1 м до 1000 м. Световод 2 смотан в несколько витков радиусом около 5 сантиметров и также имеет оптические разъемы 7, с помощью которых он соединен с другими указанными элементами.
Разветвитель 3 первым и вторым своими портами «а» и «b» встроен в замкнутый оптический тракт 2, причем порт «а» соединен со световодом 2 оптическими разъемами 7, а порт «b» сварным соединением с фазовым модулятором 4; третий и четвертый порты разветвителя 3 «c» и «d» являются соответственно входным 5 и выходным 6 оптическими портами полезной модели.
Кроме того на Фиг.1 показаны лазерный диод (ЛД) 14, излучение которого исследуется, и оптический изолятор 15, используемый в измерениях характеристик ЛД.
0
В качестве фазового модулятора 4 используется отрезок световода того же типа, что и световод 2, смотанный вокруг боковой поверхности пьезокерамического цилиндра. При подаче на металлизированные поверхности пьезокерамического цилиндра пилообразного напряжения с амплитудой около 5 В оптическая длина замкнутого кольцевого оптического тракта испытывает модуляцию с амплитудой δ(nL)≥λ.
В состав полезной модели входит также устройство регистрации 8, состоящее из фотоприемника 9, электронных блоков усиления фототока 10 и оцифровывания фототока 11, блока генерирования пилообразного напряжения 12, подаваемого на фазовый модулятор 4, а также компьютер 13.
Фотоприемник 9 - германиевый фотодиод, используемый в волоконно-оптической технике. Усилитель фототока 10 - устройство с полосой усиления 0÷100 КГц, выполненное, например, на операционном усилителе 140УД17. АЦП 11 - устройство, используемое для оцифровывания фототока и отводимого со второго выхода генератора 12 пилообразного напряжения; в качестве АЦП 11 может использоваться цифровой осциллограф, например, осциллограф PC S64i.
В качестве генератора пилообразного напряжения 12 используется генератор стандартных сигналов любого типа, обеспечивающий пилообразное напряжение частотой до 1 КГц и с амплитудой не менее 5 В.
Персональный компьютер 13 служит запоминания файлов, содержащих результат измерений, для их обработки в реальном времени, т.е. практически мгновенно, и для представления результатов измерений на экране монитора и/или на принтере.
Для пояснения работы рассматриваемого устройства введем коэффициенты передачи оптического разветвителя 3 - коэффициенты t и r, определяемые как отношения интенсивности излучения, проходящего через два порта разветвителя «b» и «d», к интенсивности излучения, поступающей через порт «с». Существенно, чтобы коэффициенты передачи t и r были бы неравными, а именно, должно выполняться условие t>>r. В этом случае будет иметь место многократная циркуляция оптического излучения по кольцевому тракту, обеспечивающая возможность использования полезной модели для спектрального анализа.
вх
вых
0
mod
0
вых
iΔ
Пусть через порт 6 поступает исследуемое излучение - волна Е, а через порт 7 выводится волна Е. Сразу же после прохода через разветвитель 3 на выходе интерферометра - порт 7 - оказывается волна, амплитуда которой , тогда как другая часть волны с амплитудой  (как известно, фазы волн в портах разветвителя «b» и «b» отличаются на величину π/2) начинает пробег по кольцу-световоду 2. После первого полного пробега по световоду 2 фаза пробегающей волны получает приращение e, где Δ=2πnL/λ+φ(t), где λ - средняя длина волны излучения и n - показатель преломления световода, а после прохода через разветвитель часть этой волны, пропорциональная , оказывается на выходе интерферометра, а другая часть, пропорциональная  начинает второй пробег по световоду. Такой процесс с делением излучения на две волны, пробегом одной из волн по световоду и отводом другой волны на выход многократно повторяется. В результате амплитуда поля Е. на выходе будет
вых
Амплитуды поля Е, согласно (1), представляет собой сходящийся ряд, сумма которого есть
вх
и тогда для интенсивности волны I на выходе, имея в виду, что  получим:
где
вых
1
1
2
2
вых
На Фиг.2 приведены рассчитанные по (3) эпюры интенсивности I как функции параметра Δ для двух вариантов коэффициентов передачи разветвителя 3:(a) t=0,92, r=0,05 и (б) t=0,88, r=0,07. Можно видеть, что интенсивность I в обоих случаях имеет тот же характер, что в устройстве-аналоге - является осциллирующей функцией длины волны излучения с характерными резкими спадами/подъемами. В частности расстояние между экстремумами D здесь равно
и фактически является свободной дисперсией D полезной модели как спектрального прибора, совпадающей по физическому смыслу и выражению с аналогичным параметром для известного ИФП.
1
Как и для аналога, для полезной модели естественно ввести характеристику «резкости» полос F, которая фактически определят ширину интерференционных полос δλ по уровню 0,5 от максимальной амплитуды, равную δλ=D/F. Резкость F нетрудно определить численно, используя (3) - для двух эпюр на Фиг.2 резкость полос есть F≈80 и F≈50, что практически соответствует диапазону аналогичного параметра для аналога. Как и в случае аналога, ширина интерференционных полос δλ является аппаратной функцией данной полезной модели.
0
Разрешающая способность спектрометра, как известно, определяется отношением средней длины волны излучения λ к ширине полосы δλ. Следовательно, разрешающая способность полезной модели есть
0
Из выражения (5) следует, что разрешающая способность полезной модели λ/δλ будет превышать разрешающую способность аналога, так как при равных значения резкости полос F длина L для аналога принципиально не может быть больше 1 м, тогда как для рассматриваемого устройства длина L может составлять 10, 100, 1000 м и даже больше. Последнее возможно при условии защиты от влияния внешних воздействии, могущих случайным образом изменять оптическую длину волоконно-оптического кольцевого тракта nL.
Таким образом, полезная модель с многолучевым интерферометром в виде кольцевого волоконно-оптического тракта при соответствующих параметрах разветвителя является волоконно-оптическим аналогом интерферометра Фабри-Перо, причем разрешающая способность полезной модели за счет большой длины световода L возрастает на несколько порядков.
На Фиг.3 приведена блок-схема устройства с использованием изотропного одномодового световода. Оптическая часть устройства также представляет собой многолучевой интерферометра в виде волоконно-оптического кольцевого тракта - теперь это интерферометр 21. Он образован изотропным (т.е. не сохраняющим поляризацию излучения) световодом 22, оптическим разветвителем 23 и фазовым модулятором 24 на основе пьезокерамики. Устройство имеет входной 25 и выходной 26 порты, армированные оптическими разъемами 27.
Световод 22 является сменным - длина световода 2 может составлять от 1 м до 1000 м; он смотан в несколько витков радиусом в около 5 сантиметров и имеет оптические разъемы 27, с помощью которых соединен с другими элементами. Устройство включает также поляризатор 28, позволяющий устанавливать линейную поляризацию волн, циркулирующих в кольцевом волоконно-оптическом тракте.
Разветвитель 23 первым и вторым своими портами «а» и «b» встроен в замкнутый оптический тракт 21, порт «а» соединен со световодом 22 оптическими разъемами 27, а порт «b» сварным соединением с фазовым модулятором 24; третий и четвертый порты разветвителя 23 «с» и «d» являются соответственно входным 25 и выходным 26 оптическими портами полезной модели. На Фиг.3 показаны также лазерный диод (ЛД) 14, излучение которого исследуется, и оптический изолятор 15, используемый в измерениях характеристик ЛД.
В качестве поляризатора 28 используется известное в волоконно-оптической технике устройство - контроллером поляризации. Оно представляет собой устройство, в котором световод смотан в два или три кольца диаметром ~2 см, при этом путем поворота плоскостей колец вокруг общей горизонтальной оси в работающем устройстве подбираются положения для каждого из колец, добиваясь максимального уровня амплитуды интерференционных полос. В качестве поляризатора 28 могут использоваться любые другие устройства, выполняющую аналогичную роль в волоконно-оптической технике.
Устройство регистрации 8 - то же самое, что в полезной модели по Фиг.1; оно обеспечивает фотодетектирование, усиление фототока, генерирование пилы для фазовой модуляции, оцифровывание сигналов и цифровую обработку сигналов - это фотоприемник 9, электронные блоки усиления фототока 10 и оцифровывания фототока 11, блок генерирования пилообразного напряжения 12, подаваемого на фазовый модулятор 24, а также компьютер 13.
Работа данной полезной модели и основные характеристики аналогичны описанным выше применительно к полезной модели с блок-схемой по Фиг.1.
На Фиг.4 приведена блок-схема устройства с использованием монолитного твердотельного электрооптического устройства, совмещающего функцию разветвителя типа «X» и фазового модулятора. Здесь многолучевой интерферометр в виде волоконно-оптического кольцевого тракта 31, включающий сохраняющий поляризацию одномодовый световод 2, как в варианте на Фиг.1, но вместо волоконно-оптического разветвителя 3 и пьезокерамического фазового модулятора 4 - интегрально-оптическое устройство (ИОУ) 33, совмещающее функции оптического разветвителя и фазового модулятора.
Световод 2 для возможности регулирования разрешающей способности является сменным с длиной от 1 м до 1000 м и более, смотан в виде катушки радиусом примерно в 5 сантиметров и имеет оптические разъемы 7, с помощью которых он соединен с ИОУ 33.
В составе данной полезной модели - устройство регистрации 8, состоящее из фотоприемника 9, электронных блоков усиления фототока 10 и оцифровывания фототока 11, блока генерирования пилообразного напряжения 12, подаваемого теперь на соответствующие входы ИОУ 33 и компьютер 13.
Целесообразность использования ИОУ 33 связана с возможностью измерений при гораздо большей скорости фазовой модуляции, чем в случае использования пьезокерамического фазового модулятора. Это позволит уменьшить влияние внешних нестабильностей на результат измерений, предоставит возможность использования световодов с длиной L, значительно превышающей 1 км, что в свою очередь повысит еще больше разрешающую способность.
3
ИОУ 33, конструкция которого поясняется на Фиг.5, представляет собой электрооптическое устройство на основе кристалла ниобата лития LiNbO 34 с входными/выходными портами в виде световодов. ИОЭ 33 включает следующие функциональные элементы, сформированные на поверхности кристалла - канальные волноводы 35, электрооптический фазовый модулятор 36 и оптический разветвитель 37, а также четыре оптических порта в виде световодов - порты 38-38-а, 38-b, 38-с и 38-d.
Фазовый модулятор 36 сформирован путем напыления электродов 36` и 36`` по обе стороны одного из канальных волноводов 35. Световоды-порты 38 оптически сопряжены с канальными волноводами 35.
ИОУ 33 принадлежит к типу твердотельных электрооптических устройств, все шире используемых в современной квантовой электронике, в частности в технике волоконно-оптических гироскопов. Изготовление подобного ИОУ с использованием высокотемпературного протонного обмена не является принципиально новой технологической задачей.
Работа полезной модели с блок-схемой по Фиг.4 аналогична описанной выше работе полезной модели с блок-схемой по Фиг.1.
Работоспособность предлагаемой полезной модели была проверена экспериментально - был реализован и опробован в работе вариант полезной модели по схеме, показанной на Фиг.1. На Фиг.6 приведен результат измерений с экрана монитора ПК. В качестве объекта измерения использовался одночастотный ЛД с брегговской решеткой, генерирующий на длине волны 1.55 мкм. Подобные ЛД используются в современных ВОЛС со спектральным уплотнением каналов.
На Фиг.6 две эпюры-осциллограммы, соответствующие (а) пилообразному напряжению модуляции, подаваемому на фазовый модулятор, и (6) оптическому сигналу на выходе многолучевого интерферометра, являющемуся, как показано при описании работы полезной модели, спектральным разложением исследуемого излучения. На вставке в правом верхнем углу - увеличенная часть эпюры с измеренным спектром. Программа обработки результата измерений позволяет в реальном времени вычислять искомую характеристику Δν - полную ширину спектральной линии излучения, по уровню 0,5 от максимума, FWHM. Ширина линии ЛД в данном случае, как можно видеть, составляет 15±1 КГц.
На Фиг.6 в спектре излучения кроме центральной линии, собственно, линии исследуемого излучения одночастотного ЛД, можно видеть две боковые линии, возникающие за счет амплитудной модуляции излучения, специально подаваемой и служащей частотным репером, повышающим точность измерений.
0
0
14
4
11
Измеренная спектральная ширина Δν=26±7 КГц означает, что разрешающая способность данного устройства λ/δλ=ν/Δν составляет величину 2·10/2,6·10≈10, превышающую на 4 порядка разрешающую способность аналога -известного ИФП с двумя зеркалами.
Таким образом, экспериментально показана достижимость заявляемого в данной заявке результата - повышения разрешающей способности ИФП как устройства для спектрального анализа оптического излучения. Возможность регулирования разрешающей способности следует из того, что длина волоконно-оптического кольцевого тракта может изменяться путем выбора длины световода - от 1 до 1000 м.
Область применения предлагаемого устройства - измерение спектральных характеристик ЛД для оптической связи; аналогичные измерения необходимы также в технике оптических датчиков-интеферометров, при контроле лазеров для спектрального анализа и в других случаях.
Литература.
1. М.Борн и Э.Вольф. "Основы оптики". Пер. под ред. Г.П.Мотулевича. Наука, М., 1970, с.342-346).