УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХРОМАТИЧЕСКОЙ ДИСПЕРСИИ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН С НИЗКОЙ ДИСПЕРСИЕЙ

Область техники
Полезная модель относится к измерительным системам, используемым в производстве и исследованиях оптических волокон специального назначения для измерения значений задержки групповой скорости распространения различных компонентов спектра в волокне. Особенностями волокон специального назначения являются их многочисленные применения, как, например, в источниках сверхширокополосного излучения, сенсорных системах и системах доставки мощного излучения.
Уровень техники
Лазерные излучения с различными длинами волн при распространении по оптическому волокну, вследствие зависимости показателя преломления оптического волокна от длины волны, имеют различные скорости распространения по волокну, что приводит к появлению временного рассогласования, а соответственно, и фазового рассогласования между различными спектральными компонентами лазерного излучения в волокне. Если измерить это фазовое рассогласование, то можно далее получить хроматическую дисперсию оптического волокна.
Для измерения хроматической дисперсии известны несколько методов и устройств реализации этих методов, которые имеют различные особенности, но для измерения с высокой точностью хроматической дисперсии коротких по длине участков оптического волокна безальтернативными являются интерференционные методы и соответственно реализующие их устройства, измеряющие величины фазового рассогласования различных спектральных компонентов (хроматическую дисперсию) на выходе волокна за счет регистрации параметров интерференционной картины.
Разновидности данного интерференционного метода и соответствующие реализующие их устройства - аналоги предлагаемого технического решения описаны, в том числе, в патентах США US 7061621 (МПК G01B 9/02; G01M 11/00; G01M 11/02; G01N 21/21, опубл. 2006-06-13) (с прототипной схемой устройства на Fig. 4 описания патента), US 7787127 (МПК G01B 9/02, опубл. 2010-08-31) и US 6323950 (МПК G01M 11/00; G01B 9/02, опубл. 2001-11-27).
Прототипное устройство включает в себя перестраиваемый источник лазерного излучения, оптический разветвитель излучения в два плеча: опорное (референтное) и измерительное плечо волоконного интерферометра, в котором установлено измеряемое волокно, оптический комбайнер излучений с указанных двух плеч, после комбайнера измеритель поляризации (поляриметр) и после поляриметра детектирующий приемный блок.
Недостатками такого устройства являются полностью волоконная схема исполнения, которая позволяет измерять дисперсию с недостаточной точностью - не точнее 20 пс/нм·км, что делает практически невозможным применение такого устройства для измерения хроматической дисперсии фотонно-кристаллических оптических волокон микроструктурированных волокон с ультра низкой дисперсией до 1.3 пс/нм·км, а также и недостатком прототипа является небольшой спектральный диапазон, в котором могли проводить измерения в прототипе.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом полезной модели является повышение точности измерения до 1.3 пс/нм·км хроматической дисперсии оптических волокон с ультра низкой дисперсией, в том числе фотонно-кристаллических.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения хроматической дисперсии оптических волокон с низкой дисперсией включает в себя последовательно установленные перестраиваемый источник лазерного излучения, оптический разветвитель, двухплечевой интерферометр с опорным и измерительным плечами, оптический комбайнер, детектирующий приемный элемент. При этом перестраиваемый источник лазерного излучения состоит из генератора широкополосного излучения - суперконтинуума и последовательно соединенного с ним спектрального фильтра, следом установлен поляризатор. В качестве двухплечевого интерферометра использован неволоконный двухплечевой интерферометр Маха-Цендера, содержащий в опорном плече автоматически управляемую линию задержки, состоящую из системы зеркал, с возможностью ее механического перемещения, а в измерительном плече отрезок измеряемого волокна. В качестве оптического разветвителя установлена одна светоделительная пластинка и в качестве оптического комбайнера - вторая светоделительная пластинка. После оптического комбайнера установлен второй поляризатор, а после него детектирующий приемный элемент, содержащий фоточувствительную линейку регистрации разности фаз между излучениями в двух указанных плечах интерферометра. В состав устройства также входит автоматическая система на основе компьютерного алгоритма оперативной обработки интерференционной картины для возможности определения величины смещения интерференционных полос при изменении длины волны излучения с управляемой перестройкой этой длины волны, а также перемещением линии задержки при условии сохранения максимального контраста интерференционной картины и с пересчетом зависимости перемещения линии задержки от величины контраста в величину дисперсии.
В качестве спектрального фильтра в перестраиваемом источнике лазерного излучения использован автоматический акустооптический фильтр.
Устройство имеет возможность перестройки длины волны лазерного излучения в пределах 400…1700 нм с шагом изменения 3 нм. Устройство также имеет точность перемещения системы зеркал автоматически управляемой линии задержки до 1 мкм и точность измерения хроматической дисперсии оптических волокон до 1.3 пс/нм·км.
На фиг. 1 изображена структурно-функциональная схема предлагаемого измерительного устройства.
Осуществление полезной модели
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Излучение широкополосного источника - суперконтинуума 1 попадает на акустооптический перестраиваемый фильтр 2 с шагом изменения длины волны 3 нм. Далее излучение проходит через поляризатор 3 и попадает на светоделительную пластинку 4 неволоконного интерферометра Маха-Цендера, где разделяется на два плеча. В измерительном плече установлен отрезок измеряемого волокна 6 с объективами ввода и вывода излучения 5 и отклоняющее зеркало 7а, а в опорном плече размещена автоматизированная подвижная линия задержки 8 и отклоняющее зеркало 7. С обоих плеч интерферометра излучение объединяется на светоделителе 4а и, проходя через поляризатор За, направляется на приемник излучения - линейку светочувствительных элементов 10. Электрический сигнал с приемника излучения заводится в компьютерную вычислительную систему 9, где ведется его обработка для выработки управляющих сигналов на акустооптический фильтр и линию задержки.
Повышение точности измерения хроматической дисперсии в фотонно-кристаллических волокнах малой длины происходит за счет использования в составе предлагаемого устройства:
а) нового перестраиваемого источника лазерного излучения, состоящего из генератора широкополосного излучения - суперконтинуума и последовательно соединенного с ним спектрального акустооптического фильтра, перестраивающего длину волны лазерного излучения в широком диапазоне спектра в пределах 400…1700 нм;
б) неволоконного двухплечевого интерферометра Маха-Цендера, содержащего в опорном плече автоматически управляемую линию задержки, состоящую из системы зеркал, с возможностью ее перемещения с точностью до 1 мкм, в измерительном плече - объективы ввода и вывода излучения, между которыми расположен отрезок исследуемого фотонно-кристаллического волокна;
в) приемника излучения на основе фоточувствительной линейки с системой регистрации разности фаз между излучением в двух плечах интерферометра и автоматизированной системы с компьютерным алгоритмом обработки интерференционной картины - регистрации смещения интерференционных полос.
Измерение дисперсии волокна осуществляют путем регистрации разности фаз между излучением в двух плечах интерферометра. Высокая точность и быстродействие достигаются за счет полной автоматизации системы измерения и алгоритма регистрации смещения интерференционных полос. Автоматическая система, регистрируя параметры интерференционный картины (контраст) определяет его максимум для конкретной длины волны и далее производится перестройка длины волны лазерного излучения в пределах 400…1700 нм с шагом 3 нм и за счет выработки управляющих сигналов происходит перемещение линии задержки при условии сохранения максимального контраста интерференционной картины. Полученная зависимость перемещения линии задержки от величины контраста далее пересчитывается в дисперсию. Точность измерения перемещения линии задержки составляет 1 мкм.
Общий положительный эффект в работе устройства достигается благодаря следующим факторам:
1. полной автоматизации системы измерения;
2. автоматическому управлению положением линии задержки;
3. использованию высокоточного компьютерного алгоритма определения положения полос и контраста интерференционной картины;
4. сокращению общего времени, затрачиваемого на выполнение измерения.
Предлагаемое измерительное устройство может быть реализовано в едином корпусном исполнении с встраиваемой компьютерной системой, или возможно с дополнительными разъемами для подключения к внешним периферийным устройствам, например, к персональному компьютеру.
Предлагаемое устройство позволяет измерять хроматическую дисперсию специальных типов оптических волокон с низкой дисперсией, которые могут применяться для разработки высокоточных сенсорных систем и систем доставки мощного излучения в рамках опытно-конструкторской работы с шифром «Мультисенсор» по заданию МИНПРОМТОРГ России.