Устройство измерения спектра отражения волоконной брэгговской решетки

Полезная модель относится к области волоконной оптики и может быть использована в волоконно-оптических спектральных датчиках для измерения спектра отражения волоконных брэгговских решеток (ВБР).
Известно устройство измерения спектра отражения ВБР [William R. Allan, Zachary L. Graham, Jose R. Zayas, Dennis P. Roach, and David A. Horsley. Multiplexed Fiber Bragg Grating Interrogation System Using a microelectromechanical Fabry Perot Tunable Filter // IEEE sensors journal, vol. 9, no. 8, august 2009 pp. 936-943], содержащее широкополосный источник оптического излучения, перестраиваемый во времени оптический фильтр типа Фабри-Перо и фотоприемное устройство (ФПУ).
Известное устройство позволяет измерять спектры отражения ВБР в широком спектральном диапазоне. Недостатком известного устройства является прецизионная микромеханическая система перестройки оптического фильтра Фабри-Перо, которая нуждается в периодическом проведении калибровки и налагает ограничения на использование устройства в условиях вибраций и механических перегрузок.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является устройство измерения спектра отражения ВБР, описанное в (патент РФ №2602998, МПК Н04В 10/071, G01J 3/18, приор. 27.08.2015), содержащее поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (vertical-cavity surface emitting laser - VCSEL) в качестве перестраиваемого источника оптического излучения и ФПУ.
В известном устройстве измерение спектра исследуемой ВБР происходит за счет перестройки длины волны излучения VCSEL путем токовой модуляции. Недостатком известного устройства является невозможность измерения спектра отражения нескольких ВБР.
Задачей заявляемого устройства является возможность измерения спектров отражения нескольких ВБР, в том числе записанных в одном оптическом волокне, при независимости указанных измерений от условий вибраций и механических перегрузок.
Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в использовании в устройстве нескольких VCSEL в качестве перестраиваемых источников оптического излучения с применением принципов спектрального и временного мультиплексирования.
m
m
eff
m
m
eff
m
Данный технический результат достигается за счет того, что в устройстве измерения спектра отражения ВБР, включающем перестраиваемый поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (VCSEL), оптический канал, содержащий фотоприемное устройство (ФПУ) и трехпортовое устройство распределения оптических сигналов, соединенное с VCSEL, причем второй порт устройства распределения оптических сигналов предназначен для подключения оптического волокна, содержащего ВБР, а третий порт соединен с ФПУ, и блок обработки сигналов, электрически соединенный с VCSEL и ФПУ, новым является то, что устройство содержит N вышеуказанных каналов и М VCSEL, где N и М - натуральные числа, трехпортовое устройство распределения оптических сигналов в каждом из оптических каналов выполнено в виде трехпортового оптического циркулятора либо оптического разветвителя в конфигурации 1×2, в устройство дополнительно введен оптический разветвитель в конфигурации M×N, причем каждый из его входных портов оптически соединен с выходным портом соответствующего из М VCSEL, а каждый из его выходных портов оптически соединен с входным портом соответствующего оптического канала, которым является первый порт трехпортового оптического циркулятора либо первый порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 этого оптического канала, причем каждое подключаемое к любому из N каналов оптическое волокно содержит не более М ВБР, причем период каждой ВБР, длина волны излучения каждого VCSEL и эффективный показатель преломления сердцевины каждого подключаемого оптического волокна, содержащего ВБР, связаны соотношением Λ=λ/2n, где Λ - период m-ой ВБР, где m - порядковый номер ВБР в оптическом волокне, λ - значение длины волны, входящее в диапазон перестройки длины волны излучения VCSEL с порядковым номером m, n - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, содержащего ВБР с порядковым номером т, для длины волны λ.
Сущность заявляемого устройства поясняется следующим. В заявляемом устройстве используются VCSEL в качестве источников оптического излучения (ИОИ), перестраиваемых по длине волны прямоугольными токовыми импульсами с заданной длительностью и амплитудой. Использование перестраиваемых токовой модуляцией ИОИ позволяет избавиться от необходимости использования в устройстве оптического фильтра с требующей точной настройки микромеханической системой перестройки, что обеспечивает независимость указанных измерений от условий вибраций и механических перегрузок.
m
m
eff
m
m
eff
m
В работу устройства заложен принцип спектрального мультиплексирования. Для увеличения спектрального диапазона измерения спектров отражения ВБР центральные длины волн излучения VCSEL выбираются таким образом, что конечное значение диапазона перестройки длины волны излучения каждого VCSEL совпадает либо меньше начального значения диапазона перестройки центральной длины волны излучения следующего VCSEL. Причем период каждой ВБР, длина волны излучения каждого VCSEL и эффективный показатель преломления сердцевины каждого подключаемого оптического волокна, содержащего ВБР, связаны соотношением Λ=λ/2n, где Λ - период m-ой ВБР, где m - порядковый номер ВБР в оптическом волокне, λ - значение длины волны, входящее в диапазон перестройки длины волны излучения VCSEL с порядковым номером m, n - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, содержащего ВБР с порядковым номером m, для длины волны λ. Данное условие необходимо для того, чтобы резонансная длина волны ВБР попадала в диапазон перестройки длины волны одного из VCSEL.
В работу устройства также заложен принцип временного мультиплексирования, который заключается в том, что управление VCSEL токовыми импульсами происходит попеременно, благодаря чему на каждом ФПУ возможно временное разделение сигналов от ВБР с разными резонансными длинами волн, записанных в одном оптическом волокне. Таким образом, в заявляемом устройстве возможен синхронный опрос N ВБР: каждый VCSEL синхронно опрашивает соответствующую ему по резонансной длине волны ВБР в каждом из N каналов. В результате, попеременный запуск VCSEL позволяет опросить M*N ВБР: за М попеременных запусков синхронно по N ВБР.
Сущность заявляемого устройства поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема устройства. На представленном чертеже сплошными линиями показаны оптические связи, пунктирными - электрические.
Устройство измерения спектра отражения ВБР включает М VCSEL 1.m, где m порядковый номер VCSEL, соединенных с N оптическими каналами, каждый из которых содержит ФПУ 2.n, где n - порядковый номер соответствующего канала, и трехпортовый оптический циркулятор либо оптический разветвитель в конфигурации 1×2 3.n, первый порт оптического циркулятора либо первый порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 соединен с каждым из VCSEL 1.m через оптический разветвитель в конфигурации M×N 4, второй порт трехпортового оптического циркулятора либо второй порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 3.n предназначен для подключения оптического волокна 5.n, содержащего ВБР, а третий порт трехпортового оптического циркулятора либо третий порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 3.n соединен с соответствующим ФПУ 2.n, а выходной порт каждого VCSEL 1.m оптически соединен с соответствующим входным портом оптического разветвителя в конфигурации M×N 4, а каждый из выходных портов оптического разветвителя в конфигурации M×N 4 оптически соединен с входным портом соответствующего оптического канала с порядковым номером n, которым является первый порт трехпортового оптического циркулятора либо первый порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 3.n этого оптического канала. Устройство содержит блок обработки сигналов 6, включающий блок управления перестройкой длины волны излучения VCSEL 7, с которым электрически соединен каждый из VCSEL 1.m, и блок оцифровки и обработки сигнала 8, электрически соединенный с каждым из ФПУ 2.n.
Устройство работает следующим образом. Блок управления перестройкой длины волны излучения VCSEL 7 подает на каждый VCSEL 1.m управляющие токовые импульсы с заданной длительностью, скважностью и амплитудой. При запуске VCSEL 1.m оптический импульс от VCSEL 1.m вводится в оптическое волокно и последовательно через оптический разветвитель в конфигурации M×N 4 и трехпортовые оптические циркуляторы либо оптические разветвители в конфигурации 1×2 3.n попадает в каждое из подключенных к устройству оптических волокон 5.n, содержащих ВБР. Далее, оптические импульсы в каждом оптическом волокне 5.n отражаются от соответствующих ВБР и через трехпортовые оптические циркуляторы либо оптические разветвители в конфигурации 1×2 3.n попадают на соответствующие ФПУ 2.n. Сигнал от каждого ФПУ 2.n попадает в блок оцифровки и обработки сигнала 8. Таким образом, попеременный запуск VCSEL позволяет измерить спектр отражения M*N ВБР. При необходимости измерения спектра отражения K ВБР оптимальная конфигурация устройства без избыточности оптических элементов содержит равное число VCSEL и оптических каналов в количестве M=N=√K.
В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство, в конфигурации которого используется 4 VCSEL и 4 оптических канала, что позволяет измерять спектр отражения 16 ВБР. В данном устройстве VCSEL характеризуются центральными длинами волн излучения 1540 нм, 1550 нм, 1560 нм и 1570 нм, ввиду чего каждый из каналов устройства предназначен для подключения оптического волокна, содержащего 4 ВБР с соответствующими VCSEL резонансными длинами волн. В устройстве в качестве блока управления перестройкой длины волны излучения VCSEL используется 10-разрядный ЦАП, принимающий сигналы управления от программируемой логической схемы (ПЛИС). Токовая модуляция VCSEL производится импульсами амплитудой до 15 мА, с постоянной длительностью до 500 мкс и скважностью не более 25% ввиду необходимости временного мультиплексирования четырех VCSEL. В блоке оцифровки и обработки сигнала оцифровка сигнала производится при помощи 8-битного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а обработка сигнала и вычисление необходимых спектральных характеристик ВБР производится при помощи ПЛИС.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет осуществить измерения спектров отражения нескольких ВБР, в том числе записанных в одном оптическом волокне, при независимости указанных измерений от условий вибраций и механических перегрузок.