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 (патент РФ №2602998, МПК H04B 10/071, G01J 3/18, приор. 27.08.2015), содержащее поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (далее вертикально-излучающий лазер - ВИЛ) в качестве перестраиваемого источника оптического излучения и фотоприёмное устройство (ФПУ).
В известном устройстве измерение спектра исследуемой ВБР происходит за счет перестройки длины волны излучения ВИЛ путем токовой модуляции. Одним из наиболее существенных недостатков известного устройства является нелинейность временной кривой перестройки длины волны, обусловленная экспоненциальной динамикой температурных процессов при токовой модуляции ВИЛ. Фактически, в известном устройстве отсутствует возможность прямого управления длиной волны излучения ВИЛ и удержания длины волны на постоянном желаемом уровне. Перестройка длины волны ВИЛ фактически является следствием изменения температуры лазерного диода, которая, в свою очередь, зависит от тока модуляции. Поскольку ток модуляции так же определяет излучаемую оптическую мощность ВИЛ, длина волны и оптическая мощность в известном устройстве взаимосвязаны, что налагает ограничения на измерительную схему. Другим недостатком известного устройства является узкий спектральный диапазон опроса ВИЛ, не превосходящий 3-3.5 нм, что, как правило, не позволяет произвести опрос более чем одной ВБР.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является устройство измерения спектра отражения ВБР, описанное в (патент РФ №182543, МПК G01J 3/06, H04B 10/071, приор. 20.04.2018), содержащее несколько ВИЛ в качестве перестраиваемых источников оптического излучения и ФПУ на каждый оптический канал.
В прототипе измерение центральных длин волн отражения нескольких ВБР происходит за счет использования в устройстве нескольких ВИЛ в качестве перестраиваемых источников оптического излучения с применением принципов спектрального и временного мультиплексирования. Перестройка по длине волны осуществляется прямоугольными токовыми импульсами с заданной длительностью и амплитудой.
Недостатком прототипа является необходимость применения нескольких ВИЛ для опроса нескольких ВБР в канале с разными центральными длинами волн отражения, из-за относительно узкого диапазона (до 3-3.5 нм) перестройки центральной длины волны излучения лазера в течение импульса. Диапазона опроса одного ВИЛ достаточно для опроса одной ВБР, дальнейшее увеличение числа опрашиваемых ВБР требует применения методов временного и спектрального мультиплексирования. Кроме того, зависимость изменения центральной длины волны излучения ВИЛ от времени от начала импульса является нелинейной, что влияет на точность определения центральной длины волны. Нелинейность характеристики обусловлена природой процесса перестройки ВИЛ - при подаче токового импульса происходит термическое расширение области резонатора, поэтому зависимость излучаемой длины волны ВИЛ от времени в случае прямоугольного импульса тока имеет форму, близкую к экспоненциальной.
Главной задачей предлагаемого устройства является расширение спектрального диапазона опроса единичного ВИЛ и, как следствие, получение возможности измерения спектра отражения нескольких ВБР (не менее двух), в том числе записанных в одном оптическом волокне, с одновременным повышением точности за счёт прямого управления длиной волны излучения ВИЛ.
Поставленные задачи решаются посредством достижения технического результата, заключающегося в построении измерительной схемы на основе перестраиваемых источников излучения. В качестве источника используется лазер с вертикальным резонатором, в конструкцию которого встроена миниатюрная электромеханическая система перестройки длины волны (далее - модулятор). Структура измерительной схемы соответствует структуре схемы устройства-прототипа (патент РФ № 182543, МПК G01J 3/06, H04B 10/071, приор. 20.04.2018) и также допускает применение принципов спектрального и временного мультиплексирования.
m,k
m,k
eff
m,k
m,k
eff
m,k
Устройство измерения спектра отражения ВБР включает M ВИЛ, где M - натуральное число, N оптических каналов, содержащих фотоприемное устройство (ФПУ), где N - натуральное число, оптический разветвитель в конфигурации M×N, каждый из M входных портов вышеуказанного разветвителя оптически соединен с выходным портом соответствующего ВИЛ, каждый из его выходных N портов оптически соединен с входным портом соответствующего оптического канала, N трехпортовых устройств распределения оптических сигналов, выполненных в виде трехпортового оптического циркулятора либо оптического разветвителя в конфигурации 1×2, при этом порты 1 устройств распределения оптических сигналов подключены к вышеуказанному оптическому разветвителю в конфигурации M×N, порты 2 подключены к соответствующим оптическим каналам, порты 3 подключены к соответствующим ФПУ, блок обработки сигналов, электрически соединенный с M ВИЛ и N ФПУ, при этом каждое подключаемое к любому из N каналов оптическое волокно содержит не более М×K ВБР, где K - натуральное число, причем период каждой ВБР, длина волны излучения каждого ВИЛ и эффективный показатель преломления сердцевины каждого подключаемого оптического волокна, содержащего ВБР, связаны соотношением Λ=λ/(2×n), где Λ - период (m, k)-ой ВБР, где m - номер группы ВБР в оптическом волокне, k - номер ВБР в группе, λ - значение k-й длины волны, входящее в диапазон перестройки длины волны излучения ВИЛ с порядковым номером m, n - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, содержащего ВБР с номером (m,k) для длины волны λ. Каждый из M ВИЛ содержит электромеханический модулятор длины волны излучения, блок обработки содержит блок управления ВИЛ, представляющий собой M драйверов лазерных диодов, каждый из которых подключен к соответствующему из M ВИЛ, а также M генераторов напряжения произвольной формы, каждый из которых подключен к модулятору длины волны излучения соответствующего из M ВИЛ, при этом K не менее 1.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим.
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве в качестве источника оптического излучения (ИОИ) используется ВИЛ, длиной волны которого можно управлять с помощью встроенного электромеханического модулятора, а диапазон перестройки по длине волны в 2.5-3 раза превосходит диапазон перестройки ИОИ устройства-прототипа: 9-10 нм против 3-3.5 нм. Диапазон перестройки такого ВИЛ перекрывает стандартный диапазон перестройки ВБР не менее чем в 2 раза, поэтому каждый из M ВИЛ может использоваться для опроса K ВБР (K не менее 2), что при использовании разветвления на N волокон с ВБР позволяет увеличить количество опрашиваемых ВБР до M×N×K, что в K раз больше, чем у устройства-прототипа.
Модуляция производится приложением к электромеханическому модулятору сигнала напряжения, причём влияние приложенного напряжения на величину выходной оптической мощности ВИЛ незначительно в отличие от ИОИ устройства-прототипа. Это позволяет компенсировать нелинейность передаточной характеристики «напряжение-длина волны» путём формирования модулирующего сигнала напряжения произвольной формы. Приближенная к линейной зависимость длины волны ИОИ от времени позволяет, помимо прочего, повысить точность измерений за счёт формирования линейной зависимости длины волны излучения от времени. Дополнительным преимуществом предлагаемой схемы является возможность модуляции длины волны в статическом режиме или квазистатическом режиме - длина волны излучения ВИЛ может быть зафиксирована на произвольном уровне в соответствии с приложенным напряжением модуляции. Это позволяет реализовать более сложные измерительные схемы, к примеру, следящего типа.
В работу устройства заложен принцип спектрального мультиплексирования. Для увеличения спектрального диапазона измерения спектров отражения ВБР центральные длины волн излучения ВИЛ выбираются таким образом, что конечное значение диапазона перестройки длины волны излучения каждого ВИЛ совпадает либо меньше начального значения диапазона перестройки центральной длины волны излучения, следующего ВИЛ. Данное условие необходимо для того, чтобы резонансная длина волны ВБР попадала в диапазон перестройки длины волны одного из ВИЛ. В отличие от устройства-прототипа, в предлагаемом устройстве за счёт кратного (в K раз) расширения спектрального диапазона ИОИ, условие попадания резонансной длины волны ВБР в диапазон перестройки длины волны одного из ВИЛ может выполняться для кратно большего числа ВБР, диапазона перестройки достаточно для опроса не одной ВБР, а целой группы из k ВБР в одном волокне.
В работу устройства также заложен принцип временного мультиплексирования, который заключается в том, что управление ВИЛ 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×K ВБР: ВИЛ с номером M синхронно опрашивает соответствующий ему по резонансной длине волны набор из K ВБР в каждом из N каналов. В результате, попеременный запуск ВИЛ позволяет опросить M×N×K ВБР: за M попеременных запусков синхронно по N×K ВБР. Следует отметить, что отражения от каждой из K ВБР в одном волокне при облучении одним ВИЛ формируются и поступают на фотоприёмные устройства в различные моменты времени, поскольку ВБР в общем случае разнесены в пространстве. Таким образом, временное мультиплексирование используется даже для конфигурации с единственным ИОИ, то есть для случая M=1.
Сущность заявляемого устройства поясняется фигурами 1 и 2, где представлена структурная схема устройства (фиг. 1) и схема блока управления ВИЛ (фиг. 2). Сплошными линиями показаны оптические связи, пунктирными - электрические.
Устройство измерения спектра отражения ВБР включает M ВИЛ 1.m, где m - порядковый номер ВИЛ, 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 ВИЛ 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 ВИЛ 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 ВИЛ 7 и массив из N каналов аналого-цифрового преобразования 8. Блок управления ВИЛ 7 содержит массив из M управляемых генераторов напряжения произвольной формы 9 и M драйверов лазерных диодов 10. Генераторы 9 электрически подключены к электромеханическим модуляторам 11 внутри соответствующих ВИЛ, драйверы лазерных диодов 10 электрически подключены к лазерным диодам 12 внутри соответствующих ВИЛ.
На фиг. 2 показана схема управления ВИЛ. Входящий в состав блока обработки 6 генератор напряжения произвольной формы 9 подаёт напряжение на вывод электромеханического модулятора 11. Лазерный диод 12 управляется источником постоянного тока 10.
Устройство работает следующим образом. Драйвер лазерного диода 10.m, входящий в блок управления ВИЛ 7 подаёт на лазерный диод 12.m, входящий в состав ВИЛ 1.m, постоянный ток, достаточный для излучения с необходимой выходной оптической мощностью. Одновременно с этим генератор напряжения произвольной формы 9.m подаёт на модулятор 11.m внутри ВИЛ 1.m сигнал напряжения, соответствующий требуемой длине волны излучения. Излучение от ВИЛ 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.nпопадает 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 ВИЛ (перебор всех m) позволяет измерить спектр отражения M×N×K ВБР, где K - количество ВБР в одном волокне, спектр отражения которых перекрывается спектром излучения одного ВИЛ.
В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство, в конфигурации которого используется 4 ВИЛ и 4 оптических канала, что позволяет измерять спектр отражения 48 ВБР. В данном устройстве ВИЛ характеризуются центральными длинами волн излучения 1540 нм, 1550 нм, 1560 нм и 1570 нм, при этом каждый из ВИЛ имеет диапазон перестройки, перекрывающий спектры отражения трёх ВБР, ввиду чего каждый из каналов устройства предназначен для подключения оптического волокна, содержащего 4×3 ВБР с соответствующими ВИЛ резонансными длинами волн. Для управления перестройкой длины волны излучения ВИЛ в устройстве используется генератор сигнала напряжения произвольной формы на основе высокочастотного 14-разрядного ЦАП, управляемого программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС). Частота обновления ЦАП не менее 100 МГц. Формирование сигнала напряжения для модуляции длины волны ВИЛ осуществляется связкой ЦАП с токовым выходом и трансимпедансного усилителя. Токовая модуляция ВИЛ производится импульсами амплитудой 20 мА с постоянной длительностью до 500 мкс и скважностью 4 ввиду необходимости временного мультиплексирования четырех ВИЛ. Управление источниками тока для каждого из ВИЛ производится посредством замыкания-размыкания цепи транзисторным ключом. В блоке оцифровки и обработки сигнала оцифровка сигнала производится при помощи четырёхканального 8-битного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а обработка сигнала и вычисление необходимых спектральных характеристик ВБР производится при помощи ПЛИС. Частота выборки АЦП не менее 100 МГц.
Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает расширение спектрального диапазона опроса единичного ВИЛ и, как следствие, получение возможности измерения спектра отражения нескольких ВБР, что увеличивает количество опрашиваемых ВБР в 2 и более раз с одновременным повышением точности измерения спектра отражения ВБР за счёт прямого управления длиной волны излучения ВИЛ.