Способ стабилизации параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии
METHOD OF STABILIZING PARAMETERS OF OUTPUT OPTICAL RADIATION OF STRONG SPONTANEOUS EMISSION SOURCE

Изобретение относится к области волоконно-оптических источников усиленной спонтанной эмиссии.
Известен способ стабилизации параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии с применением фотонно-кристаллического волокна легированного ионами эрбия [статья X. Wu, L. Zhang, С.Liu, S. Ruan «High-stable, double-pass forward superfluorescent fiber source based on erbium-doped photonic crystal fiber» Applied Physics B. Laser and Optics, Vol. 114, №3, pp. 433-438, 12 July 2013]. Способ заключается в следующем: в легированное ионами эрбия фотонно-кристаллическое волокно, вводится излучение накачки в прямом направлении, причем длина волокна и мощность вводимого излучения накачки выбираются таким образом, чтобы температурный коэффициент центральной длины волны выходного оптического излучения был бы минимален.
Недостатками известного способа стабилизации параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии с применением фотонно-кристаллического волокна легированного ионами эрбия являются: отсутствие возможности изменения стабилизируемых параметров выходного излучения в процессе работы устройства, отсутствие возможности стабилизации нескольких параметров выходного оптического излучения одновременно, сложный процесс настройки.
Известен способ стабилизации, посредством изменения параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии с помощью применением спектрального фильтра [Патент США №5875203, кл. (H01S 3/06), дата публ. 23.02.1999], выбранный в качестве прототипа. Способ заключается в следующем: в оптическое волокно, легированное ионами эрбия вводится излучение накачки, которое, распространяясь по оптическому волокну, генерирует излучение спонтанной эмиссии. Выходное оптическое излучение имеет спектральную форму и центральную длину волны. Изменение спектральной формы выходного оптического излучения происходит посредством размещения в оптическом волокне спектрального фильтра для стабилизации центральной длины волны относительно одного из параметров, среди которых: мощность лазерного диода накачки, температура или управляющий сигнал внешнего устройства.
Недостатками известного способа стабилизации параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии являются: отсутствие возможности изменения стабилизируемых параметров выходного оптического излучения в процессе работы устройства, отсутствие возможности стабилизации нескольких параметров выходного оптического излучения одновременно, изготовление спектрального фильтра для каждой конкретной оптической схемы.
Способ решает задачу стабилизации в диапазоне рабочих температур нескольких параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, в частности мощности и центральной длины волны или мощности и ширины спектра, за счет организации управления лазерными диодами накачки без использования в схеме спектральных фильтров.
p
1
2
Поставленная задача решается следующим образом. В способе стабилизации параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, построенного по двухпроходной схеме, по заранее полученным зависимостям центральной длины волны или ширины спектра выходного оптического излучения от коэффициента накачки (K), равного отношению оптических мощностей сонаправленной накачки (P) к сумме сонаправленной и противонаправленной (Р) накачки легированного ионами эрбия волокна, а также от температуры источника, при постоянной выходной оптической мощности генерируемой спонтанной эмиссии, осуществляют подстройку оптических мощностей лазерных диодов накачки.
Сущность заявляемого способа поясняется следующим образом.
out
p
i
p
p
min
max
min
max
Параметры выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, построенного по двухпроходной схеме, в котором накачка легированного эрбием оптического волокна осуществляется с двух сторон двумя лазерными диодами накачки, работающем в режиме стабилизации выходной оптической мощности выходного оптического излучения P, имеющего постоянное значение, задаваемое пользователем и поддерживаемой посредством пропорционально-интегрального регулирования по следующему закону  где Р, D - пропорциональная и интегрирующая составляющие регулятора; k, k - коэффициенты усиления пропорциональной и интегрирующей составляющих регулятора; e(t) - ошибка, измеряются посредством подключения спектроанализатора к выходному порту волоконно-оптического источника усиленной спонтанной эмиссии. Производится серия измерений параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, причем при каждом следующим измерении меняется коэффициент накачки K, с шагом ΔK, от K=0 до K=1. Описанный цикл измерений повторяется при изменении температуры источника усиленной спонтанной эмиссии, посредством размещения его в температурной камере, во всем рабочем диапазоне температур от T до T с шагом ΔT.
p
c
Изменение коэффициента накачки K, позволяет регулировать уровень инверсии населенности ионов эрбия по длине легированного эрбием волокна, что позволяет изменять параметры выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, в частности центральную длину волны λ или ширину спектра Δλ при сохранении постоянной мощности
p
p
p
с
p
с
out
Итогом проведенных измерений становится массив данных размерностью  в каждой ячейке которого находится информация о параметрах выходного оптического излучения, в частности, значение центральной длины волны  или ширины спектра Δλ, а также соответствующий этим параметрам коэффициент накачки K и температура источника усиленной спонтанной эмиссии Т. Полученный массив данных приближается степенным полиномом вида  по методу наименьших квадратов, где n - степень полинома; х - ширина спектра или центральная длина волны; у - температура источника усиленной спонтанной эмиссии; z -коэффициент накачки K; р и g - коэффициенты полинома. Таким образом, получают зависимость коэффициента накачки K от центральной длины волны λ или ширины спектра Δλ выходного оптического излучения и температуры источника усиленной спонтанной эмиссии Т, т.е.,  Полученные зависимости затем загружаются в устройство управления лазерными диодами накачки источника усиленной спонтанной эмиссии и позволяют заранее определить необходимый для установки коэффициент накачки K для получения задаваемых пользователем параметров выходного оптического излучения, в частности, значения центральной длины волны λ или ширины спектра Δλ, на основании текущей температуры источника усиленной спонтанной эмиссии при постоянной мощности P.
min
max
с
out
out
Таким образом, заявляемый способ обеспечивает возможность стабилизации нескольких параметров выходного оптического излучения во всем рабочем диапазоне температур источника усиленной спонтанной эмиссии от T до T одновременно, в частности, центральной длины волны λ и мощности P или ширины спектра Δλ и мощности P.
Сущность заявляемого способа поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана структурная схема волоконного источника усиленной спонтанной эмиссии.
с
out
p
min
max
На фиг. 2 показана структурная измерительная схема для осуществления измерений параметров выходного оптического излучения, в частности, центральной длины волны λ или ширины спектра Δλ, при постоянной мощности P и изменения коэффициента накачки K во всем рабочем диапазоне температур источника усиленной спонтанной эмиссии от T до T.
p
На фиг. 3 показан профиль изменения коэффициента накачки K и температуры источника Т в процессе проведения измерений параметров выходного оптического излучения.
с
out
p
На фиг. 4 показаны измеренные параметры выходного оптического излучения, в частности, центральная длина волны λ и ширина спектра Δλ при постоянной мощности P при изменении коэффициента накачки K в диапазоне рабочих температур источника усиленной спонтанной эмиссии.
c
p
out
На фиг. 5 демонстрируется возможность стабилизации центральной длины волны λ путем изменения коэффициента накачки K в диапазоне рабочих температур источника усиленной спонтанной эмиссии, при постоянной мощности P, по заранее полученным зависимостям.
p
out
На фиг. 6 демонстрируется возможность стабилизации ширины спектра Δλ путем изменения коэффициента накачки K в диапазоне рабочих температур источника усиленной спонтанной эмиссии, при постоянной мощности P, по заранее полученным зависимостям.
Заявляемый способ может быть осуществлен с помощью устройства, представленного на фиг. 1. Устройство - волоконно-оптический источник усиленной спонтанной эмиссии 1, содержит электронный блок управления 2, в который входит схема цифровой обработки и формирования сигналов 3, выходы которой соединены с входами драйверов 4 и 5, выходы которых соединены с входами лазерных диодов накачки 6 и 7 соответственно. Первый, второй и третий входы схемы цифровой обработки и формирования сигналов 3 соединены с выходами схем аналогово-цифрового преобразования сигналов 8, 9 и 10 соответственно, входы которых соединены с выходами фотоприемных устройств 11, 12 и 13 соответственно, представляющими собой фотоприемники с волоконными выводами. Фотоприемные устройства 11, 12 оптически соединены с портами 14b и 15b оптических ответвителей 14 и 15, порты 14а и 15а которых оптически соединены с лазерными диодами накачки 6 и 7 соответственно. Оптические ответвители 14 и 15 представляют собой сплавные оптические ответвители, порты 14с и 15с которых оптически соединены с портами 16а и 17а спектральных соединителей каналов 16 и 17. Порты 16с и 17с спектральных соединителей каналов 16 и 17 оптически соединены с легированным эрбием волокном 18. Порт 16b спектрального соединителя каналов 16 оптически соединен со светоотражающим зеркалом 19. Порт 17b спектрального соединителя каналов 17 оптически соединен с оптическим изолятором 20, представляющим собой устройство, пропускающее оптическое излучение только в одном направлении. Оптический изолятор 20 оптически подсоединен к порту 21а оптического ответвителя 21, порт 21 с которого оптически соединен с фотоприемным устройством 13. Порт 21b оптического ответвителя 21 оптически соединен с выходным портом 22, представляющим собой оптический коннектор. Выход температурного датчика 23 соединен с четвертым входом схемы цифровой обработки и формирования сигналов 3.
с
p
min
max
min
max
Схема, с помощью которой могут быть осуществлены измерения параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, в частности центральной длины волны λ или ширины спектра Δλ, при изменении коэффициента накачки K, в диапазоне рабочих температур источника усиленной спонтанной эмиссии от T до T представлена на фиг. 2. Температура волоконно-оптического источника усиленной спонтанной эмиссии 1, построенного по двухпроходной схеме с двусторонней накачкой легированного эрбием волокна может изменяться в пределах от T до T с шагом ΔT посредством размещения его внутри температурной камеры 24. Оптический спектроанализатор 25 оптически соединен с оптической схемой волоконно-оптического источника усиленной спонтанной эмиссии 1 и электрически, соединен с персональным компьютером 26. Персональный компьютер 26 электрически соединен с температурной камерой 24 и волоконно-оптическим источником усиленной спонтанной эмиссии 1.
out
p
c
p
p
Заявляемый способ осуществляется следующим образом. Схема цифровой обработки и формирования сигналов 3, осуществляет управление драйверами 4 и 5 лазерных диодов накачки 6 и 7 на основании, полученной в результате проведения измерений, зависимости коэффициента накачки от параметров выходного оптического излучения и температуры источника усиленной спонтанной эмиссии, при постоянной выходной мощности P в частности K=ƒ(λ, T) или K=ƒ(Δλ, Т), причем мощности лазерных диодов накачки определяются посредством пропорционально-интегрального регулирования, осуществляемого в схеме цифровой обработки и формирования сигналов 3 на основании данных, полученных от схем аналогово-цифрового преобразования сигналов 8, 9 и 10, фотоприемных устройств 11, 12 и 13, а также данных от температурного датчика 23. Монохроматическое излучение, индуцированное лазерными диодами накачки 6 и 7, попадает на входные порты 14а и 15а оптических ответвителей 14 и 15, которые отводят меньшую часть излучения посредством портов 14b и 15b на фотоприемные устройства 11 и 12, обеспечивая, таким образом, стабилизацию оптической мощности лазерных диодов накачки 6 и 7, а также возможность устанавливать произвольное значение коэффициента накачки K от 0 до 1. Основная часть монохроматического излучения, индуцированного лазерными диодами 6 и 7 через порты 14с и 15с оптических ответвителей 14 и 15, попадает на входные порты 16а и 17а спектральных соединителей каналов 16 и 17, через порты 16с и 17с которых излучение попадает в легированное эрбием оптическое волокно 18. Под воздействием излучения накачки лазерных диодов 6 и 7 в легированном эрбием оптическом волокне 18 возникает спонтанная эмиссия, которая при отсутствии в схеме внешних сигналов, в области 1.5 мкм, усиливается. Легированное эрбием активное волокно излучает спонтанную эмиссию в двух направлениях, в стороны портов 16с и 17с спектральных соединителей каналов 16 и 17, которые пропускают ее на порты 16b и 17b. Через порт 16b излучение усиленной спонтанной эмиссии попадает на светоотражающее зеркало 19, а затем отражается от него. Оптическое излучение, отраженное от зеркала 19, через порт 16b спектрального соединителя каналов 16 попадает на порт 16с, а затем, в легированном эрбием оптическом волокне 18, усиливается, благодаря созданной инверсии населенности ионов эрбия излучением накачки лазерных диодов 6 и 7, и через порт 17с спектрального соединителя каналов 17 попадает на порт 17b, а затем, проходя через оптический изолятор 20, поступает на ответвитель 21. Ответвитель 21 отводит меньшую часть излучения через порт 21 с на фотоприемное устройство 13, обеспечивая, таким образом, второй каскад обратной связи, стабилизирующий мощность выходного оптического излучения. Основная часть сгенерированной спонтанной эмиссии поступает на выходной порт 22.
с
out
min
max
min
p
с
p
min
max
min
max
nm
max
p
c
out
Проведение измерений зависимости параметров генерируемой спонтанной эмиссии, в частности центральной длины волны λ или ширины спектра Δλ при постоянной выходной мощности P, при изменении коэффициента накачки,  в диапазоне рабочих температур источника усиленной спонтанной эмиссии от T до T осуществляется следующим образом. Персональный компьютер (ПК) 26 отдает команды температурной камере 24 об изменении температуры источника усиленной спонтанной эмиссии до T, после достижения которой ПК подает команды схеме цифровой обработки и формирования сигналов 3, волоконно-оптического источника усиленной спонтанной эмиссии 1, об изменении коэффициента накачки K, затем производит считывание данных со спектроанализатора 25, представляющих собой информацию о выходном оптическом излучении источника усиленной спонтанной эмиссии, в частности, о центральной длине волны λ или ширине спектра Δλ. Изменение температуры источника усиленной спонтанной эмиссии и коэффициента накачки K производится по алгоритму, приведенному на фиг. 3, где K - минимальное значение коэффициента накачки, K - максимальное значение коэффициента накачки, ΔK - шаг изменения коэффициента накачки,  - количество строк массива с данными, T - минимальная рабочая температура источника усиленной спонтанной эмиссии, T - максимальная рабочая температура источника усиленной спонтанной эмиссии, ΔT - шаг изменения температуры источника усиленной спонтанной эмиссии,  -количество столбцов массива с данными, N - номер ячейки в массиве данных. После записи массива данных n ПК 26 подает команду температурной камере изменить температуру источника Т на ΔT, после достижения которой процесс измерений повторяется. Измерения проводятся до достижении Т=T, включительно, т.е., измерения повторяются  раз. Из полученного массива данных, путем приближения данных степенным полиномом вида  по методу наименьших квадратов получают зависимость коэффициента накачки от параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии и температуры источника усиленной спонтанной эмиссии  на основании которых схема цифровой обработки и формирования сигналов 3 волоконно-оптического источника усиленной спонтанной эмиссии осуществляет расчет коэффициента накачки K, на основании, заданных пользователем, параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, в частности, значения центральной длины волны λ или ширины спектра Δλ, на основании текущей температуры источника усиленной спонтанной эмиссии при постоянной мощности P.
В качестве конкретного примера осуществления предлагается способ стабилизации параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, источником которой является волоконно-оптический источник усиленной спонтанной эмиссии, в котором в качестве схемы цифровой обработки и формирования сигналов выступает микроконтроллер, имеющий в своем составе 24-битные ΣΔ АЦП. В качестве лазерных диодов накачки выступают лазерные диоды с длиной волны излучения 1480 нм. Драйвер представляет собой источник постоянного тока. Термодатчик представляет собой платиновое сопротивление, а фотоприемные устройства, представляют собой фотодиоды с волоконным выводом, аналоговый сигнал которых посредством схем аналогово-цифрового преобразования, представляющих собой совокупность трансимпедансных усилителей, построенных на базе операционных усилителей, и входных портов микроконтроллера с ΣΔ АЦП преобразуется в цифровой. Оптические ответвители представляют собой сварные волоконно-оптические ответвители, обладающие коэффициентом деления  Спектральные соединители каналов, представляют собой многослойные фильтры на тонких пленках с волоконными выводами, объединяющие излучение с разными длинами волн, в частности излучения лазеров накачки в области 1480 нм и излучения генерируемой спонтанной эмиссии в области 1550±50 нм. Светоотражающее зеркало представляет собой зеркало Фарадея с волоконным выводом. Легированные эрбием оптическое волокно имеет значение поглощения в области 1530 нм на уровне 40 дБ/м. Основным элементом волоконно-оптического изолятора является вращатель Фарадея, а его изоляция составляет не менее минус 55 дБ для длин волн в области 1,5 мкм. Выходной оптический порт представляет собой волоконно-оптический коннектор FC/APC.
В измерительной схеме оптический спектроанализатор представляет собой спектроанализатор Yokogawa AQ6370, а температурная камера - климатическую камеру с возможностью изменять температуру внутри от минус 40 до +70. Персональный компьютер соединен со спектроанализатором и с волоконно-оптическим источником усиленной спонтанной эмиссии посредством проводных интерфейсов обмена данными.
out
p
i
Выходная оптическая мощность источника усиленной спонтанной эмиссии поддерживалась на уровне P=10 мВт, посредством пропорционально-интегрального регулирования, осуществляемого микроконтроллером по сигналу ошибки e(t), получаемому посредством аналогово-цифрового преобразования сигнала с фотоприемного устройства 13, в частности стабилизация выходного сигнала осуществлялась с помощью определенных пропорционального и интегрального коэффициентов равных соответственно k=0.1 и k=0.08, по формуле
На фиг. 4 графически представлен массив данных, измеренных с помощью структурной измерительной схемы для осуществления измерений параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии, приведенной на фиг. 2, по алгоритму, приведенному на фиг. 3, в частности, приведена зависимость центральной длины волны и ширины спектра выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии от температуры источника усиленной спонтанной эмиссии и коэффициента накачки. Из полученного массива данных путем приближения данных степенным полиномом вида  или  по методу наименьших квадратов была получена зависимость коэффициента накачки от параметров выходного оптического излучения и температуры источника усиленной спонтанной эмиссии, в частности, для возможности стабилизации центральной длины волны была получена зависимость: , а для возможности стабилизации ширины спектра была получена зависимость: .
На основании полученных зависимостей в источнике усиленной спонтанной эмиссии производился расчет коэффициента накачки на основании текущей температуры источника Т и заданной центральной длины волны или ширины спектра, в частности, в
t
качестве примера, были заданы поочередно: центральная длина волны 1569.5 нм, и ширина спектра 15.5 нм. На фиг. 5, приведена экспериментальная зависимость центральной длины волны от температуры источника без осуществления стабилизации и со стабилизацией, температурные коэффициенты центральной длины волны K соответственно составили 55.6 ppm/*С и 0.32 ppm/*С. На фиг. 6, приведена экспериментальная зависимость ширины спектра от температуры источника без осуществления стабилизации и со стабилизацией, температурные коэффициенты ширины спектра соответственно составили 5645 ppm/*С и 80.5 ppm/*С.
min
max
с
out
out
Таким образом, заявляемый способ стабилизации параметров выходного оптического излучения источника усиленной спонтанной эмиссии обеспечивает одновременную стабилизацию нескольких параметров выходного оптического излучения в диапазоне рабочих температур источника усиленной спонтанной эмиссии от T до T, в частности обеспечивает стабилизацию центральной длины волны λ при постоянной мощности P или ширины спектра Δλ при постоянной мощности P.