УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ СИММЕТРИЧНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ

Техническое решение относится к устройствам оптических измерений, в частности, к устройствам для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, значение которой строго регламентируется ITU в телекоммуникационных системах и определяет качество связи, в сенсорных системах является величиной, однозначно несущей информацию о величине внешнего воздействия некоторого физического поля, или определяет центральное положение области частот радиосигналов, обрабатываемых в оптическом диапазоне в радиофотонных системах. Объектом указанных измерений являются симметричные оптические структуры, условно имеющие при линейной аппроксимации трапецеидальную форму: два симметричных склона и плоскую вершину. При этом симметричные оптические структуры будем считать узкополосными, если спектральная протяженность вершины равна нулю, и широкополосными, если больше нуля. Примером первых являются классические волоконно-оптические решетки Брэгга, интерферометры Фабри-Перо, упорядоченные волоконные решетки, тонкопленочные фильтры и т.п., примером вторых - перестраиваемые оптические мультиплексоры ввода-вывода, чирпированные решетки Брэгга, полосовые оптические фильтры и т.п.
Известно устройство для определения центральной частоты симметричных оптических структур (описанный в работе Wang Y, Zhang J, Coutinho О, Yao J. «Interrogation of a linearly chirped fiber Bragg grating sensor with high resolution using a linearly chirped optical waveform», Opt Lett. 2015 Nov 1;40(21)), которое содержит последовательно соединенные источник ЛЧМ оптического излучения, контроллер, преобразователь оптического излучения, циркулятор, фотоприемник, контроллер управления и измерения характеристик симметричных оптических структур, волоконно-оптический кабель и оптическую структуру.
Устройство работает следующим образом. Генерируют одночастотное ЛЧМ оптическое излучение, подают его на вход и принимают с выхода оптической структуры, регистрируют параметры биений зондирующего и отраженного сигналов, по которым далее вычисляют центральную частоту оптической структуры .
Описанное выше устройство для определения центральной частоты симметричных оптических структур использует оборудование, применимое в полевых условиях. Данное устройство позволяет определять центральную частоту как узкополосных, так и широкополосных симметричных оптических структур. Его использование позволяет избавиться от применения сложной дорогостоящей спектральной аппаратуры или аппаратуры для векторного или скалярного анализа. Кроме того, применение для анализа центральной частоты симметричных оптических структур биений зондирующего и отраженного сигналов, и перенос информации на частоту биений позволяет избавиться от флуктуаций низкочастотной природы.
Однако недостатком данного устройства для определения центральной частоты симметричных оптических структур является наличие паразитной амплитудной модуляции при формировании одночастотного ЛЧМ оптического излучения и малая величина частоты биений, на которой производится анализ центральной частоты, лежащей в области максимальных шумов фотоприемника, что снижает чувствительность, отношение сигнал/шум и точность измерений. Малая величина частоты биений определяется обязательным наличием второй, рядом расположенной опорной решетки, не подверженной воздействию внешних физических полей, что усложняет конструкцию устройства и требования к его эксплуатации в полевых условиях.
Прототипом технического решения является устройство для определения центральной частоты симметричных оптических структур (Патент РФ №2512616 С2 на изобретение «Способ измерения параметров физических полей и устройство для его осуществления», МПК G01K 11/32, 10.04.2014), которое содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, циркулятор, первый волоконно-оптический кабель, узкополосную симметричную оптическую структуру, второй волоконно-оптический кабель, выход которого через второй вход и второй выход циркулятора соединен с детектором, а также контроллер управления и измерения центральной частоты узкополосных симметричных оптических структур, причем перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, циркулятор, контроллер управления и измерения центральной частоты узко-полосных оптических структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.
Устройство работает следующим образом. Генерируют одночастотное оптическое излучение с частотой , формируют из него двухчастотное зондирующее излучение с двумя составляющими равной амплитуды соответственно на частотах  со средней  и разностной частотами  лежащими в области полосы пропускания симметричной оптической структуры, подают его на вход и принимают с выхода симметричной оптической структуры, при этом частоту одночастотного оптического излучения  перестраивают в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот симметричного оптического фильтра, причем в ходе перестройки  оставляют неизменной, регистрируют изменения параметров двухчастотного зондирующего излучения, а именно, средней частоты двухчастотного зондирующего излучения  и коэффициента модуляции  огибающей биений между составляющими двухчастотного зондирующего излучения на выходе симметричной оптической структуры, по которым далее определяют центральную частоту  симметричной оптической структуры.
Данное устройство использует оборудование, применимое в условиях производства и реальных технологических процессов. Его использование, также, как и в приведенном аналоге, позволяет избавиться от применения сложной дорогостоящей спектральной аппаратуры или аппаратуры для векторного или скалярного анализа, а также от шумов низкочастотной природы. Применение для анализа центральной частоты симметричных оптических фильтров биений компонент двухчастотного зондирующего излучения, и перенос информации на частоту биений, которая лежит в области минимальных шумов фотоприемника, позволяет повысить чувствительность, отношение сигнал/шум и точность измерений по сравнению с аналогом.
Однако недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, является использование широкополосного детектора, ширина полосы пропускания которого может достигать десятков ГГц и определяется полосой пропускания симметричного оптического фильтра и значением большей разностной частоты двухчастотного зондирующего излучения. Данная полоса пропускания больше, чем у аналога, и в этом случае интегральный вклад шумов при обработке сигнала на выходе детектора будет значительным.
Вторым недостатком указанного устройства, выбранного в качестве прототипа, является его фактическое назначение для работы с узкополосными симметричными оптическими структурами. Возможность работы с широкополосными оптическими структурами определяется ситуацией, когда разностная частота двухчастотного зондирующего излучения больше, чем спектральная ширина плоской вершины симметричной оптической структуры. В противном случае невозможно определение центральной частоты широкополосных симметричных оптических структур, поскольку при определенных разностной частоте и шаге сканирования возможна ситуация, при которой коэффициент модуляции огибающей биений между компонентами двухчастотного зондирующего излучения будет равен 1 неоднократно, также как и будут равны амплитуды принятых составляющих при ряде последовательных измерений, что противоречит условиям реализации.
Решаемая техническая задача (технический результат) предлагаемого устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры заключается в повышении точности измерений определения центральной частоты как узкополосной, так и широкополосной симметричной оптической структуры.
Решаемая техническая задача в устройстве для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, содержащем последовательно соединенные перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, циркулятор, первый волоконно-оптический кабель, один конец которого соединен с первым выходом циркулятора, а второй конец - с входом симметричной оптической структуры, второй волоконно-оптический кабель, один конец которого соединен с выходом симметричной оптической структуры, а второй конец - со вторым входом циркулятора, циркулятор вторым выходом соединен с детектором, а также контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур, причем перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления, достигается тем, что в него дополнительно введен перестраиваемый фильтр разностной частоты, вход которого подключен к выходу детектора, а выход - к входу контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур, который выполнен как контроллер управления и измерения центральной частоты узкополосных и широкополосных симметричных оптических структур, при этом перестраиваемый фильтр разностной частоты имеет вход/выход управления, подключенный к шине управления, а преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное выполнен как амплитудный электрооптический модулятор.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства.
На фиг. 2 показано спектральное расположение двухчастотного зондирующего излучения относительно симметричной оптической структуры в случае совпадения их средней частоты с резонансной частотой, где  - частоты составляющих зондирующего излучения на выходе преобразователя одночастотного оптического излучения в двухчастотное,  - средняя частота двухчастотного зондирующего излучения,  - центральная (резонансная) частота,  - коэффициент модуляции огибающей биений между составляющими двухчастотного зондирующего излучения.
На фиг. 3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания симметричной оптической структуры, на которой отображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений между составляющими двухчастотного зондирующего излучения, полученного на выходе преобразователя одночастотного оптического излучения в двухчастотное, прошедшего через симметричную оптическую структуру и зарегистрированного на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания симметричной оптической структуры.
В приложении 1 представлены алгоритмы работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур для осуществления измерений.
Устройство для определения центральной частоты симметричной оптической структуры (фиг. 1) содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, циркулятор 3, первый волоконно-оптический кабель 4, один конец которого соединен с первым выходом циркулятора 3, а второй конец - с входом симметричной оптической структуры 5, второй волоконно-оптический кабель 6, один конец которого соединен с выходом симметричной оптической структуры 5, а второй конец - со вторым входом циркулятора 3, циркулятор 3 вторым выходом соединен с детектором 7, а также контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8, причем перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления 9, причем в него дополнительно введен перестраиваемый фильтр разностной частоты 10, вход которого подключен к выходу детектора 7, а выход - к входу контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8, который выполнен как контроллер управления и измерения центральной частоты узкополосных и широкополосных симметричных оптических структур, при этом перестраиваемый фильтр разностной частоты 10 имеет вход/выход управления, подключенный к шине управления, а преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное выполнен как амплитудный электрооптический модулятор.
Изображенными на фиг. 1 штриховыми линиями условно показаны первая 4 и вторая 6 линии передачи, выполненные на основе волоконно-оптического кабеля. Соединения между перестраиваемым по частоте источником одночастотного оптического излучения 1, преобразователем одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, циркулятором 3 и детектором 7 также показаны штриховыми линиями, поскольку имеют отношения к оптическим блокам. Тип используемых соединений условно не показан, поскольку они могут быть выполнены в любом исполнении, в том числе и в интегральном виде при интегральном объединении всех блоков устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры. Система электропитания блоков, входящих в состав, условно не показана.
На фиг. 2 показано спектральное расположение двухчастотного зондирующего излучения относительно симметричной оптической структуры в случае совпадения их средней частоты  с резонансной частотой
Изображенные на фиг. 2 составляющие двухчастотного зондирующего излучения  и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты  с резонансной частотой  Сигнал, зондирующий симметричную оптическую структуру, в отличие от существующих аналогов и прототипа, представляет собой двухчастотное зондирующее излучение соответственно с составляющими  и , со средней  и разностной частотами . Исходные амплитуды составляющих на выходе преобразователя одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 равны.
На фиг. 3 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания симметричной оптической структуры 5, на которой отображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений между составляющими двухчастотного зондирующего излучения, полученного на выходе преобразователя одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, прошедшего через симметричную оптическую структуру 5 и зарегистрированного на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты 10, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания симметричной оптической структуры 5.
Изображенная на фиг. 3 зависимость коэффициента модуляции огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения  на разностной частоте  от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания симметричной оптической структуры 5 представлена для случая, когда разностная частота  достаточно мала, чтобы не превысить полуширины склонов симметричной оптической структуры 5. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты  зондирующего излучения резонансной частоты . В этом случае коэффициент модуляции  огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения на разностной частоте  зарегистрированный на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты 10, будет равен значению «1».
Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента модуляции  огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой
Факт равенства коэффициентов модуляции  и  значения «1» для огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой  зарегистрированных на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты 10 используется для принятия решения об определении резонансной частоты
Рассмотрим работу устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры.
Для начала работы с устройством производят включение блоков к сети электропитания согласно их нормируемому напряжению.
Для измерения характеристик симметричной оптической структуры с помощью перестраиваемого по частоте источника одночастотного оптического излучения в двухчастотное 1 генерируют исходное одночастотное оптическое излучение, из которого формируют двухчастотное зондирующее излучение с двумя составляющими равной амплитуды в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2.
Для этого с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 через шину управления 9 подается команда управления параметрами генерации перестраиваемого по частоте источника одночастотного оптического излучения 1, преобразования в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 и настройки перестраиваемого фильтра разностной частоты 10. Алгоритм работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 для осуществления измерений представлен в Приложении 1.
В соответствии с алгоритмом работы с поданной командой зондирующий сигнал в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 формируют двухчастотным, состоящим из двух одночастотных сигналов равной амплитуды соответственно на частотах  и . Для его формирования в перестраиваемом по частоте источнике одночастотного оптического излучения 1 генерируют среднюю частоту, равную . Средняя частота поступает в преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, в котором по полученной команде задают разностную частоту между формируемыми двухчастотного зондирующего излучения , лежащую в области полосы пропускания симметричной оптической структуры 5. При этом сама средняя частота подавляется. На сформированную разностную частоту  производится настройка перестраиваемого фильтра разностной частоты 10, причем разностную частоту  выбирают достаточно малой, чтобы не превысить полуширины склонов симметричной оптической структуры 5, и оставляют неизменной в ходе перестройки средней частоты .
Затем передают двухчастотное зондирующее излучение к симметричной оптической структуре 5 через циркулятор 3 и первый волоконно-оптический кабель 4. В двухчастотном зондирующем излучении, проходящем через симметричную оптическую структуру 5, происходит изменение амплитуд составляющих зондирующего излучения - они становятся равными в зависимости от взаимного положения его средней частоты  и резонансной частоты  симметричной оптической структуры 5.
Далее принимают двухчастотное излучение после воздействия на симметричную оптическую структуру 5 на детекторе 7. В соответствии с алгоритмом работы включают циркулятор 3 по команде с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 в режим «двойного Т-моста» так, что прошедшее через симметричную оптическую структуру 5 выходное двухчастотное излучение через второй волоконно-оптический кабель 6 и второй вход циркулятора 3 поступает на второй выход циркулятора 3 и потом на детектор 7.
На выходе детектора 7 образуется сигнал, прошедший через симметричную оптическую структуру 5, соответствующий биениям двухчастотного сигнала на разностной частоте , который выделяется перестраиваемым фильтром разностной частоты 10.
Далее в соответствии с алгоритмом работы подают команду по шине управления 9 с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 на перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1 для перестройки средней частоты  двухчастотных излучений с заданным шагом в диапазоне измерений, соответствующем полосе частот симметричной оптической структуры 5 и на преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 для сохранения постоянной в ходе перестройки разностной частоты .
В ходе перестройки средней частоты  одночастотного оптического излучения в контроллере управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 запоминают некоторое значение коэффициента модуляции огибающей биений между составляющими двухчастотного излучения , причем;  и фиксируют соответствующее ему значение средней частоты двухчастотного зондирующего излучения . Далее в ходе перестройки запоминают значение коэффициента модуляции огибающей биений между составляющими двухчастотного зондирующего излучения  и фиксируют соответствующее ему значение средней частоты . После чего завершают перестройку частоты одночастотного оптического излучения  и вычисляют центральную частоту симметричной оптической структуры как
Алгоритм работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричной оптической структуры 8 для осуществления измерений в заявке на полезную модель представлен в Приложении 1.
На фиг. 2 показано спектральное расположение двухчастотного зондирующего излучения относительно симметричной оптической структуры в случае совпадения их средней частоты  с резонансной частотой
Изображенные на фиг. 2 составляющие двухчастотного зондирующего излучения  и их расположение показаны в случае совпадения их средней частоты  с резонансной частотой Исходные амплитуды составляющих на выходе преобразователя одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 равны.
Изображенная на фиг. 3 зависимость коэффициента модуляции огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения  на разностной частоте  от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания симметричной оптической структуры 5 представлена для случая, когда разностная частота  достаточно мала, чтобы не превысить полуширины склонов симметричной оптической структуры 5. Характерной точкой данной зависимости является точка нулевой относительной обобщенной расстройки, которая соответствует равенству средней частоты  зондирующего излучения резонансной частоте . В этом случае коэффициент модуляции  огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения на разностной частоте  зарегистрированный на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты 10, будет равен значению «1».
Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента модуляции  огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой
Факт равенства коэффициентов модуляции  и  значения «1» для огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой  зарегистрированных на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты 10, используется для принятия решения об определении резонансной частоты
Перестраиваемый фильтр разностной частоты 10 выполнен перестраиваемым для выполнения условия по соответствию значения разностной частоты  которое должно быть достаточно малым, чтобы не превысить полуширины склонов симметричной оптической структуры.
Устройство для определения центральной частоты симметричной оптической структуры может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм (возможны и другие длины волн):
- перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1 - одночастотный лазерный перестраиваемый диод с диапазоном перестройки до 40 нм, определяемым шириной полосы пропускания симметричной оптической структуры, например, Phoenix-1000, фирмы Luna;
- преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 - электрооптический модулятор Маха-Цендера, например, MX-LN-10, фирмы IXBLUE;
- циркулятор 3 - циркулятор РМОС-4-15, фирмы DK Photonics Technology Limited, на четыре вывода;
- первый и второй волоконно-оптический кабели 4 и 6 - эталонные шнуры или кабели на волокне SMF-28 фирмы Corning;
- симметричная оптическая структура 5 - исследуемые решетки и фильтры;
- детектор 7 - детектор огибающий ADL5511 или ADL6010 фирмы Analog Devices;
- контроллер управления и измерения спектральных характеристик оптических структур 8 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;
- шина управления 9 – шины, реализующие передачу сигналов управления и данных по протоколам Modbus, RS и других.
- перестраиваемый фильтр разностной частоты 10 - фирма Agilent, K&L, Магнетон.
При реализации устройства для определения центральной симметричных оптических структур все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле в интегральном исполнении.
По сравнению с существующими устройствами (включая прототип) для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, которая характеризуется изменениями коэффициента модуляции в зависимости от изменения электрофизических параметров материалов, предложенное устройство с двухчастотным зондированием и измерением коэффициентов модуляции указанного двухчастотного оптического излучения после прохождения через него с дальнейшим вычислением характеристик не требует применения широкополосного приема, а позволяет обрабатывать сигнал на частотах биений компонент двухчастотных сигналов, равных разностным частотам между ними, и выделенных перестраиваемым фильтром разностной частоты, что существенно сужает полосу пропускания приемной части устройства и, соответственно, повышает отношение сигнал/шум измерений. Кроме того, полоса пропускания перестраиваемых фильтров разностной частоты находится в области минимальных шумов детектора, что, соответственно, также повышает отношение сигнал/шум измерений.
При прямом детектировании собственные шумы детектора излучения превалируют над внешними и определяют пороговую мощность принимаемого сигнала. Выигрыш по отношению сигнал/шум можно вычислить с помощью следующего выражения:
5
где  - спектральная плотность шума детектора.
При этом выигрыш будет определяться в основном различной природой и уровнем шумов в различных частотных диапазонах, несмотря на некоторое увеличение требуемой полосы пропускания.
Для прямого детектирования диапазона  в детекторе - это токовые шумы с распределением вида  и другие мощные шумы и флуктуации низкочастотной природы.
Для диапазона  детектора - это дробовой шум малой интенсивности, где  - полоса пропускания детектора, необходимая для регистрации амплитуды зондирующего излучения после его взаимодействия с симметричной оптической структурой. Для измерений в оптическом диапазоне выигрыш может составить 1-2 порядка.
Кроме того, при реализации устройства из алгоритмов работы его блоками и измерения характеристик резонансных структур, отраженных в Приложении 1, были исключены операции, связанные с перестройкой разностной частоты, что позволило упростить их структуру по сравнению с прототипом.
Испытания показали, что использование зондирования двухчастотными излучениями симметричной оптической структуры и регистрация средней частоты и коэффициентов модуляции огибающих биений его компонент на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты, позволили достичь отношения сигнал/шум измерений ~ 60 дБ.
Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи (технического результата) предлагаемого устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры - повышение точности измерений определения центральной частоты как узкополосной, так и широкополосной симметричной оптической структуры.