Устройство для передачи аналогового электрического сигнала по ВОЛС
APPARATUS FOR TRANSMITTING AN ANALOGUE ELECTRICAL SIGNAL OVER FOCL

Изобретение относится к системам передачи аналоговых сигналов микро-, наносекундного временного диапазона по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС) с использованием внешней модуляции излучения и может быть использовано в многоканальных системах.
Для преобразования электрического сигнала в модуляцию параметров оптического излучения, передаваемого по ВОЛС, возможно использовать электрооптические модуляторы интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цендера (далее по тексту ММЦ).
Функция пропускания ММЦ (зависимость пропускания модулятора от приложенного к электрическому сигнальному входу напряжения) по форме близка к синусоидальной. Поэтому при передаче аналоговых сигналов с использованием таких модуляторов для восстановления формы передаваемого сигнала необходимо знать как функцию пропускания (заранее определенную), так и рабочую точку модулятора (пропускание модулятора при отсутствии напряжения на электрическом сигнальном входе). Изменение интенсивности на выходе модулятора при подаче сигнала на электрический сигнальный вход модулятора зависит от положения рабочей точки модулятора. Дрейф рабочей точки (изменение пропускания модулятора с течением времени при отсутствии напряжения на электрическом сигнальном входе модулятора) вызван тепловыми процессами в модуляторе (поглощение лазерного излучения в модуляторе, изменение температуры модулятора и т.д.), поэтому требуется постоянный контроль и стабилизация рабочей точки. В качестве рабочей точки чаще всего выбирают минимум, максимум или середину склона функции пропускания модулятора, так как эти точки наиболее просто поддаются настройке и контролю при помощи специализированных устройств (контроллеров рабочей точки). Точность установки рабочей точки при работе контроллера рабочей точки пропорциональна времени наличия постоянного оптического излучения на оптическом входе ММЦ.
Для подачи оптического излучения на оптический вход ММЦ используется входное одномодовое волокно, для подачи промодулированного оптического излучения с выхода ММЦ на оптический вход приемника оптического излучения используется выходное оптическое волокно, таким образом, в устройствах передачи аналоговых электрических сигналов по ВОЛС используются два оптических волокна. При проведении ряда экспериментов источник высокочастотного сигнала находится, например, в герметизируемом объеме, поэтому необходимо уменьшать общее количество волоконных линий, входящих в герметизируемый объем. Для передачи оптического излучения от лазерного модуля на оптический вход ММЦ и передачи промодулированного оптического излучения с выхода ММЦ на приемник оптического излучения возможно использовать один отрезок оптического волокна. Для распределения потоков мощности по волокну возможно использовать направленные ответвители.
Для ограничения времени засветки приемника оптического излучения из непрерывного излучения одного или нескольких лазерных модулей с использованием акустооптических модуляторов и генераторов высокочастотного сигнала для акустооптических модуляторов формируются импульсы с плоской вершиной. Время начала формирования импульса с плоской вершиной и его длительность определяют начало и длительность регистрации передаваемого (информационного) электрического сигнала, поступающего на сигнальный вход ММЦ.
Ограничение времени засветки приемника оптического излучения при постоянном контроле рабочей точки ММЦ и при уменьшении числа используемых оптических волокон основано на использовании двух направленных ответвителей, «порт один» каждого из которых соединен соединительным оптическим волокном, и акустооптического модулятора, установленного после «порта три» одного из направленных ответвителей, при этом на оптический вход ММЦ подается постоянный уровень оптического излучения от лазерного модуля, используемого для передачи информационного сигнала, что необходимо для работы контроллера рабочей точки, а длительность засветки приемника оптического излучения ограничивается акустооптическим модулятором и генератором высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора. Метод также применим при многоканальной (N>1) передаче сигнала, при этом ограничение времени засветки приемника оптического излучения и уменьшение числа используемых оптических волокон для каждого канала передачи производится аналогичным способом.
Известна система организации дуплексной связи по одномодовому волокну с использованием двух направленных ответвителей, где для передачи оптического излучения используется один отрезок оптического волокна, соединенный с «портами один» обоих направленных ответвителей. Иванов А.Б., Волоконная оптика. Компоненты, системы передачи, измерения, М., 1999, раздел 1.3.2, стр. 82.
Недостатком этой системы является то, что для передачи оптического излучения по отрезку оптического волокна в одном направлении используется первая пара источник оптического излучения - приемник оптического излучения (TX1-RX1), причем источник оптического излучения ТХ1 присоединен к «порту два» первого направленного ответвителя, а приемник оптического излучения RX1 присоединен к «порту три» второго направленного ответвителя; для передачи оптического излучения по тому же оптическому волокну происходит с использованием другой пары источник-приемник (TX2-RX2).
Известна двухканальная система передачи аналогового сигнала по ВОЛС, в которой задание и контроль рабочих точек модуляторов осуществляется при помощи контроллера рабочей точки без использования дополнительного источника оптического излучения, где для настройки и стабилизации рабочей точки модулятора и передачи информационного сигнала в каждом канале используется излучение одного и того же лазерного диода, для ограничения времени засветки фотоприемника оптическим излучением используются акустооптические модуляторы, установленные перед каждым ММЦ. В каждом канале из непрерывного излучения лазерного диода при помощи акустооптического модулятора вырезаются три прямоугольных импульса, первый используется для настройки рабочей точки модулятора интенсивности, далее напряжение на электродах смещения фиксируется, затем подается второй оптический импульс, на котором производится передача информационного сигнала, затем подается третий оптический импульс, на котором производится проверка положения рабочей точки. W. R. Donaldson et al., «А single-shot, multiwavelength electro-optic data-acquisition system for inertial confinement fusion applications (invited)», Rev. Sci. Instrum. 83, 10D726 (2012).
Недостатками данной системы являются необходимость внесения изменений в схему контроллера рабочей точки для фиксации напряжения на электродах сдвига модулятора во время передачи информационного сигнала, необходимость формирования трех прямоугольных оптических импульсов для проведения процедур настройки рабочей точки модулятора и передачи информационного сигнала, длительное время подготовки к передаче информационного сигнала, необходимость наличия акустооптического модулятора в каждом канале, следствием чего являются усложнение оптической схемы, процедуры передачи сигнала и увеличение стоимости системы передачи.
Известна схема скважинной оптической телеметрической системы для моноволоконной оптической телеметрии, представляющая собой оптическую телеметрическую систему, содержащую скважинный нефтепромысловый зонд, одиночное оптическое волокно, множество электродов, оптический циркулятор (ответвитель) и обходное оптическое волокно. Электрооптический модулятор содержит скважинную подложку из ниобата лития, волновод, оптическое устройство ввода/вывода, множество электродов, оптический циркулятор (ответвитель) и обходное оптическое волокно. Скважинная телеметрическая система содержит наземный блок данных, скважинный оптический телеметрический контейнер, моноволоконный оптический интерфейс. При этом скважинный оптический телеметрический контейнер содержит волновод, оптическое устройство ввода/вывода, оптический циркулятор (ответвитель), множество электродов и обходное оптическое волокно. В одном из режимов работы оптической телдеметричееской ситстемы режим передачи данных заключается в модуляции света от 1550-нм CW (непрерывного) источника, передаваемого через соединитель 1×2 и соединители уплотнителя по длинам волн (WDM) по 12-километровому оптическому волокну на вход модулятора на ниобате лития. Модулированный свет передается вверх по скважине по 12-км оптическому волокну через оптический соединитель 2×2 и, в конечном счете, в 1550-нм фотодиод. Патент РФ на изобретение RU 2389046 «Способы и устройства для моноволоконной оптической телеметрии» Ваннуфелен Стефан (JP), Ямате Цутому (JP), Гайраль Бруно (FR), Чее Соон Сеонг (JP), Уилсон Колин (JP). Прототип, МПК G01V 8/00, опубликовано 10.05.2010.
Таким образом, прототип обеспечивает только постоянную засветку приемника оптического излучения (фотодиода).
Недостатком прототипа является невозможность ограничения времени засветки приемника оптического излучения (фотодиода) при непрерывной настройке и контроле положения рабочей точки ММЦ с использованием контроллеров рабочей точки и при наличии на оптическом входе ММЦ постоянного уровня оптического излучения от лазерного модуля, используемого для передачи информационного сигнала.
Изобретение устраняет недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является возможность ограничения времени засветки приемника оптического излучения (фотодиода) при непрерывной настройке и контроле положения рабочей точки ММЦ с использованием контроллеров рабочей точки и при наличии на оптическом входе ММЦ постоянного уровня оптического излучения от лазерного модуля, используемого для передачи информационного сигнала.
Технический результат достигается тем, что устройство для передачи аналогового электрического сигнала с использованием волоконно-оптической линии связи (ВОЛС), содержащее один канал, который состоит из лазерного модуля, соединенного через входного одномодовое волокно с «портом два» первого направленного ответвителя, «порт один» первого направленного ответвителя соединен с «портом один» второго направленного ответвителя через первое соединительное одномодовое волокно, «порт три» второго направленного ответвителя соединен через подводящее оптическое волокно с оптическим входом электрооптического модулятора интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цендера (ММЦ), оптический выход ММЦ соединен через отводящее оптическое волокно «с портом два» второго направленного ответвителя, контроллера рабочей точки ММЦ, соединенного с электродами сдвига ММЦ; устройство так же содержит приемник оптического излучения, аналоговый выход которого соединен с аналоговым входом оцифровщика, источник высокочастотного информационного электрического сигнала, соединенный с электрическим сигнальным входом ММЦ, «порт три» первого направленного ответвителя соединен через второе соединительное одномодовое волокно с оптическим входом акустооптического модулятора, электрический вход которого соединен с выходом генератора высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора, оптический выход акустооптического модулятора соединен через выходное одномодовое волокно с оптическим входом приемника оптического излучения, при этом контроллер рабочей точки ММЦ выполнен с возможностью непрерывной настройки и контроля положения рабочей точки ММЦ а генератор высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора выполнен с возможностью формирования импульсов с плоской вершиной и длительностью, определяющей начало и длительность регистрации передаваемого информационного электрического сигнала, поступающего на сигнальный вход ММЦ.
Таким образом, оптический сигнал с «порта три» первого направленного ответвителя, поступивший с выхода ММЦ и переданный через первый и второй направленные ответвители по первому соединительному одномодовому волокну, по второму соединительному одномодовому волокну передают на оптический вход акустооптического модулятора, высокочастотный сигнал заданной длительности от генератора высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора поступает на электрический вход акустооптического модулятора, приемником оптического излучения регистрируют изменение оптического сигнала, поступившего на вход акустооптического модулятора с выхода ММЦ, ограниченное длительностью высокочастотного сигнала от генератора высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора, что обеспечивает возможность ограничения времени засветки приемника оптического излучения.
Поскольку оптический сигнал с оптического выхода ММЦ подается на оптический вход акустооптического модулятора, а на электрический вход акустооптического модулятора подается высокочастотный сигнал от генератора высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора, тем самым ограничивается время засветки приемника оптического излучения оптическим излучением лазерного модуля.
Метод также применим при многоканальной (N>1) передаче оптического сигнала, при этом, ограничение времени засветки приемника оптического излучения при непрерывной настройке и контроле положения рабочей точки ММЦ с использованием контроллеров рабочей точки и при наличии на оптическом входе ММЦ постоянного уровня оптического излучения от лазерного модуля для каждого канала передачи производится аналогичным способом.
При этом элементы, входящие в состав каждого канала (лазерные модули, входное одномодовое волокно), первый и второй направленные ответвители, первое и второе соединительное одномодовое волокно могут быть разными (не идентичными друг другу).
Сущность изобретения поясняется на чертеже.
вч
На чертеже приведена схема устройства передачи аналогового электрического сигнала по ВОЛС, где: 1 - лазерный модуль (источник оптического излучения); 2 - входное одномодовое волокно; 3 - первый направленный ответвитель; 4 - первое соединительное одномодовое волокно; 5 - второй направленный ответвитель; 6 - подводящее оптическое волокно; 7 - электрооптический модулятор интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цендера (ММЦ); 8 - электроды сдвига ММЦ 7; 9 - электрический сигнальный вход ММЦ 7; 10 - отводящее оптическое волокно, 11 - второе соединительное одномодовое волокно; 12 - акустооптический модулятор; 13 - электрический вход акустооптического модулятора 12; 14 - выходное одномодовое волокно; 15 - приемник оптического излучения; 16 -оцифровщик; 17 - источник высокочастотного информационного электрического сигнала; 18 - информационный электрический ВЧ сигнал; 19 - контроллер рабочей точки ММЦ 7; 20 - оптическое излучение на выходе лазерного модуля 1; 21 - оптическое излучение на входе модулятора 7; 22 - изменение оптического сигнала на выходе ММЦ 7, вызванное приходом информационного электрического сигнала 18 от источника 17 высокочастотного информационного электрического сигнала; 23 - оптический сигнал с «порта три» первого направленного ответвителя 3, поступивший с выхода ММЦ 7 и переданный через направленные ответвители 3 и 5 по первому соединительному одномодовому волокну 4; 24 - генератор высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12; 25 - высокочастотный сигнал заданной длительности (t) от генератора 24 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12; 26 - изменение оптического сигнала, поступившего на вход акустооптического модулятора 12 с выхода ММЦ 7 и переданного через направленные ответвители 3 и 5 по первому соединительному одномодовому волокну 4, на выходе акустооптического модулятора 12, ограниченное длительностью высокочастотного сигнала 25 от генератора 24 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12.
Устройство содержит: лазерный модуль 1, оптический выход которого соединен через входное одномодовое волокно 2 с «портом два» первого направленного ответвителя 3, «порт один» первого направленного ответвителя 3 соединен через первое соединительное одномодовое волокно 4 с «портом один» второго направленного ответвителя 5, «порт три» второго направленного ответвителя 5 соединен через подводящее оптическое волокно 6 с оптическим входом электрооптического модулятора 7 интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера (ММЦ), контроллер 19 рабочей точки ММЦ 7 соединен с электродами сдвига 8 ММЦ 7, источник 17 высокочастотного информационного электрического сигнала соединен с электрическим сигнальным входом 9 ММЦ 7, оптический информационный выход ММЦ 7 соединен через отводящее оптическое волокно 10 с «портом два» второго направленного ответвителя 5, «порт три» первого направленного ответвителя 3 соединен через второе соединительное одномодовое волокно 11 с оптическим входом акустооптического модулятора 12, электрический вход 13 которого соединен с выходом генератора 24 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12, оптический выход акустооптического модулятора 12 соединен через выходное одномодовое волокно 14 с оптическим входом приемника оптического излучения 15, аналоговый выход которого соединен с аналоговым входом оцифровщика 16.
Устройство работает следующим образом.
вч
вч
вч
Оптическое излучение 20 на выходе лазерного модуля 1 подают по входному одномодовому волокну 2 на «порт два» первого направленного ответвителя 3. С «порта один» первого направленного ответвителя 3 по первому соединительному одномодовому волокну 4 оптическое излучение 20 поступает на «порт один» второго направленного ответвителя 5. Оптическое излучение 21 с «порта два» второго направленного ответвителя 5 подают по подводящему оптическому волокну 6 на оптический вход ММЦ 7. Контроллер 19 рабочей точки ММЦ 7 соединен с электродами сдвига 8 ММЦ 7, таким образом, постоянно контролируется положение рабочей точки ММЦ 7. Информационный электрический ВЧ сигнал 18 от источника 17 высокочастотного информационного электрического сигнала поступает на электрический сигнальный вход 9 ММЦ 7. Изменение 22 оптического сигнала на выходе ММЦ 7, вызванное приходом информационного электрического сигнала 18 от источника 17 высокочастотного информационного электрического сигнала, с оптического выхода ММЦ 7 по отводящему оптическому волокну 10 передают на «порт два» второго направленного ответвителя 5. Далее изменение 22 оптического сигнала на выходе ММЦ 7 поступает с «порта один» второго направленного ответвителя 5 по первому соединительному одномодовому волокну 4 на «порт один» первого направленного ответвителя 3. Оптический сигнал 23 с «порта три» первого направленного ответвителя 3, поступивший с выхода ММЦ 7 и переданный через первый и второй направленные ответвители 3 и 5 по первому соединительному одномодовому волокну 4, по второму соединительному одномодовому волокну 11 передают на оптический вход акустооптического модулятора 12. Высокочастотный сигнал 25 заданной длительности (t) от генератора 24 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12 поступает на электрический вход 13 акустооптического модулятора 12. Изменение 26 оптического сигнала на выходе акустооптического модулятора 12, ограниченное длительностью (t) высокочастотного сигнала 25 от генератора 24 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12, по выходному одномодовому волокну 14 передают на вход приемника 15 оптического излучения, сигнал приемника 15 оптического излучения регистрируют оцифровщиком 16. В оптическом излучении после акустооптического модулятора 12 приемником 15 оптического излучения регистрируют изменение 26 оптического сигнала, поступившего на вход акустооптического модулятора 12 с выхода ММЦ 7 и переданного через первый и второй направленные ответвители 3 и 5 по первому соединительному одномодовому волокну 4, на выходе акустооптического модулятора 12, ограниченное длительностью (t) высокочастотного сигнала 25 от генератора 24 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12.
Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно, возможность ограничения времени засветки приемника 15 оптического излучения при непрерывной настройке и контроле положения рабочей точки ММЦ 7 с использованием контроллеров 19 рабочей точки и при наличии на оптическом входе ММЦ 7 постоянного уровня оптического излучения 20 от лазерного модуля 1, используемого для передачи информационного сигнала.
В качестве лазерного модуля 1 может быть использован лазерный диод типа WDM8-C-16A-20-NM фирмы Thorlabs, установленный в шасси PRO800 фирмы Thorlabs, в качестве направленных ответвителей 3 и 5 могут быть использованы направленные ответвители CIR 1550РМ-АРС фирмы Thorlabs, в качестве электрооптического модулятора 7 интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера может быть использован электрооптический модулятор интенсивности по схеме интерферометра Маха-Цандера LN56S фирмы Thorlabs, в качестве акустооптического модулятора 12 может быть использован акустооптический модулятор Т-M200-0.1C2J-3-F2P фирмы Gooch and Housego, в качестве приемника 15 оптического излучения - фотодиод DET01CFC фирмы Thorlabs, в качестве оцифровщика 16 может быть использован цифровой осциллограф LeCroy Waverunner 640 Zi, в качестве источника 17 высокочастотных электрических сигналов может быть использован детектор импульсного ионизирующего излучения ССДИ38, в качестве контроллера 19 рабочей точки модулятора 7 может быть использован контроллер MBC-DG фирмы Photline Technologies, в качестве генератора 24 высокочастотного сигнала для акустооптического модулятора 12 может быть использован драйвер AODR 1200AF-AINA-2.5 HCR фирмы Crystal Technology Inc., в качестве входного одномодового волокна 2, соединительных одномодовых волокон 4 и 11, подводящего оптического волокна 6, отводящего оптического волокна 10 и выходного одномодового волокна 14 могут быть использованы оптические волокна РМ1550-ХР фирмы Thorlabs (входное одномодовое волокно 2, соединительные одномодовые волокна 4 и 11, подводящее оптическое волокно 6, отводящее оптическое волокно 10 и выходное одномодовое волокно 14 могут быть разными).