Устройство и способ измерения спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток
DEVICE AND METHOD OF MEASURING SPECTRAL CHARACTERISTICS OF FIBER-OPTIC BRAGG GRATINGS

Изобретение относится к области волоконной оптики и может быть использовано в волоконно-оптических спектральных датчиках для контроля различных параметров путем анализа спектров волоконно-оптических брэгговских решеток (ВБР).
Известно применение ВБР, образованных на одном или нескольких участках волоконного световода, в различных датчиках, в которых измеряемый параметр определяется путем исследования спектра оптического сигнала, отраженного ВБР.
Известно устройство, включающее датчик на оптическом волокне. Устройство для измерения температурного распределения в горизонтальной скважине по патенту RU 2445590, опубл. 2012, содержит импульсный источник оптического излучения, лазер, чувствительный элемент датчика в виде многомодового оптического волокна, узел обработки сигналов. В конструкцию устройства также входят таймер, направленный оптический ответвитель, узел спектрального разделения, фотоприемные модули, фотоприемник синхронизации, аналого-цифровые преобразователи, аналого-цифровые накопители и компьютер. В устройство дополнительно введен термоизмерительный узел для замера температуры в скважине и проводится корректировка показаний температуры оптоволоконного датчика, устройство повышает точность измерения температурного распределения в скважине. Для целей диагностирования температуры вдоль скважины измерительная схема имеет усложняющие элементы: хромель-копелевый измерительный кабель, прикрепленный хомутами к оптоволоконному кабелю, фотоприемник синхронизации для обеспечения синхронного цифрового накопления сигналов в цифровых накопителях, узел спектрального разделения.
Известна система с возможностью измерения спектральных сдвигов излучения для контроля механических нагрузок на протяженные элементы воздушной линии электропередачи по патенту РФ 2533178, МПК H02J 13/00, H02G 7/04, публ. 2014. В изобретении используется известный принцип измерения деформации/ температуры в нескольких точках контролируемого объекта с помощью датчиков деформации/температуры на оптических волокнах с брэгговскими решетками. Система содержит датчик тяжения в виде отрезка оптоволокна с нанесенными брэгговскими решетками, датчик ветра в виде жестко закрепленного на опоре стержня, снабженного ветроприемным наконечником, и двух отрезков оптоволокна с нанесенными брэгговскими решетками, установленными с возможностью восприятия изгибной деформации стержня, при этом каждый указанный отрезок оптоволокна встроен в оптоволоконную линию связи с наземным терминалом. Каждая ВБР имеет спектр отражения, несовпадающий с спектром отражения других датчиков, встроенных в то же волокно линии связи А наземный терминал содержит подключенные к программируемому блоку обработки данных лазерный источник излучения и фотоприемник, к которым через циркулятор или направленный ответвитель подведена указанная оптоволоконная линия, и выполнен с возможностью измерения спектральных сдвигов излучения, отраженного брэгговскими решетками указанных датчиков. Указанная система содержит дополнительный оптоволоконный датчик температуры для коррекции отраженного оптического сигнала датчика механических деформаций и с этой целью датчик температуры устанавливается так, чтобы исключить восприятие деформаций, что усложняет измерительную схему и алгоритм обработки сигналов и приводит к методическим погрешностям.
Известен способ контроля спектральных параметров волоконной брэгговской решетки по патенту РФ 2602998, МПК Н04В 10/071, G01J 3/18, публ. 2016. Согласно способу, осуществляют облучение ВБР излучением перестраиваемого поверхностно-излучающего лазера путем подачи на VCSEL (vertical-cavity surface - emitting laser; поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором) прямоугольных токовых импульсов с постоянной длительностью от 1 до 500 мкс и величиной до 12 мА, измерение отраженного излучения и преобразование временного сигнала в спектр ВБР с помощью нормировочной кривой, характеризующей временную динамику изменения центральной длины волны VCSEL в течение одного прямоугольного токового импульса. Определяют зависимость длины волны от мощности излучения, отраженного от узкополосного спектрального фильтра, и зависимость мощности от времени, прошедшего от начала токового импульса.
Патент содержит также описание измерительной схемы, наиболее близкой заявляемому устройству. Указанная схема включает блок контроля перестройки длины волны излучения, соединенный с источником оптического излучения, который задает длительность подаваемых токовых импульсов на перестраиваемый источник оптического излучения. Источник оптического излучения представляет собой полупроводниковый поверхностно-излучающий лазер с встроенным элементом нагрева-охлаждения, в частности, элементом Пельтье, для целей термостабилизации и фиксации центральной длины волны излучения в режиме постоянного излучения. Выход источника оптического излучения оптически подключен к входу оптической схемы, которая содержит ВБР, подключенную к полупроводниковому лазеру и фотоприемному устройству через оптический разветвитель. Фотоприемное устройство детектирует оптическое излучение и преобразует в электрический сигнал. Фотоприемное устройство подключено к аналого-цифровому преобразователю АЦП. Выход АЦП соединен с входом блока конвертирования сигнала из временной области в спектральную, выход блока соединен с входом блока вычисления спектральных характеристик. Блок контроля перестройки длины волны излучения изменяет длительности и периода следования прямоугольных токовых импульсов. Блоки контроля, вычисления и конвертации реализованы в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС).
Известный способ и реализующая его схема не обладают достаточной точностью определения спектральных параметров ВБР, по крайней мере, ввиду применения косвенных параметров определения центральной длины волны источника излучения путем контроля величины до 12 мА и длительности от 1 до 500 мкс прямоугольного разогревающего токового импульса. При этом не принимается во внимание, что реальная температура излучающей структуры также зависит от надежного функционирования устройства нагрева-охлаждения, от окружающей среды (воздух; теплоотводящий материал и пр.). Также для получения достоверного и точного результата анализа должно быть выдержано условие полной идентичности условий измерения спектра ВБР и получения нормировочной кривой зависимости спектра полупроводникового лазера от временных характеристик токовых импульсов. Задаваемый период следования импульсов приводит к снижению общего времени анализа спектральных характеристик.
Техническая задача изобретения заключается в том, чтобы увеличить точность измерения спектральных характеристик ВБР.
Для решения поставленной задачи предлагается устройство измерения спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток, включающее источник оптического излучения в виде полупроводникового лазера с волоконно-оптическим выходом и с встроенным элементом нагрева-охлаждения, выход источника оптического излучения соединен с оптической системой, включающей оптический ответвитель и, по крайней мере, одну волоконно-оптическую брэгговскую решетку, фотоприемное устройство и программируемый блок контроля и управления процессом измерения, отличающееся тем, что к управляющим выходам блока контроля и управления подключены входы устройства нагрева-охлаждения и источника тока, к которому подключена полупроводниковая структура (ППС) лазера, также ППС лазера через усилитель напряжения соединена со схемой измерения падения напряжения на ППС лазера, реализованной блоком контроля и управления, оптический ответвитель и циркулятор, который встроен между оптическим ответвителем и ВБР, соединены посредством волоконно-оптических линий с фотоприемными устройствами, выходы фотоприемных устройств соединены с входами усилителей, выходы которых подключены к измерительным входам блока контроля и управления.
Также предлагается:
Способ измерения спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток, включающий изменение длины волны излучения полупроводникового лазера и облучение ВБР, измерение отраженного излучения и преобразование в спектр ВБР с помощью нормировочной кривой, отличающийся тем, что длину волны излучения лазера изменяют путем изменения температуры полупроводниковой структуры (ППС) лазера произвольно либо инжекционным током, либо с помощью встроенного устройства нагрева-охлаждения в виде элемента Пельтье в режиме либо нагрева ППС лазера, либо в режиме ее охлаждения, измеряют падение напряжения на ППС лазера и определяют длину волны излучения лазера по одной и более нормировочным кривым в виде зависимостей длины волны излучения лазера от падения напряжения на ППС лазера, предварительно измеренных при условиях изменения температуры ППС лазера в режиме неизменного разогревающего тока через ППС и неизменной температуры ППС, облучают ВБР, оптические сигналы лазера и отраженный сигнал ВБР преобразуют двумя фотоприемниками и определяют спектр ВБР путем нормирования сигнала ВБР к сигналу излучающего лазера.
Предложенные устройство и способ обеспечивает измерение длины волны излучения перестраиваемого лазера по падению напряжения на ППС при известном значении тока через ППС.
Схема устройства измерения спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток показана на фиг. 1. На фиг. 2 показана схема устройства измерения с применением стандартного лазерного модуля, включающего устройство нагрева-охлаждения и фотоприемное устройство. На фиг. 3 представлен график изменения длины волны излучения лазера от температуры нагрева ППС лазера при неизменном токе инжекции. На фиг. 4 представлена зависимость длины волны излучения от температуры ППС при разных значениях тока инжекции. На фиг. 5 показан измеренный спектр ВБР.
На схемах показаны:
1 - блок контроля и управления,
2 - источник тока ИТ,
3 - усилитель напряжения УН,
4 - устройства нагрева-охлаждения УНО,
5 - полупроводниковый лазер,
6 - ответвитель,
7 - циркулятор,
8 - волоконно-оптическая брэгговская решетка,
9, 10 - фотоприемные устройства Ф,
11, 12 - усилители У,
13, 14 и 15 - волоконно-оптические линии,
16 - лазерный модуль (фиг. 2).
Источник оптического излучения в виде полупроводникового лазера 5 (фиг. 1) соединен на основе волоконно-оптической линии 13 с оптической системой, в которой последовательно соединены оптический ответвитель 6, циркулятор 7 и волоконно-оптическая брэгговская решетка 8. Полупроводниковая структура (ППС) перестраиваемого лазера 5 соединена с источником тока 2, вход которого, а также вход устройства нагрева-охлаждения 4 подключены к управляющим выходам блока контроля и управления 1, выполненным на базе микроконтроллера. ППС лазера через усилитель напряжения 3 электрически соединена со схемой измерения падения напряжения на ППС, реализованную блоком контроля и управления 1.
Оптический ответвитель 6 и циркулятор 7 соединены посредством волоконно-оптических линий 14 и 15 с фотоприемными устройствами 9 и 10, выходы фотоприемных устройств 9, 10 соединены с входами усилителей 11, 12, выходы которых подключены к измерительным входам блока контроля и управления 1. Использование циркулятора необходимо для защиты полупроводникового лазера от отраженного излучения ВБР 8. Вместо циркулятора возможно применение оптического изолятора с волоконным ответвителем. Но данная схема приводит к дополнительным потерям оптической мощности и к увеличению оптических компонентов.
Известно, что длина волны излучения лазера изменяется путем изменения температуры излучающей полупроводниковой структуры (ППС) лазера. Изменение температуры ППС может быть обеспечено:
- за счет использования термоэлектрических преобразователей, например, в виде элементов Пельтье, причем можно как нагревать ППС, так и охлаждать по произвольному закону;
- путем разогрева внутренней структуры за счет протекания инжекционного тока через ППС в выбираемом режиме. Зависимость длины волны излучения от температуры ППС (практически линейная) при условии неизменности тока (фиг. 3) показана в статье "Сравнение температурных и электрических методов управления длиной волны излучения полупроводниковых лазеров" / Ветров А.А. и др. // Оптический журнал, 76,8, 2009, раздел 3. Трехмерная модель зависимости длины волны излучения светоизлучающей структуры при изменении и инжекционного тока, и температуры ППС также см. "Tunability technique of microwave frequency generator using temperature controller and injection current effect of DFB laser". DOI: 10.1063/1.4941622. Длина волны излучения при известных значениях тока и температуры ППС лазера связана зависимостью с падением напряжения на ППС.
Согласно изобретению, предварительно измеряют с помощью контрольного оптического анализатора нормировочную кривую (пакет нормировочных кривых) как зависимость спектра оптической волны излучения лазера от падения напряжения на ППС при выбранных условиях: известный ток через ППС и известная температура ППС. Пакет нормировочных кривых может быть представлен как совокупность данных, полученных при фиксированных либо токе, либо температуре ППС, и каждая точка этой совокупности достоверно определяет длину волны лазера от падения напряжения на ППС при произвольном режиме нагрева-охлаждения ППС как по длительности воздействия, так и по величине тока через ППС и температуры разогрева.
Точность измерения длины волны светоизлучающей структуры и, как следствие, точность измерения спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток выше, чем по известным методам, по крайней мере ввиду того, что предложенный способ не использует косвенных зависимостей температуры ППС в пересчете на время пропускания инжекционного тока, а предлагает использование прямой зависимости между падением напряжения на ППС и температурой (мощностью излучения) светоизлучающей структуры.
Режим измерения, при котором температуру ППС извне изменяют или стабилизируют, выбирается оператором и осуществляется с помощью устройства нагрева-охлаждения 4, управляемого блоком контроля и управления 1.
Измерение спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток осуществляют следующим образом.
Инжекционный ток через полупроводниковый лазер задается источником тока 2, который управляется блоком контроля и управления 1. Изменение тока через ППС лазера или температуры ППС извне (управляя элементом Пельтье), приводит к соответствующему изменению падения напряжения на ППС лазера, по величине которого определяют с учетом нормировочной кривой длину волны излучения лазера (выходную оптическую мощность). Сигнал падения напряжения на ППС лазера усиливается усилителем напряжения 3 и поступает на вход блока контроля и управления 1. Часть оптического излучения лазера 5, пройдя через оптический ответвитесь 6, поступает на вход фотоприемника 9. Другая часть излучения проходит через циркулятор 7, и отраженный волоконной брэгговской решеткой 8 поступает на фотоприемник 10.
Оба сигнала с фотоприемников 9 и 10 усиливаются усилителями 11 и 12 и поступают на входы блока контроля и управления 1, который осуществляет нормирование сигнала ВБР с фотоприемника 10 к сигналу излучающего лазера с фотоприемника 9 и измерение спектра ВБР. Преимущество изобретения состоит в том, что спектр сканирующего сигнала лазера регистрируется достоверно и непрерывно в полном соответствии с произвольной величиной падения напряжения на ППС, независимо от способа и режима разогрева ППС (постоянный ток или импульсный ток или внешний разогрев встроенным элементом Пельтье) и исключая требование по обеспечению идентичных условий измерения и подготовки к нему. При этом падение напряжения измеряется в режиме и нагрева, и охлаждения ППС, что в целом обеспечивает повышение точности измерения спектральных характеристик ВБР. В известном устройстве мощность излучения лазера рассчитывается в зависимости от времени воздействия разогревающего импульса при условии внешней стабилизации температуры ППС, что в реальных условиях измерения приводит к погрешности. На фиг. 5 представлен спектр ВБР, измеренный заявляемым способом в режиме нагрева и охлаждения ППС извне. Две кривые практически полностью совпадают, и такая сходимость результата подтверждает достоверность зависимости длины волны излучения от падения напряжения на полупроводниковой структуре и высокую точность измерения спектра излучения полупроводникового лазера.
Известны серийно выпускаемые промышленностью лазерные модули 16 (фиг. 2), в состав которых входит фотоприемник 9, с помощью которого фиксируется выходная мощность лазера 5, а также устройство нагрева-охлаждения 4. Использование указанных модулей 16 позволяет уменьшить габариты конечного устройства, упростить конструкцию, а также уменьшить тепловое сопротивление и теплоемкость между устройством нагрева-охлаждения 4 и излучающей структурой полупроводникового лазера 5. Использование внутреннего фотоприемника лазерного модуля 16 позволяет непосредственно соединить оптический выход модуля с входом циркулятора 7, а выход к усилителю 11. Такая схема показана на фиг. 2. Также стоит учитывать тот факт, что при использовании лазерного модуля 16 фотоприемник 9 находится в одинаковых температурных условиях с лазером 5. Как правило, такие фотоприемники тоже являются полупроводниковыми и имеют зависимость фототока от температуры, что необходимо учитывать при нормировании двух сигналов с фотоприемников.
Устройство измерения спектральных характеристик волоконно-оптических брэгговских решеток может быть осуществлено с применением известных средств и материалов контрольно-измерительной техники на основе известной элементной базы.