СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЛИН И ЗАДЕРЖЕК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И ДРУГИХ ПАССИВНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1995 года по МПК G01B21/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно измерению характеристик волоконных световодов, и может быть использовано при производстве световодов, в волоконно-оптической технике, в измерительной технике при создании и калибровке задержек на основе волоконных световодов и пассивных волоконно-оптических элементов (оптических ответвителей, волоконно-оптических переключателей и т.д.), при создании, исследовании и калибровке волоконно-оптических датчиков разных физических величин, а также может найти применение в оптических измерениях для измерения показателя преломления разных прозрачных сред (жидких, газообразных и т.д.).

Наиболее близким к изобретению может быть метод, согласно которому модулированный по интенсивности гармоническим электрическим сигналом оптический сигнал делят на два оптических сигнала. Каждый из этих двух сигналов вводят в отдельный оптический канал, а выход каждого из этих двух оптических каналов является входом нуль-органа (компаратора), фиксирующего равенство фаз огибающих модулированных сигналов на выходах указанных оптических каналов.

В первый из оптических каналов включают измеряемый световод, и при этом имеется возможность путем введения специального отражателя установить этот отражатель на первом этапе измерения на входном торце измеряемого ВС, а на втором этапе измерения - на выходном торце измеряемого ВС.

Второй канал представляет собой регулируемую переменную оптическую задержку - комбинацию подвижной и неподвижной отражательных призм, обеспечивающую изменение оптической длины второго канала. При этом обеспечена возможность точного измерения изменения длины второго канала, для чего применен интерферометр Майкельсона (со счетчиком интерференционных полос), отражательное зеркало одного из плеч которого жестко связано с подвижной призмой второго канала.

Измерение оптической длины ВС данным устройством производят следующим образом. Сначала отражатель устанавливают на входном торце измеряемого ВС, перемещением подвижных элементов обоих каналов добиваются нулевого показания на нуль-органе, установленном на выходах каналов (выравнивают оптические длины обоих каналов). При этом показания счетчика интерферометра Майкельсона, связанного со вторым каналом, устанавливают в нулевое положение.

Затем отражатель устанавливают на выходном торце измеряемого световода, в результате чего показания нуль-органа в общем случае будут отличаться от нуля из-за изменения оптической длины первого канала на двойную оптическую длину измеряемого ВС. Затем перемещением подвижной призмы второго канала вновь добиваются нулевого отсчета на нуль-органе (т.е. вновь выравнивают оптические длины первого и второго каналов), а счетчиком интерферометра Майкельсона по изменению интерференционной картины определяют изменение оптической длины второго канала, т.е. измеряемого световода.

Точность этого метода фактически ограничена лишь чувствительностью нуль-органа, фиксирующего совпадение фаз огибающих модулированных сигналов в каналах.

Недостатком является применение во втором канале регулируемой оптической задержки.

Способ измерения оптических длин (задержек) волоконных световодов и других пассивных волоконно-оптических компонентов по изобретению основан на использовании модулированного по интенсивности гармоническим электрическим сигналом оптического излучения, которое делят на два световых потока, каждый из которых вводят в свой оптический канал. В один из указанных каналов в процессе измерения включают измеряемый световод; выходное излучение каждого из каналов вводят в фазовый компаратор, фиксирующий нулевые значения разностей фаз огибающих модулированных сигналов в каналах.

Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении процесса измерения и сохранения при этом высокой точности в широком диапазоне изменений оптических длин световодов.

Это достигается тем, что для измерения оптических длин световодов сначала предварительно устанавливают значение эквивалентной оптической разности длин каналов без подключения измеряемого элемента, для чего изменяют частоту модулирующего сигнала и запоминают два значения частоты f₁ и f₂ модулирующего сигнала, при которых фазовый компаратор фиксирует два соседних последовательных нулевых значений разностей фаз. Затем в один из каналов включают измеряемый пассивный волоконно-оптический элемент, увеличивая при этом оптическую длину этого канала на длину измеряемого элемента, вновь при этом изменяют частоту модулирующего сигнала и запоминают два новых значения частоты f₃ и f₄ модулирующего сигнала, при которых фазовый компаратор фиксирует уже два новых соседних последовательных нулевых отсчета разностей фаз. Значение искомой оптической длины пассивного волоконно-оптического элемента вычисляют по выражению:
L=C - где С - скорость света.

Значение задержки сигнала в измеряемом пассивном волоконно-оптическом элементе вычисляют по выражению:
τ = -
Способ заключается в следующем. Сущность способа измерения оптических длин и задержек пассивных волоконно-оптических элементов можно пояснить следующим образом.

Зависимость интенсивности модулированного оптического излучения от времени t можно представить выражением:
I=I ₌+I_osin( ωt+ ϕ_o)=I ₌+I_osin(2 πf+ ϕ), (1) где I₌ - постоянная составляющая оптического излучения;
I_o - амплитуда модулированного излучения;
ϕ_o - начальная фаза модулированного сигнала;
f - частота модулированного сигнала.

При этом справедливо соотношение:
λf= C, (2) где λ - длина волны модулирующего сигнала (электрического сигнала);
С - скорость распространения электромагнитных волн.

Кроме того, оптической длиной L оптического элемента называется произведение геометрической длины траектории света в элементе на показатель преломления среды n этого элемента.

L=nl, (3) где l - геометрическая длина траектории света в элементе.

Эквивалентная оптическая длина какого-либо оптического канала определяется суммой оптических длин всех составляющих этот канал элементов.

Изобретение поясняется на фиг.1-3.

Согласно представленной на фиг.1 схеме направляют модулированное по интенсивности гармоническим сигналом оптическое излучение, интенсивность которого определяется выражением (1), на светоделитель D (например, полупрозрачное зеркало, призменный кубик или световодный ответвитель 1х2 и т.д. ), т.е. делят входное излучение на два модулированных по этому же выражению (1) световых потока, но с меньшими по сравнению со входным излучением интенсивностями и амплитудами.

Каждый из этих двух модулированных по интенсивности световых потока вводят в отдельный оптический канал (всего два канала). Каналы могут быть созданы на основе пассивных элементов, как чисто оптически, так и на основе волоконно-оптических элементов, и могут иметь разность эквивалентных оптических длин в очень широких пределах (например, от 0 до 10³-10⁴ м).

Выходное излучение каждого из каналов вводят в фазовый компаратор К, который обеспечивает фиксацию с высокой точностью совпадения фаз огибающих (равенства нулю разностей фаз) поступающих на него модулированных сигналов. В канал (например 1) включают измеряемый элемент через световые контакты а и b (световые соединители), как это показано на фиг.2, или соединяют эти контакты накоротко между собой, как это показано на фиг.1.

Рассмотрим сначала случай, показанный на фиг.1.

Если оптические каналы I и II имеют равные оптические длины, то модулированные по интенсивности сигналы в оптической форме поступают на компаратор К в одинаковых фазах, наблюдают нулевое показание компаратора. Если же оптические каналы I и II имеют неравные длины, то выходные сигналы будут поступать на компаратор К со сдвигом фаз Δϕ, значение которого можно связать с разностью длин каналов и частотой модулирующих сигналов из следующей пропорции.

Разности оптических длин каналов L₁, равной по величине длине волны модулирующего излучения λ = (где f - частота модулирующего излучения) соответствует разность фаз сигналов, поступающих на компаратор, равная 2 π= 360^о.

Произвольной же разности оптических длин каналов L соответствует разность фаз сигналов, поступающих на компаратор, равная Δϕ, т.е. L₁=λ= __→ 2π= 360^o.

Отсюда можно составить пропорцию:
_ = или
Δϕ = 2π = 2π = 2π т.е. Δϕ = 2π (4)
Согласно выражению (3) L=ln, то
Δϕ = 2π
(5)
Выражения (4) и (5) связывают значения разностей фаз сигналов на выходах каналов с эквивалентной оптической разностью длин или просто геометрических длин каналов и частотой модулирующего сигнала. На практике по-видимому удобнее пользоваться выражением (4), тем более в случаях, когда требуется определять задержку в каналах.

Выражение (4) показывает линейную зависимость Δϕ от f, если L - является постоянной величиной. Как следует из выражения (4) численное значение L определяет угол наклона зависимости разности фаз Δϕ от частоты f. Разность длин каналов может быть образована, например, включенным в один из каналов волоконным световодом большой протяженности.

Пусть разность длин каналов образована кварцевым волоконным световодом с геометрической длиной l порядка 1,05 км. Если учесть, что для волоконных световодов типа кварц-кварц показатель преломления сердцевины световода n ≈1,5, то это означает, что оптическая длина этого отрезка световода равна L ≈1575 м. Пусть при этом частота модуляции оптического излучения f=1 МГц=10⁶ Гц.

Это соответствует длине волны модулирующего сигнала
λ = = = 300 м Т.е. длина световода в несколько раз больше длины волны модулирующего сигнала. Согласно выражению (4) разность фаз Δϕ, вносимая рассматриваемым световодом, составляет:
Δϕ = 2π = 2π=5,25·2π=10,5π=1890^°
Но все существующие измерители разностей фаз измеряют фазовые сдвиги лишь в пределах 0-360^о (или -180^о-+180^о). В результате фазометр компаратора, не улавливая значения 10π=1800^о, будет индицировать значение разностей фаз каналов, равное 90^о, что может в равной степени соответствовать сдвигам фаз, равным и 90, и 450, и 810 и 1170^о и т.д., т.е. возникает неоднозначность отсчета фазового сдвига.

Если изменить частоту f модулирующего сигнала и сделать ее, допустим, f=1,2 МГц=1,2 ˙10⁶ Гц. Это соответствует длине волны модулирующего излучения:
λ = = ≈ 250 м
Т.е. длина волны уменьшилась, и этих длин волн на рассматриваемом отрезке световода отложится еще большее число по сравнению с предыдущим случаем. Согласно выражению (4) разность фаз Δϕ, вносимая рассматриваемым световодом (L ≈1575 м) в этом случае составляет
Δϕ = 2π = 2π=6,3·2π=22,6π=2268^°
В этом случае фазометр компаратора будет регистрировать значения разности фаз, равное 108^о, что может означать одновременно и 108^о, и 468^о и 828^о и т.д., т.е. опять неопределенность и неоднозначность отсчета.

Авторами были измерены зависимости Δϕ от f для многомодового волоконного световода типа кварц-кварц 50х125 мкм с градиентным профилем показателя преломления для разных геометрических длин l световода. Эти зависимости, приведенные на фиг.3, полностью подтвердили справедливость линейной зависимости от при разных значениях l (что то же самое и L) для любых пассивных оптических элементов.

Это обстоятельство, а также возможность согласно выражению (4) изменения значения Δϕ с задаваемым значением изменения f и достижение при этом значений Δϕ, кратных 2 π, которые фазометр компаратора регистрирует с высокой степенью точности, как "нулевые" значения, позволяет исключить все неоднозначности измерений фазовых сдвигов, и таким образом измерения оптической длины волоконного световода или другого пассивного волоконно-оптического элемента следующим образом.

Обратимся снова к условной схеме, приведенной на фиг.1. Проведем сначала предварительную установку разности длин оптических каналов, в которые еще не включен измеряемый элемент. Для этого модулированное согласно выражения (1) оптическое излучение введем на светоделитель D при замкнутых накоротко оптических соединителях а и b. Пусть при этом фазометр компаратора К показывает какое-то (отличное от нулевого) значение Δϕ. Изменяя значение частоты f модулирующего сигнала (например, увеличивая его), можно найти первое значение частоты f₁, при котором компаратор фазы К зафиксирует первое "нулевое" значение, которое может соответствовать какому-то значению разностей фаз Δϕ₁=2 πK, где K=0,1,2,3.... (K - целые числа). Согласно выражения (4) выполняется равенство
Δϕ₁=2πK = 2π
(6) где K - неопределенная величина; L - оптическая разность длин каналов.

Продолжая плавное изменение частоты в этом же направлении можно найти следующее (соседнее) последовательное значение частоты f₂, соответствующее следующему последовательному "нулевому" показанию компаратора:
Δϕ₂ = 2π(K+1) = 2π
(7)
Взяв разность выражений (7) и (8) получим:
Δϕ₂ - Δϕ₁=2 π(K+1)-2 πK=2π . Но в то же время:
Δϕ₂-Δϕ₁ = (f₂-f₁)2π т.е. 2π = (f₂-f₁)2π (8) или же L =
Выражение (8) дает значение эквивалентной оптической разности длин I и II каналов, что необходимо при предварительной установке.

Затем в один из каналов, например в I канал, включают измеряемый пассивный волоконно-оптический элемент с искомой оптической длиной L_изм. Для этого этот элемент включают между оптическими соединителями а и b (фиг.2), т.е. оптическая разность длин каналов L увеличилась на значение L_изм и т.е. стала L+L_изм. Пусть при этом фазометр компаратора К показывает опять какое-то новое (отличное от нулевого) значение Δϕ.

Изменяя значение частоты f модулирующего сигнала (например, увеличивая его), можно снова найти значение частоты f₃, при котором компаратор фазы К зафиксирует новое "нулевое" значение, соответствующее какому-то значению разностей фаз Δϕ₃=2π m, где m=0,1,2,3....

Согласно выражению (4) выполняется равенство:
Δϕ₃ = 2πm 2π
(9) где m - неопределенная величина.

Продолжая плавное изменение частоты f в этом же направлении, можно найти следующее (соседнее) последовательное значение частоты f₄, соответствующее следующему последовательному "нулевому" показанию компаратора:
Δϕ₄ = 2π(m+1) = 2π
(10)
Взяв разность выражений (10) и (9), получим
Δϕ₄ =2π (m+1)-2 πm=2 π.

И в то же время
Δϕ₄-Δϕ₃ = (f₄-f₃)·2π
т.е. 2π = (f₄-f₃)·2π или же L+L_изм = (11)
Взяв разность выражений (11) и (8) получим для искомой оптической длины L_изм измеряемого элемента:
L_изм=C - .

(12)
Как видно из выражения (12), L_изм определяется лишь значениями измеренных частот f₁, f₂, f₃ и f₄, значением фундаментальной константы С и погрешностью фиксации "нулей" фазовым компаратором.

Были выполнены реальные измерения оптической длины световодов с применением компаратора фазы, фиксирующего значения разностей фаз на резонансной частоте 1 МГц (после преобразования частоты) с погрешностью по фазе, меньшей чем 0,001^о при выборе частот f₁-f₄ в диапазоне 1-10 МГц. Получено, что изменению разности фаз на 0,001^о, даже при больших длинах световодов, соответствует изменение частоты на ≈3,5 Гц.

Такое изменение частоты в этом диапазоне частот легко фиксируется современными электронно-счетными частотомерами. Значение скорости света С известно с погрешностью порядка 3 10^-0, что не ограничивает точности измерений при вычислении по выражению (12).

По проведенной оценке, погрешность определения оптических длин по выражению (12) не превышает 0,005 м. При этом для реализации предложенного способа нет необходимости в прецизионной, регулируемой по длине оптической задержке.

Способ позволяет измерять оптические длины измеряемых пассивных волоконно-оптических элементов в широких пределах от 0 до 10⁴ м.

Способ можно применить при исследовании и разработке волоконно-оптических датчиков, изменяющих свою оптическую длину при внешних воздействиях. Способ может быть применен также и для оценки показателя преломления прозрачных жидкостей, если вместо измеряемого волоконно-оптического элемента между оптическими контактами а и b на фиг.2 включить кювету с предварительно известной геометрической длиной l, частоты f₁ и f₂ измерить при пустой кювете, а частоты f₃ и f₄ - при заполненной жидкостью кювете. Тогда согласно выражения (12) можно вычислить значение L_изм, а показатель преломления n в этом случае можно вычислить из выражения (3) при известном значении l.

Поскольку можно написать известное соотношение при прохождении светом оптической длины волоконно-оптического элемента С=L_изм/τ , то с его учетом можно получить из выражения (12):
τ = - Это выражение является расчетным для вычисления времени задержки τ в измеряемом пассивном волоконно-оптическом элементе.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использованно в волоконно-оптической технике, в кабельной промышленности при производстве волоконных световодов и кабелей, в измерительной технике при создании и исследовании волоконно-оптических датчиков и т.д. Цель изобретения - упрощение процесса измерения. Для реализации заявленного способа использована линейная зависимость сдвига фазы модулированного оптического сигнала на световоде от частоты модуляции f. Учитывая возможность измерителей разности фаз измерять сдвиг со фазе по фазе лишь в пределах до 2π, предлагается для реализации способа изменять частоту электрического сигнала, модулирующего по интенсивности проходящее через световод оптическое излучение. При этом фиксируют два значения частот f₁ и f₂ соответствующие двум последовательным "нулевым" отсчетам разностей фаз сигналов в каналах двухканального измерительного устройства без включения в каналы измеряемого световода или другого пассивного волоконно-оптического элемента. Затем фиксируют два последовательных отсчета f₃ и f₄ соответствующие двум последовательным "нулевым" отсчетам разностей фаз сигналов в каналах, но уже с включением в один из каналов измеряемого световода. Тогда искомую измеряемую оптическую длину световода вычисляют по выражению L_изм= C(1/f₄-f₃-1/f₂-f₁), а задержку сигнала в измеряемом пассивном волоконно-оптическом элементе вычисляют по выражению где C - скорость света. 3 ил.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ДЛИН И ЗАДЕРЖЕК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ И ДРУГИХ ПАССИВНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, заключающийся в том, что оптическое излучение модулируют по интенсивности гармоническим электрическим сигналом, полученное излучение делят на два световых потока, каждый из которых вводят в соответствующий оптический канал, в один из каналов в процессе измерения включают измеряемый элемент, выходное излучение каждого из каналов вводят в фазовый компаратор, фиксируют нулевые значения разностей фаз огибающих модулированных сигналов в каналах, отличающийся тем, что, с целью упрощения процесса измерения, предварительно изменяют частоту модулирующего сигнала, фиксируют два соседних последовательных нулевых значений разности фаз и соответствующие им значения частот f₁ и f₂ модулирующего сигнала, устанавливают значение эквивалентной оптической разности длин оптических каналов без подключения измеряемого элемента, после включения в один из оптических каналов измеряемого волоконно-оптического элемента изменяют длину модулирующего сигнала, фиксируют два новых соседних последовательных нулевых значений разности фаз и запоминают два значения частот f₃ и f₄ модулирующего сигнала, а значение искомой оптической длины L волоконно-оптического элемента вычисляют по выражению

где C - скорость света,
а значение τ задержки сигнала в измеряемом пассивном волоконно-оптическом элементе вычисляют по выражению