УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G01J3/26 

Изобретение относится к области спектрального анализа, в том числе к приборам для спектрального анализа оптического излучения с высокой разрешающей способностью в видимой и ближней инфракрасной области.

Для спектрального анализа оптического излучения используется хорошо известный интерферометр Фабри-Перо (ИФП), представляющий собой многолучевой интерферометр с двумя зеркалами на некотором расстоянии друг от друга и устройство регистрации - фотокамеру. Вариантом ИФП является так называемый сканирующий ИФП, дополнительно включающий элементы управляемой механической подвижки зеркал и фотоэлектронную систему регистрации.

Разрешающая способность известных ИФП, не превышающая 10⁶-10⁷, является недостаточной, ограничивающей использование их как спектральных приборов в современной технике - в оптической связи, в квантовой электронике и пр. Например, спектральная ширина лазерных диодов (ЛД) может составлять величину менее 10^-5 нм (и даже много меньше); очевидно, что разрешающая способность спектрального прибора в этом случае должна быть выше 10.

Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности устройств, используемых для измерения спектральных характеристик оптического излучения, с возможностью ее регулирования.

В качестве наиболее близкого аналога по отношению к предлагаемому изобретению рассматривается ИФП [1], включающий многолучевой интерферометр - два зеркала - и устройство регистрации.

Результат достигается тем, что изобретение содержит многолучевой интерферометр и устройство регистрации, при этом многолучевой интерферометр выполнен в виде волоконно-оптического кольцевого тракта, включающего оптически соединенные между собой световод, разветвитель типа «X» и фазовый модулятор, причем разветвитель первым и вторым своими портами соединен со световодом, третий и четвертый его порты являются входным и выходным оптическими портами всего устройства и имеет коэффициенты передачи между портами, обеспечивающие многократную циркуляцию оптического излучения внутри кольцевого тракта.

При этом световод снабжен оптическими разъемами и является сменным элементом, длина которого может быть не менее 1 метра.

При этом в качестве световода может использоваться сохраняющий поляризацию одномодовый световод.

При этом в качестве световода может также использоваться не сохраняющий поляризацию излучения одномодовый световод.

При этом дополнительно может использоваться контроллер поляризации, устанавливаемый на входном оптическом порте устройства или внутри кольцевого волоконно-оптического тракта.

При этом в качестве фазового модулятора может использоваться отрезок световода, намотанный вокруг поверхности пьезокерамического цилиндра.

При этом разветвитель типа «X» и фазовый модулятор могут быть выполнены в виде монолитного твердотельного электрооптического устройства, имеющего входные и выходные порты в виде световодов.

При этом устройство регистрации и обработки измерений, включает фотоприемник, блоки для усиления и оцифровывания фототока, для генерирования пилообразного напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, а также компьютер для обработки сигналов и выдачи результатов измерения.

На чертежах представлены:

Фиг.1 - блок-схема одного из вариантов изобретения с использованием сохраняющего поляризацию одномодового световода,

Фиг.2 - интенсивность поля на выходе многолучевого интерферометра, иллюстрирующая возможность спектральных измерений,

Фиг.3 - блок-схема другого варианта изобретения с использованием изотропного одномодового световода,

Фиг.4 - блок-схема еще одного варианта изобретения с использованием фазового модулятора в виде электрооптического устройства,

Фиг.5 - блок-схема еще одного варианта изобретения с использованием электрооптического устройства, совмещающего функцию разветвителя и фазового модулятора, и

Фиг.6 - результат измерений спектра излучения ЛД с экране монитора ПК, входящего в состав изобретения по Фиг.1.

На Фиг.1 приведена блок-схема одного из вариантов изобретения с использованием сохраняющего поляризацию одномодового световода. Оптическая часть изобретения представляет собой многолучевой интерферометр 1, выполненный в виде волоконно-оптического кольцевого тракта, включающего соединенные между собой световод 2, оптический разветвитель 3 типа «X» и фазовый модулятор 4. Изобретение имеет входной 5 и выходной 6 порты, армированные оптическими разъемами 7.

Для реализации возможности регулирования разрешающей способности световод 2 является сменным - длина световода 2 может составлять от 1 м до 1000 м. Световод 2 смотан в несколько витков радиусом около 5 сантиметров и также имеет оптические разъемы 7, с помощью которых он соединен с другими указанными элементами.

Разветвитель 3 первым и вторым своими портами «a» и «b» встроен в замкнутый оптический тракт 2, причем порт «a» соединен со световодом 2 оптическими разъемами 7, а порт «b» сварным соединением с фазовым модулятором 4; третий и четвертый порты разветвителя 3 «c» и «d» являются соответственно входным 5 и выходным 6 оптическими портами изобретения.

Кроме того, на Фиг.1 показаны лазерный диод (ЛД) 14, излучение которого исследуется, и оптический изолятор 15, используемый в измерениях характеристик ЛД.

В качестве фазового модулятора 4 используется отрезок световода того же типа, что и световод 2, смотанный вокруг боковой поверхности пьезокерамического цилиндра. При подаче на металлизированные поверхности пьезокерамического цилиндра пилообразного напряжения с амплитудой около 5 В оптическая длина замкнутого кольцевого оптического тракта испытывает модуляцию с амплитудой δ(nL)≥λ₀.

В состав изобретения входит также устройство регистрации 8, состоящее из фотоприемника 9, электронных блоков усиления фототока 10 и оцифровывания фототока 11, блока генерирования пилообразного напряжения 12, подаваемого на фазовый модулятор 4, а также компьютер 13.

Фотоприемник 9 - германиевый фотодиод, используемый в волоконно-оптической технике. Усилитель фототока 10 - устройство с полосой усиления 0-100 кГц, выполненное, например, на операционном усилителе 140УД17. АЦП 11 - устройство, используемое для оцифровывания фототока и отводимого со второго выхода генератора 12 пилообразного напряжения; в качестве АЦП 11 может использоваться цифровой осциллограф, например осциллограф PC S64i.

В качестве генератора пилообразного напряжения 12 используется генератор стандартных сигналов любого типа, обеспечивающий пилообразное напряжение частотой до 1 кГц и с амплитудой не менее 5 В.

Персональный компьютер 13 служит для запоминания файлов, содержащих результат измерений, для их обработки в реальном времени, т.е. практически мгновенно, и для представления результатов измерений па экране монитора и/или на принтере.

Для пояснения работы рассматриваемого устройства введем коэффициенты передачи оптического разветвителя 3 - коэффициенты t и r, определяемые как отношения интенсивности излучения, проходящего через два порта разветвителя «b» и «d», к интенсивности излучения, поступающей через порт «c». Существенно, чтобы коэффициенты передачи t и r были бы неравными, а именно должно выполняться условие t>>r. В этом случае будет иметь место многократная циркуляция оптического излучения по кольцевому тракту, обеспечивающая возможность использования изобретения для спектрального анализа.

Пусть через порт 6 поступает исследуемое излучение - волна Е_вх, а через порт 7 выводится волна Е_вых. Сразу же после прохода через разветвитель 3 на выходе интерферометра - порт 7 - оказывается волна, амплитуда которой , тогда как другая часть волны с амплитудой (как известно, фазы волн в портах разветвителя «b» и «d» отличаются на величину π/2) начинает пробег по кольцу-световоду 2. После первого полного пробега по световоду 2 фаза пробегающей волны получает приращение e^iΔ, где Δ=2πnL/λ₀+φ_mod(t), λ₀ - средняя длина волны излучения и n - показатель преломления световода, а после прохода через разветвитель часть этой волны, пропорциональная , оказывается на выходе интерферометра, а другая часть, пропорциональная , начинает второй пробег по световоду. Такой процесс с делением излучения на две волны, пробегом одной из волн по световоду и отводом другой волны на выход многократно повторяется. В результате амплитуда поля Е_вых на выходе будет

Амплитуды поля Е_вых согласно (1) представляет собой сходящийся ряд, сумма которого есть

и тогда для интенсивности волны I_вых на выходе, имея в виду, что , получим:

где I_вх=|Е_вх|².

На Фиг.2 приведены рассчитанные по (3) эпюры интенсивности I_вых как функции параметра Δ для двух вариантов коэффициентов передачи разветвителя 3: (a) t₁=0,92, r₁=0,05 и (б) t₂=0,88, r₂=0,07. Можно видеть, что интенсивность I_вых в обоих случаях имеет тот же характер, что в аналоге - является осциллирующей функцией длины волны излучения с характерными резкими спадами/подъемами. В частности расстояние между экстремумами D здесь равно

и фактически является свободной дисперсией D изобретения как спектрального прибора, совпадающей по физическому смыслу и выражению с аналогичным параметром для известного ИФП.

Как и для аналога, для изобретения естественно ввести характеристику «резкости» полос F, которая фактически определят ширину интерференционных полос δλ, по уровню 0,5 от максимальной амплитуды, равную δλ=D/F. Резкость F нетрудно определить численно, используя (3) - для двух эпюр на Фиг.2 резкость полос есть F₁≈80 и F₂≈50, что практически соответствует диапазону аналогичного параметра для аналога. Как и в случае аналога, ширина интерференционных полос 6Х является аппаратной функцией данного изобретения.

Разрешающая способность спектрометра, как известно, определяется отношением средней длины волны излучения λ₀ к ширине полосы δλ. Следовательно, разрешающая способность полезной модели есть

Из выражения (5) следует, что разрешающая способность изобретения λ₀/δλ будет превышать разрешающую способность аналога, так как при равных значения резкости полос F длина L для аналога принципиально не может быть больше 1 м, тогда как для рассматриваемого устройства длина L может составлять 10, 100, 1000 м и даже больше. Последнее возможно при условии защиты от влияния внешних воздействий, могущих случайным образом изменять оптическую длину волоконно-оптического кольцевого тракта nL.

Таким образом, изобретение с многолучевым интерферометром в виде кольцевого волоконно-оптического тракта при соответствующих параметрах разветвителя является волоконно-оптическим аналогом интерферометра Фабри-Перо, причем разрешающая способность изобретения за счет большой длины световода L возрастает на несколько порядков.

На Фиг.3 приведена блок-схема устройства с использованием изотропного одномодового световода. Оптическая часть устройства также представляет собой многолучевой интерферометра в виде волоконно-оптического кольцевого тракта - теперь это интерферометр 21. Он образован изотропным (т.е. не сохраняющим поляризацию излучения) световодом 22, оптическим разветвителем 23 и фазовым модулятором 24 на основе пьезокерамики. Устройство имеет входной 25 и выходной 26 порты, армированные оптическими разъемами 27.

Световод 22 является сменным - длина световода 2 может составлять от 1 м до 1000 м; он смотан в несколько витков радиусом в около 5 см и имеет оптические разъемы 27, с помощью которых соединен с другими элементами. Устройство включает также поляризатор 28, позволяющий устанавливать линейную поляризацию волн, циркулирующих в кольцевом волоконно-оптическом тракте.

Разветвитель 23 первым и вторым своими портами «a» и «b» встроен в замкнутый оптический тракт 21, порт «a» соединен со световодом 22 оптическими разъемами 27, а порт «b» сварным соединением с фазовым модулятором 24; третий и четвертый порты разветвителя 23 «c» и «d» являются соответственно входным 25 и выходным 26 оптическими портами изобретения. На Фиг.3 показаны также лазерный диод (ЛД) 14, излучение которого исследуется, и оптический изолятор 15, используемый в измерениях характеристик ЛД.

В качестве поляризатора 28 используется известное в волоконно-оптической технике устройство - контроллер поляризации. Оно представляет собой устройство, в котором световод смотан в два или три кольца диаметром ~2 см, при этом путем поворота плоскостей колец вокруг общей горизонтальной оси в работающем устройстве подбираются положения для каждого из колец, добиваясь максимального уровня амплитуды интерференционных полос. В качестве поляризатора 28 могут использоваться любые другие устройства, выполняющую аналогичную роль в волоконно-оптической технике. Устройство регистрации 8 - то же самое, что в изобретении по Фиг.1; оно обеспечивает фотодетектирование, усиление фототока, генерирование пилы для фазовой модуляции, оцифровывание сигналов и цифровую обработку сигналов - это фотоприемник 9, электронные блоки усиления фототока 10 и оцифровывания фототока 11, блок генерирования пилообразного напряжения 12, подаваемого на фазовый модулятор 24, а также компьютер 13.

Работа данного изобретения и основные характеристики аналогичны описанным выше применительно к изобретению с блок-схемой по Фиг.1.

На Фиг.4 приведена блок-схема устройства с использованием монолитного твердотельного электрооптического устройства, совмещающего функцию разветвителя типа «X» и фазового модулятора. Здесь многолучевой интерферометр в виде волоконно-оптического кольцевого тракта 31, включающий сохраняющий поляризацию одномодовый световод 2, как в варианте на Фиг.1, но вместо волоконно-оптического разветвителя 3 и пьезокерамического фазового модулятора 4 - интегрально-оптическое устройство (ИОУ) 33, совмещающее функции оптического разветвителя и фазового модулятора.

Световод 2 для возможности регулирования разрешающей способности является сменным с длиной от 1 м до 1000 м и более, смотан в виде катушки радиусом примерно в 5 сантиметров и имеет оптические разъемы 7, с помощью которых он соединен с ИОУ 33.

В составе данного изобретения - устройство регистрации 8, состоящее из фотоприемника 9, электронных блоков усиления фототока 10 и оцифровывания фототока 11, блока генерирования пилообразного напряжения 12, подаваемого теперь на соответствующие входы ИОУ 33 и компьютер 13.

Целесообразность использования ИОУ 33 связана с возможностью измерений при гораздо большей скорости фазовой модуляции, чем в случае использования пьезокерамического фазового модулятора. Это позволит уменьшить влияние внешних нестабильностей на результат измерений, предоставит возможность использования световодов с длиной L, значительно превышающей 1 км, что в свою очередь повысит еще больше разрешающую способность.

ИОУ 33, конструкция которого поясняется на Фиг.5, представляет собой электрооптическое устройство на основе кристалла ниобата лития LiNbO₃ 34 с входными/выходными портами в виде световодов. ИОУ 33 включает следующие функциональные элементы, сформированные на поверхности кристалла - канальные волноводы 35, электрооптический фазовый модулятор 36 и оптический разветвитель 37, а также четыре оптических порта в виде световодов - порты 38-38-а, 38-b, 38-c и 38-d.

Фазовый модулятор 36 сформирован путем напыления электродов 36' и 36'' по обе стороны одного из канальных волноводов 35. Световоды-порты 38 оптически сопряжены с канальными волноводами 35.

ИОУ 33 принадлежит к типу твердотельных электрооптических устройств, все шире используемых в современной квантовой электронике, в частности в технике волоконно-оптических гироскопов. Изготовление подобного ИОУ с использованием высокотемпературного протонного обмена не является принципиально новой технологической задачей.

Работа изобретения с блок-схемой по Фиг.4 аналогична описанной выше работе полезной модели с блок-схемой по Фиг.1.

Работоспособность изобретения была проверена экспериментально - был реализован и опробован в работе вариант изобретения по схеме, показанной на Фиг.1. На Фиг.6 приведен результат измерений с экрана монитора ПК. В качестве объекта измерения использовался одночастотный ЛД, с брегговской решеткой, генерирующий на длине волны 1.55 мкм. Подобные ЛД используются в современных ВОЛС со спектральным уплотнением каналов.

На Фиг.6 две эпюры-осциллограммы, соответствующие (а) пилообразному напряжению модуляции, подаваемому на фазовый модулятор, и (б) оптическому сигналу на выходе многолучевого интерферометра, являющемуся, как показано при описании работы изобретения, спектральным разложением исследуемого излучения. На вставке в правом верхнем углу - увеличенная часть эпюры с измеренным спектром. Программа обработки результата измерений позволяет в реальном времени вычислять искомую характеристику Δv - полную ширину спектральной линии излучения, по уровню 0,5 от максимума, FWHM. Ширина линии ЛД в данном случае, как можно видеть, составляет 15±1 кГц.

На Фиг.6 в спектре излучения кроме центральной линии, собственно, линии исследуемого излучения одночастотного ЛД, можно видеть две боковые линии, возникающие за счет амплитудной модуляции излучения, специально подаваемой и служащей частотным репером, повышающим точность измерений.

Измеренная спектральная ширина Δv=26±7 кГц означает, что разрешающая способность данного устройства λ₀/δλ=v₀/Δv составляет величину 2·10¹⁴/2,6·10⁴≈10¹¹, превышающую на 4 порядка разрешающую способность аналога - известного ИФП с двумя зеркалами.

Таким образом, экспериментально показана достижимость заявляемого в данной заявке результата - повышения разрешающей способности ИФП как устройства для спектрального анализа оптического излучения. Возможность регулирования разрешающей способности следует из того, что длина волоконно-оптического кольцевого тракта может изменяться путем выбора длины световода - от 1 до 1000 м.

Область применения предлагаемого устройства - измерение спектральных характеристик ЛД для оптической связи; аналогичные измерения необходимы также в технике оптических датчиков-интеферометров, при контроле лазеров для спектрального анализа и в других случаях.

Источники информации

1. М.Борн и Э.Вольф. "Основы оптики". Пер. под ред. Г.П.Мотулевича. М.: Наука, 1970, с.342-346).

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит многолучевой интерферометр и устройство регистрации. Многолучевой интерферометр выполнен в виде волоконно-оптического кольцевого тракта, включающего соединенные между собой световод, разветвитель типа «X» и фазовый модулятор, причем разветвитель типа «X» имеет коэффициенты передачи между портами, обеспечивающие многократную циркуляцию оптического излучения внутри кольцевого тракта. Разветвитель двумя своими портами оптически соединен со световодом, входящим в состав кольцевого тракта, третий и четвертый порты разветвителя являются входным и выходным оптическими портами. Техническим результатом изобретения является повышение разрешающей способности устройства. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство для измерения спектральных характеристик оптического излучения, содержащее многолучевой интерферометр и устройство регистрации, отличающееся тем, что многолучевой интерферометр выполнен в виде волоконно-оптического кольцевого тракта, включающего оптически соединенные между собой световод, разветвитель типа «X» и фазовый модулятор, причем разветвитель первым своим портом соединен со световодом, вторым - с фазовым модулятором, третий его порт является входным оптическим портом всего устройства, а четвертый его порт является выходным оптическим портом интерферометра, причем разветвитель имеет коэффициенты передачи между портами, обеспечивающие многократную циркуляцию оптического излучения внутри кольцевого тракта.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что световод снабжен оптическими разъемами и является сменным элементом, длина которого может быть не менее 1 м.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве световода используется сохраняющий поляризацию излучения одномодовый световод.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве световода используется не сохраняющий поляризацию излучения одномодовый световод.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно используется контроллер поляризации, устанавливаемый на входном оптическом порте устройства или внутри кольцевого волоконно-оптического тракта.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве фазового модулятора используется отрезок световода, намотанный на поверхность пьезокерамического цилиндра.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разветвитель типа «X» и фазовый модулятор выполнены в виде монолитного твердотельного электрооптического устройства, имеющего четыре оптических порта в виде световодов.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство регистрации включает фотоприемник, блоки для усиления и оцифровывания фототока, для генерирования пилообразного напряжения, подаваемого на фазовый модулятор, а также компьютер для обработки сигналов и выдачи результатов измерения.