Устройство измерения параметров волоконно-оптического резонатора с помощью перестраиваемого источника оптического излучения и компенсацией нелинейности перестройки частоты Российский патент 2023 года по МПК G01J3/45 

Изобретение относится к области волоконной оптики, измерительной техники, в частности к оптоэлектронным устройствам для измерения и контроля параметров волоконно-оптического кольцевого резонатора (ВОКР), которая позволяет измерять следующие параметры: свободный спектральный диапазон (Free Spectral Range, FSR), ширину на половине высоты (Full Width at Half Maximum, FWHM) и добротность (Q-factor). На основе ВОКР возможно создание различного рода активных и пассивных оптических устройств: оптоэлектронный генератор, фильтры, температурный датчик и различные сенсоры.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является измерение параметров ВОКР (US 4469397) по амплитудно-временной характеристике (АВХ), полученному с помощью пьезоэлектрического цилиндра. На данный цилиндр приклеивается 6 петель волокна и устанавливается в волоконный контур, при этом пьезоэлектрический цилиндр выполняет функцию фазового пьезоэлектрического модулятора при подаче на него электрического напряжения. На цилиндр подается электрический периодический сигнал треугольной формы с генератора для формирования перестройки резонансной частоты ВОКР. Через ВОКР пропускается узкополосное излучение от гелий-неонового лазера; после ВОКР излучение попадает на фотоприемник, подключенный к осциллографу. Основным недостатком данного прототипа измерения параметров ВОКР является применение пьезоэлектрического модулятора, так как для проведения измерений резонансных характеристик ВОКР требуется прикрепить участок волокна к поверхности пьезоэлектрического модулятора. Кроме того, применение пьезоэлектрического модулятора требует больших управляющих напряжений (>100 В) и имеет малый спектральный диапазон измерения (30 МГц). Также в данной схеме не производится учет шумов, вносимых узкополосным лазером.

Наиболее близкими прототипами к заявляемому техническому решению являются устройства с применением сканирующего метода для построения АВХ оптического резонатора в работах [Llopis О. et al. High-Q optical resonators: characterization and application to stabilization of lasers and high spectral purity microwave oscillators // Laser Resonators and Beam Control XII. - International Society for Optics and Photonics, 2010. - T. 7579. - C. 75791B., Валюшина, П.M и др. Измерение характеристик волоконно-оптического резонатора методом перестройки центральной частоты лазера // Прикладная фотоника. -2021. - Т. 8. - №2. - С. 19-32, Xue X. М. et al. All-polymer monolithic resonant integrated optical gyroscope // Optics Express. - 2022. - T. 30. - №. 23. - C. 42728-42737.].

Суть данного метода заключается в использовании узкополосного источника с перестройкой частоты излучения. Свет от источника попадает в резонансный контур и на выходе формируется АВХ оптического резонатора, который соответствует амплитудно-частотной характеристике (АЧХ) резонатора. Для того чтобы перейти от АВХ к АЧХ, достаточно умножить временной шаг на скорость перестройки частоты лазерного источника.

Данная методика может быть применена и к ВОКР, который представляет собой волоконно-оптический замкнутый контур, образованный сваркой двух оптических сплавных разветвителей между собой. Для ВОКР выделяют несколько рабочих параметров резонатора - FSR, FWHM, Q-factor. FSR является разностью между соседними резонансными частотами:

где с - скорость света, n - показатель преломления, L - длина оптического контура.

FWHM - ширина спектра на уровне минус 3 дБ резонансного выреза от максимального значения интенсивности, соответствующего уровню 0 дБ, определяется следующим уравнением:

где ƒ - частота излучения, t - коэффициент связи.

Q-factor или добротность резонатора может быть определена как полная энергия внутри резонатора, деленная на энергию, потерянную за один проход оптического излучения по замкнутому контуру. Добротность можно рассчитать отношением частоты излучения ƒ к ширине резонансного пика (2):

С помощью метода сканирования можно построить АЧХ, с помощью которой ведется расчет FSR между каждой соседней парой резонансов и считается среднее значение. FWHM вычисляется для каждого отдельного резонансного пика/выреза и также вычисляется среднее значение для определенного резонатора. Недостатком метода сканирования является высокая погрешность измерения параметров резонатора (10-15%), которая обусловлена нестабильностью скорости перестройки частоты излучения лазера. Предлагаемое техническое решение по улучшению схемы лазера с перестраиваемой частотой излучения позволяет снизить погрешность в 30 раз. Полезная модель представляет собой устройство для измерения рабочих параметров ВОКР по АЧХ с относительной погрешностью не хуже 1%.

Устройство контроля параметров волоконно-оптического резонатора с помощью источника с перестройкой частоты оптического излучения и компенсации нелинейности перестройки частоты включает в себя (Фиг. 1): узкополосный лазер с перестраиваемой частотой излучения (1), волоконный делитель 1×2 (2), который делит входное излучение на вспомогательный асимметричный интерферометр Маха-Цандера (3) и измеряемый оптический резонатор (4). Выходное излучение с интерферометра и резонатора попадает на фотоприемники (5), которые преобразуют оптический сигнал в электрический и передается по коаксиальному кабелю на осциллограф (6). Дальнейшая математическая обработка сигналов, сохраненных с осциллографа, с целью компенсации нелинейности производится на ПК (7) по определенному алгоритму обработки, блок-схема которого показана Фиг. 2.

Изменение оптической частоты узкополосного лазера неидеально и нестабильно из-за фазовых шумов источника, что влияет на точность измерения. Для измерения нелинейности применяется вспомогательный несимметричный интерферометр, который генерирует на фотоприемнике гармонический сигнал оптических биений из-за линии задержки между двумя плечами интерферометра. Отклонение мгновенного значения оптической частоты определяется путем вычисления фазы оптических биений с помощью преобразования Гильберта, деленной на время задержки в плече интерферометра. Мгновенную частоту оптического излучения в момент времени t при перестройке лазера можно определить следующим образом:

где ƒ₀ - начальная частота излучения, γ - скорость перестройки лазера, u_non - нелинейный коэффициент, вызванный фазовым шумом лазера. Сигнал биений, регистрируемых фотоприемником (Фиг. 3) в момент времени t, определяется выражением:

где Ф(t) - фазовый шум из-за нелинейности перестройки частоты лазера, τ - время задержки между двумя плечами интерферометра.

Преобразование Гильберта представляет собой свертку реального сигнала s(t), снимаемого с осциллографа, с функций 1/πt и имеет обозначение H{s(t)}. Преобразование гармонического сигнала дает тот же гармонический сигнал, но смещенный на π/2. Таким образом, функция фазового шума может быть найдена как:

Значение мгновенной оптической частоты в момент времени t определяется выражением:

где ΔL - разница плеч вспомогательного интерферометра. Пример полученной зависимости перестройки частоты от времени приведен на Фиг. 4. Данная зависимость является ключевой, так как с помощью нее спектральная характеристика резонатора переводится из временной области в частотную (Фиг. 5) для получения АЧХ резонатора, с помощью которой можно определить параметры резонатора. На Фиг. 5а видно, что расстояние между пиками неодинаково, что влияет на точность определения FSR и FWHM. На Фиг. 5б изображена АЧХ резонатора с учетом нелинейности перестройки частоты излучения лазера, из которой видно равномерное распределение резонансных частот. С помощью полученного спектра проводится определение среднего значения FSR и FWHM с лучшей точностью. Таблица 1 содержит данные, полученные по волоконно-оптическому резонатору длиной 1,15 м, коэффициентом деления 99:1, оптическое волокно SMF-28 Ultra Corning.

Изобретение относится к области волоконной оптики, к устройствам измерения и контроля параметров кольцевого резонатора. Устройство измерения параметров волоконно-оптического резонатора содержит узкополосный перестраиваемый по частоте излучения лазер, передающий излучение на волоконно-оптический резонатор и формирующий на фотоприемнике амплитудно-временной сигнал, несущий информацию о параметрах резонатора. При этом содержит волоконный делитель для разделения входного излучения от лазера на измеряемый волоконно-оптический резонатор и на вспомогательный асимметричный интерферометр Маха-Цандера, компенсирующий нелинейность перестройки частоты излучения лазера, фотоприемники для получения выходного излучения после резонатора и вспомогательного интерферометра, преобразуя оптический сигнал в электрический, передаваемый на осциллограф, подключенный к ПК с функцией математической обработки, дополняющей сигнал со вспомогательного интерферометра мнимой частью с помощью преобразования Гильберта, вычисляющий фазу сигнала интерферометра, преобразуя ее в частотно-временную зависимость излучения лазера. Технический результат - создание устройства для измерения рабочих параметров волоконно-оптического кольцевого резонатора. 5 ил.

Устройство измерения параметров волоконно-оптического резонатора, включающее: узкополосный перестраиваемый по частоте излучения лазер, выполненный с возможностью передачи излучения на волоконно-оптический резонатор и формирования на фотоприемнике амплитудно-временного сигнала, который несет в себе информацию о параметрах резонатора: FSR - свободного спектрального диапазона, FWHM - ширины на половине высоты и Q - добротности, отличающееся тем, что дополнительно содержит волоконный делитель, выполненный с возможностью разделения входного излучения от перестраиваемого лазера на измеряемый волоконно-оптический резонатор и на вспомогательный асимметричный интерферометр Маха-Цандера, выполненный с возможностью компенсации нелинейности перестройки частоты излучения лазера, фотоприемники для получения выходного излучения после резонатора и вспомогательного интерферометра и преобразования оптического сигнала в электрический, передаваемый по коаксиальному кабелю на осциллограф, подключенный к персональному компьютеру с функцией математической обработки, заключающейся в дополнении сигнала со вспомогательного интерферометра мнимой частью с помощью преобразования Гильберта, вычислении фазы сигнала интерферометра и преобразовании ее в частотно-временную зависимость излучения лазера с перестраиваемой частотой, которая и учитывается при обработке амплитудно-временной характеристики сигнала, полученного с резонатора.