Оптоэлектронный генератор импульсов Советский патент 1992 года по МПК G02B6/26 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть ис- пользовано при поверке высокоскоростных измерительных приборов пикосекундного диапазона в качестве образцового генератора.

Известен оптоэлектронный генератор, содержащий биполярный и полевой транзисторы, два фоторезисторных оптрона и пять резисторов, причем исток полевого транзистора соединен с первой питающей шиной, к которой через первый резистор подключен затвор полевого транзистора и через фоторезистор первого оптрона подключены первый вывод второго резистора и база биполярного транзистора, эмиттер которого соединен с второй питающей шиной, свето- диоды первого и второго оптронов включены последовательно с третьим резистором в коллекторную цепь биполярного транзистора в прямом по отношению к источнику питания направлении, фоторезистор второго оптрона включен между второй питающей шиной и затвором полевого транзистора, сток которого подключен к базе биполярного транзистора через четвертый резистор, второй вывод второго резистора соединен с второй питающей шиной, а пятый резистор включен параллельно светодиоду второго оптрона.

Недостатком генератора является формирование импульсов большой длительности инфранизкой частоты и отсутствие возможности осуществления задержки серии импульсов и изменения амплитуды импульса по мере необходимости.

Наиболее близким к предлагаемому является высокоскоростной генератор серии импульсов, содержащий последовательно соединенные импульсный источник излучеVI

СО 4 О

О

сл

ния, кольцевую волоконно-оптическую линию задержки, направленный ответвитель и фотоприемник, выход которого является электрическим выходом генератора. В петле кольцевой линии задержки включен оптический усилитель.

Импульсное излучение, поступая на первый вход ответвителя, раздваивается по мощности, причем одна часть сигнала поступает на кольцевую линию задержки, а другая - на вход фотоприемника. Усиленный сигнал из петли кольцевой линии задержки поступает на второй вход ответвителя, где снова раздваивается. Таким образом, процесс повторяется п количество раз.

В результате получаем выходную серию импульсов наносекундного диапазона с постоянным временным интервалом следования импульсов, задаваемым длиной петли кольца линии задержки.

Недостатками известного генератора является его невозможность работы в пико- секундном диапазоне из-за ограниченных возможностей технологии изготовления петли малых диаметров и резкое увеличение потерь света на изгибах малого радиуса петли, а также невозможность формирования различных параметров импульса: времени задержки, длительности и амплитуды импульса.

Целью изобретения является повышение точности формирования параметров импульсов в пикосекундном диапазоне.

Поставленная цель достигается тем, что в оптоэлектронный генератор импульсов, содержащий импульсный источник излучения, волоконно-оптическую линию задержки, направленный ответвитель, фотоприемник, выход которого является электрическим выходом генератора, дополнительно введены последовательно соединенные оптический расширитель импульсов, оптический аттенюатор, первый, второй, третий оптические переключатели, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой электрические переключатели, второй фотоприемник, причем источник импульсного излучения через первый оптический переключатель соединен с входом оптического разветвителя, выходы которого соединены соответственно с входом волоконно-оптической линии задержки и через волоконно-оптическую линию задержки - с входом второго оптического переключателя, первый выход которого соединен с входом первого фотоприемника, второй выход второго оптического переключателя и выход первого фотоприемника являются соответственно оптическим и электрическим выходом опорного канала генератора, вход оптического расширителя соединен с выходом волоконно-оптической линии задержки, выход оптического аттенюатора соединен с

входом третьего оптического переключателя, первый выход которого соединен с входом второго фотоприемника, второй выход третьего оптического переключателя и выход второго фотоприемника являются соответственно оптическим и электрическим выходами измерительного канала генератора, управляющие входы первого, второго, третьего оптических переключателей соединены через соответствующие электрические переключатели с шиной питания, управляющие входы волоконно-оптической линии задержки, оптического расширителя, оптического аттенюатора соединены соответственно через четвертый, пятый, шестой

электрические переключатели с шиной питания.

Кроме того, волоконно-оптическая линия задержки выполнена в виде п-мерных отрезков световодов и двух групп оптических переключателей на два положения, включенных на входах и выходах п-мерных отрезков световодов по схеме разветвителя и соединителя оптического сигнала соответственно по принципу двоичного дешифратора. Оптический расширитель импульсов содержит п оптических переключателей, а входной и выходной световоды идентично разветвлены таким образом, что концы входного (выходного) световода соединены

с входами (выходами оптических переключателей, а концы выходного (входного) - через соответствующие n-мерные отрезки световода с выходами (входами) оптических переключателей. Оптический аттенюатор

содержит п оптических переключателей, а входной и выходной световоды идентично разветвлены таким образом, что концы входного (выходного) световодов соединены с входами (выходами) оптических переключателей.а концы выходного (входного) - с соответствующими выходами (входами) оптических переключателей.

Нафиг.1 представлена блок-схема опто- электронного генератора ипульсов; на фиг.2 схема волоконно-оптической линии задержки; на фиг.З - схема оптического расширителя; на фиг.4 - схема оптического аттенюатора.

Оптоэлектронный генератор импульсов

(фиг. 1) содержит источник 1 импульсного излучения, последовательно с ним соединенные первый оптический переключатель 2, направленный ответвитель 3, волоконно- оптическая линия 4 задержки, оптический

расширитель 5 импульсов, оптический аттенюатор 6, третий оптический переключатель 7, второй фотоприемник 8, другой выход направленного ответвителя 3 через световодную линию 9 соединен с вторым оптическим переключателем 10, который соединен с первым фотоприемником 11. Первый, второй и третий оптические переключатели 2,10 и 7 соответственно соединены с помощью первого, второго и третьего электрических переключателей 12, 13 и 14 соответственно с шиной питания.

Кроме того, электрические входы управления волоконно-оптической линии 4 задержки, оптического расширителя 5 импульсов, оптического аттенюатора 6 соединены через электрические переключатели 16, 17 и 18 с шиной 15 питания.

Волоконно-оптическая линия 4 задержки (фиг.2) содержит оптический переключа- тель 19, выход которого соединен с входами оптических переключателей 20 и 21, причем выход переключателя 20 соединен с входами оптических переключателей 22 и 23, выходы переключателя 22 соединены с входами оптических переключателей 24 и 25, а выходы переключателя 23 соединены с входами оптических переключателей 26, 27, переключатель 21 соединен последовательно с оптическими переключателями 28 и 29, каждый из переключателей 24, 25, 26, 27 и 29 двумя выходами через мерные отрезки световодов 30 и 31, 32 и 33, 34 и 35, 36 и 37, 38 и 39 соответственно соединен с соответствующими входами оптических пе- реключателей 40, 41, 42, 43 и 44, причем переключатель 40 последовательно соединен с оптическими переключателями 45, 46 и 47, выход переключателя 41 соединен с одним из входов оптического переключате- ля 45, выходы переключателей 42 и 43 соединены с входами переключателя 48, выход которого соединен с вторым входом переключателя 46, выход переключателя 44 соединен последовательно с переключателями 49, 50 и 47.

Оптический расширитель (фиг.З) содержит восемь оптических переключателей 5158,входы (выходы) которых соединены с концами первого световодного ответвителя

59,а выходы (входы) переключателей через мерные отрезки 60-67 световодов соединены с концами второго световодного ответвителя 68.

Оптический аттенюатор (фиг.4) содер- жит восемь оптических переключателей 6976,входы (выходы) которых соединены с концами первого световодного ответвителя

77,а выходы (входы) - с концами второго световодного ответвителя 78.

Оптоэлектронный генератор импульсов работает следующим образом.

Для запуска оптоэлектронного генератора необходимо подать синхроимпульс на электрический вход источника 1 импульсного излучения или подать внешний оптический импульс на оптический переключатель 2, который переключается электрическим переключателем 12. После электрического переключателя 12 световые импульсы с помощью направленного ответвителя 3 раздваиваются.

Одна часть импульсного излучения поступает на вход волоконно-оптической линии 4 задержки, управляемая электрическим переключателем 6, пройдя через нее, поступает на оптический расширитель 5 импульсов, управляемый электрическим переключателем 17. Далее импульсное излучение через оптический аттенюатор 6, управляемый электрическим переключателем 18, и оптический переключатель 7 поступает на вход фотоприемника или после оптического переключателя - на оптический выход измерительного канала генератора. Оптический переключатель 7 переключается с помощью электрического переключателя 14.

Другая часть импульсного излучения после ответвителя 3 направляется по волоконно-оптической линии 9 на оптический переключатель 10, который управляется электрическим переключателем 13, и оптический импульс может направляться на оптический выход опорного канала генератора или на вход фотоприемника 11, который вырабатывает электрический импульс, поступающий на электрический выход опорного канала генератора.

Все электрические переключатели 12, 16-18,13 и 14 питаются от шины 15 питания.

Волоконно-оптическая линия 4 задержки (фиг.2) работает следующим образом.

Поступающий импульс излучения с помощью оптических переключателей может быть направлен на определенный мерный отрезок воловонно-оптической линии с 30 до 39, каждый из которых отличается по длине на дискретную величину, необходимую для минимальной конечной величины временного интервала. При этом / оптические переключатели при отсутствии электрического напряжения находятся в одном состоянии, а при подаче электрического напряжения на электрический кристалл за счет эффекта Поккельса переключаются во второе состояние. Например, если дискретная величина выбрана величиной в 10, то такая линия задержки будет иметь возможность задерживать оптический импульс от

10 пс до 100 пес шагом дискретности в Юпс. Выбор линии задержки осуществляется оптическими переключателями. Например, если подать электрическое напряжение с помощью электрического переключателя 16 на оптические переключатели 19, 20, 22, 24, 40, 45, 46 и 47, то оптический импульс пройдет через эти оптические переключатели и волоконно-оптическую линию 30, тогда вре мя задержки будет 100 пс. При подаче на- пряжения на другие оптические переключатели, например, 19, 20,23, 27, 43, 48, 46 и 47, оптический импульс пройдет через волоконно-оптическую линию 36 и время задержки составит 40 пс. Данная ли- ния задержки с помощью переключаемых разветвителей имеет 10 вариантов переключения. Такие линии задержки возможно использовать в последовательном включении. Например, используя три линии задер- жки, каждая имеющая по 10 вариантов времени задержки в пределах от 1 пс до 10 пс, от 10 пс до 100 пс и от 100 пс до 1 не, можно обеспечить задержку оптического импульса от 1 псдо 1,11 нес шагом дискрет- ности 1 пс.

Оптический расширитель 5 (фиг.З) работает следующим образом.

Расширитель 5 состоит из двух пассивных ответвителей 59 и 68, восьми оптиче- ских переключателей 51-58 и отрезков волоконно-оптических линий 60-67, используемые в качестве линии задержки для оптических импульсов. Режим работы оптических переключателей задается элект- рическим переключателем 17,

Шаг временной задержки выбирается от длительности оптического импульса, источника импульсного излучения. Поступающий импульс излучения на расширитель разветвляется ответвителем 59 равномерно по интенсивности света и зависимости от количества включенных подряд оптических переключателей. Задержанные по времени оптические импульсы объединяют- ся ответвителем 68, образуя более широкий оптический импульс, длительность которого равна сумме длительностей отдельных импульсов, количество которых определяется количеством включенных оптических пере- ключателей. Например, если включены четыре оптические переключателя 64-67, то суммированный на выходе оптический импульс будет в четыре раза шире исходного оптического импульса.

Если включать различные комбинации оптических переключателей, можно получать комбинации из нескольких оптических импульсов с различными длительностями. Увеличивая количество разветвления световодных ответвителей и соответственно оптических переключателей и оптических линий задержки, можно увеличить диапазон.

Оптический аттенюатор (фиг.4) работает следующим образом.

При поступлении оптического импульса на световолоконный ответвитель 77 свет равномерно разветвляется и с помощью оптических переключателей 67-76, управляемых электрическим переключателем 18, выбирается определенное количество включенных оптических переключателей, через которые проходят импульсы излучения и суммируются по интенсивности световод- ным ответвителем 78. Например, при включении всех оптических переключателей 69-76 будет пропущена максимальная интенсивность света, а при включении одного оптического переключателя будет пропущена минимальная доза интенсивности импульса.

Использование световолоконных ответвителей с большим количеством разветвления позволит получить больше градаций интенсивности излучения.

В качестве отрезка волоконно-оптических линий использовалось стандартное кварцевое стекловолокно с внешним диаметром 200 мкм и с сердечником диаметром 125 мкм. Оптические переключатели использовались электромеханического действия типа П01, электрические переклю- чателитипа 2В-2, фотоприемник- на основе металл-окисел-металл (AI-WaOs-AI).

В качестве источника входного импульса был использован импульсный твердотельный лазер на граните с преобразованием длин волн ,53 мкм, длительностью 10 пс и мощностью 80 Вт,

Для получения, например, выходного оптического импульса длительностью 20 пс, задержкой 100 пс и максимальной амплитудой 0,25 Вт, а по электрическому выходу - амплитудой импульса 1,0 В режим работы волоконно-оптической линии 4 задержки выбран таким образом, что оптический импульс проходит по мерному отрезку свето; вода 30 длиной 20 мм. Оптический расширитель 5 обеспечивает прохождение импульса через отрезки световодов 66-67 и тем самым на выходе суммируется общая длительность, равная 20 пс. Полученный оптический импульс проходит через подготовленный оптический аттенюатор 6, где все оптические переключатели открыты для прохождения импульса света.

С учетом потерь в линии задержки мощность оптического импульса снижается в 4 раза и равна 20 Вт. Расширитель за счет потерь уменьшает мощность в 2 раза и за

счет разветвления еще в 8 раз. В итоге получается мощность, равная 1,25 Вт.

После оптического аттенюатора мощность импульса упадет в 5 раз и на оптическом выходе генератора получается мощность порядка 0,25 Вт, а после фотоприемника на электрическом выходе генератора появится импульс с амплитудой 1 В. Длительность по расчетной методике имела погрешность + 0,1 пс, определяемая погрешностью комбинированных отрезков световодов:

-i

где L - длина мерного отрезка

С - скорость света 2-105 км/с. Таким образом, экспериментальные исследования оптоэлектронного генератора импульсов показали возможность получения стабильных и точных параметров импульсов в субнаносекундном и пикосекундном диапазонах.

Кроме того, по полученным результатам генератор можно отнести к классу образцовых приборов, что позволит восполнить отсутствие данного класса приборов для поверки сверхскоростной техники. Формула изобретения 1, Оптоэлектронный генератор импульсов, содержащий источник импульсного излучения, волоконно-оптическую линию задержки, направленный ответвитель, фотоприемник, выход которого является электрическим выходом генератора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности формирования параметров импульсов в пикосекундном диапазоне, в него введены последовательно соединенные оптический расширитель импульсов, оптический аттенюатор, первый, второй, третий оптические переключатели, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой электрические переключатели, второй фотоприемник, причем источник импульсного излучения через первый оптический переключатель соединен с входом оптического разветвителя, выходы которого соединены соответственное входом волоконно-оптической линии задержки и через волоконно-оптическую линию задержки - с входом второго оптического переключателя, первый выход которого соединен с входом первого фотоприемника, второй выход второго оптического переключателя и выход первого фотоприемника является соответственно

оптическим и электрическим выходами опорного канала генератора, вход оптического расширителя соединен с выходом волоконно-оптической линии задержки, выход оптического аттенюатора соединен с входом третьего оптического переключателя, первый выход которого соединен с входом второго фотоприемника, второй выход третьего оптического переключателя и выход второго фотоприемника являются соответственно оптическим и электрическим выходами измерительного канала генератора, управляющие входы первого, второго, третьего оптических переключателей соединены через соответствующие электрические

переключатели с шиной питания.

2.Генератор импульсов по п.1, о т л и- чающийся тем, что волоконно-оптическая линия задержки выполнена в виде П-мер- ных отрезков световодов и двух групп оптических перключателей на два положения, включенных на входах и выходах П-мерных отрезков световодов по схеме разветвителя и соединителя соответственно оптического сигнала по принципу двоичного дешифратора.

3.Генератор импульсов по п.1, о т л и- чающийся тем, что оптический расширитель импульсов содержит П оптических переключателей, а входной и выходной

световоды идентично разветвлены таким образом, что концы входного (выходного) световода соединены с входами (выходами) оптических переключателей, а концы выходного (входного) через соответствующие Пмерные отрезки световода - с выходами (входами) оптических переключателей.

4.Генератор импульсов по п.1, о т л и- чающийся тем, что оптический аттенюатор содержит П оптических переключателей, а входной и выходной светодиоды идентично разветвлены таким образом, что концы входного (выходного) светодиода соединены с входами (выходами) оптических переключателей, а концы выходного (входного) - с выходами (входами) оптических переключателей.

фиг, 2

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано при поверке высокоскоростных измерительных приборов пикосекундного диапазона в качестве образцового генератора. Целью изобретения является повышение точности формирования параметров импульсов в пикосекундном диапазоне. Оптоэлектроонный генератор импульсов содержит источник импульсного излучения, волоконно-оптическую линию задержки, направленный ответвитель, два фотоприемника, последовательно соединенные расширитель импульсов и аттенюатор, три оптических переключателя и шесть электрических переключателей. Генератор позволяет работать в диапазоне предельно высоких частот, формировать заданные параметры импульса и временные интервалы между ними. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

I

-4

i