21459

Управление света светом

Лекция

Физика

ставит очень амбициозную задачу создание устройств выполняющих функции управления характеристиками оптического излучения с помощью другого оптического излучения. Предлагается воспользоваться свойствами поляризованного электромагнитного оптического излучения а именно использовать эффект оптического гашения который описан например в [3]. 1 Если четвертьволновую пластинку P1 установить так чтобы её быстрая ось была ориентирована под углом к оси OX то для излучения прошедшего через пластинку P1 получим = 1 = . 2 Согласно [4]...

Русский

2013-08-02

870.5 KB

2 чел.

Лекция № 13 Управление света светом

В различных существующих оптоэлектронных устройствах управление интенсивностью, частотой излучением, осуществляется с помощью электронных элементов, отвечающих либо за питание оптоэлектронного устройства либо управляющих работой оптических компонент. Переход к полностью оптическим устройствам (вычислительным, измерительным сенсорным и т.д.) ставит очень амбициозную задачу - создание устройств выполняющих функции управления характеристиками оптического излучения с помощью другого оптического излучения.

Пример построения прецизионного устройства, основанного на эффекте управления света светом.

Определение единицы длины в том виде, в котором оно было принято в 1983 г. на 17-ой Генеральной Конференции по мерам и весам и которое действует по настоящее время [1], является фундаментальным определением единицы физической величины. Однако, при этом не конкретизируется, каким образом технически реализуется эта величина. Согласно этому определению за единицу длины – метр – принято расстояние, которое проходит электромагнитная волна в вакууме за промежуток времени, равный 1/299792458 секунды. Определение базируется на установленном и неизменном значении скорости света. Более простого и универсального определения единицы длины, через скорость электромагнитной волны и времени её прохождения, предложить уже невозможно. Но при попытке реализовать это определение возникает вопрос, как зарегистрировать плоскую волну в одной и другой пространственной точке и по этим пространственным событиям отметить интервал времени (равный 3,3356409519 наносекундам), который прошёл между ними. При этом, погрешность измерения этого интервала времени, не должна превышать 10-18  10-19 секунды (чтобы ошибка, возникающая при реализации единицы длины, была соизмерима с лучшими известными методами воспроизведения единицы длины, например, с использованием лазерных интерферометров перемещений). Сложности измерения таких коротких интервалов времени с  указанной точностью определили ситуацию, что с 1983 года практической реализации этого (прямого) определения единицы длины так и не было. Поэтому Генеральной Конференцией по Мерам и Весам  было рекомендовано для воспроизведения единицы длины на данном этапе  использовать интерференционные методы, и были рекомендованы эталонные частоты (длины волн) нескольких стабилизированных лазеров (стандартов оптических частот), регламентированные новым определением метра.

Прежде, чем описать сущность предлагаемого метода и системы для решения задачи фиксации плоской электромагнитной волны в двух заданных точках пространства, кратко поясним, на каком физическом принципе предлагается построить указанную систему. Предлагается воспользоваться свойствами поляризованного электромагнитного (оптического) излучения, а именно использовать эффект оптического "гашения", который описан, например, в [3]. Если реализовать оптические устройства, которые позволят фиксировать наличие волны в пространстве на основе эффекта оптического "гашения" поля, то это может дать возможность решить первую из двух указанных выше основных задач.

На основе приведенной схемы, можно осуществить оптическое "гашение" использовав известные свойства поляризованного когерентного монохроматического света. Если в оптическом сумматоре световых потоков совместить два ортогональных циркулярно-поляризованных световых потока (с левоциркулярной и правоциркулярной круговой поляризацией), то при равных интенсивностях совмещаемых потоков суммарный световой поток становится линейно поляризованным. Это можно показать аналитически, используя матричный метод Джонса для поляризованного света [3, 4].

Схема оптического "гашения" упрощённо показана на рис.1. Для работы данной схемы необходимо, чтобы входные световые потоки J1 и J2 были линейно-поляризованы. Для получения потоков с ортогональной циркулярной поляризацией по ходу лучей 1 и 2 установлены круговые поляризаторы P1 и P2 (фазовые пластинки, одна из которых  ¼-волновая, а вторая  ¾-волновая [3]). Регулируемые аттенюаторы At1 и At2 установлены для выравнивания интенсивностей потоков, поступающих на сумматор M1. На выходе сумматора потоков M1 (например, полупрозрачного зеркала) установлен линейный поляризатор Pa (анализатор).

Пусть на оба входа схемы "гашения" одновременно вводятся монохроматические когерентные световые потоки  J1 и  J2 (например, от одного общего непрерывного лазера, не показанного на рис.1). Пусть каждое из этих излучений линейно поляризовано и имеет интенсивность I0, а колебания вектора  для каждого из входных световых потоков параллельны оси OX.

Воспользуемся указанным выше методом Джонса [3, 4]. Для каждого из входных излучений J1 и J2  электрический вектор Максвелла имеет следующий вид:

= A0. (1)

Если четвертьволновую пластинку P1 установить так, чтобы её быстрая ось была ориентирована под углом   к оси OX, то для излучения, прошедшего через пластинку P1, получим

= A1 = . (2)

Согласно [4] это выражение определяет левоциркулярную круговую поляризацию излучения, прошедшего пластинку P1 , с интенсивностью I1  A1.

Если же четвертьволновую пластинку P2 установить так, чтобы её быстрая ось была ориентирована под углом  (-) к оси OX, то для излучения, прошедшего пластинку P2, получим:

= A2 = . (3)

Это, в свою очередь, определяет правоциркулярную круговую поляризацию излучения, прошедшего пластинку P2 с интенсивностью I2  A2.

После сумматора (полупрозрачного зеркала) M1 при совмещении указанных световых лучей с левоциркулярной и правоциркулярной круговыми поляризациями происходит интерференция этих лучей. В матричной форме это означает:

+ =  +  = . (4)

Указанное суммарное (совмещённое) излучение пропускается через линейный поляризатор Pа, который ориентирован под углом  к оси OX. Тогда для излучения, прошедшего через поляризатор Pа , можно написать:

= = . (5)

Из выражения (5) видно, что при выполнении условия

A1 = A2        I1 = I2 , (6)

значение  обращается в нуль . Другими словами, на выходе линейного поляризатора Pа в этом случае не будет наблюдаться светового пучка. Это объясняется тем, что при равенстве A1 = A2 сложение пучков света с левой и правой круговой поляризациями даёт пучок линейно поляризованного света

+ = A, (7)

где A = A1 = A2 .

Поток линейно поляризованного света после сумматора M1, в идельном случае полностью погасится при прохождении линейного поляризатора Pa, ориентированного под углом  к плоскости, в которой происходят колебания вектора =+ линейно поляризованного света, полученного после совмещения ортогональных циркулярно-поляризованных потоков на выходе сумматора (т.е. если анализатор Pa "скрестить" с этой линейной поляризацией). Но для этого необходимыми условиями являются равенство интенсивностей обоих суммируемых световых пучков, а также постоянство разности фаз колебаний векторов  и . Регулирование и выравнивание интенсивностей этих пучков можно осуществить регулируемыми аттенюаторами At1 и At2, включёнными в плечи схемы "гашения". Заметим, что если на любом одном из входов рассматриваемой схемы излучение отсутствует, то часть излучения, подаваемого на второй вход, пройдёт через анализатор Pa. Другими словами, на выходе схемы нет излучения в случае подачи на его входы одновременно двух входных излучений, и выходное излучение существует при наличии излучения на любом одном из входов. Сказанное позволяет предложить вариант схемы, в которой непрерывное оптическое излучение преобразуется в последовательность оптических импульсов, временные параметры которых зависят от расстояния, проходимого оптическим излучением в пространстве (со скоростью света). Речь идёт о схеме генератора оптических импульсов (ГОИ), описание которой приводится ниже.

Дополнительно отметим, что при изменении разности фаз колебаний векторов + (даже в случае равенства интенсивностей обоих суммируемых световых пучков) происходит поворот плоскости поляризации линейно-поляризованного излучения, получаемого в результате суммирования указанных выше ортогональных циркулярно-поляризованных излучений. В этом случае для получения эффекта "гашения" требуется соответствующая корректировка (поворот) плоскости поляризации линейного поляризатора (анализатора) Pa, установленного на выходе схемы "гашения".   

Генератор оптических импульсов (ГОИ). Схема ГОИ [5] приведена на рис. 2.

Используется непрерывное излучение, источником которого является непрерывный лазер L. В данной схеме потери мощности, возникающие в элементах схемы, компенсируются оптическим усилителем A, включённым в цепь обратной связи через оптическую задержку (PS – система накачки усилителя). Аттенюаторами At1 и At2 устанавливается равенство интенсивностей ортогональных циркулярно-поляризованных потоков, поступающих на сумматор М1. При включении лазера L, его непрерывное излучение проходит через аттенюатор At1, фазовую пластинку P1, сумматор М1 и поляризатор Pa. Далее это излучение, распространяясь через оптическую задержку (пройдя усилитель A, призму Pr, аттенюатор At2 и фазовую пластинку P2), поступает на второй вход сумматора М1. Рассмотрим случай, когда разность фаз  совмещаемых на сумматоре M1 циркулярных ортогонально-поляризованных световоых потоков является постоянной. Поскольку интенсивности поступающих на входы сумматора ортогональных циркулярно-поляризованных световых потоков равны, с момента поступления излучения из оптической задержки (когда совмещается входное излучение лазера с излучением, прошедшим задержку) анализатор Pa сориентирован так, что прекращает пропускать это совмещённое уже линейно-поляризованное излучение. Но в этот момент весь контур задержки "заполнен" светом, который со скоростью света распространяется в задержке, проходя через сумматор М1 и поддерживая на выходе анализатора Pa отсутствие излучения (т.е. "темноту"). Это будет продолжаться до тех пор, пока всё излучение из задержки не пройдёт через анализатор Pa. С этого момента на выходе сумматора М1 существует лишь одно непрерывное циркулярно поляризованное излучение лазера L, прошедшее фазовую пластинку Р1. Второго циркулярно поляризованного излучения на втором входе сумматора М1 нет. Поэтому излучение лазера L, проходя через анализатор Ра, вновь начинает заполнять контур задержки. Это заполнение вновь прекращается, когда распространяющееся через задержку излучение, достигнув сумматора М1, в суммарном потоке с входным излучением лазера вновь поступает на вход анализатора Ра, прерывая в этот момент прохождение суммарного излучения через Ра. В итоге система непрерывно генерирует (формирует) оптические импульсы с длительностью Ti=  и скважностью Тp, также равной Tp=, где Dоптическая длина замкнутого контура оптической задержки. Другими словами, в описанной системе генерируется оптический меандр, длительность которого однозначно определяется размерами линии задержки. Приведённое ниже выражение (8) отражает однозначную связь между длительностью генерируемого оптического импульса Ti, частотой повторения этих импульсов f и расстоянием D, которое проходит плоская электромагнитная волна в рабочем плече ГОИ

f =.                                              (8)

В качестве выходного сигнала ГОИ может быть использовано и второе выходное излучение сумматора M1, если по ходу этого излучения установить ещё один линейный поляризатор (анализатор) Pa1, плоскость поляризации которого "скрещена" с плоскостью поляризации поступающего на него суммарного излучения (рис.2).

Заметим, что при изменении оптической длины контура замкнутой оптической задержки ГОИ (например, при перемещении призмы Pr вдоль оси MN, указанной на рис.2) на величину D, будет происходить изменение фазы циркулярно-поляризованного излучения, поступающего через фазовую пластинку P2 на сумматор M1. Это изменение фазы  будет описываться соотношением

                                      = 2,                                           (9)

где - длина волны исходного излучения непрерывного лазера L. Изменения фазы одного из суммируемых циркулярно-поляризованных лучей вызовут соответствующие повороты плоскости поляризации линейно поляризованного излучения (суммарного излучения), поступающего на линейный поляризатор (анализатор) Pa. В результате, при последовательном плавном перемещении отражателя (призмы Pr) в одном направлении при прохождении расстояния, равного длине волны  исходного излучения непрерывного лазера L, для излучения, проходящего через фазовую пластинку P2, изменение фазы будет в пределах 02. Поэтому поляризатор Pa, установленный в стабильном фиксированном положении, при таком плавном перемещении призмы Pr будет дважды "гасить" суммарное линейно-поляризованное излучение, поступающего на него от сумматора M1. Это будет происходить в моменты, когда плоскость поляризатора Pa будет "скрещена" с плоскостью поляризации суммарного линейно-поляризованного излучения. Т.е. при плавном перемещении отражателя (призмы Pr) при каждом прохождении расстояния, равного D=, в данной схеме дважды будет возникать генерация импульсов, вызванная оптическим "гашением", и дважды генерация будет срываться в положениях, когда плоскость поляризации суммарного линейно-поляризованного излучения будет параллельна установленной плоскости поляризатора Pa. В моменты возникновения генерации оптических импульсов, для каждого положения призмы Pr (для длины замкнутого контура оптической задержки D в данный момент) частота повторения импульсов f определяется соотношением (8).

Некторые вопросы, связанные с практической реализацией ГОИ. Отметим, что для реализации описанного метода необходимо учесть обстоятельство, о котором уже говорилось выше. А именно, что плавное перемещение призмы 3 (перемещение при наведении тубуса микроскопа 14 на начальную  и конечную точки пространственного интервала, ограничивающего реализуемую единицу длины) сопровождается соответствующим плавным изменением фазы циркулярно-поляризованного света, поступающего на сумматор M1 через фазовую пластинку P2. Это вызывает плавное вращение плоскости поляризации суммарного линейно-поляризованного света, поступающего на линейный поляризатор (анализатор) Pa (см. рис. 3), установленный неподвижно в фиксированном положении. В результате, в рассматриваемой системе при перемещении призмы 3 будет периодически возникать и исчезать "гашение" света. Т.е. будет периодически возникать и срываться генерация оптических импульсов. Но при этом учтём, что для осуществления предлагаемого метода частоту генерируемых оптических импульсов необходимо измерять только в начальной и конечной точках, которые ограничивают реализуемый пространственный интервал (соответствующий единице длины). При этом нет необходимости измерять частоты импульсов в промежуточных положениях призмы 3 (тубуса микроскопа 14).

Чтобы генерация импульсов (явление оптического "гашения") возникала в областях устанавливаемых начальной и конечной точек задаваемого пространственного интервала, требуется соответствующий выбор длины волны излучения непрерывного лазера L. Эта длина волны должна принадлежать рабочему диапазону длин волн, в котором работает оптический усилитель 11, включённый в контур замкнутой оптической задержки ГОИ (рис. 3). Рядом компаний выпускаются оптические усилители, которые находят применение в волоконно-оптических системах телекоммуникации, в измерительных системах и т.д. Это – усилители на легированном эрбиевом оптическом волокне EDFA (Erbium Doped Fiber Amplifier) и полупроводниковые оптические усилители SOA (Semiconductor Optical Amplifier). Диапазон длин волн, в которых работают EDFA, в основном охватывает ближний инфракрасный диапазон в пределах 1530 1600 нанометров (в двух поддиапазонах C и L). Например, это – малошумящие EDFA компаний "Nuphoton Technologies", Inc. (www.nuphoton.com) или "Calmar Optcom", Inc. (www.calmaropt.com). Усилители  SOA выпускают несколько компаний. Например, "Axon Photonics" (www.axonphotonics.com). SOA этой компании выпускаются для двух диапазонов длин волн, наиболее применяемых в волоконно-оптических системах телекоммуникаций: 12801340 нанометров и 15301610 нанометров. SOA компактнее, по сравнению с EDFA, но, насколько можно судить по их характеристикам, уровень шумов в SOA немного превышает уровень шумов EDFA.

С учётом сказанного, длину волны излучения лазера L следует выбрать такой, чтобы на задаваемом пространственном интервале  d укладывалось число N=(N1+ ) длин волн, где N1 –  целое число, а    дробное число, которое должно быть существенно меньшим, по сравнению с 1. Для упрощения рассуждений примем, что призму 3 можно перемещать в вакууме (т.е. для показателя преломления n среды, где перемещается призма 3, можно принять значение n=1). Тогда, например, при выборе значения длины волны   1,55310-6м, на пространственном интервале, равном  d = 1м уместится N = (N1 + ) = 643915,00032. В этом случае N1=643915, а =0,00032. Это значит, что при длине волны 1,553мкм на пространственном интервале d =1м целое число длин волн N1 отличается от задаваемого интервала 1 м всего на 0,00032 длины волны . Если говорить о сдвиге фазы  непрерывного излучения лазера L в пределах одного периода оптических колебаний, то это соответствует сдвигу фазы = 0,117'. Можно подобрать ряд других значений длины волны  , удовлетворяющих данной задаче. Так, при 1,538410-6м на интервале d=1м уместится N = (N1+) = 650026,0010404. При  1,5450110-6м на интервале d = 1м уместится N = (N1+) = 647245,001003. И т.д. В окрестности этой точки (в пределах, несколько превышающем интервал , границы которого можно установить в процессе исследований) должно наблюдаться оптическое "гашение", о котором говорилось выше, при котором в ГОИ возникнет генерация импульсов. Значение частоты генерируемых импульсов при этом должно быть близким к задаваемому значению f2 (или f3). Плавным перемещением призмы 3 в пределах указанного интервала (согласно описанному методу) используя систему задания и сличения частот 16 можно привести частоту генерируемых оптических импульсов к задаваемой от эталона частоте f2 (или f3) с разрешающей способностью определяемой применённым в 16 компаратором частот.

В случае перемещения призмы в реальных условиях (не в вакууме), при выборе значения длины волны необходимо учитывать значение показателя преломления среды (для получения минимального значения интервала  ).

Несколько слов об амплитуде генерируемых оптических итмпульсов. Прежде всего отметим, что при суммировании на сумматоре M1 ортогональных циркулярно-поляризованных излучений суммарное (уже линейно поляризованное) излучение, поступающее на линейный поляризатор (анализатор) Pa, по ряду причин будет "гаситься" по мощности не до нуля, а до некоторого уровня мощности. Причинами могут стать: незначительные отклонения от круговой поляризации (эллиптичность) суммируемых циркулярно-поляризованных потоков, недостаточная идентичность установленных уровней мощности суммируемых на сумматоре M1 излучений и т.д. Но и в этом случае будет происходить генерация оптических импульсов, частота и длительность которых определяется соотношением (8). Амплитуду (уровень мощности) генерируемых импульсов ГОИ и их нижний уровень можно оценить исходя из характеристик применяемого оптического усилителя. Учтём, что усиление  оптического усилителя EDFA является нелинейным. При малых уровнях мощности входного сигнала (порядка –40dBm = 0,1мкВт) зависимость мощности выходного сигнала усилителя от мощности входного сигнала близка к линейной. Для усилителей, выпускаемых рядом компаний, значение коэффициента усиления усилителя при малых уровнях входного сигнала порядка 2530 dB. Но при дальнейшем повышении мощности входного сигнала коэффициент усиления усилителя заметно нелинейно уменьшается и начиная с некоторого уровня входной мощности наступает насыщение мощности выходного сигнала EDFA.  Для многих усилителей мощность насыщения выходного сигнала порядка 1015dBm. Указанное явление ограничения выходной мощности (насыщение) позволяет стабилизировать нижний уровень мощности генерирумых в ГОИ оптических импульсов. Нами была проведена оценка возможности применения оптических усилителей, которые выпускают некоторые компании. Были рассмотрены характеристики усилителей компаний "Nuphoton Technologies", Inc., "Calmar Optcom", Inc., "JDS Fitel" (www.jdsfitel.com), "O-Net International", Inc. (www.o-neti.com), "Axon Photonics". Наиболее полная информация о характеристиках оптического усилителя, которая были в нашем распоряжении для анализа, оказалась информация о характеристиках усилителя типа OA915, который производит компания "JDS Fitel". Поэтому приведённые ниже рассуждения опираются на характеристики этого усилителя. Но аналогично можно сделать оценку и для других оптических усилителей. У указанного усилителя (типа OA915) коэффициент усиления слабого сигнала порядка 25dB (K  320). Для линейности усиления для этого усилителя рекомендован уровень мощности Pi входных сигналов (input power) в пределах (–40dBm  20 dBm) или (0,1 мкВт 10 мкВт). При этих пределах уровней входного сигнала Pi уровень мощности выходного сигнала Po усилителя (output power) почти линейно зависит от уровня входного сигнала и определяется диапазоном (-12dBm  7dBm) или (60мкВт5мВт). Мощность насыщения выходного сигнала (saturated output power) Pso усилителя порядка 13dBm (20 мВт) устанавливается при уровне мощности входного сигнала Psi   6dBm = 0,25 мВт (и выше).

Оценим возможность применения такого усилителя в ГОИ. Для простоты рассмотрим схему на рис.2. Предварительно примем, что каждый из светоделителей M1 и M2 делит поступающее на него излучение в отношении 5050. Допустим, что при включении лазера L через фазовую пластинку P1 и далее через элементы контура замкнутой задержки (элементы M1, Pa и M2) на вход усилителя A будет поступать непрерывное излучение, мощность которого на входе усилителя Pi1 порядка 1 мВт (0 dBm). Такой же уровень мощности будет одновременно и на выходе Output после полупрозрачного зеркала M2. Такой уровень мощности на входе усилителя существенно превышает указанный уровень входного сигнала Psi   6dBm (0,25 мВт), при котором выходная мощность усилителя уже имеет насыщение. Поэтому уровень мощности выходного сигнала усилителя будет равен Pso =13dBm (или 20 мВт). Этот уровень выходной мощности усилителя позволяет далее регулировкой аттенюатора At2 (с учётом потерь в остальных элементах контура задержки до поступления через фазовую пластинку P2 на сумматор M1) снизить уровень мощности проходящего через задержку излучения так, чтобы на выходе задержки совмещаемые на сумматоре M1 ортогональные циркулярно-поляризованные излучения были по мощности равны (в пределах погрешности измерителя оптической мощности, используемого при настройке каналов, по которым распространяются излучения, поступающие на M1). Будем считать, что с выхода оптического усилителя до поступления на сумматор M1 коэффициент передачи по мощности = 0,1 или (10 dB). Поскольку совмещаемые (суммируемые) излучения имеют ортогональные циркулярные поляризации, то должно образоваться суммарное линейно-поляризованное излучение. "Скрестив" с этим линейно-поляризованным излучением плоскость поляризации поляризатора (анализатора) Pa, регулируя положение (поворотом) поляризатора необходимо добиться положения, когда  мощность на выходе поляризатора Pa будет погашена до значения порядка          (–30dBm). Это значение мощности уменьшится в два раза на полупрозрачном зеркале M2, и на вход усилителя поступит линейно-поляризованное излучение, уровень мощности которого Pi2 порядка (–33dBm). Такой же уровень мощности будет в этот момент на выходе "Output" после полупрозрачного зеркала M2. Это будет нижним уровнем мощности генерируемого в ГОИ оптического импульса. При таком низком уровне входного сигнала, поступающего на усилитель A, с учётом коэффициента усиления слабого сигнала усилителя, уровень мощности выходного сигнала усилителя (исходя из приведённых характеристик усиления усилителя OA915) становится равным не более (5dBm) 0,32 мВт. Но до поступления на сумматор M1 этот усиленный сигнал низкого уровня после усилителя ослабится в остальной части задержки в 10 раз (поскольку = 0,1) и станет равным по мощности порядка (15dBm) 0,032 мВт. Вспомним, что этот сигнал из оптической задержки совмещается (суммируется) с непрерывным излучением лазера L, прошедшим после фазовой пластинки P1 через полупрозрачное зеркало (сумматор) M1. Пусть уровень мощности этого непрерывного излучения, прошедшего через сумматор M1, равен PL. Пусть при суммировании на сумматоре M1 излучения из задержки и указанного непрерывного излучения с уровнем мощности PL из-за неравенства уровней мощности образуется такая эллиптическая поляризация суммарного излучения, что при фиксированном положении поляризатора Pa суммарное излучение, поступающее  через поляризатор Pa  на усилитель A, в самом неблагоприятном случае будет иметь минимальный уровень мощности порядка (0,1dBm)0,97 мВт. Но и эта мощность существенно превышает указанный выше уровень входного сигнала Psi6dBm=0,25мВт, при котором выходная мощность усилителя имеет насыщение. При этом входном сигнале уровень мощности выходного сигнала усилителя вновь станет равным Pso =13dBm (20мВт). И процесс генерирования оптических импульсов будет повторяться. При этом верхний уровень мощности импульса на выходе "Output" будет порядка (0,1dBm)  (т.е. порядка 0,97мВт), а нижний уровень мощности Pi2 порядка (–33dBm) (порядка 0,0005 мВт).

Из сказанного можно представить условие поддержания генерации импульсов в ГОИ для схемы на рис.2  в виде соотношения   

K(PL  - Pso )> Psi .                           (11)

Здесь K=KPaKM2, где KPa  коэффициент передачи суммарного излучения при прохождении через поляризатор Pa, а KM2 = 0,5, коэффициент передачи через полупрозрачное зеркало M2. Можно показать, что для схемы на рис.2 значение множителя K в соотношении (11) должно стать K  0,2, и условие (11) поддержания генерации импульсов в ГОИ в этом случае примет вид  

0,2(PL  - Pso )> Psi,.                          (12)

Отметим, что при этом частота генерируемых импульсов в соответствии с соотношением (8) будет определяться оптической длиной контура замкнутой оптической задержки ГОИ.

УДК 681.7.068.4.089.6

ЧАСТОТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

В.М. Балабан, Ю.П. Мачехин, А.И. Расчектаева, Е.П.Тимофеев

Аннотация Рассмотрены вопросы метрологического обеспечения параметров оптического волокна, предложен новый метод измерения времени распространения лазерного излучения в оптическом волокне реализованный в национальном эталоне Украины.

Annotation Questions of metrological assurance of parametres of an optical fibre are considered, the new method of measurement of time of distribution of laser radiation in an optical fibre realised in the national standard of Ukraine is offered.

1. Вступление

В настоящее время волоконно-оптические системы связи и передачи информации (ВОСП) стали доминирующими во всех индустриальных странах мира. Одним из центральных направлений дальнейшего развития ВОСП являются ТDM, WDM и DWDM системы передачи информации [1]. Главной особенностью этих систем является разделение во времени (ТDM) или по частоте (WDM) информационных сигналов. Международным телекоммуникационным союзом (ITU) был разработан частотный план [2], в соответствии с которым весь частотный диапазон разделяется на спектральные каналы шириной 100 ГГц. С развитием оптической связи ширина этих каналов последовательно будет уменьшаться и, соответственно, увеличиваться количество каналов.  В перспективе ширина каждого канала будет не более 12,5 ГГц. Понятно, что при таких частотных полосах не только стабильность частоты излучения должна обеспечивать прохождение оптических сигналов только по заданному частотному каналу, но и качество оптического волокна начинает влиять на прохождение оптических информационных импульсов. С другой стороны, существуют научные задачи, решение которых основывается на применении обычных оптических линий связи, но при этом их характеристики оказывают принципиальное влияние на качество выполняемых измерений. К таким задачам относятся вопросы передачи высокостабильных оптических частотных сигналов с относительной нестабильностью до 10-17 по оптическим каналам связи длиной до 1000 км. В этой связи точное знание параметров используемых оптических каналов связи необходимо для решения очень важных научных и прикладных задач.

При производстве одномодового волокна (ОВ) его сертифицируют на основе результатов измерений параметров оптического волокна. В процессе длительной эксплуатации ВОСП в оптическом волокне возникают деградационные эффекты, приводящие к изменению параметров волокна, в частности возрастанию потерь, а также внезапным нарушениям целостности оптического волокна.

Все перечисленные задачи требуют знания длины оптического волокна, и погонных потерь, на основе  измерении временных интервалов распространения оптического импульса в волокне. Эти измерения обычно проводятся с помощью оптических рефлектометров (ОР). Принцип работы оптического рефлектометра заключается в измерении интенсивности релеевского рассеяния при распространении по волокну зондирующего импульса. Вопросы калибровки оптических рефлектометров ранее рассматривались неоднократно (например, [3]). Преимущество измерений по обратному расстоянию состоит в том, что они требуют доступа только к одному концу волокна, при этом позволяют определить состояние волокна на протяжении всей его длины.

На Украине эксплуатируется более 300 оптических рефлектометров. В связи со стремительным развитием оптической связи (увеличением объемов и скорости передачи данных) фирмы-производители рабочих средств измерительной техники (СИТ) постоянно совершенствуют характеристики приборов, расширяют диапазоны измерений и повышают точность измерений. Поэтому условия и средства калибровки этих приборов также требуют совершенства и модернизации.

Целью настоящей работы была разработка  высокоточного метода и средства калибровки  СИТ измерения времени распространения лазерного излучения в оптическом волокне.

2. Метод измерения временних  интервалов

В работах [3, 4] были подробно исследованы условия формирования в замкнутом оптическом контуре, с линией задержки, периодического оптического сигнала, который по своей форме очень близок к форме меандра. В связи с чем, генерируемый сигнал был назван оптическим меандром. Временные характеристики оптического меандра однозначно связаны с физической длиной линии задержки.

Как было показано в [4], устойчивость генерации зависит от стабильности усиления оптического сигнала в замкнутом контуре. В отсутствие усиления работа системы становится неустойчивой, точнее, генерируемая последовательность оптических импульсов представляет собой последовательностью затухающих по амплитуде импульсов. Контролируемое усиление оптического сигнала требует сложного аппаратного обеспечения. В этой связи, для реализации метода [4] требуются такие технические условия, которые обеспечат формирование стабильного уровня амплитуды оптического меандра.

Модифицированный генератор оптического меандра основан на управлении работой полупроводникового лазера через волоконную линию задержки. Если измерить частоту  следования оптического меандра в случае, когда оптическое волокно внесено в тракт задержки оптического сигнала, а частоту генерации  в случае, когда волокно изъято из  оптического тракта, то по этим двум частотам можно вычислить время распространения оптического излучения в волокне по (1):

.                      (1)

Исследуемое оптическое волокно вводится в оптический тракт между оптическим аттенюатором и приемниками излучения. Цикл начинается с момента, когда напряжение на входе порогового устройства (компаратора) отсутствует. В этой ситуации включается питание полупроводникового лазера и генерируемое оптическое излучение заполняет всю линию задержки. Как только оптическое излучение достигает фотоприемника, электрический сигнал с выхода фотоприемника поступает на компаратор  Когда напряжение на входе компаратора превысит пороговое значение, то блок питания источника оптического излучения через некоторое время, определяемое постоянными времени порогового устройства и самого блока питания, выключит питание полупроводникового лазера. В результате излучение перестает поступать на вход оптического волокна, полностью выходит из него (в течение времени, пропорционального оптической длине волокна), после чего сигнал на выходе фотоприемника и напряжение на входе порогового устройства уменьшаются до нуля.

В момент, когда напряжение на входе порогового устройства становится меньше порогового значения, блок питания источника оптического излучения (опять же, через время, определяемое постоянными времени порогового устройства и самого блока питания) включает лазер. Непрерывное излучение снова поступает на вход оптического волокна, полностью заполняет его, после чего сигнал на выходе фотоприемника и напряжение на входе порогового устройства увеличиваются до первоначального значения. При этом в момент, когда напряжение на входе порогового устройства превысит пороговое значение, блок питания выключит полупроводниковый лазер и описанный выше процесс повторится с начала.

Таким образом, устройство генерирует периодическую последовательность прямоугольных импульсов, частота следования которых определяется суммарной постоянной времени распространения сигнала по электронному участку цепи, включая фотоприемник оптического излучения, и пороговое устройство.

Основным эффектом влияющим на погрешность измерения времени распространения оптического сигнала, является нестабильность величины постоянной времени электронного участка цепи. Проведенные исследования показали, что минимизацию погрешности измерения частоты следования импульсов или длительности времени распространения оптического излучения по замкнутому контуру, можно осуществить контролируя времени прохождения сигнала по электронному участку цепи. Была установлена зависимость времени прохождения электрического сигнала от амплитуды оптического сигнала. Для управления влиянием этого эффекта в состав комплекса был введен оптический аттенюатор. С помощью оптического аттенюатора осуществлялось уменьшение или увеличение ослабления, что позволяло добиться максимального значения частоты генерации последовательности импульсов. Экспериментально измеренная зависимость частоты следования прямоугольных импульсов от значения затухания, установленного с помощью оптического аттенюатора, представлена на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость частоты следования прямоугольных импульсов от значения затухания, установленного с помощью оптического аттенюатора

Существенно, что суммарная постоянная времени электронного участка цепи, не зависит от  наличия волокна в оптическом тракте

3. Средства измерений наивысшей точности

Разработанная методика измерения времени распространения оптического сигнала по исследуемому волокну, была использована при создании Государственного первичного эталона Украины единиц средней мощности в импульсе излучения, мощности непрерывного излучения в световоде. и времени распространения излучения в световоде. На рис. 1 показан комплекс аппаратуры эталона для воспроизведения единицы времени распространения излучения в световоде.

Основой эталона Украины стал автогенератор с оптической линией задержки, в цепях которого происходит преобразование оптического сигнала в электрический и наоборот. Для работы в инфракрасном диапазоне спектра излучения в автогенератор введены PIN фотодиоды на базе германия (Ge) и индий-галий-арсенида (InGaAs). Тем не менее, поскольку последние лишены таких недостатков германиевых фотодиодов, как температурная зависимость, то для выполнения прецизионных калибровочных работ в эталонном измерителе используется фотодиод на базе InGaAs.

Эталонные меры времени распространения излучения в световоде представляют собой оптическое волокно, намотанное на стандартные катушки и помещенное в термостатированный корпус. Хранение эталонных мер включает в себя периодическое измерение их длины в линии задержки оптического автогенератора.

Погрешность измерения оптической длины волокна  полностью определяется погрешностями измерения частот генерации  и , а также нестабильностью этих частот. Такие частоты можно измерять с относительными погрешностями порядка 10-8 – 10-9, которые значительно ниже возможных погрешностей измерения оптической длины волокна в эталоне. Очевидно, что более важным фактором, определяющим суммарную погрешность измерения оптической длины, является нестабильность частот генерации.

Аппаратура обеспечивает воспроизведение времени распространения излучения в световоде на фиксированных длинах волн со среднеквадратическим отклонением (СКО) результата измерения SТ, которое не превышает (110-11+0,510-6Т) с. Неисключенная систематическоая погрешностью (НСП) Т, не превышает (210-11+210-6Т) с. Расширенная неопределенность не превышает U0,95=(2,510-11+210-6Т) с для доверительной вероятности p=0,95; и U0,99=(3,7510-11+310-6Т) с для доверительной вероятности p=0,99 [8].

Сравнивая основные характеристики двух национальных эталонов России и Украины (таблице 1) можно сделать вывод об успешности применения разработанного метода в эталоне. Достигнуто  значительное повышение точности воспроизведения  единицы времени распространения излучения в оптическом волокне (длины оптического волокна

3. Заключение

Воспроизведение единицы длины волокна осуществляется путем прямого измерения времени распространения электромагнитной волны в оптическом волокне, что связано с современным определением метра, принятым в 1983 году Международной комиссией по мерам и весам, и связывает единицу длины с единицей времени и частоты через фундаментальную константу скорость света, значение которой принято по международному соглашению.

Практическое значение полученных результатов состоит в следующем. Разработан и экспериментально подтвержден метод измерения времени распространения излучения в световоде (длины оптического волокна). На основании исследования существующих конструкций генераторов оптических импульсов впервые в Украине разработан и внедрен автогенератор оптических импульсов с оптической линией задержки. Государственный первичный эталон единиц средней мощности в импульсе излучения, мощности непрерывного излучения в световоде и времени распространения излучения в световоде обеспечивает единство и достоверность измерений времени распространения излучения в световоде, мощности непрерывного излучения в световоде и средней мощности в импульсе излучения в Украине.

Метрологические характеристики государственного первичного эталона единиц средней мощности в импульсе излучения, мощности непрерывного излучения в световоде и времени распространения излучения в световоде в части воспроизведения единицы времени распространения излучения в световоде превосходят аналогичные характеристики Российского государственного эталона.

Литература.

[1] Андрэ Жирар. Руководство по технологии и тестированию систем WDM. Москва: EXFO, 2001. 262 c.

[2] International telecommunication union. G.694.1 Spectral grids for WDM application; DWDM frequency grid. 2002.

[3] Machekhin Yu.P., Raschektayeva A.I. Мetrology maintenance optic time-domain reflectometers //Proc. LFNM`2001 3nd International Workshop on Laser and Fiber-Optical Networks Modeling. 2001. РР. 202-205.

[4] Данелян А.Г., Мачехин Ю.П., Расчектаєва А.И., Исследование устойчивой работы генератора оптического меандра // Прикладная электроника. 2007. Том 6. № 4. С. 578–582.

 


 

Рис. 1. Комплекс аппаратуры эталона для воспроизведения единицы времени распространения излучения в световоде

Таблица 1.

 

Расширенная неопределенность

(с)

Диапазон воспроизводимых значений времени распространения оптического сигнала Т (с)

Диапазон воспроизводимых значений длины

L (м)

Национальный специальный эталон (Российская федерация) [4-6]

от 8×10-10 до 4,8×10-9

от 1×10-7 до 5×10-3

от 1×101 до 5×105

Государственный эталон ДЕТУ 11-03-09 (Украина)

от 2,5×10-11  до 3×10-9

от 1,5×10-8 до 1,5×10-3

от 3 до 3×105


ЛИТЕРАТУРА

  1.  Quinn T.J.  //  "Practical Realization of the Definition of the Metre".// "Metrologia". - 1999. - V. 36, No 3 (June 1999), pp. 211-244.
  2.  "Besoins nationaux et internationaux dans le domaine de la metrologie: les collaborations internationales et le rôle du BIPM"; English version: "National and international needs relating to metrology: International collaborations and the role of the BIPM". A report prepared by the CIPM for the governments of the Member States of the Convention of the Metre. 1998. Intergovernmental Organization of the Metre. Édité par le BIPM, Pavillon de Breteuil, F-92312, Sèvres Cedex, France.pp. 71-132.
  3.  Аззам Р., Башара Н. // "Эллипсометрия и поляризованный свет". //– Изд. "Мир", М.,1981.
  4.  Шерклифф У. // "Поляризованный свет". – Изд. "Мир", М., 1965.
  5.  Данелян А.Г., Датиашвили Г.В., Мачехин Ю.П. Давитулиани А.А., Данелян В.А. // "О некоторых возможностях формирования или генерирования калиброванных по длительности импульсов света". // Научные труды 3-ей международн. Научн.-технич. конф. «Метрология в электронике», г. Харьков, 11-12 окт. 2000г., с. 107-109.
  6.  Danelyan A., Garibashvili D.,  Machekhin Yu., Mkrtichyan S., Paroshin Yu., Shotashvili S.// "Method of Increasing of Resolution of Frequency Comparisons of the Frequency Standards".// "Bulletin of the Georgian Academy of Sciences". July-August 2004, Vol. 170,  № 1, p.p. 70-73. Tbilisi.
  7.  Данелян А.Г., Гарибашвили Д.И., Мачехин Ю.П., Данелян В.А. // "Система для  прецизионных измерений изменений фазы и фазовой нестабильности излучения стандартов оптических частот".// "Прикладная радиоэлектроника", 2004 г., Харьков.
  8.  Stein S., Glaze D., Levine J., Gray J., Hillard D., Howe D., and Erb E.A. // IEEE Trans.Instrum. Meas., vol. IM-32, pp.227-231, 1983.
  9.  Уоллс Ф.Л., Аллен Д.У. // "Измерения стабильности частоты". // ТИИЭР.- т.74.- № 1.- 1986.- с. 182-188.
  10.  Гарибашвили Д.И., Данелян А.Г., Данелян В.А., Датиашвили Г.В., Кававлов А.Л., Кравченко С.А., Фоменков В.В. // "Регулируемый волоконно-оптический фазовращатель электрических сигналов".// "Измерительная техника", 1997 г., № 2, с.26-29.

21

PAGE  20

  1.  

Так как спектральные линии, изображенные на рис. 3.4, некогерентны, результирующая интенсивность равна сумме интенсивностей (сплошная кривая на рис. 3.4). Наличие провала в центре кривой распределения интенсивности указывает на условный характер критерия Рэлея.

Для разрешающей способности дифракционной решетки легко получить из выражения (3.3):

(3.10)


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

2715. Загрязнение Мирового океана. Очистка сточных вод 30 KB
  Загрязнение Мирового океана. Очистка сточных вод Цели:  изучение основных видов загрязнения водных ресурсов Земли;  показать, что в последние годы объемы и скорость выбросов в водную среду превосходят возможности биосферы к их разбавлению ...
2716. Организм и среда 31.84 KB
  Организм и среда  Для учителя. Данное задание может быть использовано на разных этапах обучения: от начального до завершающего. В таблице записаны несколько основных свойств живых организмов и особенности взаимодействия организма с окружающей с...
2717. Занятие на тему Экологические права граждан 26.3 KB
  Занятие на тему Экологические права граждан Цель занятия, 1. Способствовать повышению уровня экологических правовых знаний 2. Показать ученикам, какими экологическими правами обладает гражданин нашей страны на конкретных примерах – ситуациях....
2718. Азот и фосфор — элементы жизни 26.04 KB
  Азот и фосфор — элементы жизни. Урок-игра Счастливый случай. Химия для гуманитариев Цели.  Обобщить знания учащихся о составе и свойствах соединений азота и фосфора. Развить практические умения определять вещества по качественным реакция...
2719. Антропогенные факторы воздействия на биогеоценозы 64.5 KB
  Антропогенные факторы воздействия на биогеоценозы Цели: Выделить главные факторы влияния человека на окружающую среду. Способствовать развитию речи, навыков самостоятельной работы, коммуникативных способностей учащихся. Способствовать воспитанию у д...
2720. Планеты земной группы. Планеты-гиганты 77 KB
  Астрономия - 11-й класс. Базовый курс. Планеты земной группы; Планеты-гиганты Тема: Планеты земной группы. Урок по методу проектов. Астрономия – 11 класс. Базовый курс. Дать новые знания. Разобрать основные особенности планет земной группы. Дать представление о проектной деятельности и разработать элементарный проект по заданной проблеме.
2721. Атомная энергетика и ее экологические проблемы 35.59 KB
  Атомная энергетика и ее экологические проблемы Цели: На основе многочисленных достоверных фактов анализировать и привести выводы по следующим вопросам: Существует ли опасность мирного атома? Опасна ли атомная энергетика? Загрязнении...
2722. Темперамент личности 161.44 KB
  Бинарный урок по теме: Темперамент личности Одним из факторов активизации познавательной деятельности учащихся является проведение так называемых нетрадиционных уроков по различным предметам. Учащиеся не только узнают новое в каком-то необычном ра...
2723. Через тернии – к звездам 69.62 KB
  Внеклассное мероприятие, посвященное Дню космонавтики. КВН Через тернии – к звездам Пояснительная записка По данному сценарию я дважды проводила внеклассное мероприятие, посвящённое Дню Космонавтики: 12 апреля 2001 года (к 40-летию со дня пол...