Оптико-электронные измерительные системы на основе квази-распределенных волоконно-оптических брэгговских датчиков, страница 13

Для частоты дискретизации /л=2 МГц (эквивалентно длительности импульса т„=500 нс) поток, эквивалентный шуму, составит 6,2 нВт, то есть шумы ФПУ будут как и шумы фотодиода обратно пропорциональны корню из полосы частот. Соответственно, требуемый уровень сигнала может быть найден из соотношения: (2.39) Рг =И'Рэ'.ш опт То есть, например, для частот дискретизации 10 МГц и 2 МГц, требуемые уровни мощности составят 560 нВт и 248 нВт соответственно.

Такие уровни сигнала достаточно легко обеспечить, так что проблема обеспечения требуемого уровня сигнала для измерения длины волны, достаточно легко решается (при помощи обычного разветвителя). Далее необходимо провести анализ потенциально достижимой погрешности измерения брэгговской длины волны, а также максимального динамического диапазона. На погрешность определения резонансной длины волны в соответствии с выражением 2.32 влияют следующие факторы; погрешность определения дискретных значений длин волн Л„, погрешность определения интенсивностей отраженного сигнала 1,, число Фдискретньгх значений Л„ и ~, в пределах ширины спектра брэгговской решетки.

Число дискретных отсчетов И=9 уже выбрано в соответствии с рекомендациями, приведенными работе ~431, погрешность измерения длины волны 51~=1 пм определена предложенным для разработки измерителем длины волны, то единственной неопределенной составляющей осталось максимальная погрешность измерения интенсивностей ?„. Для ее определения рационально использовать имитационный метод. Для этого осуществляется следующие операции: 1) моделируется контур брэгговской решетки с известной резонансной длиной волны„.

2) генерируются И=9 значений длин волн Х; и интенсивностей 1; в пределах контура решетки; 3) генерируется набор длин волн с погрешностями Х„„- для этого к значениям Х; добавляются случайные величины в диапазоне -1 ...+1 пм; 4) генерируется набор измеренных интенсивностей 1„; (для этого к исходным значениям интенсивностей 1„ добавляется шум заданной амплитуды) 5) вычисляется брэгговская длина волны по формуле 2.34 (используются Х„;, и 1„„) и находится погрешность ее определения, При моделировании по описанной выше методике было выявлено, что погрешность измерения резонансной длины волны менее 10 пм достигается при отношении сигнал/шум р>8. Для завершения анализа данного метода необходимо определить динамический диапазон.

Если допустить, что максимальная мощность лазера Р„=7мВт (значение взято из спецификации ТЬВ-6600) и длительность импульса т„=500 нс, потери на разветвителях и отводимую мощность для измерения длины волны аида= 3,6 дБ, коэффициент отражения решеток Ядр=0,9 то допустимые потери в линии могут быть определены исходя из следующего соотношения: (2.40) а,=10 1оа(Р, Я, /Р)-а,,„, и составят а,=48 дБ. Из аналогичных вычислений для длительности импульса т„=100 нс, а,=44,3 дБ, Приведенные значения динамических диапазонов соответствуют потерям в ОВ длиной более 80 км.

Итак, в ходе разработки методики расчета квази-распределенной систем данного типа было выявлено, что: 1) предельная частота опроса датчиков ограничена максимально возможной скоростью перестройки длины волны и требуемым рабочим спектральным диапазоном; 2) для данного метода регистрации могут быть получены малая погрешность определения резонансной длины волны (менее 10 пм) и очень большой динамический диапазон.

Исходя из этих результатов, можно сделать вывод, что данный метод регистрации сигнал с ВОБП рационально использовать в тех случаях, когда длина измеряемой линии велика и составляет десятки километров. 2.2.2. Разработка методик регистрации информационных сигналов с применением широкополосных источников излучении При применении широкополосного источника излучения, в принципе возможно одновременное измерение сигнала с каждой из решеток, вследствие чего возможна большая частота измерений. В то же время данные методы более ограничены по динамическому диапазону вследствие того, что широкополосные источники излучения имеют спектральную плотность энергии на несколько порядков ниже, чем перестраиваемые лазеры. Обобщенная структурная схема данных методов приведена на рис.2.13 ОВ ОВ ОВ Рис.2.13.

Структурная схема метода регистрации сигнала с квази- распределенной оптико-электронной измерительной системы на основе волоконно-оптических брэгговских преобразователей с широкополосного источника излучения. ОВ- оптическое волокно. В качестве анализатора оптического спектра могут быть использованы такие спектральные приборы, как монохроматор, интерферометр Фабри-Перо. Рассмотрим далее наиболее рациональные измерительные схемы.

2.2.2.1. Разработка методики регистрации сигналов с применением широкополосного источника излучения и монохроматора Наиболее эффективными широкополосными источниками излучения в ОВ являются светоизлучающий и супер-люминесцентный диоды, имеющие площадь излучающей поверхности несколько десятков квадратных мкм. Эффективность ввода излучения в одномодовое ОВ у таких источников излучения может составлять до 70% .

Полупроводниковые источники излучения обладают малыми габаритами, более высокой надежностью и долговечностью, что заставляет фактически однозначно останавливать выбор на них. Однако спектр излучения полупроводниковых источников ограничен- для суперлюминесцентного диода ширина спектра определяется шириной контура усиления и составляет 40-100нм (по уровню 0,5 для современных гетероструктур на квантовых точках). Для получения источников излучения с более широким спектром может быть использовано несколько СЛД с разной центральной длиной волны, соединенные вместе при помощи оптических разветвителей. Потенциальная мощность СЛД описывается следующим выражением 144~: .Р +(Е)=! П ( )=ЬОП1Я Р~~~ '~~ )I Я' — й (2.41) где Ь-постоянная Планка, ч- частота излучения, П- диаметр моды, К,р— скорость спонтанной эмиссии в направляемую моду, я- коэффициент усиления, а-коэффициент потерь на поглощение и рассеяние, 1,- длина активной области, с- скорость света.

Скорость спонтанной эмиссии, коэффициент усиления, коэффициент потерь- определяются свойствами гетероструктуры, и в принципе эти 83 характеристики при исследовании новых материалов могут улучшаться, диаметр моды не имеет смысла делать больше, так как снизится эффективность ввода излучения в ОВ. Наиболее легко варьируемым параметром является длина активной области. Однако ее тоже нет возможности увеличивать в значительных пределах, так как с ростом длины активной области по экспоненте будет расти и плотность тока в структуре, и при достижении ею критического значения, может возникнуть катастрофическая деградация- процесс необратимого изменения структуры, после которого СЛД перестанет работать.

Также одной из причин выхода СЛД из строя может стать выгорание анти-отражающего покрытия и превращения СЛД в лазер Фабри-Перо. Помимо перечисленных причин, есть и еще одна- при увеличении суммарного усиления повышается глубина модуляции излучения при отражении от граней, определяемая выражением 145): (2.42) где б=ехр®-а) Ь)- суммарный коэффициент усиления, Кь К~- коэффициенты отражения граней СЛД. Для мощности СЛД 30 мВт, коэффициент усиления 0 составляет около 1000 [49, с,125~. В этом случае,, для достижения уровня шумов спектральной плотности мощности излучения гп=0,02, требуются покрытия с коэффициентами отражения 0,001%, что трудно реализуемо на практике при современном уровне развития технологии интерференционных покрытий. В дальнейшем рассмотрим две возможные схемы регистрации: - измерение спектра с помощью полихроматора- монохроматора с матричным ФПУ (каждый пиксель регистрирует свой участок спектра); - измерение спектра с помощью монохроматора с одноплощадочным ФПУ (сканирование производится поворотом дифракционной решетки или зеркала).

В настоящее время выпускаются как матричные ФПУ из 1пбаАз для спектрального диапазона (900-1800 нм), так и кремниевые ПЗС матрицы (300-1200 вм), олиако матричные ФПУ на бюе !лбадз, кек уже было отмечала, стоит а шпик рэз дороже, а ксличеспю пикселов в якх меиьшк Вследствие этого, предстввляетс» пелеаюбразиым исп льзо трич» е ФПУ при щюектпрояаиии измерительной системм н соекградьн«м диацазоис 800-1200 нм я олиопл шавочцый ФПУ в диапазоне 1200-1700 ЗДД.(.1.

Разра(мгка мет даки регяетраивя вмформэцвоиимк евгяалев с иоакицью пелихроматорв. Типовая фуикциаяюьиал схем и лихроматора приведена на рис.2.14 Рис. 22 4. Функциональная схем» поп кхроматора (каждый п аксель ПЗС мвтрицм регистрирует олределепиый спектралькый диапазон) В даввых ушройствах юлучеиле с рэзавчиай длвиой волны отрэжаехса ст дифракдионмю решетки под рвзиымп углами Затем ишучевие фоку«ируетея ва ПЗС матркде. В резуюште жшшмй пиксель ПЗС матрицы решстрируег свою облюгь иматра. Спецификой давнего эмтода регистрации шшяетсч ю„что спектр репмтри(йетса псевдодиса(мтио.