RU2031363C1 - Method of measuring optical lengths and delays of fiber light guides and other fiber-optic elements - Google Patents
Method of measuring optical lengths and delays of fiber light guides and other fiber-optic elements Download PDFInfo
- Publication number
- RU2031363C1 RU2031363C1 SU4955376A RU2031363C1 RU 2031363 C1 RU2031363 C1 RU 2031363C1 SU 4955376 A SU4955376 A SU 4955376A RU 2031363 C1 RU2031363 C1 RU 2031363C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- fiber
- channels
- measured
- phase
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а именно измерению характеристик волоконных световодов, и может быть использовано при производстве световодов, в волоконно-оптической технике, в измерительной технике при создании и калибровке задержек на основе волоконных световодов и пассивных волоконно-оптических элементов (оптических ответвителей, волоконно-оптических переключателей и т.д.), при создании, исследовании и калибровке волоконно-оптических датчиков разных физических величин, а также может найти применение в оптических измерениях для измерения показателя преломления разных прозрачных сред (жидких, газообразных и т.д.). The invention relates to measuring equipment, namely, measuring the characteristics of optical fibers, and can be used in the manufacture of optical fibers, in fiber optic technology, in measuring technology for creating and calibrating delays based on fiber optical fibers and passive fiber optic elements (optical couplers, fiber optical switches, etc.), when creating, researching and calibrating fiber-optic sensors of different physical quantities, it can also be used in optical Measurements for measuring the refractive index of various transparent media (liquid, gaseous, etc.).
Наиболее близким к изобретению может быть метод, согласно которому модулированный по интенсивности гармоническим электрическим сигналом оптический сигнал делят на два оптических сигнала. Каждый из этих двух сигналов вводят в отдельный оптический канал, а выход каждого из этих двух оптических каналов является входом нуль-органа (компаратора), фиксирующего равенство фаз огибающих модулированных сигналов на выходах указанных оптических каналов. Closest to the invention may be a method according to which the intensity-modulated harmonic electrical signal of the optical signal is divided into two optical signals. Each of these two signals is introduced into a separate optical channel, and the output of each of these two optical channels is the input of a null-organ (comparator), fixing the phase equality of the envelopes of the modulated signals at the outputs of these optical channels.
В первый из оптических каналов включают измеряемый световод, и при этом имеется возможность путем введения специального отражателя установить этот отражатель на первом этапе измерения на входном торце измеряемого ВС, а на втором этапе измерения - на выходном торце измеряемого ВС. The measured optical fiber is included in the first of the optical channels, and it is possible, by introducing a special reflector, to install this reflector at the first measurement stage at the input end of the measured aircraft, and at the second measurement stage, at the output end of the measured aircraft.
Второй канал представляет собой регулируемую переменную оптическую задержку - комбинацию подвижной и неподвижной отражательных призм, обеспечивающую изменение оптической длины второго канала. При этом обеспечена возможность точного измерения изменения длины второго канала, для чего применен интерферометр Майкельсона (со счетчиком интерференционных полос), отражательное зеркало одного из плеч которого жестко связано с подвижной призмой второго канала. The second channel is an adjustable variable optical delay - a combination of movable and fixed reflective prisms, providing a change in the optical length of the second channel. At the same time, it is possible to accurately measure changes in the length of the second channel, for which a Michelson interferometer (with a counter of interference fringes) is used, the reflective mirror of one of the arms of which is rigidly connected with the movable prism of the second channel.
Измерение оптической длины ВС данным устройством производят следующим образом. Сначала отражатель устанавливают на входном торце измеряемого ВС, перемещением подвижных элементов обоих каналов добиваются нулевого показания на нуль-органе, установленном на выходах каналов (выравнивают оптические длины обоих каналов). При этом показания счетчика интерферометра Майкельсона, связанного со вторым каналом, устанавливают в нулевое положение. The measurement of the optical length of the aircraft by this device is as follows. First, the reflector is installed at the input end of the measured aircraft, by moving the movable elements of both channels, a zero reading is achieved on the zero-organ installed at the channel outputs (the optical lengths of both channels are aligned). In this case, the readings of the Michelson interferometer counter associated with the second channel are set to zero.
Затем отражатель устанавливают на выходном торце измеряемого световода, в результате чего показания нуль-органа в общем случае будут отличаться от нуля из-за изменения оптической длины первого канала на двойную оптическую длину измеряемого ВС. Затем перемещением подвижной призмы второго канала вновь добиваются нулевого отсчета на нуль-органе (т.е. вновь выравнивают оптические длины первого и второго каналов), а счетчиком интерферометра Майкельсона по изменению интерференционной картины определяют изменение оптической длины второго канала, т.е. измеряемого световода. Then, the reflector is installed at the output end of the measured fiber, as a result of which the readings of the null organ in the general case will differ from zero due to a change in the optical length of the first channel by the double optical length of the measured aircraft. Then, by moving the movable prism of the second channel, a zero reading on the null organ is again achieved (i.e., the optical lengths of the first and second channels are aligned again), and the Michelson counter determines the change in the optical length of the second channel by changing the interference pattern, i.e. measured fiber.
Точность этого метода фактически ограничена лишь чувствительностью нуль-органа, фиксирующего совпадение фаз огибающих модулированных сигналов в каналах. The accuracy of this method is actually limited only by the sensitivity of the null organ, fixing the coincidence of the phases of the envelopes of the modulated signals in the channels.
Недостатком является применение во втором канале регулируемой оптической задержки. The disadvantage is the use of an adjustable optical delay in the second channel.
Способ измерения оптических длин (задержек) волоконных световодов и других пассивных волоконно-оптических компонентов по изобретению основан на использовании модулированного по интенсивности гармоническим электрическим сигналом оптического излучения, которое делят на два световых потока, каждый из которых вводят в свой оптический канал. В один из указанных каналов в процессе измерения включают измеряемый световод; выходное излучение каждого из каналов вводят в фазовый компаратор, фиксирующий нулевые значения разностей фаз огибающих модулированных сигналов в каналах. The method of measuring the optical lengths (delays) of optical fibers and other passive fiber-optic components according to the invention is based on the use of optical radiation modulated in intensity by a harmonic electric signal, which is divided into two light fluxes, each of which is introduced into its optical channel. In one of these channels during the measurement process include the measured fiber; the output radiation of each channel is introduced into a phase comparator, fixing zero values of the phase differences of the envelopes of the modulated signals in the channels.
Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении процесса измерения и сохранения при этом высокой точности в широком диапазоне изменений оптических длин световодов. The technical result from the use of the invention is to simplify the process of measuring and maintaining high accuracy in a wide range of optical lengths of optical fibers.
Это достигается тем, что для измерения оптических длин световодов сначала предварительно устанавливают значение эквивалентной оптической разности длин каналов без подключения измеряемого элемента, для чего изменяют частоту модулирующего сигнала и запоминают два значения частоты f1 и f2 модулирующего сигнала, при которых фазовый компаратор фиксирует два соседних последовательных нулевых значений разностей фаз. Затем в один из каналов включают измеряемый пассивный волоконно-оптический элемент, увеличивая при этом оптическую длину этого канала на длину измеряемого элемента, вновь при этом изменяют частоту модулирующего сигнала и запоминают два новых значения частоты f3 и f4 модулирующего сигнала, при которых фазовый компаратор фиксирует уже два новых соседних последовательных нулевых отсчета разностей фаз. Значение искомой оптической длины пассивного волоконно-оптического элемента вычисляют по выражению:
L=C - где С - скорость света.This is achieved by the fact that for measuring the optical lengths of the optical fibers, the equivalent optical difference of the channel lengths is first pre-set without connecting the measured element, for which the modulating signal frequency is changed and two values of the modulating signal frequency f 1 and f 2 are stored, at which the phase comparator fixes two adjacent consecutive zero values of phase differences. Then, the measured passive fiber-optic element is included in one of the channels, while increasing the optical length of this channel by the length of the measured element, again, the frequency of the modulating signal is changed and two new values of the frequency f 3 and f 4 of the modulating signal are stored, at which the phase comparator fixes already two new adjacent consecutive zero counts of phase differences. The value of the desired optical length of the passive fiber optic element is calculated by the expression:
L = C - where C is the speed of light.
Значение задержки сигнала в измеряемом пассивном волоконно-оптическом элементе вычисляют по выражению:
τ = -
Способ заключается в следующем. Сущность способа измерения оптических длин и задержек пассивных волоконно-оптических элементов можно пояснить следующим образом.The signal delay value in the measured passive fiber optic element is calculated by the expression:
τ = -
The method is as follows. The essence of the method of measuring the optical lengths and delays of passive fiber optic elements can be explained as follows.
Зависимость интенсивности модулированного оптического излучения от времени t можно представить выражением:
I=I =+Iosin( ωt+ φo)=I =+Iosin(2 πf+ φ), (1) где I= - постоянная составляющая оптического излучения;
Io - амплитуда модулированного излучения;
φo - начальная фаза модулированного сигнала;
f - частота модулированного сигнала.The dependence of the intensity of the modulated optical radiation on time t can be represented by the expression:
I = I = + I o sin (ωt + φ o ) = I = + I o sin (2 πf + φ), (1) where I = is the constant component of optical radiation;
I o - the amplitude of the modulated radiation;
φ o - the initial phase of the modulated signal;
f is the frequency of the modulated signal.
При этом справедливо соотношение:
λf= C, (2) где λ - длина волны модулирующего сигнала (электрического сигнала);
С - скорость распространения электромагнитных волн.Moreover, the ratio is true:
λf = C, (2) where λ is the wavelength of the modulating signal (electrical signal);
C is the propagation velocity of electromagnetic waves.
Кроме того, оптической длиной L оптического элемента называется произведение геометрической длины траектории света в элементе на показатель преломления среды n этого элемента. In addition, the optical length L of an optical element is the product of the geometric length of the light path in the element and the refractive index of the medium n of this element.
L=nl, (3) где l - геометрическая длина траектории света в элементе. L = nl, (3) where l is the geometric length of the light path in the element.
Эквивалентная оптическая длина какого-либо оптического канала определяется суммой оптических длин всех составляющих этот канал элементов. The equivalent optical length of an optical channel is determined by the sum of the optical lengths of all the elements making up this channel.
Изобретение поясняется на фиг.1-3. The invention is illustrated in figures 1-3.
Согласно представленной на фиг.1 схеме направляют модулированное по интенсивности гармоническим сигналом оптическое излучение, интенсивность которого определяется выражением (1), на светоделитель D (например, полупрозрачное зеркало, призменный кубик или световодный ответвитель 1х2 и т.д. ), т.е. делят входное излучение на два модулированных по этому же выражению (1) световых потока, но с меньшими по сравнению со входным излучением интенсивностями и амплитудами. According to the diagram shown in Fig. 1, the optical radiation modulated in intensity by a harmonic signal, the intensity of which is determined by expression (1), is sent to a beam splitter D (for example, a translucent mirror, a prism cube or a 1x2 light guide coupler, etc.), i.e. divide the input radiation into two light flux modulated by the same expression (1), but with lower intensities and amplitudes compared to the input radiation.
Каждый из этих двух модулированных по интенсивности световых потока вводят в отдельный оптический канал (всего два канала). Каналы могут быть созданы на основе пассивных элементов, как чисто оптически, так и на основе волоконно-оптических элементов, и могут иметь разность эквивалентных оптических длин в очень широких пределах (например, от 0 до 103-104 м).Each of these two intensity-modulated light fluxes is introduced into a separate optical channel (two channels in total). Channels can be created on the basis of passive elements, both purely optical and on the basis of fiber-optic elements, and can have a difference of equivalent optical lengths in a very wide range (for example, from 0 to 10 3 -10 4 m).
Выходное излучение каждого из каналов вводят в фазовый компаратор К, который обеспечивает фиксацию с высокой точностью совпадения фаз огибающих (равенства нулю разностей фаз) поступающих на него модулированных сигналов. В канал (например 1) включают измеряемый элемент через световые контакты а и b (световые соединители), как это показано на фиг.2, или соединяют эти контакты накоротко между собой, как это показано на фиг.1. The output radiation of each of the channels is introduced into the phase comparator K, which ensures fixing with high accuracy the coincidence of the phases of the envelopes (equal to zero phase differences) of the modulated signals arriving at it. In the channel (for example 1) include the measured element through the light contacts a and b (light connectors), as shown in figure 2, or connect these contacts shortly with each other, as shown in figure 1.
Рассмотрим сначала случай, показанный на фиг.1. Consider first the case shown in FIG. 1.
Если оптические каналы I и II имеют равные оптические длины, то модулированные по интенсивности сигналы в оптической форме поступают на компаратор К в одинаковых фазах, наблюдают нулевое показание компаратора. Если же оптические каналы I и II имеют неравные длины, то выходные сигналы будут поступать на компаратор К со сдвигом фаз Δφ, значение которого можно связать с разностью длин каналов и частотой модулирующих сигналов из следующей пропорции. If the optical channels I and II have equal optical lengths, then the intensity-modulated signals in optical form arrive at the comparator K in the same phases, and the comparator reads zero. If the optical channels I and II have unequal lengths, then the output signals will go to the comparator K with a phase shift Δφ, the value of which can be associated with the difference in the channel lengths and the frequency of the modulating signals from the following proportion.
Разности оптических длин каналов L1, равной по величине длине волны модулирующего излучения λ = (где f - частота модулирующего излучения) соответствует разность фаз сигналов, поступающих на компаратор, равная 2 π= 360о.The difference of the optical channel lengths L 1 , equal in magnitude to the wavelength of the modulating radiation λ = (where f is the frequency of the modulating radiation) corresponds to the phase difference of the signals supplied to the comparator, equal to 2 π = 360 about .
Произвольной же разности оптических длин каналов L соответствует разность фаз сигналов, поступающих на компаратор, равная Δφ, т.е. L1=λ= __→ 2π= 360o.The arbitrary difference of the optical lengths of the channels L corresponds to the phase difference of the signals supplied to the comparator, equal to Δφ, i.e. L 1 = λ = __ → 2π = 360 o .
Отсюда можно составить пропорцию:
_ = или
Δφ = 2π = 2π = 2π т.е. Δφ = 2π (4)
Согласно выражению (3) L=ln, то
Δφ = 2π
(5)
Выражения (4) и (5) связывают значения разностей фаз сигналов на выходах каналов с эквивалентной оптической разностью длин или просто геометрических длин каналов и частотой модулирующего сигнала. На практике по-видимому удобнее пользоваться выражением (4), тем более в случаях, когда требуется определять задержку в каналах.From here you can make the proportion:
_ = or
Δφ = 2π = 2π = 2π i.e. Δφ = 2π (4)
According to the expression (3) L = ln, then
Δφ = 2π
(5)
Expressions (4) and (5) connect the values of the phase differences of the signals at the outputs of the channels with the equivalent optical difference in the lengths or simply the geometric lengths of the channels and the frequency of the modulating signal. In practice, it is apparently more convenient to use expression (4), especially in cases where it is necessary to determine the delay in the channels.
Выражение (4) показывает линейную зависимость Δφ от f, если L - является постоянной величиной. Как следует из выражения (4) численное значение L определяет угол наклона зависимости разности фаз Δφ от частоты f. Разность длин каналов может быть образована, например, включенным в один из каналов волоконным световодом большой протяженности. Expression (4) shows the linear dependence of Δφ on f, if L - is a constant. As follows from expression (4), the numerical value of L determines the angle of inclination of the dependence of the phase difference Δφ on frequency f. The difference in the lengths of the channels can be formed, for example, by a long fiber included in one of the channels.
Пусть разность длин каналов образована кварцевым волоконным световодом с геометрической длиной l порядка 1,05 км. Если учесть, что для волоконных световодов типа кварц-кварц показатель преломления сердцевины световода n ≈1,5, то это означает, что оптическая длина этого отрезка световода равна L ≈1575 м. Пусть при этом частота модуляции оптического излучения f=1 МГц=106 Гц.Let the channel length difference be formed by a quartz fiber waveguide with a geometric length l of the order of 1.05 km. If we take into account that for quartz-quartz fiber optical fibers, the refractive index of the fiber core is n ≈1.5, then this means that the optical length of this segment of the fiber is L ≈1575 m. Let the modulation frequency of optical radiation be f = 1 MHz = 10 6 Hz.
Это соответствует длине волны модулирующего сигнала
λ = = = 300 м Т.е. длина световода в несколько раз больше длины волны модулирующего сигнала. Согласно выражению (4) разность фаз Δφ, вносимая рассматриваемым световодом, составляет:
Δφ = 2π = 2π=5,25·2π=10,5π=1890°
Но все существующие измерители разностей фаз измеряют фазовые сдвиги лишь в пределах 0-360о (или -180о-+180о). В результате фазометр компаратора, не улавливая значения 10π=1800о, будет индицировать значение разностей фаз каналов, равное 90о, что может в равной степени соответствовать сдвигам фаз, равным и 90, и 450, и 810 и 1170о и т.д., т.е. возникает неоднозначность отсчета фазового сдвига.This corresponds to the wavelength of the modulating signal.
λ = = = 300 m i.e. the fiber length is several times the wavelength of the modulating signal. According to expression (4), the phase difference Δφ introduced by the fiber under consideration is:
Δφ = 2π = 2π = 5.25 · 2π = 10.5π = 1890 °
But all existing phase difference meters measure phase shifts only within the range of 0-360 о (or -180 о - + 180 о ). As a result, the comparator phasometer, without detecting 10π = 1800 о , will indicate the channel phase difference value equal to 90 о , which can equally correspond to phase shifts equal to 90, 450, 810 and 1170 о , etc. , i.e. the ambiguity of the phase shift count occurs.
Если изменить частоту f модулирующего сигнала и сделать ее, допустим, f=1,2 МГц=1,2 ˙106 Гц. Это соответствует длине волны модулирующего излучения:
λ = = ≈ 250 м
Т.е. длина волны уменьшилась, и этих длин волн на рассматриваемом отрезке световода отложится еще большее число по сравнению с предыдущим случаем. Согласно выражению (4) разность фаз Δφ, вносимая рассматриваемым световодом (L ≈1575 м) в этом случае составляет
Δφ = 2π = 2π=6,3·2π=22,6π=2268°
В этом случае фазометр компаратора будет регистрировать значения разности фаз, равное 108о, что может означать одновременно и 108о, и 468о и 828о и т.д., т.е. опять неопределенность и неоднозначность отсчета.If we change the frequency f of the modulating signal and make it, let us say, f = 1.2 MHz = 1.2 × 10 6 Hz. This corresponds to the wavelength of the modulating radiation:
λ = = ≈ 250 m
Those. the wavelength has decreased, and these wavelengths in the considered segment of the fiber will be postponed even more than in the previous case. According to expression (4), the phase difference Δφ introduced by the fiber under consideration (L ≈1575 m) in this case is
Δφ = 2π = 2π = 6.3.2π = 22.6π = 2268 °
In this case, the comparator phase meter will record the values of the phase difference equal to 108 о , which can mean both 108 о , and 468 о and 828 о , etc., i.e. again the uncertainty and ambiguity of the reference.
Авторами были измерены зависимости Δφ от f для многомодового волоконного световода типа кварц-кварц 50х125 мкм с градиентным профилем показателя преломления для разных геометрических длин l световода. Эти зависимости, приведенные на фиг.3, полностью подтвердили справедливость линейной зависимости от при разных значениях l (что то же самое и L) для любых пассивных оптических элементов. The authors measured the dependences of Δφ on f for a multimode optical fiber of the quartz-quartz type 50x125 μm with a gradient profile of the refractive index for different geometric lengths l of the optical fiber. These dependences, shown in figure 3, fully confirmed the validity of the linear dependence on for different values of l (which is the same as L) for any passive optical elements.
Это обстоятельство, а также возможность согласно выражению (4) изменения значения Δφ с задаваемым значением изменения f и достижение при этом значений Δφ, кратных 2 π, которые фазометр компаратора регистрирует с высокой степенью точности, как "нулевые" значения, позволяет исключить все неоднозначности измерений фазовых сдвигов, и таким образом измерения оптической длины волоконного световода или другого пассивного волоконно-оптического элемента следующим образом. This circumstance, as well as the possibility, according to expression (4), of changing the Δφ value with a given value of the change in f and achieving at the same time Δφ values that are multiples of 2 π, which the comparator phase meter registers with a high degree of accuracy as "zero" values, eliminates all measurement ambiguities phase shifts, and thus measuring the optical length of a fiber waveguide or other passive fiber optic element as follows.
Обратимся снова к условной схеме, приведенной на фиг.1. Проведем сначала предварительную установку разности длин оптических каналов, в которые еще не включен измеряемый элемент. Для этого модулированное согласно выражения (1) оптическое излучение введем на светоделитель D при замкнутых накоротко оптических соединителях а и b. Пусть при этом фазометр компаратора К показывает какое-то (отличное от нулевого) значение Δφ. Изменяя значение частоты f модулирующего сигнала (например, увеличивая его), можно найти первое значение частоты f1, при котором компаратор фазы К зафиксирует первое "нулевое" значение, которое может соответствовать какому-то значению разностей фаз Δφ1=2 πK, где K=0,1,2,3.... (K - целые числа). Согласно выражения (4) выполняется равенство
Δφ1=2πK = 2π
(6) где K - неопределенная величина; L - оптическая разность длин каналов.We turn again to the conditional circuit shown in figure 1. We first pre-set the difference in the lengths of the optical channels into which the measured element is not yet included. To do this, we introduce optical radiation modulated according to expression (1) to the beam splitter D with the optical connectors a and b short-circuited. Suppose that the phase meter of the comparator K shows some (different from zero) value of Δφ. Changing the value of the frequency f of the modulating signal (for example, increasing it), we can find the first value of the frequency f 1 at which the phase comparator K fixes the first “zero” value, which can correspond to some value of the phase difference Δφ 1 = 2 πK, where K = 0,1,2,3 .... (K are integers). According to expression (4), the equality
Δφ 1 = 2πK = 2π
(6) where K is an indefinite quantity; L is the optical difference between the channel lengths.
Продолжая плавное изменение частоты в этом же направлении можно найти следующее (соседнее) последовательное значение частоты f2, соответствующее следующему последовательному "нулевому" показанию компаратора:
Δφ2 = 2π(K+1) = 2π
(7)
Взяв разность выражений (7) и (8) получим:
Δφ2 - Δφ1=2 π(K+1)-2 πK=2π . Но в то же время:
Δφ2-Δφ1 = (f2-f1)2π т.е. 2π = (f2-f1)2π (8) или же L =
Выражение (8) дает значение эквивалентной оптической разности длин I и II каналов, что необходимо при предварительной установке.Continuing a smooth change in the frequency in the same direction, you can find the following (adjacent) sequential value of the frequency f 2 corresponding to the following sequential "zero" reading of the comparator:
Δφ 2 = 2π (K + 1) = 2π
(7)
Taking the difference of expressions (7) and (8) we get:
Δφ 2 - Δφ 1 = 2 π (K + 1) -2 πK = 2π. But at the same time:
Δφ 2 -Δφ 1 = (f 2 -f 1 ) 2π i.e. 2π = (f 2 -f 1 ) 2π (8) or L =
Expression (8) gives the value of the equivalent optical difference in the lengths of the I and II channels, which is necessary during pre-installation.
Затем в один из каналов, например в I канал, включают измеряемый пассивный волоконно-оптический элемент с искомой оптической длиной Lизм. Для этого этот элемент включают между оптическими соединителями а и b (фиг.2), т.е. оптическая разность длин каналов L увеличилась на значение Lизм и т.е. стала L+Lизм. Пусть при этом фазометр компаратора К показывает опять какое-то новое (отличное от нулевого) значение Δφ.Then, in one of the channels, for example in channel I, a measured passive fiber-optic element with the desired optical length L meas . To this end, this element is included between the optical connectors a and b (figure 2), i.e. the optical difference of the channel lengths L increased by the value of L ISM , i.e. became L + L rev . Let the phase meter of comparator K again show some new (different from zero) value Δφ.
Изменяя значение частоты f модулирующего сигнала (например, увеличивая его), можно снова найти значение частоты f3, при котором компаратор фазы К зафиксирует новое "нулевое" значение, соответствующее какому-то значению разностей фаз Δφ3=2π m, где m=0,1,2,3....By changing the frequency f of the modulating signal (for example, increasing it), we can again find the frequency f 3 at which the phase comparator K fixes a new “zero” value corresponding to some value of the phase difference Δφ 3 = 2π m, where m = 0 , 1,2,3 ....
Согласно выражению (4) выполняется равенство:
Δφ3 = 2πm 2π
(9) где m - неопределенная величина.According to the expression (4), the equality holds:
Δφ 3 = 2πm 2π
(9) where m is an indefinite quantity.
Продолжая плавное изменение частоты f в этом же направлении, можно найти следующее (соседнее) последовательное значение частоты f4, соответствующее следующему последовательному "нулевому" показанию компаратора:
Δφ4 = 2π(m+1) = 2π
(10)
Взяв разность выражений (10) и (9), получим
Δφ4 =2π (m+1)-2 πm=2 π.Continuing a smooth change in the frequency f in the same direction, we can find the following (adjacent) sequential value of the frequency f 4 corresponding to the following sequential "zero" reading of the comparator:
Δφ 4 = 2π (m + 1) = 2π
(10)
Taking the difference of expressions (10) and (9), we obtain
Δφ 4 = 2π (m + 1) -2 πm = 2 π.
И в то же время
Δφ4-Δφ3 = (f4-f3)·2π
т.е. 2π = (f4-f3)·2π или же L+Lизм = (11)
Взяв разность выражений (11) и (8) получим для искомой оптической длины Lизм измеряемого элемента:
Lизм=C - .And at the same time
Δφ 4 -Δφ 3 = (f 4 -f 3 ) 2π
those. 2π = (f 4 -f 3 ) · 2π or L + L meas = (eleven)
Taking the difference of expressions (11) and (8) we obtain for the desired optical length L meas from the measured element:
L ISM = C - .
(12)
Как видно из выражения (12), Lизм определяется лишь значениями измеренных частот f1, f2, f3 и f4, значением фундаментальной константы С и погрешностью фиксации "нулей" фазовым компаратором.(12)
As can be seen from expression (12), L ISM is determined only by the values of the measured frequencies f 1 , f 2 , f 3 and f 4 , the value of the fundamental constant C and the error in fixing the “zeros” by the phase comparator.
Были выполнены реальные измерения оптической длины световодов с применением компаратора фазы, фиксирующего значения разностей фаз на резонансной частоте 1 МГц (после преобразования частоты) с погрешностью по фазе, меньшей чем 0,001о при выборе частот f1-f4 в диапазоне 1-10 МГц. Получено, что изменению разности фаз на 0,001о, даже при больших длинах световодов, соответствует изменение частоты на ≈3,5 Гц.Real measurements were made of the optical length of the optical fibers using a phase comparator, fixing the values of the phase differences at the resonant frequency of 1 MHz (after frequency conversion) with a phase error of less than 0.001 about when choosing frequencies f 1 -f 4 in the range of 1-10 MHz. It was found that the change in phase difference of 0.001, even at large lengths of optical fibers corresponds to the frequency change ≈3,5 Hz.
Такое изменение частоты в этом диапазоне частот легко фиксируется современными электронно-счетными частотомерами. Значение скорости света С известно с погрешностью порядка 3 10-0, что не ограничивает точности измерений при вычислении по выражению (12).Such a change in frequency in this frequency range is easily fixed by modern electronically counted frequency meters. The value of the speed of light C is known with an error of the order of 3 10 -0 , which does not limit the accuracy of measurements when calculated by expression (12).
По проведенной оценке, погрешность определения оптических длин по выражению (12) не превышает 0,005 м. При этом для реализации предложенного способа нет необходимости в прецизионной, регулируемой по длине оптической задержке. According to the assessment, the error in determining the optical lengths according to expression (12) does not exceed 0.005 m. However, for the implementation of the proposed method there is no need for a precision optical delay that is adjustable in length.
Способ позволяет измерять оптические длины измеряемых пассивных волоконно-оптических элементов в широких пределах от 0 до 104 м.The method allows to measure the optical lengths of the measured passive fiber optic elements in a wide range from 0 to 10 4 m
Способ можно применить при исследовании и разработке волоконно-оптических датчиков, изменяющих свою оптическую длину при внешних воздействиях. Способ может быть применен также и для оценки показателя преломления прозрачных жидкостей, если вместо измеряемого волоконно-оптического элемента между оптическими контактами а и b на фиг.2 включить кювету с предварительно известной геометрической длиной l, частоты f1 и f2 измерить при пустой кювете, а частоты f3 и f4 - при заполненной жидкостью кювете. Тогда согласно выражения (12) можно вычислить значение Lизм, а показатель преломления n в этом случае можно вычислить из выражения (3) при известном значении l.The method can be used in the research and development of fiber-optic sensors that change their optical length under external influences. The method can also be used to estimate the refractive index of transparent liquids, if instead of the measured fiber-optic element between the optical contacts a and b in figure 2, turn on a cuvette with a previously known geometric length l, measure the frequencies f 1 and f 2 with an empty cuvette, and the frequencies f 3 and f 4 - when the cell is filled with liquid. Then, according to expression (12), the value of L meas can be calculated, and the refractive index n in this case can be calculated from expression (3) with the known value of l.
Поскольку можно написать известное соотношение при прохождении светом оптической длины волоконно-оптического элемента С=Lизм/τ , то с его учетом можно получить из выражения (12):
τ = - Это выражение является расчетным для вычисления времени задержки τ в измеряемом пассивном волоконно-оптическом элементе.Since it is possible to write a well-known relation when light passes through the optical length of a fiber-optic element C = L ISM / τ, with this in mind it can be obtained from expression (12):
τ = - This expression is calculated to calculate the delay time τ in the measured passive fiber-optic element.
Claims (1)
где C - скорость света,
а значение τ задержки сигнала в измеряемом пассивном волоконно-оптическом элементе вычисляют по выражению
METHOD FOR MEASURING OPTICAL LENGTHS AND DELAYS OF FIBER FIBERS AND OTHER PASSIVE FIBER-OPTICAL ELEMENTS, namely that the optical radiation is modulated in intensity by a harmonic electric signal, the resulting radiation is divided into two light fluxes, each of which is introduced into two optical fluxes, each of which is introduced into the optical channel channels during the measurement process include the measured element, the output radiation of each channel is introduced into the phase comparator, zero values of the phase differences of the envelopes of the modules are fixed nnyh signals in the channels, characterized in that, to facilitate the measurement process, after changing the frequency of the modulating signal, are fixed two adjacent consecutive zero phase difference values and the corresponding values of the frequencies f 1 and f 2 of the modulating signal set to a value equivalent to the optical path difference of the lengths of optical channels without connecting the measured element, after being included in one of the optical channels of the measured fiber-optic element, the length of the modulating signal is changed, two and new adjacent successive zero values of the phase difference and remember the two values of the frequencies f 3 and f 4 of the modulating signal, and the value of the desired optical length L of the fiber optic element is calculated by the expression
where C is the speed of light,
and the value of the signal delay τ in the measured passive fiber optic element is calculated by the expression
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4955376 RU2031363C1 (en) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | Method of measuring optical lengths and delays of fiber light guides and other fiber-optic elements |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4955376 RU2031363C1 (en) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | Method of measuring optical lengths and delays of fiber light guides and other fiber-optic elements |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2031363C1 true RU2031363C1 (en) | 1995-03-20 |
Family
ID=21584390
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4955376 RU2031363C1 (en) | 1991-06-27 | 1991-06-27 | Method of measuring optical lengths and delays of fiber light guides and other fiber-optic elements |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2031363C1 (en) |
-
1991
- 1991-06-27 RU SU4955376 patent/RU2031363C1/en active
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
Авторское свидетельство СССР N 1423914, кл. G 01B 11/02, 1986. * |
Введение в технику измерений оптико-физических параметров световодных систем, Под ред. проф. Котюка А.Ф. М.: Радио и связь, 1987, с.49-50. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5289256A (en) | Integrated-optics expansion interferometer in an extension-metrological neutral environment | |
US4432599A (en) | Fiber optic differential sensor | |
CN101360969B (en) | Differentiel birefringent fiber frequency-modulated continuous-wave sagnac gyroscope | |
US4715706A (en) | Laser doppler displacement measuring system and apparatus | |
EP0023345A2 (en) | Optical sensing system | |
CN106969714B (en) | A kind of method of precise measurement optical fiber length | |
US3523735A (en) | Interferometer system for distance measurement | |
CN103674497B (en) | Narrow linewidth laser linewidth high-precision measuring system | |
US6545759B1 (en) | Transverse integrated optic interferometer | |
US5058973A (en) | Device for reading by optical sensor coherence | |
EP0198081A1 (en) | Fiber-optic rotation rate sensor having dual interferometer loops | |
CN100593686C (en) | Optical interference measuring device and its method | |
RU2031363C1 (en) | Method of measuring optical lengths and delays of fiber light guides and other fiber-optic elements | |
CN101592526A (en) | A kind of measuring method of average light wavelength and device | |
US4909629A (en) | Light interferometer | |
CN100451581C (en) | Method and apparatus for measuring laser wave-length using heterodyne in interference method | |
CN1052369A (en) | Multi-way reused laser frequency modulation heterodyne interference optical fiber measuring instrument | |
RU2762530C1 (en) | Interferometric fiber-optic gyroscope | |
JPS61239132A (en) | Optical waveguide type pressure sensor | |
Zheng | Triple-sensor multiplexed frequency-modulated continuous-wave interferometric fiber-optic displacement sensor | |
SU1423914A1 (en) | Device for measuring length of fibre-optic light conduit | |
RU2147728C1 (en) | Interferometric device for contactless measurement of thickness | |
JPS59166873A (en) | Optical applied voltage and electric field sensor | |
JPS57158503A (en) | Measuring method of electric length of optical fiber | |
Urakseev et al. | Differential Fiber Optic Sensor Based on Bragg Gratings |