RU210292U1

RU210292U1 - A device for measuring the reflectance spectrum of a fiber Bragg grating

Info

Publication number: RU210292U1
Application number: RU2021130951U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Волковский; Дарья Андреевна Лаврова; Андрей Владимирович Куликов; Владимир Сергеевич Лавров; Артем Сергеевич Алейник; Дарья Андреевна Егорова
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АДМ Фотоникс" (ООО "АДМ Фотоникс")
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2022-04-06

Abstract

Полезная модель относится к области волоконной оптики и касается устройства измерения спектра отражения волоконной брэгговской решетки (ВБР). Устройство включает M поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором (ВИЛ), N оптических каналов, содержащих фотоприемное устройство (ФПУ), оптический разветвитель в конфигурации M×N, N трехпортовых устройств распределения оптических сигналов и блок обработки сигналов. Каждый из M входных портов разветвителя оптически соединен с выходным портом соответствующего ВИЛ, каждый из его выходных N портов оптически соединен с входным портом соответствующего оптического канала. Порты устройств распределения оптических сигналов подключены к оптическому разветвителю в конфигурации M×N, оптическим каналам и соответствующим ФПУ. Каждый ВИЛ содержит электромеханический модулятор длины волны излучения. Блок обработки сигналов включает блок управления ВИЛ, представляющий собой M драйверов лазерных диодов и M генераторов сигнала напряжения произвольной формы, каждый из которых подключен к электромеханическому модулятору. Каждое подключаемое к любому из N каналов оптическое волокно содержит не более М×K ВБР, где K - натуральное число не менее 1. Технический результат заключается в расширении спектрального диапазона опроса единичного ВИЛ, обеспечении возможности измерения спектра отражения нескольких ВБР, в том числе записанных в одном оптическом волокне, и повышением точности измерений. 2 ил.The utility model relates to the field of fiber optics and concerns a device for measuring the reflection spectrum of a fiber Bragg grating (FBG). The device includes M vertical cavity surface-emitting lasers (VCSELs), N optical channels containing a photodetector (PDU), an optical splitter in the M×N configuration, N three-port optical signal distribution devices, and a signal processing unit. Each of the M input ports of the splitter is optically connected to the output port of the corresponding VCSEL, each of its N output ports is optically connected to the input port of the corresponding optical channel. The ports of the optical signal distribution devices are connected to an optical splitter in the M×N configuration, optical channels and corresponding FPUs. Each VCSEL contains an electromechanical radiation wavelength modulator. The signal processing unit includes a VCSEL control unit, which consists of M laser diode drivers and M arbitrary waveform voltage signal generators, each of which is connected to an electromechanical modulator. Each optical fiber connected to any of the N channels contains no more than M × K FBGs, where K is a natural number of at least 1. The technical result consists in expanding the spectral range of interrogating a single VCSEL, making it possible to measure the reflection spectrum of several FBGs, including those recorded in one optical fiber, and increased measurement accuracy. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к области волоконной оптики и может быть использована в волоконно-оптических спектральных датчиках для измерения спектра отражения волоконных брэгговских решеток (ВБР).The utility model relates to the field of fiber optics and can be used in fiber optic spectral sensors to measure the reflection spectrum of fiber Bragg gratings (FBR).

Известно устройство измерения спектра отражения ВБР (патент РФ №2602998, МПК H04B 10/071, G01J 3/18, приор. 27.08.2015), содержащее поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором (далее вертикально-излучающий лазер - ВИЛ) в качестве перестраиваемого источника оптического излучения и фотоприёмное устройство (ФПУ).A device for measuring the reflection spectrum of FBGs is known (RF patent No. 2602998, IPC H04B 10/071, G01J 3/18, prior 08/27/2015), containing a surface-emitting laser with a vertical cavity (hereinafter vertically emitting laser - VIL) as a tunable source of optical radiation and a photodetector (FPU).

В известном устройстве измерение спектра исследуемой ВБР происходит за счет перестройки длины волны излучения ВИЛ путем токовой модуляции. Одним из наиболее существенных недостатков известного устройства является нелинейность временной кривой перестройки длины волны, обусловленная экспоненциальной динамикой температурных процессов при токовой модуляции ВИЛ. Фактически, в известном устройстве отсутствует возможность прямого управления длиной волны излучения ВИЛ и удержания длины волны на постоянном желаемом уровне. Перестройка длины волны ВИЛ фактически является следствием изменения температуры лазерного диода, которая, в свою очередь, зависит от тока модуляции. Поскольку ток модуляции так же определяет излучаемую оптическую мощность ВИЛ, длина волны и оптическая мощность в известном устройстве взаимосвязаны, что налагает ограничения на измерительную схему. Другим недостатком известного устройства является узкий спектральный диапазон опроса ВИЛ, не превосходящий 3-3.5 нм, что, как правило, не позволяет произвести опрос более чем одной ВБР.In a known device, the measurement of the spectrum of the studied FBG occurs due to the tuning of the wavelength of the VCSEL radiation by current modulation. One of the most significant drawbacks of the known device is the nonlinearity of the time curve of the wavelength tuning, due to the exponential dynamics of temperature processes during the current modulation of the VCSEL. In fact, in the known device, there is no possibility of direct control of the VCSEL radiation wavelength and keeping the wavelength at a constant desired level. Tuning the VCSEL wavelength is actually a consequence of a change in the temperature of the laser diode, which, in turn, depends on the modulation current. Since the modulation current also determines the radiated optical power of the VCSEL, the wavelength and optical power in the known device are interrelated, which imposes restrictions on the measuring circuit. Another disadvantage of the known device is the narrow spectral range of VCSEL interrogation, which does not exceed 3-3.5 nm, which, as a rule, does not allow more than one FBG to be interrogated.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели и принятым за прототип является устройство измерения спектра отражения ВБР, описанное в (патент РФ №182543, МПК G01J 3/06, H04B 10/071, приор. 20.04.2018), содержащее несколько ВИЛ в качестве перестраиваемых источников оптического излучения и ФПУ на каждый оптический канал.Closest to the proposed utility model and taken as a prototype is a device for measuring the reflection spectrum of the FBG described in (RF patent No. 182543, IPC G01J 3/06, H04B 10/071, prior 04/20/2018), containing several VCSELs as tunable sources optical radiation and FPU for each optical channel.

В прототипе измерение центральных длин волн отражения нескольких ВБР происходит за счет использования в устройстве нескольких ВИЛ в качестве перестраиваемых источников оптического излучения с применением принципов спектрального и временного мультиплексирования. Перестройка по длине волны осуществляется прямоугольными токовыми импульсами с заданной длительностью и амплитудой.In the prototype, the measurement of the central reflection wavelengths of several FBGs occurs due to the use of several VCSELs in the device as tunable sources of optical radiation using the principles of spectral and time multiplexing. Tuning along the wavelength is carried out by rectangular current pulses with a given duration and amplitude.

Недостатком прототипа является необходимость применения нескольких ВИЛ для опроса нескольких ВБР в канале с разными центральными длинами волн отражения, из-за относительно узкого диапазона (до 3-3.5 нм) перестройки центральной длины волны излучения лазера в течение импульса. Диапазона опроса одного ВИЛ достаточно для опроса одной ВБР, дальнейшее увеличение числа опрашиваемых ВБР требует применения методов временного и спектрального мультиплексирования. Кроме того, зависимость изменения центральной длины волны излучения ВИЛ от времени от начала импульса является нелинейной, что влияет на точность определения центральной длины волны. Нелинейность характеристики обусловлена природой процесса перестройки ВИЛ - при подаче токового импульса происходит термическое расширение области резонатора, поэтому зависимость излучаемой длины волны ВИЛ от времени в случае прямоугольного импульса тока имеет форму, близкую к экспоненциальной.The disadvantage of the prototype is the need to use several VCSELs to interrogate several FBGs in a channel with different central reflection wavelengths, due to a relatively narrow range (up to 3-3.5 nm) of tuning the central wavelength of the laser radiation during the pulse. The polling range of one VCSEL is sufficient for polling one FBG, a further increase in the number of polled FBGs requires the use of time and spectral multiplexing methods. In addition, the dependence of the change in the central wavelength of the VCSEL radiation from time to time from the beginning of the pulse is nonlinear, which affects the accuracy of determining the central wavelength. The nonlinearity of the characteristic is due to the nature of the VCSEL tuning process - when a current pulse is applied, the resonator region undergoes thermal expansion, therefore, the dependence of the emitted VCSEL wavelength on time in the case of a rectangular current pulse has a shape close to exponential.

Главной задачей предлагаемого устройства является расширение спектрального диапазона опроса единичного ВИЛ и, как следствие, получение возможности измерения спектра отражения нескольких ВБР (не менее двух), в том числе записанных в одном оптическом волокне, с одновременным повышением точности за счёт прямого управления длиной волны излучения ВИЛ.The main objective of the proposed device is to expand the spectral range of interrogation of a single VCSEL and, as a result, to obtain the possibility of measuring the reflection spectrum of several FBGs (at least two), including those recorded in one optical fiber, while increasing accuracy due to direct control of the VCSEL radiation wavelength .

Поставленные задачи решаются посредством достижения технического результата, заключающегося в построении измерительной схемы на основе перестраиваемых источников излучения. В качестве источника используется лазер с вертикальным резонатором, в конструкцию которого встроена миниатюрная электромеханическая система перестройки длины волны (далее - модулятор). Структура измерительной схемы соответствует структуре схемы устройства-прототипа (патент РФ № 182543, МПК G01J 3/06, H04B 10/071, приор. 20.04.2018) и также допускает применение принципов спектрального и временного мультиплексирования.The tasks are solved by achieving a technical result, which consists in building a measuring circuit based on tunable radiation sources. A laser with a vertical resonator is used as a source, the design of which has a built-in miniature electromechanical wavelength tuning system (hereinafter referred to as the modulator). The structure of the measuring circuit corresponds to the circuit structure of the prototype device (RF patent No. 182543, IPC G01J 3/06, H04B 10/071, prior 04/20/2018) and also allows the use of the principles of spectral and time multiplexing.

Устройство измерения спектра отражения ВБР включает M ВИЛ, где M - натуральное число, N оптических каналов, содержащих фотоприемное устройство (ФПУ), где N - натуральное число, оптический разветвитель в конфигурации M×N, каждый из M входных портов вышеуказанного разветвителя оптически соединен с выходным портом соответствующего ВИЛ, каждый из его выходных N портов оптически соединен с входным портом соответствующего оптического канала, N трехпортовых устройств распределения оптических сигналов, выполненных в виде трехпортового оптического циркулятора либо оптического разветвителя в конфигурации 1×2, при этом порты 1 устройств распределения оптических сигналов подключены к вышеуказанному оптическому разветвителю в конфигурации M×N, порты 2 подключены к соответствующим оптическим каналам, порты 3 подключены к соответствующим ФПУ, блок обработки сигналов, электрически соединенный с M ВИЛ и N ФПУ, при этом каждое подключаемое к любому из N каналов оптическое волокно содержит не более М×K ВБР, где K - натуральное число, причем период каждой ВБР, длина волны излучения каждого ВИЛ и эффективный показатель преломления сердцевины каждого подключаемого оптического волокна, содержащего ВБР, связаны соотношением Λ_m,k=λ_m,k/(2×n_eff), где Λ_m,k - период (m, k)-ой ВБР, где m - номер группы ВБР в оптическом волокне, k - номер ВБР в группе, λ_m,k - значение k-й длины волны, входящее в диапазон перестройки длины волны излучения ВИЛ с порядковым номером m, n_eff - эффективный показатель преломления сердцевины оптического волокна, содержащего ВБР с номером (m,k) для длины волны λ_m,k. Каждый из M ВИЛ содержит электромеханический модулятор длины волны излучения, блок обработки содержит блок управления ВИЛ, представляющий собой M драйверов лазерных диодов, каждый из которых подключен к соответствующему из M ВИЛ, а также M генераторов напряжения произвольной формы, каждый из которых подключен к модулятору длины волны излучения соответствующего из M ВИЛ, при этом K не менее 1.The FBG reflection spectrum measurement device includes M VCSEL, where M is a natural number, N optical channels containing a photodetector device (PDU), where N is a natural number, an optical splitter in the M×N configuration, each of the M input ports of the above splitter is optically connected to output port of the corresponding VCSEL, each of its output N ports is optically connected to the input port of the corresponding optical channel, N three-port optical signal distribution devices made in the form of a three-port optical circulator or optical splitter in a 1 × 2 configuration, while the ports 1 of the optical signal distribution devices connected to the above optical splitter in the M×N configuration, ports 2 are connected to the corresponding optical channels, ports 3 are connected to the corresponding FPU, a signal processing unit electrically connected to M VCSEL and N FPU, with each optical fiber connected to any of the N channels contains no more than M×K B BR, where K is a natural number, and the period of each FBG, the radiation wavelength of each VCSEL and the effective refractive index of the core of each connected optical fiber containing the FBG are related by the relation Λ _m,k =λ _m,k /(2×n _eff ), where Λ _m,k is the period of the (m, k)-th FBG, where m is the number of the FBG group in the optical fiber, k is the number of the FBG in the group, λm _,k is the value of the k-th wavelength included in the length tuning range VCSEL emission wave with serial number m, n _eff is the effective refractive index of the core of the optical fiber containing FBG with number (m, k) for wavelength λ _{m, k} . Each of the M VCSELs contains an electromechanical modulator of the radiation wavelength, the processing unit contains the VCSEL control unit, which is M laser diode drivers, each of which is connected to the corresponding of the M VCSELs, as well as M arbitrary waveform voltage generators, each of which is connected to the length modulator radiation wave of the corresponding from M VCSEL, while K is not less than 1.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется следующим.The essence of the claimed utility model is explained as follows.

Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве в качестве источника оптического излучения (ИОИ) используется ВИЛ, длиной волны которого можно управлять с помощью встроенного электромеханического модулятора, а диапазон перестройки по длине волны в 2.5-3 раза превосходит диапазон перестройки ИОИ устройства-прототипа: 9-10 нм против 3-3.5 нм. Диапазон перестройки такого ВИЛ перекрывает стандартный диапазон перестройки ВБР не менее чем в 2 раза, поэтому каждый из M ВИЛ может использоваться для опроса K ВБР (K не менее 2), что при использовании разветвления на N волокон с ВБР позволяет увеличить количество опрашиваемых ВБР до M×N×K, что в K раз больше, чем у устройства-прототипа. The claimed technical result is achieved due to the fact that in the proposed device as a source of optical radiation (IOI) a VCSEL is used, the wavelength of which can be controlled using a built-in electromechanical modulator, and the tuning range in wavelength is 2.5-3 times greater than the tuning range of the device IOI -prototype: 9-10 nm versus 3-3.5 nm. The tuning range of such a VCSEL overlaps the standard FBG tuning range by at least 2 times, so each of the M VCSELs can be used to interrogate K FBGs (K not less than 2), which, when using branching into N fibers with FBGs, allows increasing the number of interrogated FBGs to M ×N×K, which is K times more than that of the prototype device.

Модуляция производится приложением к электромеханическому модулятору сигнала напряжения, причём влияние приложенного напряжения на величину выходной оптической мощности ВИЛ незначительно в отличие от ИОИ устройства-прототипа. Это позволяет компенсировать нелинейность передаточной характеристики «напряжение-длина волны» путём формирования модулирующего сигнала напряжения произвольной формы. Приближенная к линейной зависимость длины волны ИОИ от времени позволяет, помимо прочего, повысить точность измерений за счёт формирования линейной зависимости длины волны излучения от времени. Дополнительным преимуществом предлагаемой схемы является возможность модуляции длины волны в статическом режиме или квазистатическом режиме - длина волны излучения ВИЛ может быть зафиксирована на произвольном уровне в соответствии с приложенным напряжением модуляции. Это позволяет реализовать более сложные измерительные схемы, к примеру, следящего типа.Modulation is performed by applying a voltage signal to the electromechanical modulator, and the effect of the applied voltage on the value of the output optical power of the VCSEL is insignificant, in contrast to the IOI of the prototype device. This makes it possible to compensate for the non-linearity of the "voltage-wavelength" transfer characteristic by forming a modulating voltage signal of an arbitrary shape. Approximately linear dependence of the IR wavelength on time allows, among other things, to improve the accuracy of measurements due to the formation of a linear dependence of the radiation wavelength on time. An additional advantage of the proposed scheme is the possibility of wavelength modulation in a static mode or quasi-static mode - the VCSEL emission wavelength can be fixed at an arbitrary level in accordance with the applied modulation voltage. This makes it possible to implement more complex measuring circuits, for example, of a servo type.

В работу устройства заложен принцип спектрального мультиплексирования. Для увеличения спектрального диапазона измерения спектров отражения ВБР центральные длины волн излучения ВИЛ выбираются таким образом, что конечное значение диапазона перестройки длины волны излучения каждого ВИЛ совпадает либо меньше начального значения диапазона перестройки центральной длины волны излучения, следующего ВИЛ. Данное условие необходимо для того, чтобы резонансная длина волны ВБР попадала в диапазон перестройки длины волны одного из ВИЛ. В отличие от устройства-прототипа, в предлагаемом устройстве за счёт кратного (в K раз) расширения спектрального диапазона ИОИ, условие попадания резонансной длины волны ВБР в диапазон перестройки длины волны одного из ВИЛ может выполняться для кратно большего числа ВБР, диапазона перестройки достаточно для опроса не одной ВБР, а целой группы из k ВБР в одном волокне.The device is based on the principle of spectral multiplexing. To increase the spectral range for measuring the reflection spectra of FBGs, the central wavelengths of the VCSEL radiation are chosen in such a way that the final value of the tuning range of the radiation wavelength of each VCSEL coincides with or is less than the initial value of the tuning range of the central wavelength of the radiation of the next VCSEL. This condition is necessary for the FBG resonant wavelength to fall within the wavelength tuning range of one of the VCSELs. In contrast to the prototype device, in the proposed device, due to the multiple (K times) expansion of the spectral range of the IOI, the condition for the resonant wavelength of the FBG to fall into the wavelength tuning range of one of the VCSELs can be fulfilled for a multiple of the FBG, the tuning range is sufficient for polling not one FBG, but a whole group of k FBGs in one fiber.

В работу устройства также заложен принцип временного мультиплексирования, который заключается в том, что управление ВИЛ происходит попеременно, благодаря чему на каждом ФПУ возможно временное разделение сигналов от ВБР с разными резонансными длинами волн, записанных в одном оптическом волокне. Таким образом, в заявляемом устройстве возможен синхронный опрос N×K ВБР: ВИЛ с номером M синхронно опрашивает соответствующий ему по резонансной длине волны набор из K ВБР в каждом из N каналов. В результате, попеременный запуск ВИЛ позволяет опросить M×N×K ВБР: за M попеременных запусков синхронно по N×K ВБР. Следует отметить, что отражения от каждой из K ВБР в одном волокне при облучении одним ВИЛ формируются и поступают на фотоприёмные устройства в различные моменты времени, поскольку ВБР в общем случае разнесены в пространстве. Таким образом, временное мультиплексирование используется даже для конфигурации с единственным ИОИ, то есть для случая M=1.The operation of the device is also based on the principle of time multiplexing, which consists in the fact that the VCSEL is controlled alternately, due to which, on each FPU, it is possible to temporarily separate signals from FBGs with different resonant wavelengths recorded in one optical fiber. Thus, in the claimed device, it is possible to synchronously interrogate N×K FBGs: the VCSEL with the number M synchronously polls a set of K FBGs corresponding to it in terms of resonant wavelength in each of the N channels. As a result, the alternate launch of the VCSEL allows you to interrogate M×N×K FBGs: for M alternate launches synchronously over N×K FBGs. It should be noted that reflections from each of the K FBGs in one fiber, when irradiated by one VCSEL, are formed and arrive at photodetectors at different times, since the FBGs are generally separated in space. Thus, time multiplexing is used even for a configuration with a single ROI, that is, for the case of M=1.

Сущность заявляемого устройства поясняется фигурами 1 и 2, где представлена структурная схема устройства (фиг. 1) и схема блока управления ВИЛ (фиг. 2). Сплошными линиями показаны оптические связи, пунктирными - электрические. The essence of the proposed device is illustrated by figures 1 and 2, which shows the block diagram of the device (Fig. 1) and the diagram of the control unit VIL (Fig. 2). Solid lines show optical connections, dotted lines show electrical connections.

Устройство измерения спектра отражения ВБР включает M ВИЛ 1.m, где m - порядковый номер ВИЛ, соединенных с N оптическими каналами, каждый из которых содержит ФПУ 2.n, где n - порядковый номер соответствующего канала, и трехпортовый оптический циркулятор, либо оптический разветвитель в конфигурации 1×2 3.n, первый порт оптического циркулятора либо первый порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 соединен с каждым из ВИЛ 1.m через оптический разветвитель в конфигурации M×N 4, второй порт трехпортового оптического циркулятора либо второй порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 3.n предназначен для подключения оптического волокна 5.n, содержащего ВБР, а третий порт трехпортового оптического циркулятора либо третий порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 3.n соединен с соответствующим ФПУ 2.n, а выходной порт каждого ВИЛ 1.m оптически соединен с соответствующим входным портом оптического разветвителя в конфигурации M×N 4, а каждый из выходных портов оптического разветвителя в конфигурации M×N 4 оптически соединен с входным портом соответствующего оптического канала с порядковым номером n, которым является первый порт трехпортового оптического циркулятора либо первый порт оптического разветвителя в конфигурации 1×2 3.n этого оптического канала. Устройство содержит блок обработки сигналов 6, включающий блок управления ВИЛ 7 и массив из N каналов аналого-цифрового преобразования 8. Блок управления ВИЛ 7 содержит массив из M управляемых генераторов напряжения произвольной формы 9 и M драйверов лазерных диодов 10. Генераторы 9 электрически подключены к электромеханическим модуляторам 11 внутри соответствующих ВИЛ, драйверы лазерных диодов 10 электрически подключены к лазерным диодам 12 внутри соответствующих ВИЛ.The device for measuring the reflection spectrum of the FBG includes M VCSEL 1.m, where m is the serial number of the VCSEL, connected to N optical channels, each of which contains an FPU 2.n, where n is the serial number of the corresponding channel, and a three-port optical circulator, or an optical splitter in the 1×2 3.n configuration, the first port of the optical circulator or the first port of the optical splitter in the 1×2 configuration is connected to each of the VCSEL 1.m through the optical splitter in the M×N 4 configuration, the second port of the three-port optical circulator or the second port of the optical of the splitter in the 1×2 3.n configuration is designed to connect the optical fiber 5.n containing the FBG, and the third port of the three-port optical circulator or the third port of the optical splitter in the 1×2 3.n configuration is connected to the corresponding FPU 2.n, and the output port of each VIL 1.m is optically connected to the corresponding input port of the optical splitter in the M×N 4 configuration, and each of the output ports of the optical splitter The splitter in the M×N 4 configuration is optically connected to the input port of the corresponding optical channel with serial number n, which is the first port of the three-port optical circulator or the first port of the optical splitter in the 1×2 3.n configuration of this optical channel. The device contains a signal processing unit 6, including a VCSEL control unit 7 and an array of N channels of analog-to-digital conversion 8. The VCSIL control unit 7 contains an array of M controlled voltage generators of arbitrary shape 9 and M laser diode drivers 10. Generators 9 are electrically connected to electromechanical modulators 11 inside the respective VCSELs, the laser diode drivers 10 are electrically connected to the laser diodes 12 inside the respective VCSELs.

На фиг. 2 показана схема управления ВИЛ. Входящий в состав блока обработки 6 генератор напряжения произвольной формы 9 подаёт напряжение на вывод электромеханического модулятора 11. Лазерный диод 12 управляется источником постоянного тока 10.In FIG. 2 shows the VCSEL control circuit. The arbitrarily shaped voltage generator 9, which is part of the processing unit 6, supplies voltage to the output of the electromechanical modulator 11. The laser diode 12 is controlled by a direct current source 10.

Устройство работает следующим образом. Драйвер лазерного диода 10.m, входящий в блок управления ВИЛ 7 подаёт на лазерный диод 12.m, входящий в состав ВИЛ 1.m, постоянный ток, достаточный для излучения с необходимой выходной оптической мощностью. Одновременно с этим генератор напряжения произвольной формы 9.m подаёт на модулятор 11.m внутри ВИЛ 1.m сигнал напряжения, соответствующий требуемой длине волны излучения. Излучение от ВИЛ 1.m вводится в оптическое волокно и последовательно через оптический разветвитель в конфигурации M×N 4 и трехпортовые оптические циркуляторы либо оптические разветвители в конфигурации 1×2 3.nпопадает в каждое из подключенных к устройству оптических волокон 5.n, содержащих ВБР. Далее, оптические импульсы в каждом оптическом волокне 5.n отражаются от соответствующих ВБР и через трехпортовые оптические циркуляторы либо оптические разветвители в конфигурации 1×2 3.n попадают на соответствующие ФПУ 2.n. Сигнал от каждого ФПУ 2.n попадает в блок оцифровки и обработки сигнала 8. Таким образом, попеременный запуск ВИЛ (перебор всех m) позволяет измерить спектр отражения M×N×K ВБР, где K - количество ВБР в одном волокне, спектр отражения которых перекрывается спектром излучения одного ВИЛ.The device works as follows. The laser diode driver 10.m included in the VCSEL 7 control unit supplies the laser diode 12.m, which is part of the VCSEL 1.m, with a direct current sufficient for radiation with the required output optical power. At the same time, the arbitrary waveform voltage generator 9.m supplies the modulator 11.m inside the VCSEL 1.m with a voltage signal corresponding to the required radiation wavelength. The radiation from the VCSEL 1.m is introduced into the optical fiber and sequentially through an optical splitter in the M×N 4 configuration and three-port optical circulators or optical splitters in the 1×2 3.n configurationenters each of the optical fibers 5.n connected to the device, containing the FBG. Further, the optical pulses in each optical fiber 5.n are reflected from the corresponding FBGs and through three-port optical circulators or optical splitters in the configuration 1×2 3.n fall on the corresponding FPU 2.n. The signal from each FPA 2.n enters the digitization and signal processing unit 8. Thus, the alternate launch of the VCSEL (enumeration of all m) allows you to measure the reflection spectrum M × N × K FBG, where K is the number of FBGs in one fiber, the reflection spectrum of which overlapped by the emission spectrum of one VCSEL.

В качестве конкретного примера выполнения предлагается устройство, в конфигурации которого используется 4 ВИЛ и 4 оптических канала, что позволяет измерять спектр отражения 48 ВБР. В данном устройстве ВИЛ характеризуются центральными длинами волн излучения 1540 нм, 1550 нм, 1560 нм и 1570 нм, при этом каждый из ВИЛ имеет диапазон перестройки, перекрывающий спектры отражения трёх ВБР, ввиду чего каждый из каналов устройства предназначен для подключения оптического волокна, содержащего 4×3 ВБР с соответствующими ВИЛ резонансными длинами волн. Для управления перестройкой длины волны излучения ВИЛ в устройстве используется генератор сигнала напряжения произвольной формы на основе высокочастотного 14-разрядного ЦАП, управляемого программируемой логической интегральной схемой (ПЛИС). Частота обновления ЦАП не менее 100 МГц. Формирование сигнала напряжения для модуляции длины волны ВИЛ осуществляется связкой ЦАП с токовым выходом и трансимпедансного усилителя. Токовая модуляция ВИЛ производится импульсами амплитудой 20 мА с постоянной длительностью до 500 мкс и скважностью 4 ввиду необходимости временного мультиплексирования четырех ВИЛ. Управление источниками тока для каждого из ВИЛ производится посредством замыкания-размыкания цепи транзисторным ключом. В блоке оцифровки и обработки сигнала оцифровка сигнала производится при помощи четырёхканального 8-битного аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а обработка сигнала и вычисление необходимых спектральных характеристик ВБР производится при помощи ПЛИС. Частота выборки АЦП не менее 100 МГц.As a specific example of implementation, a device is proposed in the configuration of which 4 VCSELs and 4 optical channels are used, which makes it possible to measure the reflection spectrum of 48 FBGs. In this VCSEL device, the central emission wavelengths are 1540 nm, 1550 nm, 1560 nm and 1570 nm, while each of the VCSELs has a tuning range that overlaps the reflection spectra of three FBGs, which is why each of the channels of the device is designed to connect an optical fiber containing 4 ×3 FBG with corresponding VCSEL resonant wavelengths. To control the tuning of the VCSEL radiation wavelength, the device uses an arbitrary waveform voltage signal generator based on a high-frequency 14-bit DAC controlled by a programmable logic integrated circuit (FPGA). The refresh rate of the DAC is at least 100 MHz. The formation of a voltage signal for modulating the wavelength of the VCSEL is carried out by a combination of a DAC with a current output and a transimpedance amplifier. The current modulation of the VCSEL is performed by pulses with an amplitude of 20 mA with a constant duration of up to 500 μs and a duty cycle of 4 due to the need for time multiplexing of four VCSELs. The control of current sources for each of the VCSELs is carried out by closing-opening the circuit with a transistor switch. In the block of digitization and signal processing, the signal is digitized using a four-channel 8-bit analog-to-digital converter (ADC), and signal processing and calculation of the required spectral characteristics of the FBG is performed using an FPGA. The sampling frequency of the ADC is at least 100 MHz.

Таким образом, заявляемая полезная модель обеспечивает расширение спектрального диапазона опроса единичного ВИЛ и, как следствие, получение возможности измерения спектра отражения нескольких ВБР, что увеличивает количество опрашиваемых ВБР в 2 и более раз с одновременным повышением точности измерения спектра отражения ВБР за счёт прямого управления длиной волны излучения ВИЛ.Thus, the claimed utility model provides for the expansion of the spectral range of interrogation of a single VCSEL and, as a result, obtaining the possibility of measuring the reflection spectrum of several FBGs, which increases the number of interrogated FBGs by 2 or more times while increasing the accuracy of measuring the FBG reflection spectrum due to direct control of the wavelength VCSEL radiation.

Claims

A device for measuring the reflection spectrum of a fiber Bragg grating (FBG), including M surface-emitting lasers with a vertical cavity (VCSEL), where M is a natural number, N optical channels containing a photodetector (FPU), where N is a natural number, an optical splitter in configuration M×N, each of the M input ports of the above splitter is optically connected to the output port of the corresponding VCSEL, each of its N output ports is optically connected to the input port of the corresponding optical channel, N three-port optical signal distribution devices made in the form of a three-port optical circulator or optical splitter in a 1×2 configuration, while the ports 1 of the optical signal distribution devices are connected to the above optical splitter in the M×N configuration, the ports 2 are connected to the corresponding optical channels, the ports 3 are connected to the corresponding FPU, the signal processing unit is electrically connected to the M VFIL and N F PU, characterized in that each optical fiber connected to any of the N channels contains no more than M × K FBG, where K is a natural number of at least 1, and the period of each FBG, the radiation wavelength of each VCSEL and the effective refractive index of each connected optical fiber containing FBGs are related by the relation Λ _m,k =λ _m,k /(2×n _eff ), where Λ _m,k is the period of the (m, k)-th FBG, where m is the number of the FBG group in the optical fiber, k is the number of FBGs in a group of K FBGs, λ _m,k is the value of the k-th wavelength, which is included in the range of tuning of the wavelength of VCSEL radiation with serial number m, n _eff is the effective refractive index of the optical fiber containing FBGs with number (m, k) for the wavelength λ _m,k , each of the M VCSELs contains an electromechanical radiation wavelength modulator, the signal processing unit includes a VCSEL control unit, which is M laser diode drivers, each of which is connected to the corresponding of the M VCSELs, and also M voltage signal generators free-form, each of which is connected to an electromechanical modulator of the wavelength of the radiation corresponding to the M VCSEL.