RU2623710C1 - Method of determining the symmetrical optical structure (versions) central frequency and device for its implementation - Google Patents
Method of determining the symmetrical optical structure (versions) central frequency and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2623710C1 RU2623710C1 RU2016130997A RU2016130997A RU2623710C1 RU 2623710 C1 RU2623710 C1 RU 2623710C1 RU 2016130997 A RU2016130997 A RU 2016130997A RU 2016130997 A RU2016130997 A RU 2016130997A RU 2623710 C1 RU2623710 C1 RU 2623710C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- radiation
- optical structure
- optical
- symmetric optical
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Optical Communication System (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение относится к способам и устройствам оптических измерений, в частности, к способам и устройствам для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, значение которой строго регламентируется ITU в телекоммуникационных системах и определяет качество связи, в сенсорных системах является величиной однозначно несущей информацию о величине внешнего воздействия некоторого физического поля или определяет центральное положение области частот радиосигналов обрабатываемых в оптическом диапазоне в радиофотонных системах. Объектом указанных измерений являются симметричные оптические структуры, условно имеющие при линейной аппроксимации трапецеидальную форму: два симметричных склона и плоскую вершину. При этом симметричные оптические структуры будем считать узкополосными, если спектральная протяженность вершины равна нулю, и широкополосными, если больше нуля. Примером первых являются классические волоконно-оптические решетки Брэгга, интерферометры Фабри-Перо, упорядоченные волоконные решетки, тонкопленочные фильтры и т.п., примером вторых - перестраиваемые оптические мультиплексоры ввода-вывода, чипированные решетки Брэгга, полосовые оптические фильтры и т.п.The technical solution relates to optical measurement methods and devices, in particular, to methods and devices for determining the center frequency of a symmetrical optical structure, the value of which is strictly regulated by ITU in telecommunication systems and determines the quality of communication, in sensor systems it is a value that unambiguously carries information about the magnitude of external influence of a certain physical field or determines the central position of the frequency domain of the radio signals processed in the optical range in the radio otonic systems. The object of these measurements is symmetric optical structures, conditionally having a trapezoidal shape with linear approximation: two symmetrical slopes and a flat top. In this case, we will consider symmetric optical structures to be narrow-band if the spectral length of the vertex is zero, and broad-band if more than zero. An example of the former are classic Bragg fiber optic arrays, Fabry-Perot interferometers, ordered fiber arrays, thin-film filters, etc., an example of the second are tunable optical I / O multiplexers, chip Bragg gratings, band-pass optical filters, etc.
Известны способы для определения центральной частоты симметричных оптических структур и устройства для их реализации, основанные на использовании широкополосного или одночастотного сканирующего излучения для зондирования оптических полосовых структур на базе оптических анализаторов спектра или векторных и скалярных анализаторов сетей. Данные способы и устройства позволяют определять центральную частоту как узкополосных, так и широкополосных симметричных оптических структур.Known methods for determining the center frequency of symmetric optical structures and devices for their implementation, based on the use of broadband or single-frequency scanning radiation to probe optical strip structures based on optical spectrum analyzers or vector and scalar network analyzers. These methods and devices allow you to determine the center frequency of both narrowband and broadband symmetric optical structures.
Недостатком указанных способов для определения центральной частоты симметричных оптических структур и устройств для их реализации является необходимость использования сложного дорогостоящего блока зондирования симметричных оптических структур и фотоприемного блока для регистрации спектрального смещения центральной частоты. Оптоэлектронная обработка сигналов с выделением центральной частоты из широкого спектра сигналов зондирования, также представляется сложной, и требует наличия либо перестраиваемых лазерных излучателей, либо сложных систем спектральной фильтрациии, либо нескольких фотоприемников, либо, как вариант, системы матричных ПЗС-приемников. Все это приводит к появлению дополнительных источников погрешностей измерения центральной частоты симметричных оптических структур, снижению их точности и невозможности использования указанных устройств в полевых условиях.The disadvantage of these methods for determining the central frequency of symmetric optical structures and devices for their implementation is the need to use a complex expensive sensing unit of symmetric optical structures and a photodetector for recording the spectral shift of the central frequency. Optoelectronic signal processing with the separation of the central frequency from a wide range of sensing signals also seems to be complex and requires either tunable laser emitters, or complex spectral filtering systems, or several photodetectors, or, as an option, a system of CCD array receivers. All this leads to the appearance of additional sources of errors in the measurement of the central frequency of symmetric optical structures, to a decrease in their accuracy and inability to use these devices in the field.
Известен способ для определения центральной частоты симметричных оптических структур (описанный в работе Wang Y, Zhang J, Coutinho О, Yao J. «Interrogation of a linearly chirped fiber Bragg grating sensor with high resolution using a linearly chirped optical waveform», Opt Lett. 2015 Nov 1; 40(21)), заключающийся в том, что генерируют одночастотное ЛЧМ оптическое излучение, подают его на вход и принимают с выхода оптической структуры, регистрируют параметры биений зондирующего и отраженного сигналов, по которым далее вычисляют центральную частоту оптической структуры fЦ.A known method for determining the center frequency of symmetrical optical structures (described in Wang Y, Zhang J, Coutinho O, Yao J. "Interrogation of a linearly chirped fiber Bragg grating sensor with high resolution using a linearly chirped optical waveform", Opt Lett. 2015 Nov 1; 40 (21)), which consists in generating single-frequency LFM optical radiation, supplying it to the input and receiving from the output of the optical structure, recording the beat parameters of the probe and reflected signals, which then calculate the center frequency of the optical structure f C.
Устройство, реализующее данный способ, содержит последовательно соединенные источник ЛЧМ оптического излучения, контроллер, преобразователь оптического излучения, циркулятор, фотоприемник, контроллер управления и измерения характеристик симметричных оптических структур, волоконно-оптический кабель и оптическую структуру.A device that implements this method includes a series-connected source of chirped optical radiation, a controller, an optical radiation converter, a circulator, a photodetector, a controller for controlling and measuring the characteristics of symmetrical optical structures, a fiber optic cable, and an optical structure.
Описанный выше способ для определения центральной частоты симметричных оптических структур и устройство для его реализации используют оборудование, применимое в полевых условиях. Данный способ и устройство позволяют определять центральную частоту как узкополосных, так и широкополосных симметричных оптических структур. Их использование позволяет избавиться от применения сложной дорогостоящей спектральной аппаратуры или аппаратуры для векторного или скалярного анализа. Кроме того, применение для анализа центральной частоты симметричных оптических структур биений зондирующего и отраженного сигналов, и перенос информации на частоту биений позволяет избавиться от флуктуаций низкочастотной природы.The method described above for determining the center frequency of symmetrical optical structures and a device for its implementation use equipment applicable in the field. This method and device allows you to determine the center frequency of both narrowband and broadband symmetric optical structures. Their use allows you to get rid of the use of complex expensive spectral equipment or equipment for vector or scalar analysis. In addition, the application for the analysis of the central frequency of symmetric optical structures of the beats of the probe and reflected signals, and the transfer of information to the beat frequency allows one to get rid of low-frequency fluctuations.
Однако недостатком данного способа для определения центральной частоты симметричных оптических структур и устройства для его реализации является наличие паразитной амплитудной модуляции при формировании одночастотного ЛЧМ оптического излучения и малая величина частоты биений, на которой производится анализ центральной частоты, лежащей в области максимальных шумов фотоприемника, что снижает чувствительность, отношение сигнал/шум и точность измерений. Малая величина частоты биений определяется обязательным наличием второй, рядом расположенной опорной решетки, не подверженной воздействию внешних физических полей, что усложняет конструкцию устройства и требования к его эксплуатации в полевых условиях.However, the disadvantage of this method for determining the central frequency of symmetric optical structures and a device for its implementation is the presence of spurious amplitude modulation in the formation of single-frequency LFM optical radiation and a low beat frequency, which analyzes the central frequency lying in the region of the maximum noise of the photodetector, which reduces the sensitivity signal to noise ratio and measurement accuracy. The small value of the beat frequency is determined by the obligatory presence of a second, adjacent support lattice, not exposed to external physical fields, which complicates the design of the device and the requirements for its operation in the field.
Прототипом технического решения для двух вариантов предлагаемого способа является способ для определения центральной частоты симметричных оптических структур (Патент РФ №2512616 С2 на изобретение «Способ измерения параметров физических полей и устройство для его осуществления», МПК G01K 11/32, 10.04.2014), заключающийся в том, генерируют одночастотное оптическое излучение с частотой 
Устройство, выбранное в качестве прототипа и реализующее данный способ, содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, циркулятор, первый волоконно-оптический кабель, узкополосную симметричную оптическую структуру, второй волоконно-оптический кабель, выход которого через второй вход и второй выход циркулятора соединен с детектором, а также контроллер управления и измерения центральной частоты узкополосных симметричных оптических структур, причем перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, циркулятор, контроллер управления и измерения центральной частоты узкополосных оптических структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления.A device selected as a prototype and implementing this method comprises a frequency-tunable single-frequency optical radiation source, a single-frequency to dual-frequency optical radiation converter, a circulator, a first optical fiber cable, a narrow-band symmetric optical structure, and a second optical fiber cable, the output of which through the second input and the second output of the circulator is connected to the detector, as well as the controller for controlling and measuring the center frequency narrow lane symmetric optical structures, the frequency-tunable source of optical radiation of a single-frequency, single-frequency converter of the optical radiation in two, a circulator controller and measuring the center frequency of the narrowband optical structures have inputs / outputs control combined in the control bus.
Описанный выше способ и устройство, выбранное в качестве прототипа, используют оборудование, применимое в полевых условиях. Его использование, также, как и в приведенном аналоге, позволяет избавиться от применения сложной дорогостоящей спектральной аппаратуры или аппаратуры для векторного или скалярного анализа, а также от шумов низкочастотной природы. Применение для анализа центральной частоты симметричных оптических фильтров биений компонент двухчастотного зондирующего излучения, и перенос информации на частоту биений, которая лежит в области минимальных шумов фотоприемника позволяет повысить чувствительность, отношение сигнал/шум и точность измерений по сравнению с аналогом.The above method and device, selected as a prototype, use equipment that is applicable in the field. Its use, as well as in the given analogue, allows you to get rid of the use of complex expensive spectral equipment or equipment for vector or scalar analysis, as well as from low-frequency noise. The use of components of two-frequency probing radiation for the analysis of the central frequency of symmetric optical beating filters, and the transfer of information to the beat frequency, which lies in the region of the minimum noise of the photodetector, makes it possible to increase sensitivity, signal-to-noise ratio, and measurement accuracy in comparison with the analogue.
Однако недостатком данного способа и устройства, выбранного в качестве прототипа, является использование широкополосного детектора, ширина полосы пропускания которого может достигать десятков ГГц и определяется полосой пропускания симметричного оптического фильтра и значением большей разностной частоты двухчастотного зондирующего излучения. Данная полоса пропускания больше чем у аналога, и в этом случае интегральный вклад шумов при обработке сигнала на выходе детектора будет значительным.However, the disadvantage of this method and the device selected as a prototype is the use of a broadband detector, the bandwidth of which can reach tens of GHz and is determined by the bandwidth of the symmetric optical filter and the value of the higher difference frequency of the two-frequency probe radiation. This bandwidth is greater than that of the analogue, in which case the integral noise contribution during signal processing at the detector output will be significant.
Вторым недостатком указанных способа и устройства, выбранного в качестве прототипа, является его фактическое назначение для работы с узкополосными симметричными оптическими структурами. Возможность работы с широкополосными оптическими структурами определяется ситуацией, когда разностная частота двухчастотного зондирующего излучения больше, чем спектральная ширина плоской вершины симметричной оптической структуры. В противном случае невозможно определение центральной частоты широкополосных симметричных оптических структур, поскольку при определенных разностной частоте и шаге сканирования возможна ситуация, при которой коэффициент модуляции огибающей биений между компонентами двухчастотного зондирующего излучения будет равен 1 неоднократно, также как и будут равны амплитуды принятых составляющих при ряде последовательных измерений, что противоречит условиям реализации способа.The second disadvantage of the above method and device, selected as a prototype, is its actual purpose for working with narrow-band symmetric optical structures. The ability to work with broadband optical structures is determined by the situation when the difference frequency of the two-frequency sounding radiation is greater than the spectral width of the flat top of the symmetric optical structure. Otherwise, it is impossible to determine the center frequency of symmetric optical broadband structures, since at a certain difference frequency and scanning pitch, a situation is possible in which the modulation coefficient of the beat envelope between the components of the two-frequency probe radiation will be 1 repeatedly, as well as the amplitudes of the received components will be equal for a number of sequential measurements, which contradicts the conditions of the method.
Решаемая техническая задача (технический результат) для двух вариантов предлагаемого способа и предлагаемого устройства заключается в повышении точности измерений определения центральной частоты как узкополосной, так и широкополосной симметричной оптической структуры.The technical problem (technical result) to be solved for two variants of the proposed method and the proposed device is to increase the accuracy of the measurements of determining the center frequency of both narrowband and broadband symmetric optical structures.
Решаемая техническая задача в способе для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, по его первому варианту, заключающемся в том, что генерируют одночастотное оптическое излучение с частотой 
Решаемая техническая задача в способе для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, по его второму варианту, заключающемся в том, что генерируют одночастотное оптическое излучение с частотой 
Решаемая техническая задача в устройстве для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, содержащем последовательно соединенные перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, циркулятор, первый волоконно-оптический кабель, один конец которого соединен с первым выходом циркулятора, а второй конец - с входом симметричной оптической структуры, второй волоконно-оптический кабель, один конец которого соединен с выходом симметричной оптической структуры, а второй конец - со вторым входом циркулятора, циркулятор вторым выходом соединен с детектором, а также контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур, причем перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное, контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления, достигается тем, что в него дополнительно введен перестраиваемый фильтр разностной частоты, вход которого подключен к выходу детектора, а выход - к входу контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур, который выполнен как контроллер управления и измерения центральной частоты узкополосных и широкополосных симметричных оптических структур, при этом перестраиваемый фильтр разностной частоты имеет вход/выход управления, подключенный к шине управления.The technical problem to be solved is in a device for determining the center frequency of a symmetric optical structure, comprising a frequency-tunable single-frequency optical radiation source, a single-frequency to dual-frequency optical radiation converter, a circulator, a first optical fiber cable, one end of which is connected to the first output of the circulator, and the second the end - with the input of a symmetric optical structure, the second fiber-optic cable, one end of which is connected to the output the house of a symmetrical optical structure, and the second end with the second input of the circulator, the circulator is connected to the detector by a second output, as well as a controller for controlling and measuring the center frequency of the symmetric optical structures, the frequency-tunable source of single-frequency optical radiation, a converter of single-frequency optical radiation into two-frequency, a controller controls and measurements of the center frequency of symmetric optical structures have control inputs / outputs integrated in the control bus, up to It is slowed by the fact that a tunable differential-frequency filter is introduced into it, the input of which is connected to the detector output, and the output to the input of the controller for controlling and measuring the center frequency of symmetric optical structures, which is designed as a controller for controlling and measuring the center frequency of narrow-band and wide-band symmetric optical structures In this case, the tunable difference-frequency filter has a control input / output connected to the control bus.
На фиг. 1 изображена структурная схема устройства, реализующего предложенные способы для определения центральной частоты симметричной оптической структуры (по первому и второму вариантам).In FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements the proposed methods for determining the center frequency of a symmetric optical structure (according to the first and second options).
На фиг. 2 и фиг. 3 показано спектральное расположение двухчастотного зондирующего излучения (для первого и второго вариантов предлагаемого способа соответственно) относительно симметричной оптической структуры в случае совпадения их средней частоты с резонансной частотой, где 
На фиг. 4 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания симметричной оптической структуры, на которой отображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений между составляющими двухчастотного зондирующего излучения, полученного на выходе преобразователя одночастотного оптического излучения в двухчастотное, прошедшего через симметричную оптическую структуру и зарегистрированного на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания симметричной оптической структуры.In FIG. Figure 4 shows the relative generalized detuning of the bandwidth of a symmetric optical structure, which shows the dependence of the modulation coefficient of the beat envelope between the components of the two-frequency probing radiation received at the output of the single-frequency to two-frequency optical radiation transducer passing through the symmetric optical structure and registered at the output of the tunable filter of the difference frequency, from relative generalized mismatch bandwidth symmetric opt cal structure.
В приложении 1 и приложении 2 представлены алгоритмы работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур для осуществления измерений (для первого и второго варианта предлагаемого способа соответственно).
Устройство для определения центральной частоты симметричной оптической структуры (фиг. 1), содержит последовательно соединенные перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, циркулятор 3, первый волоконно-оптический кабель 4, один конец которого соединен с первым выходом циркулятора 3, а второй конец - с входом симметричной оптической структуры 5, второй волоконно-оптический кабель 6, один конец которого соединен с выходом симметричной оптической структуры 5, а второй конец - со вторым входом циркулятора 3, циркулятор 3 вторым выходом соединен с детектором 7, а также контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8, причем перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1, преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, контроллер управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 имеют входы/выходы управления, объединенные в шину управления 9, достигается тем, что в него дополнительно введен перестраиваемый фильтр разностной частоты 10, вход которого подключен к выходу детектора 7, а выход - к входу контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8, который выполнен как контроллер управления и измерения центральной частоты узкополосных и широкополосных симметричных оптических структур, при этом перестраиваемый фильтр разностной частоты 10 имеет вход/выход управления, подключенный к шине управления.A device for determining the center frequency of a symmetric optical structure (Fig. 1), contains a frequency-tunable single-frequency
Изображенными на фиг. 1 штриховыми линиями условно показаны первая 4 и вторая 6 линии передачи, выполненные на основе волоконно-оптического кабеля. Соединения между перестраиваемым по частоте источником одночастотного оптического излучения 1, преобразователем одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, циркулятором 3 и детектором 7 также показаны штриховыми линиями, поскольку имеют отношения к оптическим блокам. Тип используемых соединений условно не показан, поскольку они могут быть выполнены в любом исполнении, в том числе и в интегральном виде при интегральном объединении всех блоков устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры. Система электропитания блоков, входящих в состав, условно не показана.As depicted in FIG. 1, the first 4 and second 6 transmission lines made on the basis of a fiber optic cable are conventionally shown by dashed lines. The connections between the frequency-tunable source of single-frequency
На фиг. 2 и фиг. 3 показано спектральное расположение двухчастотного зондирующего излучения (для первого и второго вариантов предлагаемого способа соответственно) относительно симметричной оптической структуры в случае совпадения их средней частоты 
Изображенные на фиг. 2 составляющие двухчастотного зондирующего излучения 
Изображенные на фиг. 3 составляющие двухчастотного зондирующего излучения 
На фиг. 4 показана относительная обобщенная расстройка полосы пропускания симметричной оптической структуры 5, на которой отображена зависимость коэффициента модуляции огибающей биений между составляющими двухчастотного зондирующего излучения, полученного на выходе преобразователя одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2, прошедшего через симметричную оптическую структуру 5 и зарегистрированного на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты 10, от относительной обобщенной расстройки полосы пропускания симметричной оптической структуры 5.In FIG. 4 shows the relative generalized detuning of the passband of a symmetric optical structure 5, which shows the dependence of the modulation coefficient of the beat envelope between the components of the two-frequency probing radiation received at the output of the single-frequency to two-frequency
Изображенная на фиг. 4 зависимость коэффициента модуляции огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения m на разностной частоте 
Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента модуляции m2-m6 огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой
Факт равенства коэффициентов модуляции m1 и m2 значения «1» для огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой 
Рассмотрим осуществление способов и работу устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры (для первого и второго варианта предлагаемого способа).Consider the implementation of the methods and the operation of the device for determining the center frequency of a symmetrical optical structure (for the first and second variants of the proposed method).
Рассмотрим осуществление способа и работу устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры для первого варианта предлагаемого способа.Consider the implementation of the method and the operation of the device for determining the center frequency of a symmetric optical structure for the first embodiment of the proposed method.
Для начала работы с устройством производят включение блоков к сети электропитания согласно их нормируемому напряжению.To start working with the device, the units are turned on to the power supply network according to their normalized voltage.
Для измерения характеристик симметричной оптической структуры с помощью перестраиваемого по частоте источника одночастотного оптического излучения в двухчастотное 1 генерируют исходное одночастотное оптическое излучение, из которого формируют двухчастотное зондирующее излучение с двумя составляющими равной амплитуды в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2.To measure the characteristics of a symmetric optical structure using a frequency-tunable source of single-frequency optical radiation into two-
Для этого с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 через шину управления 9 подается команда управления параметрами генерации перестраиваемого по частоте источника одночастотного оптического излучения 1, преобразования в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 и настройки перестраиваемого фильтра разностной частоты 10. Алгоритм работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 для осуществления измерений представлен в Приложении 1 (по первому варианту предлагаемого способа).To do this, from the controller for controlling and measuring the central frequency of symmetric optical structures 8, via the control bus 9, a command is sent to control the parameters of the generation of a frequency-tunable source of single-frequency
В соответствии с алгоритмом работы с поданной командой зондирующий сигнал в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 формируют двухчастотным, состоящим из двух одночастотных сигналов равной амплитуды соответственно на частотах 
Затем передают двухчастотное зондирующее излучение к симметричной оптической структуре 5 через циркулятор 3 и первый волоконно-оптический кабель 4. В двухчастотном зондирующем излучении, проходящем через симметричную оптическую структуру 5, происходит изменение амплитуд составляющих зондирующего излучения - они становятся равными в зависимости от взаимного положения его средней частоты 
Далее принимают двухчастотное излучение после воздействия на симметричную оптическую структуру 5 на детекторе 7. В соответствии с алгоритмом работы включают циркулятор 3 по команде с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 в режим «двойного Т-моста» так, что прошедшее через симметричную оптическую структуру 5 выходное двухчастотное излучение через второй волоконно-оптический кабель 6 и второй вход циркулятора 3 поступает на второй выход циркулятора 3 и потом на детектор 7.Then, two-frequency radiation is received after exposure to the symmetric optical structure 5 at the detector 7. In accordance with the operation algorithm, the circulator 3 is turned on by a command from the controller for controlling and measuring the center frequency of the symmetric optical structures 8 into the “double T-bridge” mode so that it passes through the symmetric optical structure 5 output dual-frequency radiation through the second fiber-
На выходе детектора 7 образуется сигнал, прошедший через симметричную оптическую структуру 5, соответствующий биениям двухчастотного сигнала на разностной частоте 
Далее в соответствии с алгоритмом работы подают команду по шине управления 9 с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 на перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1 для перестройки средней частоты 
В ходе перестройки средней частоты 
Алгоритм работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричной оптической структуры 8 для осуществления измерений для заявки на изобретение по первому варианту предлагаемого способа представлен в Приложении 1.The algorithm of the control controller and measuring the center frequency of the symmetric optical structure 8 for taking measurements for the application for the invention according to the first embodiment of the proposed method is presented in
Рассмотрим осуществление способа и работу устройства для определения центральной частоты симметричной оптической структуры для второго варианта предлагаемого способа.Consider the implementation of the method and the operation of the device for determining the center frequency of a symmetric optical structure for the second variant of the proposed method.
Для начала работы с устройством производят включение блоков к сети электропитания согласно их нормируемому напряжению.To start working with the device, the units are turned on to the power supply network according to their normalized voltage.
Для измерения характеристик симметричной оптической структуры с помощью перестраиваемого по частоте источника одночастотного оптического излучения в двухчастотное 1 генерируют исходное одночастотное оптическое излучение, из которого формируют двухчастотное зондирующее излучение с двумя составляющими равной амплитуды в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2.To measure the characteristics of a symmetric optical structure using a frequency-tunable source of single-frequency optical radiation into two-
Для этого с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 через шину управления 9 подается команда управления параметрами генерации перестраиваемого по частоте источника одночастотного оптического излучения 1, преобразования в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 и настройки перестраиваемого фильтра разностной частоты 10. Алгоритм работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 для осуществления измерений представлен в Приложении 2 (по второму варианту предлагаемого способа).To do this, from the controller for controlling and measuring the central frequency of symmetric optical structures 8, via the control bus 9, a command is sent to control the parameters of the generation of a frequency-tunable source of single-frequency
В соответствии с алгоритмом работы с поданной командой зондирующий сигнал в преобразователе одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 формируют двухчастотным, состоящим из двух одночастотных сигналов равной амплитуды соответственно на частотах 
Затем передают двухчастотное зондирующее излучение к симметричной оптической структуре 5 через циркулятор 3 и первый волоконно-оптический кабель 4. В двухчастотном зондирующем излучении, проходящем через симметричную оптическую структуру 5, происходит изменение амплитуд составляющих зондирующего излучения - они становятся равными в зависимости от взаимного положения его средней частоты 
Далее принимают двухчастотное излучение после воздействия на симметричную оптическую структуру 5 на детекторе 7. В соответствии с алгоритмом работы включают циркулятор 3 по команде с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 в режим «двойного Т-моста» так, что прошедшее через симметричную оптическую структуру 5 выходное двухчастотное излучение через второй волоконно-оптический кабель 6 и второй вход циркулятора 3 поступает на второй выход циркулятора 3 и потом на детектор 7.Then, two-frequency radiation is received after exposure to the symmetric optical structure 5 at the detector 7. In accordance with the operation algorithm, the circulator 3 is turned on by a command from the controller for controlling and measuring the center frequency of the symmetric optical structures 8 into the “double T-bridge” mode so that it passes through the symmetric optical structure 5 output dual-frequency radiation through the second fiber-
На выходе детектора 7 образуется сигнал, прошедший через симметричную оптическую структуру 5, соответствующий биениям двухчастотного сигнала на разностной частоте 
Далее в соответствии с алгоритмом работы подают команду по шине управления 9 с контроллера управления и измерения центральной частоты симметричных оптических структур 8 на перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1 для перестройки средней частоты 
В ходе перестройки средней частоты одночастотного оптического излучения 
Алгоритм работы контроллера управления и измерения центральной частоты симметричной оптической структуры 8 для осуществления измерений для заявки на изобретение по второму варианту предлагаемого способа представлен в Приложении 2.The algorithm of the control controller and measuring the center frequency of the symmetric optical structure 8 for taking measurements for the application for the invention according to the second variant of the proposed method is presented in
На фиг. 2 и фиг. 3 показано спектральное расположение двухчастотного зондирующего излучения (для первого и второго вариантов предлагаемого способа соответственно) относительно симметричной оптической структуры в случае совпадения их средней частоты 
Изображенные на фиг. 2 составляющие двухчастотного зондирующего излучения 
Изображенные на фиг. 3 составляющие двухчастотного зондирующего излучения 
Изображенная на фиг. 4 зависимость коэффициента модуляции огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения m на разностной частоте 
Все сказанное выше относится и к зависимости коэффициента модуляции m2-m6 огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой
Факт равенства коэффициентов модуляции m1 и m2 значения «1» для огибающей биений двухчастотного зондирующего излучения с разностной частотой 
Перестраиваемый фильтр разностной частоты 10 выполнен перестраиваемым для выполнения условия по соответствию значения разностной частоты
Устройство для определения центральной частоты симметричной оптической структуры может быть реализовано на следующих элементах, рассчитанных на работу на длине волны 1550 нм (возможны и другие длины волн):A device for determining the center frequency of a symmetric optical structure can be implemented on the following elements, designed to operate at a wavelength of 1550 nm (other wavelengths are also possible):
- перестраиваемый по частоте источник одночастотного оптического излучения 1 - одночастотный лазерный перестраиваемый диод с диапазоном перестройки до 40 нм, определяемым шириной полосы пропускания симметричной оптической структуры, например, Phoenix-1000, фирмы Luna;- frequency-tunable source of single-frequency optical radiation 1 - single-frequency laser tunable diode with a tuning range of up to 40 nm, determined by the bandwidth of the symmetric optical structure, for example, Phoenix-1000, Luna;
- преобразователь одночастотного оптического излучения в двухчастотное 2 - электрооптический модулятор Маха-Цендера, например, MX-LN-10, фирмы IXBLUE;- a converter of single-frequency optical radiation into two-frequency 2 - electro-optical Mach-Zehnder modulator, for example, MX-LN-10, IXBLUE;
- циркулятор 3 - циркулятор РМОС-4-15, фирмы DK Photonics Technology Limited, на четыре вывода;- circulator 3 - circulator RMOS-4-15, manufactured by DK Photonics Technology Limited, with four outputs;
- первый и второй волоконно-оптический кабели 4 и 6 - эталонные шнуры или кабели на волокне SMF-28 фирмы Corning;- the first and second fiber optic cables 4 and 6 - reference cords or cables on fiber SMF-28 from Corning;
- симметричная оптическая структура 5 - исследуемые решетки и фильтры;- symmetric optical structure 5 - investigated gratings and filters;
- детектор 7 - детектор огибающий ADL5511 или ADL6010 фирмы Analog Devices;- detector 7 - envelope detector ADL5511 or ADL6010 from Analog Devices;
- контроллер управления и измерения спектральных характеристик оптических структур 8 - микропроцессорный контроллер на базе чипов фирм Atmel, Microchip и т.д.;- controller for controlling and measuring the spectral characteristics of optical structures 8 - microprocessor controller based on chips from Atmel, Microchip, etc .;
- шина управления 9 - шины реализующие передачу сигналов управления и данных по протоколам Modbus, RS и других.- control bus 9 - buses realizing the transmission of control signals and data via Modbus, RS and other protocols.
- перестраиваемый фильтр разностной частоты 10 - фирма Agilent, K&L, Магнетон.- tunable filter of differential frequency 10 - Agilent, K&L, Magneton.
При реализации устройства для определения центральной симметричных оптических структур все указанные блоки генерации, приема и обработки сигналов могут быть выполнены на едином кристалле в интегральном исполнении.When implementing a device for determining the central symmetrical optical structures, all of these blocks of generation, reception and processing of signals can be performed on a single chip in an integral design.
По сравнению с существующими способами и устройствами (включая прототип) для определения центральной частоты симметричной оптической структуры, которая характеризуются изменениями коэффициента модуляции в зависимости от изменения электрофизических параметров материалов, предложенный способ (по двум вариантам предлагаемого способа) и устройство с двухчастотным зондированием и измерением коэффициентов модуляции указанного двухчастотного оптического излучения после прохождения через него с дальнейшим вычислением характеристик не требует применения широкополосного приема, а позволяет обрабатывать сигнал на частотах биений компонент двухчастотных сигналов, равных разностным частотам между ними, и выделенных перестраиваемым фильтром разностной частоты, что существенно сужает полосу пропускания приемной части устройства и, соответственно, повышает отношение сигнал/шум измерений. Кроме того полоса пропускания перестраиваемых фильтров разностной частоты находится в области минимальных шумов детектора, что, соответственно, также повышает отношение сигнал/шум измерений.Compared with existing methods and devices (including a prototype) for determining the central frequency of a symmetric optical structure, which is characterized by changes in the modulation coefficient depending on changes in the electrical parameters of materials, the proposed method (in two versions of the proposed method) and a device with two-frequency sensing and measurement of modulation coefficients of said two-frequency optical radiation after passing through it with further calculation of the characteristics of It requires the use of broadband reception, and allows you to process the signal at the beat frequencies of the components of two-frequency signals equal to the difference frequencies between them, and the difference frequency selected by the tunable filter, which significantly reduces the passband of the receiving part of the device and, accordingly, increases the signal-to-noise ratio of the measurements. In addition, the passband of tunable difference-frequency filters is in the region of minimum detector noise, which, accordingly, also increases the signal-to-noise ratio of the measurements.
При прямом детектировании собственные шумы детектора излучения превалируют над внешними и определяют пороговую мощность принимаемого сигнала. Выигрыш по отношению сигнал/шум можно вычислить с помощью следующего выражения:In direct detection, the intrinsic noise of the radiation detector prevails over the external and determines the threshold power of the received signal. The signal-to-noise ratio gain can be calculated using the following expression:
где 
При этом выигрыш будет определяться в основном различной природой и уровнем шумов в различных частотных диапазонах, несмотря на некоторое увеличение требуемой полосы пропускания.In this case, the gain will be determined mainly by the different nature and level of noise in different frequency ranges, despite a slight increase in the required bandwidth.
Для прямого детектирования диапазона 
Для диапазона 
Кроме того, при реализации способа и устройства из алгоритмов работы его блоками и измерения характеристик резонансных структур, отраженных в Приложении 1 и Приложении 2, были исключены операции, связанные с перестройкой разностной частоты, что позволило упростить их структуру по сравнению с прототипом.In addition, when implementing the method and device from the algorithms for operating its blocks and measuring the characteristics of the resonant structures reflected in
Испытания показали, что использование зондирования двухчастотными излучениями симметричной оптической структуры и регистрация средней частоты и коэффициентов модуляции огибающих биений его компонент на выходе перестраиваемого фильтра разностной частоты, позволило достичь отношения сигнал/шум измерений ~ 60 дБ.Tests have shown that the use of sounding with a two-frequency radiation of a symmetric optical structure and recording the average frequency and modulation coefficients of the envelopes of the beats of its components at the output of a tunable difference-frequency filter made it possible to achieve a signal-to-noise ratio of ~ 60 dB.
Все это позволяет говорить о достижении решения поставленной технической задачи (технического результата) для двух вариантов предлагаемого способа - повышение точности измерений определения центральной частоты как узкополосной, так и широкополосной симметричной оптической структуры.All this allows us to talk about achieving a solution to the technical problem (technical result) for two variants of the proposed method - improving the accuracy of measuring the center frequency of both narrowband and broadband symmetric optical structures.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016130997A RU2623710C1 (en) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Method of determining the symmetrical optical structure (versions) central frequency and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016130997A RU2623710C1 (en) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Method of determining the symmetrical optical structure (versions) central frequency and device for its implementation |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2623710C1 true RU2623710C1 (en) | 2017-06-28 |
Family
ID=59312463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016130997A RU2623710C1 (en) | 2016-07-27 | 2016-07-27 | Method of determining the symmetrical optical structure (versions) central frequency and device for its implementation |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2623710C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115824026A (en) * | 2023-02-14 | 2023-03-21 | 南方科技大学 | Differential resonant cavity displacement sensing system |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1456911A1 (en) * | 1986-11-03 | 1989-02-07 | Институт кибернетики им.В.М.Глушкова | Method of measuring central frequency of band-pass filter |
| RU2461852C1 (en) * | 2011-03-17 | 2012-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method of measuring central frequency of range of anisotropic acoustooptical deflector |
| US20130018633A1 (en) * | 2011-07-12 | 2013-01-17 | University Of New Brunswick | Method and apparatus for central frequency estimation |
| RU2512616C2 (en) * | 2012-06-14 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method |
| RU2553065C1 (en) * | 2014-04-15 | 2015-06-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Panoramic receiver |
-
2016
- 2016-07-27 RU RU2016130997A patent/RU2623710C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1456911A1 (en) * | 1986-11-03 | 1989-02-07 | Институт кибернетики им.В.М.Глушкова | Method of measuring central frequency of band-pass filter |
| RU2461852C1 (en) * | 2011-03-17 | 2012-09-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Method of measuring central frequency of range of anisotropic acoustooptical deflector |
| US20130018633A1 (en) * | 2011-07-12 | 2013-01-17 | University Of New Brunswick | Method and apparatus for central frequency estimation |
| RU2512616C2 (en) * | 2012-06-14 | 2014-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" (КНИТУ-КАИ) | Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method |
| RU2553065C1 (en) * | 2014-04-15 | 2015-06-10 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского" Министерства обороны Российской Федерации | Panoramic receiver |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115824026A (en) * | 2023-02-14 | 2023-03-21 | 南方科技大学 | Differential resonant cavity displacement sensing system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7060967B2 (en) | Optical wavelength interrogator | |
| US6525308B1 (en) | Apparatus and method for wavelength detection with fiber bragg grating sensors | |
| RU102256U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS | |
| US10731969B2 (en) | In-line fiber sensing, noise cancellation and strain detection | |
| JP2017511887A (en) | Tunable filter for spectrum detection | |
| CN104243018B (en) | A kind of chromatic dispersion measurement system | |
| JP4930126B2 (en) | Physical quantity measurement system | |
| US8379217B2 (en) | System and method for optical sensor interrogation | |
| CN109612601B (en) | Power equipment temperature and partial discharge integrated detection system and method | |
| CN110702985B (en) | Beat frequency type frequency spectrum detecting system | |
| RU2623710C1 (en) | Method of determining the symmetrical optical structure (versions) central frequency and device for its implementation | |
| RU2512616C2 (en) | Method of measuring parameters of physical fields and device for realising said method | |
| RU2377497C1 (en) | Facility for measuring deformations on base of quasi-distributed fibre-optical sencors on bragg grids | |
| RU2721739C1 (en) | Fiber-optic instantaneous frequency measuring system of multiple microwave signals | |
| RU2608394C1 (en) | Device for measuring parameters of physical fields | |
| US11002573B2 (en) | Optical sensor system | |
| RU167467U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE CENTRAL FREQUENCY OF A SYMMETRIC OPTICAL STRUCTURE | |
| CN109004983B (en) | Accurate sensing method based on phase-to-intensity modulation conversion principle | |
| RU92180U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS | |
| RU161644U1 (en) | DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL FIELD PARAMETERS | |
| JP2014077712A (en) | Optical resonator measuring method and measuring apparatus | |
| CN108663194A (en) | A kind of high-precision optical vector network analysis device and method | |
| RU2602998C1 (en) | Method of controlling spectral parameters fibre bragg grating | |
| RU2495380C2 (en) | Measuring method of parameters of physical fields | |
| RU191082U1 (en) | Self-calibrating fiber signal analyzer based on fiber Bragg gratings |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180728 |