Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы .8
Раздел 1.1. Волоконные брэгговские решетки 8
Раздел 1.2. Волоконно-оптические датчики на основе решеток Брэгга 10
Раздел 1.3. Методы обработки спектральных параметров решеток Брэгга 29
Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2. Поиск путей создания устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках 41
Раздел 2.1 Температурное моделирование ЛД типа VCSEL с помощью метода конечных элементов в среде COMSOL Multiphysics 41
Раздел 2.2 Метод спектрального контроля ВБР на основе амплитудной модуляции по току ЛД типа VCSEL 55
Раздел 2.3 Временное моделирование метода спектрального контроля ВБР на основе амплитудной модуляции по току ЛД типа VCSEL 62
Выводы по главе 2 70
ГЛАВА 3. Оптико-механическая модель деформации ВБР, закрепленной на изгибаемой пластине 72
Раздел 3.1. Построение компьютерной модели.. 72
Раздел 3.2. Временной анализ деформации оптико-механической модели 77
Раздел 3.3. Частотный анализ деформации оптико-механической модели 79
Выводы по главе 3. 85
ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование свойств ЛД типа VCSEL .. 87
Раздел 4.1. Экспериментальное исследование свойств поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором при работе в постоянном режиме излучения 87
Раздел 4.2. Исследование свойств ЛД типа VCSEL при амплитудной модуляции по току прямоугольными импульсами 90
Выводы по главе 4 102
ГЛАВА 5. Исследование метода спектрального контроля ВБР на основе амплитудной модуляции по току ЛД типа VCSEL 104
Раздел 5.1 Создание действующего макета устройства регистрации спектральных параметров ВБР 104
Раздел 5.2. Оценка точности построения спектров ВБР с использованием макета с помощью контрольного анализатора спектра 107
Раздел 5.3. Оценка точности метода с использованием косвенного параметра 110
Раздел 5.4. Оценка собственных шумов макета устройства регистрации спектральных параметров ВБР 113
Раздел 5.5. Экспериментальное исследование спектральных свойств оптико-механической модели 115
Раздел 5.6. Исследование частотных характеристик макета устройства регистрации спектральных параметров ВБР 117
Выводы по главе 5 119
Заключение 121
Список сокращений 124
Литература
- Волоконно-оптические датчики на основе решеток Брэгга
- Метод спектрального контроля ВБР на основе амплитудной модуляции по току ЛД типа VCSEL
- Временной анализ деформации оптико-механической модели
- Исследование свойств ЛД типа VCSEL при амплитудной модуляции по току прямоугольными импульсами
Введение к работе
Актуальность темы. Датчики на основе волоконных брэгговских
решеток (ВБР) являются одной из наиболее динамично развивающихся
технологий в области волоконно-оптических сенсорных систем. Датчики
такого типа применяются для мониторинга широкого спектра физических
величин, таких как механическое напряжение, вибрация, акустические
колебания, ускорение, давление, температура, влажность и др. Датчики на
основе ВБР находят применение в отраслях нефтехимической и
нефтедобывающей промышленности, медицины, строительства,
электроэнергетики и машиностроения. К достоинствам таких датчиков можно отнести их компактные размеры и малый вес, низкую чувствительность к электромагнитным помехам, а так же возможность мультиплексирования большого числа чувствительных элементов в одном оптическом волокне и полная взрыво- и пожаробезопасность благодаря отсутствию токоведущих частей. Таким образом, такие датчики широко востребованы при разработке устройств, предназначенных для работы в условиях вредного воздействия окружающей среды. Они используются для измерения механического напряжения в материале, в подводных связующих системах, в том числе трансатлантических, служат для измерений экстремально высоких температур и в условиях повышенной радиации, а так же во многих других сферах.
Особый интерес представляют устройства обработки информационных сигналов с датчиков на основе ВБР – к недостаткам устройств, представленных в данный момент на рынке, стоит отнести их высокую стоимость, а так же их сравнительно крупные габариты и большой вес. В связи с этим актуальной является задача миниатюризации и удешевления устройства обработки сигналов от таких датчиков.
Целью работы является создание устройства спектрального контроля ВБР, имеющего в своей основе перестраиваемый узкополосный источник оптического излучения, обладающего высокой разрешающей способностью и высокой частотой опроса, и исследование его характеристик.
Для достижения этой цели требовалось решение следующих задач:
- анализ существующих методов построения устройств регистрации
спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских
решетках;
- создание и исследование метода регистрации спектрального отклика
для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках;
- моделирование температурных процессов поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором (VCSEL);
- создание и исследование макета быстродействующего малогабаритного
устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических
датчиков на брэгговских решетках;
- создание оптико-механической модели воздействия механических
деформаций на ВБР на примере изгибаемой пластины;
- создание и исследование действующего макета для исследования воздействия деформации на ВБР.
Научная новизна работы заключается в том, что в ней:
-
Впервые предложен метод считывания спектральных параметров ВБР с использованием узкополосного поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, позволяющий регистрировать центральную длину волны спектра отражения ВБР с точностью не хуже 50 пм и с частотой опроса до 10кГц.
-
Впервые реализована динамическая компьютерная модель поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, с помощью которой получены зависимости изменения длины волны излучения от величины тока накачки и формы модулирующего токового импульса.
-
Впервые предложен метод линеаризации передаточной характеристики интеррогатора на основе узкополосного источника оптического излучения, позволяющий получать передаточную характеристику с отклонением от линейной зависимости величиной не более 11 пм.
Практическое значение работы состоит в следующем:
1. Предложенный метод считывания спектральных параметров ВБР с
использованием узкополосного поверхностно излучающего лазера с
вертикальным резонатором, позволяет реализовывать устройства на его
основе, отличающиеся относительно низкой стоимостью, а так же малыми
габаритными размерами. За счет этого, такой прибор может быть закреплен в
непосредственной близости от чувствительного элемента, в том числе на
подвижных узлах и деталях конструкций. Регистрация центральной длины
волны спектра отражения ВБР с точностью не хуже 50 пм и с частотой
опроса до 10кГц позволяет применять такие устройства для обработки
сигналов различных спектральных датчиков на основе ВБР.
-
Предложенная динамическая компьютерная модель поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором позволяет определять зависимости изменения длины волны излучения от величины подаваемого на источник тока накачки, а так же формы модулирующего токового импульса. С помощью этой модели была проведена оптимизация режимов работы источника оптического излучения, задействованного в разрабатываемом устройстве.
-
Предложенный метод линеаризации передаточной характеристики интеррогатора на основе узкополосного источника оптического излучения позволяет получать передаточную характеристику с отклонением от линейной зависимости величиной не более 11 пм, что обеспечивает постоянное значение погрешности во всем диапазоне измерений, а так же существенно снижает требования к аналого-цифровому преобразователю, используемому в разрабатываемом приборе.
Защищаемые положения:
1. Метод считывания спектральных параметров ВБР с использованием узкополосного поверхностно излучающего лазера с вертикальным
резонатором, позволяющий регистрировать центральную длину волны спектра отражения ВБР с точностью не хуже 50 пм и с частотой опроса до 10кГц.
-
Динамическая компьютерная модель поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором, с помощью которой получены зависимости изменения длины волны излучения от величины тока накачки и формы модулирующего токового импульса.
-
Метод линеаризации передаточной характеристики интеррогатора на основе узкополосного источника оптического излучения, позволяющий получать передаточную характеристику с отклонением от линейной зависимости величиной не более 11 пм.
Апробация работы:
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на XLIV, XLV и XLVI научных и учебно-методических конференциях НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2014-2016); на международной научно-практической конференции «Sensorica – 2015» (Санкт-Петербург, Россия, 2015); на III и IV Всероссийских конгрессах молодых
ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2014-2015); на международной
конференции International Symposium «Fundamentals of Laser Assisted Micro and Nanotechnologies» (Санкт-Петербург, 2016); на международной конференции OSA - Advanced Solid State Lasers (Берлин, 2015).
Внедрение результатов.
Результаты настоящего исследования используются на кафедре
Оптических коммуникаций и измерительных систем Санкт-Петербургского
национального исследовательского университета информационных
технологий, механики и оптики, а также легли в основу работ по разработке макетов устройств регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, выполняемых совместно с ООО НИЦ "ИРТ".
Публикации.
Основное содержание диссертации опубликовано в 6 статьях, входящих в список ВАК (из них 2 статьи в издании, включенном в систему цитирования Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации составляет 13 наименований.
Структура и объем диссертации.
Волоконно-оптические датчики на основе решеток Брэгга
Особенностью производства VCSEL является возможность группового тестирования в процессе изготовления – такое тестирование проводится прямо на подложке. Такой подход позволяет ввести существенную экономию в процесс изготовления лазеров. Традиционный лазерный диод типа VCSEL имеет ограничения по постоянному току до 15 мА, падение напряжения - 5 В. Мощность таких диодов обычно не превышает 1 мВт [59-60].
В качестве механизма временной перестройки центральной длины волны излучения представленных лазерных диодов применяется динамическое изменение температурного режима активной области лазера с помощью токовой модуляции либо с применением внешней стабилизации температуры с использованием термоэлектрических модулей. Такой нагрев позволяет добиться периода перестройки длины волны до 5-10 мс, величина перестройки при этом может варьироваться до 8 нм.
Первый метод – токовая модуляция. При проходе электрического тока через полупроводниковый чип лазерного диода большая часть падения напряжения происходит в районе активной области, что вызывает активный отвод тепла от нее. Генерируемое тепло проходит через остальное пространство внутри диода и рассеивается, в том числе и в материале, обеспечивающем оптическую обратную связь. Нагрев этой структуры вызывает изменение ее показателя преломления, как следствие, изменение длины волны генерируемого излучения. Схема устройств, действующих по такому принципу, представлена на рисунке 1.22. Лазерный диод управляется токовыми импульсами пилообразной формы – при этом изменяется мощность генерируемого излучения, а так же его центральная длины волны перестраивается во времени в заданном диапазоне. На фотоприемном устройстве при этом регистрируется мощность поступающего сигнала, характеризующая положение спектра исследуемой ВБР. При нормировке такого сигнала в соответствии с управляющими импульсами производиться построение искомого спектра
Преимуществом такого метода является возможность создания приборов с малыми массогабаритными параметрами, отличающихся относительно низкой стоимостью и простотой настройки и использования. Подобные системы могут использоваться в условиях вредного воздействия окружающей среды, в сложных физических и метеоусловиях. Малые габариты таких устройств расширяют сферу их применения – такие системы обработки могут фиксироваться в непосредственной близости от чувствительного элемента в труднодоступных местах и на подвижных частях исследуемых конструкций. К недостаткам такого способа измерения можно отнести меньшую точность по сравнению с объемными анализаторами спектра, ограниченную полосу измерений для одного источника лазерного излучения, а так же высокую вероятность погрешности из за использования в качестве информационной составляющей мощности регистрируемого сигнала. Так же присутствуют сложности, вызванные стремлением производителей лазерных диодов предотвратить зависимость длины волны от тока накачки – такая зависимость негативно сказывается на использовании подобных лазеров для телекоммуникационных нужд. 1.3.2. Перестройка центральной длины волны оптического излучателя с помощью метода, использующего дополнительную фильтрацию
В основу работы действия таких устройств положена временная перестройка резонансной частоты оптического фильтра типа Фабри-Перо, выполненная за счет использования в его конструкции микромеханических подвижных деталей.
Принцип действия фильтра Фабри-Перо представлен на рисунке 1.23 Рисунок 1.23 Схема оптического резонатора Фабри-Перо Такой фильтр состоит из двух соосных, обращенных друг к другу зеркал, расположенных параллельно на заданном расстоянии друг от друга. При введении излучения в такой резонатор между зеркалами формируется резонансная стоячая оптическая волна. При этом длина волны выводимого излучения является функцией расстояния между пластинами. Форма спектра такого излучения выбирается схожей со спектром ВБР и по полувысоте обычно не превосходит 0.3 нм. При использовании метода с внешней фильтрацией исследуемая ВБР облучается широкополосным источником оптического излучения, при этом отраженная от ВБР часть спектра через Y-ответвитель поступает на перестраиваемый оптический фильтр, выполненный на основе рассмотренного выше фильтра Фабри-Перо. При этом сам фильтр может располагаться как сразу после источника оптического излучения, так и после ВБР. Расстояние между зеркалами в таком фильтре выставляется с помощью микромеханических подвижных частей в соответствии с подаваемым на него управляющим сигналом. На фотоприемном устройстве производится регистрация временного сигнала, при нормировке которого в соответствии с исходными управляющими импульсами производится построение спектров и определение спектральных параметров исследуемой ВБР. Общая схема рассматриваемого метода представлена на рисунке. Рисунок 1.24 Схема устройства на основе перестраиваемого фильтра типа Фабри-Перо
Пример подобной конструкции приведен в статье [62] – авторы используют систему обработки спектральных дынных ВБР на основе перестраиваемого фильтра Фабри-Перо с использованием микромеханической сборки. Представленная система позволяет обрабатывать до 6 ВБР в диапазоне до 70 пм с точностью до 1.2 пм. За счет использования подвижных зеркал с малыми размера авторам статьи удалось достигнуть широкого диапазона работы устройства – первая резонансная частота системы составляет 140 кГц. Потери на таком фильтре составляют от 3 до 4 дБ во всем измеряемом диапазоне. В статье [63] представлен схожий с упомянутым принцип работы устройства обработки спектральных характеристик ВБР, действующий в соответствии с рисунком 1.25:
Рисунок 1.25 Схема обработки параметров ВБР на основе перестраиваемого фильтра Где SLED – суперлюминисцентный лазерный диод, TIA – трансимпедансный усилитель, A/D – аналогово-цифровой преобразователь , D/A – цифро-аналоговый преобразователь, DSP – электронное устройство управления. Ключевое отличие от предыдущего метода – расположение перестраиваемого фильтра, в данной схеме он расположен после ВБР. Вносимые перестраиваемым фильтром потери при таком подходе составляют от 4.5 до 5.5 дБ. Максимальная длина перестройки такого фильтра – 30 нм. В качестве опорного сигнала в таком методе используется ВБР, на которую не производится воздействия. Скорость перестройки фильтра составила 0.1 нм/мкс. Точность построения спектров составляет 1.5 пм.
К достоинствам представленного метода можно отнести относительно широкий спектральный диапазон измерений, а так же высокую точность получаемых результатов, однако из-за своей сложности подобные устройства обладают сравнительно высокой стоимостью, а так же не подходят для работы в условиях вредного воздействия окружающей среды и в условиях механических перегрузок. Помимо этого в ходе работы устройства, действующего по такому принципу, необходимо периодическое проведение калибровки, что накладывает дополнительные ограничения на его использование.
Метод спектрального контроля ВБР на основе амплитудной модуляции по току ЛД типа VCSEL
Поскольку величина смещения спектра ВБР зависит от геометрии и параметров представленной конструкции, основной целью данного исследования стало построение оптико-механической модели, позволяющей анализировать влияние параметров конструкции на спектральные характеристики ВБР. Построение предлагаемой оптико-механической модели основывается на анализе существующих конструкций волоконно-оптических датчиков вибрации и ускорения (см. главу 1).
Для исследования зависимости изменения спектральных параметров ВБР от параметров материала и геометрии конструкции был использован метод конечных элементов, реализованный с помощью программной среды Comsol Multihysics.
Моделирование механического воздействия на эластичные структуры в среде Comsol Multiphysics осуществляется с использованием программных модулей Solid Mechanics (Time Domain, Frequency Domain).
Модуль Solid Mechanics позволяет производить анализ механических конструкций, подверженных статическим или динамическим нагрузкам. Он может быть использован для исследования механических воздействий, производимых на ВБР, а также для поиска резонансных частот конструкции.
Для точной количественной оценки смещения центральной длины волны отражения спектра ВБР необходимо создание модели, содержащей отрезок оптического волокна. Его моделирование с использованием метода конечных элементов потребует построения пространственной сетки с большим числом узлов (порядка нескольких миллионов) - математическое моделирование такой пространственной сетки приведет к невозможности получения значимых результатов моделирования за приемлемое время ввиду ограниченных доступных вычислительных мощностей. В виду этого было введено допущение, согласно которому оптическое волокно с записанной в него ВБР представлено в виде кварцевого цилиндра диаметром 125 мкм и длиной 40 мм.
Построение оптико-механической модели воздействия деформации на ВБР на примере изгибаемой пластины в среде Comsol Multiphysics производилось в несколько этапов:
На первом этапе построения математической модели воздействия деформации на ВБР на примере изгибаемой пластины в качестве модулей, описывающих взаимодействие механического воздействия с твердотельной структурой, был выбран программный модуль Solid Mechanics (Time Domain, Frequency Domain) среды Comsol Multiphysics.
На втором этапе была определена размерность будущей модели - 3D. В данном случае величина максимального отклонения инертной массы при внешнем воздействии ограничивается резонансными частотами, характерными для конструкции. Резонансная частота предлагаемой системы определяется в соответствии с выражением [69]:
Где z=c/L, с – расстояние между концом упругого элемента и центром инертной массы по одной оси, – величина резонансной частоты, E – модуль Юнга, I – момент инерции сечения упругого элемента, m – величина инертной массы, L – длина упругого элемента. В соответствии с приведенной формулой был проведен предварительный расчет оптимальных параметров конструкции – размеры кронштейна составили 12.5мм х 40 мм х 0.63 мм; величина инертной массы – 5 гр.
На третьем этапе была создана геометрическая модель рассматриваемой конструкции (рисунок 3.2).
На рисунке 3.2: 1 – неподвижное основание, 2 – оптическое волокно с записанной в него ВБР, зафиксированное на поверхности кронштейна с помощью клея, 3 – деформируемый упругий кронштейн, 4 – инертная масса,. Рисунок 3.2. Общий вид оптико-механической модели в среде Comsol Multiphysics; Размерность по осямх,уиг- м
На четвертом этапе в качестве материала для кронштейна была выбрана сталь с модулем Юнга - 200 МПа, коэффициентом Пуассона - 0,33 и плотностью 7850 кг/мЛ3. Инертная масса была так же изготовлена из стали. В качестве материала оптического волокна использовался кварц с модулем Юнга - 73,1 МПа, коэффициентом Пуассона-0,17 и плотностью 2203 кг/мЛ3. Крепление к пластине производилось с помощью жесткой фиксации. В ходе моделирования все параметры материалов соответствовали нормальным условиям.
Приведенные выше характеристики материала и геометрии чувствительного элемента задавались параметрически и могли изменяться в заданных пределах в ходе моделирования с помощью функции среды Comsol Multiphysics - Parametric Sweep (параметрический перебор значений) для определения их влияния на изменение центральной длины волны отражения ВБР.
На пятом этапе создания модели были определены параметры механического воздействия и среды, в которой была размещена исследуемая конструкция. В качестве механического воздействия использовалось сила, воздействующая на инертную массу и кронштейн с закрепленным на нем оптическим волокном. При этом основание конструкции оставалось неподвижным.
Конечным этапом построения оптико-механической модели воздействия деформации на ВБР на примере изгибаемой пластины стало наложение на созданную геометрию пространственной сетки, как это показано на рисунке 3.3
Как было указано в главе 2, средства для обработки результатов моделирования в среде Comsol Multiphysics позволяют анализировать как трехмерные модели исследуемого чувствительного элемента, так и зависимости деформации выбранных точек поверхности в зависимости от параметров модели. При этом второй способ анализа является более показательным, поскольку он позволяет рассматривать зависимости деформации поверхности чувствительного элемента от частоты и различных параметров модулируемого объекта на одном графике.
В рассматриваемой оптико-механической модели в качестве основной точки для анализа резонансных частот и величин отклонения кронштейна от нормального состояния была выбрана точка А. Оценка растягивающих сил, прикладываемых к ВБР, производилась с помощью измерения относительного изменения длины отрезка оптического волокна. В соответствии с законом Гука для тонкого растягиваемого стержня:
где F - прикладываемая к торцам оптического волокна растягивающая сила, Д относительное изменение длины оптического волокна, Е - модуль Юнга материала (для кварца он составил 73,1 МПа), S - площадь поперечного сечения, 1 - длина оптического волокна. Таким образом, представляется возможным расчет прикладываемой к оптическому волокну растягивающей силы на основе данных об относительном изменении его длины. Дальнейший пересчет этих данных в относительное изменение центральной длины волны отражения ВБР производился с использованием нормировочного коэффициента к=1.12 нм/Н [70], связывающего прикладываемые к ВБР силы со смещением ее спектра.
В результате работы была предложена компьютерная модель, позволяющая производить определение влияния параметров внешнего воздействия на величину изменения центральной длины волны отражения ВБР.
Временной анализ деформации оптико-механической модели
Пятая глава посвящена разработке и исследованию макета устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках. Для демонстрации работы такого датчика в исследовании использовалась одиночная волоконная брэгговская решетка, записанная в изотропное оптическое волокно.
В главе рассматривается принцип действия макета, его основные узлы и использованные компоненты, а так же различные режимы работы. Производится оценка точности определения центральной длины волны отражения ВБР, а так же оценка собственных электрических и оптических шумов системы. Реализована обработка, позволяющая динамически отслеживать изменение центральной длины волны отражения ВБР.
Представлен действующий макет оптико-механической модели, позволяющий осуществлять и анализировать реакцию на гармоническое воздействие на ВБР, проведено его исследование при различных режимах работы.
Раздел 5.1 Создание действующего макета устройства регистрации спектральных параметров ВБР
В качестве примера использования предложенного метода определения спектрального отклика волоконно-оптических датчиков на основе ВБР был разработан действующий макет, схема которого представлена на рисунке 5.1:
В соответствии с рассмотренным в главе 2 методом, в качестве источника оптического излучения в такой схеме используется полупроводниковый поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором типа VCSEL. Блок контроля перестройки длины волны источника оптического излучения реализован с помощью микросхемы драйвера стабилизации и формирования токовых импульсов MAX3869 производства Maxim Integrated, принимающей сигналы управления от ПЛИС Altera Cyclone V 5СЕА4. Для управления термоэлектрическим модулем VCSEL используется схема драйвера ADN8831, которая выполняет регулировку стабилизируемой температуры источника оптического излучения. В качестве ФПУ используется фотодиодный модуль PDI-40-RM. В электронной схеме используется АЦП производства фирмы Analog Devices AD9266 – частота дискретизации такой АЦП составляет 20 МГц, количество бит – 16.
Оптическая часть схемы состоит из Y-разветвителя, к которому с одного конца подключается исследуемая ВБР, а с другого – ФПУ и ЛД типа VCSEL, подключенный через оптический изолятор для исключения воздействия отраженного от ВБР оптического излучения.
Электронная и оптическая часть макета помещена в корпус с габаритными размерами 200х350х50 мм (рисунок 5.2)
Выдача данных производилась на персональный компьютер по интерфейсу Ethernet, частота выдачи составила 300 Гц, в виду чего оставлен большой потенциал для увеличения частоты выдачи.
Рассматриваемый алгоритм подразумевал поступление данных с ВБР в соответствии с модулирующими ЛД типа VCSEL токовыми импульсами, длительностью 50 мкс. В течение каждого такого отрезка с АЦП поступает 2500 временных отсчетов, отстоящих друг от друга на 20 нс. Для увеличения точности был реализован механизм стробоскопической передискретизации. С его помощью данные обрабатывались пакетами по четыре импульса: для данных, соответствующих первому импульсу выборки, первый отсчет АЦП совпадал со временем подачи импульса, для последующих данных, соответствующих второму, третьему и четвертому токовому импульсу, добавлялась задержка во взятии отсчетов 5, 10 и 15 нс соответственно. Получаемые данные поступали во входной буфер ПЛИС. Таким образом, по данным от каждых четырех импульсов на выходе АЦП формировалась выборка из 10000 точек в течение 400 мкс.
Далее данные в виде пакетов из 10000 точек передавались на ПК по Ethernet каналу, обеспечивающем обновление для каждого информационного значения каждые 300 Гц.
На ПК по получаемым данным производилась нормировка регистрируемого временного сигнала, с помощью которой строился спектр ВБР (рисунок 5.3а). Далее производился расчет центральной длины волны по методу, использующему значения полувысоты спектра (данный метод подробно рассмотрен в главе 2). Получаемые таким образом значения центральной длины волны откладывались по вертикальной оси графика (рисунок 5.3б). При этом по горизонтальной оси откладывалось время, соответствующее регистрации каждого значения.
На первом этапе измерений оценка точности построения спектров с помощью разработанного макета производилось при помощи контрольного оптического анализатора спектра YOKOGAWA AQ6370C. Для этого исследуемая ВБР поочередно подключалась к макету регистрации спектрального отклика и к схеме контрольных измерений (рисунок 5.4):
При исследовании применения метода для ВБР, записанных в изотропное волокно типа SMF-28, рассматривалось два образца решеток Брэгга. Для охвата всего сканируемого диапазона производилось смещение центральной длины волны отражения ВБР с помощью ее механического растяжения, при этом воздействие температурных изменений на оптическое волокно было сведено к минимуму, в виду их влияния общий уровень шума за счет внесения дополнительных флуктуаций в спектральное положение ВБР. В ходе эксперимента была произведена обработка четырех спектральных положений одной ВБР – в состоянии покоя ее центральная длины волны отражения составляла 1549.2 нм, ширина по полувысоте 0.4 нм. Величина прикладываемой к оптическому волокну растягивающей силы составляла от 0 до 3,5 Н, что вызвало смещение центральной длины волны отражения ВБР на величину до 3 нм. В ходе эксперимента для каждого положения ВБР производилось два измерения – с помощью разрабатываемого устройства и с использованием контрольного анализатора спектра (рисунок 5.5). Центральная длина волны отражения ВБР оценивалась по полувысоте регистрируемого спектра.
Исследование свойств ЛД типа VCSEL при амплитудной модуляции по току прямоугольными импульсами
В ходе настоящего исследования получены следующие основные результаты: Выполнен обзор и сравнительный анализ устройств обработки сигналов с волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, определены их основные преимущества и недостатки. В качестве наиболее перспективного принципа построения быстродействующего малогабаритного устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках был предложен принцип, использующий в своей основе перестраиваемый узкополосный источник оптического излучения в виду относительной простоты реализации и низкой стоимости.
Разработана компьютерная модель поверхностно излучающего лазерного диода с вертикальным резонатором типа VCSEL, позволяющая оценить температурные изменения в структуре чипа в зависимости от параметров модулирующих токовых импульсов. Экспериментально получен нормировочный коэффициент, позволяющий определять смещение центральной длины волны излучения ЛД типа VCSEL в зависимости от температуры его активной области.
Предложен метод считывания спектральных параметров ВБР на основе временной перестройки центральной длины волны излучения ЛД типа VCSEL, при котором в качестве информационного сигнала рассматривается временной сигнал, сформированный ВБР, находящейся в спектральном диапазоне перестройки источника. По регистрируемому сигналу производится построение спектра ВБР с помощью кривой изменения положения его центральной длины волны излучения в течение импульса.
Предложен метод оптимизации формы токового импульса для линеаризации зависимости изменения длины волны ЛД типа VCSEL в течение токового импульса, подтвержденный с помощью компьютерного моделирования с использованием метода конечных элементов. Получена форма токового импульса, позволяющая добиться изменения температуры по закону, приближенному к линейному. При таком подходе реализуется постоянная точность измерений во всем диапазоне сканирования.
Представлена модель электронной схемы обработки устройства, основанной на предложенном методе. Смоделирована величина ошибки при определении центральной длины волны ВБР при различных параметрах АЦП с использованием линейной и экспоненциальной зависимости динамики изменения центральной длины волны излучения ЛД типа VCSEL во времени, а так же при различных способах нахождения центральной длины волны.
Построена компьютерная оптико-механическая модель изгибаемой пластины с интегрированной ВБР, реализованная с использованием метода конечных элементов. С помощью представленного моделирования были определены параметры действующего макета воздействия деформации на ВБР, такие как габаритные размеры упругого элемента, величина инертной массы, а так же материал, из которого изготовлена пластина. Также была произведена оценка частотного диапазона модели и смещения центральной длины волны отражения ВБР при различных внешних воздействиях.
Экспериментально подтверждены результаты теоретического моделирования VCSEL выполненного с использованием метода конечных элементов. Измерены параметры излучения ЛД типа VCSEL с центральной длиной волны 1550 нм, производства фирмы RayCan, в режиме постоянного излучения, а так же при его модуляции токовыми импульсами различной формы. Представлен экспериментальный метод построения динамики смещения центральной длины волны излучения ЛД типа VCSEL при его модулировании токовыми импульсами различной формы.
Создан и экспериментально исследован действующий макет оптико-механической модели на примере изгибаемой пластины, позволяющий прикладывать к ВБР растяжение, изменяющееся по гармоническому закону.
Создан действующий макет устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках, использующий в своей основе оригинальный принцип действия, основанный на временной перестройке центральной длины волны излучения ЛД типа VCSEL. Исследуемый диапазон измерений устройства -3.2 нм, частота обновления данных о положении центральной длины волны отражения ВБР составила 300 Гц.
Экспериментально определены основные параметры действующего макета устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках: точность определения центральной длины волны отражения ВБР не хуже 50 пм; собственные шумы измерительной системы не более 2.8 пм. С помощью действующего макета оптико-механической модели произведена регистрация гармонического воздействия на ВБР с частотой до 100 Гц, построены спектры полученных сигналов.
Дальнейшее улучшение характеристик макета устройства регистрации спектрального отклика для волоконно-оптических датчиков на брэгговских решетках предусматривает увеличение точности определения центральной длины волны ВБР, а так же расширение динамического спектрального диапазона сканирования.
Увеличение точности определения центральной длины волны ВБР рассматриваемого макета может производиться путем использования более высокопроизводительных электронных компонентов, а так же с использованием оптимизированных методов обработки информационных сигналов. Для расширения динамического спектрального диапазона сканирования могут быть применены оптические схемы с использованием нескольких ЛД типа VCSEL, излучающих на разных длинах волн.