11. Измерение параметров и исследование характеристик источников излучения

11.1. Параметры и характеристики источников излучения

Источники оптического излучения относятся к базовым элементам ВОЛП. Применение тех или других источников изучения в ВОЛП обуславливается их надёжностью, технологической интеграцией с другими компонентами, микроминиатюризацией, реализацией одномодового режима генерации в широком диапазоне рабочих мощностей, высоким быстродействием. Наилучшим образом этим условиям соответствует полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды (СИД) и инжекционные лазеры (ИЛ). Они и представляют собой основной вид излучателей в волоконно-оптической связи. Широкий спектр задач, решаемых в ВОЛП, и постоянное совершенствование источников излучения привели к созданию большого числа разновидностей этих источников, различающихся конкретной структурой и используемыми материалами.

Параметры и характеристики источников излучения делятся на пространственно - временные и энергетические. Эти группы охватываю практически все параметры и характеристики. Однако с точки зрения методов и техники измерений такой подход к классификации ни технически, ни методически не оправдан. Поэтому, полностью придерживаясь стандартизованных терминов и определений, объединим в дальнейшим изложении измеряемые величины, параметры и характеристики источников излучения в следующие группы:

1. Энергетическая группа. Основной физической величиной, чаще всего подлежащей является мощность изучения Р. Все остальные параметры и характеристики этой группы функционально связаны с мощностью, аргументами в этих функциональных зависимостях является время t, длинна волны λ, пространственные координаты сечения пучка x, y, z (x, y- координаты в поперечном сечении, z – расстояние до центра сечения от входной грани источника излучения). Таким образом, внутри энергетической группы можно выделить, в свою очередь, две подгруппы параметров, определяемых через измеряемую мощность излучения:

  • временная: энергия Е; энергия импульса Еи; средняя мощность Рср; максимальная мощность импульса Ри мак; длительность tи и частота повторения Fиимпульсов;
  • пространственная: плотность энергии (мощности) WЕ(WР);относительное распределение плотности энергии (мощности) в сечении пучка, диаметр пучка d, расходимость Өр; энергетическая расходимость ӨЕР.

2. Спектральная группа. Основной физической величиной в этой группе является спектральная мощность плотности источника излучения (СПМ). В группу входят следующие параметры: частота излучения ν, длинна волны λ, ширина огибающей спектра излучения∆λ.

3. Корреляционная группа. Основные параметрами этой группы является когерентность и поляризация излучения.

В таблице 11.1 приведены основные параметры и характеристики источников излучения, контролируемые при выпуске их из производства и при эксплуатации.

Таблица 11.1. Основные параметры и характеристики источников излучения.

Параметр

Определение

Обозначение

Энергетические параметры и характеристики

Энергия

Энергия переносимая лазерным лучом

W

Мощность

Энергия переносимая лазерным лучом в единицу времени

Р

Интенсивность

Величина, пропорциональная квадрату амплитуды электромагнитного колебания

J

Спектральная плотность энергии (мощности)

 

Wλ, Wν

Pλ, Pν

Средняя мощность импульса

 

Ри. ср

Максимальная мощность импульса

 

Ри. max

Пространственно - энергетические параметры и характеристики

Диаграмма направленности

Угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения

 

Диаметр пучка

Диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности лазерного излучения

d

Расходимость

Плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазерного излучения в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности лазерного излучения, определяемому по отношению к его максимальному значению

ӨР ӨS

Энергетическая расходимость

Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения

ӨW, PӨW,S

Относительное распределение плотности энергии (мощности)

Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности)

 

Временные параметры

Частота повторения импульсов

Отношение числа импульсов лазерного излучения ко времени

Fи

Длительность импульса

 

τи

Спектральные параметры и характеристики

Длинна волны

Середина длинны волны спектра лазерного излучения в пределах интервала длин волн линии спонтанного излучения

λ

Частота

Средняя частота спектра лазерного излучения в пределах интервала частот линии спонтанного излучения

ν

Ширина спектральной линии

Расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующие половине интенсивности линии в максиуме

δν, δλ

Степень монохроматичности

Отношение ширины огибающей спектра лазерного излучения к усреднённой по спектру по спектру частоте или длине волны лазерного излучения в данный момент времени

δν/ν, δλ/λ

Параметры когерентности

Степень пространственно временной когерентности

Модуль комплексной степени пространственно – временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный

,

где: 0≤│γ12(τ)│≤1;

Г12(τ) – функция взаимной когерентности;

Г11(0), Г22(0) – функция взаимной

Продолжение таблицы 4.1

 
когерентности; для точек пространства с радиусами–векторами r1 и r2 соответственно при τ=0

│γ12(τ)│

Степень пространственной когерентности

Модуль комплексной степени пространственной когерентности для фиксированного момента времени, равный

где: Г12(0) функция постоянной когерентности

│γ12(0)│

Степень временной когерентности

Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный

где: Г11(τ) – функция взаимной когерентности для точки пространства с радиусом –вектором r1

│γ11(τ)│

Время когерентности

Минимальное запаздывание, для которого степень временной когерентности принимает значение, равное нулю

 

Длинна когерентности

Произведение времени когерентности на скорость электро - магнитного излучения в вакууме

 

Параметры поляризации

Плоская поляризация

Плоскость, проходящая через направление распространение линейно – поляризованного лазерного излучения и направление его электрического вектора

 

Эллиптичность поляризованного лазерного излучения

Отношение малой полу оси эллипса, по которому поляризовано лазерное излучение к его большой полуоси

 

Степень поляризации

Отношение интенсивности поляризованной составляющей лазерного излучения к полной его интенсивности

 

11.2. Измерение энергетических параметров источников излучения

Энергетические параметры источников излучения составляют важную группу в системе параметров. В большинстве случаев именно они определяют целесообразность и эффективность использования источников излучения в системах передачи различного назначения. У непрерывных источников излучения энергетическим параметром, который нормируется при выпуске из производства, является мощность Р. У источников, работающих в режиме модуляции добротности резонатора и в режиме синхронизации мод, обычно характеризуют значением Wи и дополнительно значением максимальной Ри мах или средней Ри ср. мощности импульса. Импульсно-периодические источники излучения характеризуют значением средней мощности Рср, со временим усреднения, значительно превышающим период следования импульсов.

Все методы измерения энергетических параметров сводятся к преобразованию энергии излучения в другой вид энергии, удобный для последующей регистрации. Широко распространены методы, основанные на преобразовании оптической энергии в тепловую (тепловой метод) и в энергию электрического тока (фотоэлектрический и пироэлектрический методы).

Методы измерения средней мощности энергии источников, а также основные сведения о методах, средствах и погрешностях измерения приведены в главе 3 настоящего учебного пособия.

В настоящее время распространены два основных метода измерений максимальной мощности импульса излучения источников излучения. В первом используется аттестованный по абсолютной чувствительности фото-преобразователь (или СИ на его основе) и определяются непосредственно мощность падающего на него излучения измерением амплитуды входного сигнала. Второй метод позволяет косвенно определить мощность излучения. При этом для однократных импульсов одновременно измеряется полная энергия импульса и временные параметры формы (обычно осциллографированием). Определение максимальной мощности периодических импульсов излучения косвенным методом по измеренным значениям средней мощности импульсов, их временных параметров и частоты повторения.

В случае применения первого метода используется следующая схема. Излучение источника излучения через оптическую систему попадает на фотоприемник, выходной сигнал которого измеряется импульсным вольтметром или осциллографом. Оптическая система, включающая аттенюатор, интегратор и другие элементы необходимые для согласования динамических диапазонов и геометрических параметров используемого фотоприемника и излучаемого излучения. При использовании данного метода необходимо знать абсолютное значение выходного сигнала фото-преобразователя, его коэффициент преобразования (чувствительность), ослабление аттенюатора. Тогда измеряемая мощность Р(t) определяется по формуле

Р(t)=(А/S)U(t-∆),[Вт], (11.2.1)

где: U(t) – выходное напряжение, В;

S – абсолютная чувствительность фото-преобразователя для данной длинны волны излучения, В/Вт;

А – коэффициент ослабления используемой оптической системы, включающей аттенюатор и другие элементы на данной длине волны;

∆ - задержка сигнала во времени.

При косвенном методе измерения максимальной мощности используется раздельное определение формы (обычно осциллографированием сигнала от линейного малоинерционного фотопреобразователя) и энергии импульса. Если отклонение угла на экране осциллографа y=αP(t), где α – постоянный коэффициент, определяемый чувствительностями используемых фотоприёмника и осциллографа, то площадь, занимаемая осциллограммой,

, (11.2.2)

где: t – время интегрирования превышающее длительность импульса;

Е – энергия импульса

Отсюда можно получить выражение для зависимости мощности во времени

(11.2.3)

Таким образом, осциллографирование формы импульса и измерение его энергии позволяет определить абсолютное значение мощности в любой момент времени, в том числе и максимальное значение. При этом операцию определение площади, занимаемой осциллограммой, можно произвести с помощью дополнительной интегрирующей цепочки выходного сигнала фотоприёмника. Тогда по измеренным одновременно относительным величинам максимального значения сигнала до и после интегрирования можно рассчитать максимальную мощность.

Для импульсной последовательности при наличии хорошей воспроизводимости временных параметров излучения можно косвенным методом определить максимальную мощность:

Рмах=[P(1+γ)]/τиf (11.2.4)

где: Рср – средняя мощность импульсов излучения;

τи – длительность импульса по уровню 0,5 от максимального значения;

f – частота повторения импульсов;

γ – поправка коэффициента формы, связанная с аппроксимацией реального импульса прямоугольным с амплитудой и длительностью, равными реальному. Длительность импульса излучения и поправку коэффициента формы определяют с помощью контрольного быстродействующего фотоприёмника.

11.3. Измерение пространственно-энергетических параметров источников излучения

К пространственно энергетическим можно отнести следующие параметры и характеристики лазерного излучения.

Диаграмма направленности лазерного излучения, т. е. угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения. Диаграмма направленности является наиболее полной пространственно-энергетической характеристикой лазеров, однако в связи непостоянством углового распределения вблизи излучающей апертуры, этой характеристикой обычно пользуются для описания лазерного пучка в дальней зоне лазерного излучения. За одну из границ дальней зоны принимают значение, превышающие d2/λ, где d – диаметр излучающей апертуры, λ – длинна волны лазерного излучения; другая граница лежит в бесконечности. У лазеров при выпуске из производства обычно нормируется расходимость пучка. Расходимость лазерного излучения Өр, Өs – это плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности, определяемому по отношению к его максимальному значению. Чаще всего значение уровня принимают равным 0,5 е-1, е-2 (е – основание натурального логарифма). Строго говоря приведенное выше определение однозначно характеризует излучение только одномодового лазера. Тем не менее всегда можно измерить пространственное распределение интенсивности излучения в некоторых поперечных сечениях пучка лазерного излучения, из которого могут быть получены такие количественные характеристики, как расходимость пучков или диаметр пучка в данном сечении.

В некоторых случаях наиболее удобной характеристикой является энергетическая расходимость лазерного излучения (Өw,p; Өw,s), т. е. плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения.

Пучок лазерного излучения также характеризует значение диаметра пучка, т. е. диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности.

Известно несколько способов визуализации изображения распределения интенсивности импульсного излучения:

  • методы фотографирования;
  • методы оптоэлектронного преобразования;
  • дифракционные методы.

Перечисленные способы визуализации изображения обладают общим недостатком – малым пространственным расширением по интенсивности и невозможностью получения информации об абсолютном распределении интенсивности.

В последнее время получили развитие абсолютные методы измерения распределения плотности мощности или энергии лазерного излучения. Для измерения плотности мощности и энергии излучения используют высокочувствительные абсолютные измерительные преобразователи в комплекте с калиброванной выходной диафрагмой малого диаметра. Распределение интенсивности излучения измеряют способом последовательного измерения плотности в различных фиксированных точках сечения пучка.

Для повышения оперативности таких измерений используют электромеханические сканирующие системы или матрицы требуемых размеров, набранные из измерительных преобразователей, обеспечивающих необходимое разрешение по сечению пучка.

Известен, например, автоматизированный измеритель распределения плотности энергии в поперечном сечении пучка излучения импульсных лазеров ИРЭ-100. Он содержит квадратную матрицу из ста калориметрических измерительных преобразователей, каждый из которых снабжен вторичным измерительным преобразователем на интегральных микро схемах, обеспечивающих коэффициент усиления 4,5·103 и пиковое детектирование импульсных сигналов при собственном уровни шумов около 1 мкВ в полосе частот 0,003 – 1 Гц. Опрос запоминающих конденсаторов производится электромеханическим коммутатором. В качестве аналого-цифрового преобразователя применяется цифровой вольтметр. Продолжительность регистрации значений символов по всем ста каналам посредствам цифропечатающего устройства составляет около 1 мин.

Для измерения расходимости излучения чаще всего применяют следующие методы:

  • метод сечений;
  • метод регистрации диаграммы направленности;
  • метод фокального пятна.

Наиболее простым является метод двух сечений (рис 11.1 а). если в дальней зоне измерить диаметры пучков d1 d в дух поперечных сечениях, отстоящих одно от другого на расстоянии L то расходимость пучка можно определить из соотношения tgӨ=(d1-d)/2L. При малой расходимости и большом расстоянии L эта формула упрощается до вида Ө=d/2L.

Регистрацыя диаграммы направленности пзволяет получить наиболее полную инщормацию о пространственном распределении лазерного излучения (рис.11.1 б). Для измерения диаграммы направленности можно использовать фотодиод или ФЭУ(Ф), расположенный в дальней зоне, фотокатод которых закрыт диафрагмой с отверстиями малого диаметра. Перемещая фотодиод по дуге окружности радиусом R, регистрируют угловое распределение интенсивности излучения. Зная диаграмму направленности, можно расчитать энергитическую и угловую расходимость излучения.

11.4. Измерение временных параметров импульсов

Как и в радиотехнике, основными параметрами, характеризующими форму оптических импульсов, является длительность импульсов, а также длительность фронта и среза. Длительность импульса – это время, в течении которого мгновенная мощность источника излучения превышает значение, соответствующее уровню 0,5. Стандарт допускает здание и другого уровня отчета длительности, например, на уровне 0,9. В ряде случаев применения источников излучения оказывается удобным использовать понятие энергетической длительности импульса оптического излучения, под которым понимают длительность прямоугольного импульса с той же энергией W или максимальной мощностью Рмах, что и у измеряемого импульса.

Длительность фронта и среза импульса источника излучения определяется как интервал времени, в течении которого мгновенная мощность источника излучения изменяется в пределах уровней 0,1÷0,9 от максимального значения.

В соответствии с приведенными выше определениями измерению подлежит форма φ(t) импульса лазерного излучения, определяемая из соотношения

Φ(t)=p(t)/Pmax (11.11.1)

где: р(t) – мгновенное значение формы импульса;

Рmax – её максимальное значение, выраженное в абсолютных единицах.

Таким образом, определение формы оптического импульса заключается в регистрации процесса изменения мощности импульса, выраженной в относительных (нормированных) единицах, во времени. Практически во многих случаях эта процедура сводится к экспериментальному определению временной зависимости относительных значений мощности импульса и последующей аппроксимации подходящей функцией.

Так, например, форма импульса твердотельного лазера достаточно хорошо аппроксимируется в наносекундном диапазоне длительностей колоколообразной функцией

φ(t)=0,5[1(t) – 1(t - 2π)](1 – cos ω t) (11.11.2)

и в пикосекундном диапазоне – функцией

φ(t)=(e-αt - eβt)1(t) (11.11.3)

где α и β – показатели степени, характеризующие крутизну среза и фронта экспоненциального импульса.

Результат измерений может быть представлен как в аналоговой (аналитической, графической, и др.), так и в дискретной (в виде последовательности выборок, кодовых групп, таблицы и др.) форме, но должен обеспечить с заданной степенью точности определение мгновенного относительного значения сигнала в любой момент времени. Такая выходная измерительная информация, полностью характеризующая и определяющая импульсный оптический процесс во времени, в ряде практических случаев (в зависимости от конкретного применения того или иного СИ) является избыточной. Достаточным является представление выходной информации в виде отдельных характеристик или параметров.

Аналогично используемым в радиотехнике, оптические импульсы характеризуются следующими основными энергетическими и временными параметрами: энергия импульса Еи (Дж); максимальная мощность импульса Ри мах (Вт); средняя мощность импульса Ри ср (Вт); длительность импульса τи(с); длительность фронта импульса τф(с); длительность среза импульса τср(с).

Кроме того, для характеристики форм оптического импульса могут использоваться, также аналогично используемым в радиотехнике, дополнительные параметры, такие как выброс на плоской вершине δв (%) и спад плоской вершины δсп (%). Амплитудно-временные соотношения, определяющее перечисленные выше параметры оптического импульса приведены на рисунке 11.2.

В практике измерений определение рассмотренных выше параметров оптического импульса в большинстве случаев предусматривает регистрацию тем или иным способом формы измеряемого импульса. Как известно, наиболее универсальным по возможности технической реализации является способ, основанный на преобразовании оптического измеряемого оптического сигнала в электрический сигнал и дальнейшей его обработки с помощью известных радиотехнических средств. Этот способ позволяет регистрировать и измерять либо всю совокупность значений мощности (в относительных или абсолютных единицах), либо отдельные значения параметров оптического импульса.

При этом одним из важнейших условий, определяющих точность измерений, является требование минимальных искажений формы измеряемого сигнала. Отсюда вытекает требование использования ПИП в пределах линейного участка линейной характеристики их преобразования, т.е. преобразователей, работающих в линейном режиме, когда с заданной степенью точности соблюдается условие φ(t)=Kр(t), где φ(t) – выходной сигнал преобразователя; р(t) – входное оптическое воздействие; К – постоянный коэффициент преобразования ПИП. При несоблюдении данного условия при обработки результатов измерений требуется вводить дополнительную коррекцию, что значительно усложняет этот процесс.

Всё многообразие установок, приборов, аппаратурных комплексов, выпускаемых серийно или комплектуемых из отдельно имеющихся узлов, устройств и т. п., предназначенных для измерения отдельных параметров оптических импульсов или определения их формы в целом, с трудом поддается классификации или обобщению в силу отсутствия единых критериев перехода как к структуре подобных СИ, так и к назначению входящих в них узлов. Ниже сделана попытка классифицировать такие СИ, основанная на рассмотрении последних в качестве СИ формы оптических импульсов – источников наиболее полной информации об импульсном лазерном излучении как о физическом прочесе.

Определение отдельных параметров импульса может рассматриваться как использовании части полного объема измерительной информации, приводящее обычно к упрощению рассматриваемой общей структуре СИ.

В общем случае СИ (измеритель) формы оптических импульсов (ИФОИ) как средство получения измерительной информации может быть функционально представлено в виде измерительной системы (рисунок 11.3), состоящей из ряда ниже перечисленных устройств.

Входное устройство предназначено для преобразования оптического сигнала р(t) в форму, удобную для дальнейшей обработки.

Регистрирующие устройство (РУ) предназначено для записи промежуточной информации, поступающей от входного устройства, и её воспроизведения для дальнейшей обработки. РУ может рассматриваться как запоминающее устройство (ЗУ), время записи и воспроизведения которого определяется принципами действия и типом как самого РУ, так и всей измерительной системы в целом.

Устройство преобразования предназначено для преобразования записанной в РУ информации при её считывании в форму, определяемую необходимостью и методами дальнейшей обработки.

Устройство обработки и выдачи информации предназначено для обработки и выдачи информации, поступающих от предыдущих устройств, в соответствии с конкретным назначением измерительной системы и для представления выходной измерительной информации в форме, удобной для её восприятия или использования. При физической реализации рассмотренной измерительной системы функции отдельных её устройств могут быть совмещены в одном и том же узле или приборе или частично выполняется оператором.

ИФОИ в соответствии со структурной схемой рис.11.3 можно следующим образом квалифицировать по методу соответствующих преобразований.

1.    По методу преобразования во входном устройстве:

  • преобразование изменения мощности во времени р(t) в изменение мощности (интенсивности) в пространстве вдоль одной из координат р(х), т. е. преобразование оптического сигнала в оптический. Возможны два типа такого преобразования: с оптико-механической развёрткой (скоростные фотокамеры) с электронно-оптической разверткой (фотоэлектронные регистраторы – ФЭР и др.).
  • преобразование изменение мощности оптического сигнала во времени р(t) в электрический сигнал u(t). Такое преобразование может осуществляться с помощью фотоэлектронных, малоинерционных тепловых и других фотоприемников и устройств.

2.    По методу регистрации:

  • непосредственная регистрация мощности излучения на фотоплёнку, характерна для систем, использующих во входных устройствах преобразование р(t) в p(x);
  • регистрация мощности излучения р(t) на матричных фотоприёмниках или передающих телевизионных трубках;
  • осциллографическая регистрация, характерная для систем, использующих во входном устройстве, преобразование р(t) в u(t).
  • стробоскопическая регистрация.

3.    По методу обработки промежуточной информации в устройстве преобразования:

  • фотометрирование негатива, характерное для систем с входным преобразованием р(t) в р(х);
  • регистрация на фотоплёнку изображения с экрана осциллографа (осциллограмма);
  • масштабно-временное преобразование при использовании электронно-лучевых осциллографических трубок с памятью, матричных фотоприемников или передающих телевизионных трубок;
  • аналоговое или цифровое преобразование при использовании стробоскопических регистраторов.

4.    По методу обработки и формы представления выходной измерительной информации:

  • ручное или автоматическое построение диаграммы, соответствующей φ(t), или представление негатива калиброванной осциллограммы;
  • преобразование последовательности значений φ(ti) в цифровой код и его запись в ЗУ (на перфоленте, магнитофоне, магнитном барабане, регистрах памяти и т. п.), что позволяет многократно воспроизводить полученную измерительную информацию;
  • ручное или автоматическое составление таблицы последовательных значений φ(ti);
  • предоставление возможности визуального наблюдения сигнала u(t) на экране осциллографа и измерение его характеристик и параметров с использованием шкал и калибрационных меток на экране или индикация этих параметров на табло.

Как указывалось выше, форма оптического импульса обладает большой информативностью, что позволяет при дальнейшей обработки выходной информации ИФОИ получать не только параметры, но и характеристики, разносторонне определяющие весь физический процесс. Получение таких характеристик неразрывно связанно с математической обработкой выходной информации ИФОИ, что накладывает определённые требования на форму её представления. Измерительные системы визуального отсчёта или с аналоговым документированным выходом не позволяет непосредственно проводить математическую обработку информации. Возможность непосредственной стыковки с различными вычислительными устройствами, а также совместной работы с другими системами в составе современных измерительных комплексов обеспечивают лишь ИФОИ с дискретным представлением выходной измерительной информации. Такие системы, естественно, являются значительно более сложными и дорогостоящими. Однако такое усложнение измерительной аппаратуры приводит к упрощению процедуры измерений, их автоматизации, увеличению быстродействия системы и в большинстве случаев к повышению точности измерений.

11.5. Измерение спектральных характеристик

Измерение спектральных характеристик является одной из основных видов измерений в волоконно-оптических системах передачи включает анализ оптического спектра, измерение длинны волны и ширины спектральной характеристики. Анализ оптического спектра представляет собой измерение оптической мощности в зависимости от длинны волны и в связи с развивающимися технологиями WDM – уплотнения становится одним из важнейших видов измерений в высокоскоростных волоконно-оптических системах передачи. Необходимость анализа оптического спектра вызвана также возникающей в волокне и определяемой ширенной спектра источника излучения хроматической дисперсией, которая проявляется в увеличении длительности передаваемого импульса по мере его распространения по оптическому волокну, что ограничивает ширину полосы пропускания высокоскоростных линий передач.

На рисунке 11.4 представлена обобщённая схема анализатора оптического спектра, согласно которой входной сигнал в виде исследуемого оптического излучения поступает через оптическую систему на фотоприёмник, а затем после аналого-цифрового преобразования – на систему управления оптической системы, обработки данных и отображения результатов анализа.

Функция систем управления, обработки данных и отображения результатов анализ, как правило, выполняет компьютер, причём алгоритмы управления и обработки определяются оптической системой анализатора спектра.

Далее будут рассмотрены основные принципы построения современных оптических анализаторов спектра.

11.5.1. Анализаторы оптического спектра на основе оптического фильтра

В общем случае принцип действия анализаторов оптического спектра на основе перестраиваемых по длине волны оптических фильтров заключается в пространственном разделении входного излучения на спектральные составляющие, преобразуемые затем посредствам фотодиода в электрический ток, пропорциональный мощности соответствующей длинны волны. Последний с помощью управляемого током усилителя напряжения преобразуется в аналоговое напряжение, а затем после аналого-цифрового преобразования – в цифровую форму. Вся последующая обработка сигнала выполняется в цифровом виде с отображением значений мощности по вертикальной оси со скоростью развертки [кн. Иванова].

Анализаторы оптического спектра на основе интерферометра Фабри-Перо (ИФП). Он представляет собой два плоских зеркала, обращённых друг к другу отражающими слоями и установленных параллельно между собой на определённом расстоянии (рисунок 11.5). Сами пластины делают слегка клиновидными, чтобы устранить вредное влияние излучения, отраженного внешними поверхностями пластин.

При падении на него оптического излучения возникает множество отраженных лучей, которые интерферируют друг с другом. На выходе ИФП образуется интерференционная картина с характерными максимумами и минимумами интенсивности. Максимумы пропускания такой системы определяются выражением:

2dncosq=ql , (11.5.1)

где d - длина ИФП; n - показатель преломления среды между зеркалами (в дальнейшем принимаем n = 1); q - угол падения излучения на ИФП; q - целое число (порядок интерференции или число длин волн излучения, уложившихся по длине ИФП); l - длина волны излучения.

Интерференционная картина ИФП, представляющая распределение интенсивности излучения в плоскости регистрации, может быть как пространственной, так и временной. В первом случае эта система интерференционных колец равного наклона (для каждого кольца q - const). Во втором случае - регистрируемое фотоприемником излучение, пропущенное ИФП при изменении его длины во времени (рисунок 11.6).

При фотоэлектрической регистрации лазерное излучение перед входом в ИФП коллимируется (q стремится к нулю), так что на выходе наблюдается лишь так называемый "нулевой" порядок интерференции (центральное пятно). Интерференционные кольца высоких порядковых номеров (1,2,3…) при этом не наблюдаются.

Распределение интенсивности пропущенного монохроматического излучения (аппаратная функция интерферометра) определяется по формуле Эйри:

, (11.5.2)

где I0 - интенсивность падающего излучения; t - коэффициент отражения зеркал; d=4pd/l - разность фаз между соседними интерферирующими лучами. Полуширина аппаратной функции, характеризующая разрешение ИФП,

. (11.5.3)

Одной из важнейших характеристик ИФП является область дисперсии или интервал длин волн, соответствующий расстоянию между соседними максимумами пропускания,

. (11.5.4)

Область дисперсии характеризует максимальную ширину спектра лазера, которую можно анализировать без искажений, вызванных переналожением интерференционных порядков. Для малых углов падения

. (11.5.5)

Разрешающая способность интерферометра.

. (11.5.6)

Допустим, что излучение состоит всего из двух монохроматических компонент. Будем считать, что различие в их длинах волн постепенно возрастает, и если они сильно не отличаются по интенсивности, то наличие этих двух компонент в контуре в конце концов будет замечено, так как в интерференционной картине появятся две смещенные друг относительно друга системы максимумов. в таком случае говорят, что компоненты разрешены интерферометром.

При использовании интерферометра Фабри – Перо измеряемая длина волны

(11.5.7)

где lэ – эталонная длина волны;

mx и mэ – целые числа интерференционных порядков, определяемые расчетным путем;

Еэ и Ех – дробные числа интерференционных порядков, найденные из расшифровки интерференционных картин;

nэ и nx – показатели преломления среды в интерферометре, разные для эталонной и измеряемой длин волн.

Под порядком интерференции понимают число

(11.5.7)

где nB – показатель преломления воздуха между пластинами;

D – расстояние между отраженными поверхностями;

q - угол отражения;

j - сдвиг фазы.

Для каждой линии дробные части интерференционных порядков находят путем измерения диаметров колец с номерами p и q, Dр и Dq по формуле:

(11.5.8)

Для получения данных об абсолютном значении частоты источника излучения обычно используют длину волны излучения λ и, пользуются соотношением:

ln=с (11.5.9)

где с – скорость света, определяют частоту излучения n.

Прямые измерения частоты требуют счета периодов электромагнитных колебаний за данный период времени. Современные электронно-счетные частотомеры позволяют измерять частоту до 5 ×108 Гц, используя калибровку от опорного кварцевого генератора. Для измерения более высоких частот необходима техника гетеродинирования, основанная на смешении частот двух генераторов, одна из которых известна, и на измерении частоты, генерируемой в результате смешения разности частот.

В принципиальной основе измерения частоты лазерного излучения лежит следующее уравнение:

nх = lnэ ± nб, (11.5.10)

где nх неизвестная частота; nэ – эталонная частота;

nб – измеряемая частота сигнала биений;

l – целые числа, номера гармоник.

Из соотношения (11.5.10) видно, что для измерения частоты nх необходимо выполнение по крайней мере двух условий: частота эталонного генератора должна быть достаточно стабильной; необходимы устройства, позволяющие точно воспроизводить величину l , то есть осуществлять процесс умножения частоты. При этом номер гармоники l обычно определяется путем нахождения приближенной частоты из измерений длины волны.

Общая схема синтеза частот может быть выражена соотношением:

nс= mn1 ± nn2 ± lnн ± f , (11.5.11)

где nс – синтезируемая частота, n1 и n2 – неизвестные частоты более низкочастотных генераторов; f – разностная частота; m, n, l – целые числа.

Анализаторы спектра на основе дифракционной решетки.

Наиболее часто в волоконной оптике применяются анализаторы оптического спектра (OSA) с дифракционными решетками в качестве перестраиваемого оптического фильтра.

Совокупность элементов оптической системы (входное отверстие, дифракционная решетка, выходное отверстие) в этом случае служит для разделения входного оптического излучения на различные спектральные составляющие и носит название монохроматора, монохроматор с фотодиодом, служащий для последующей фиксации спектра, называют, спектрометром. Учитывая функциональную нагрузку монохроматора, его можно представить как настраиваемый оптический фильтр, представляющий оптическую систему OSA.

В монохроматоре дифракционная решетка (зеркало с регулярно расположенными гофрированными линиями на поверхности) выводит дифрагированный свет под углом, определяемый длиной волны, что аналогично радуге, которую образует видимый свет при прохождении через призму. В инфракрасном излучении, используемом в телекоммуникациях, применение призм неэффективно, так как дисперсия, или изменение показателя преломления стекла от длины волны, в диапазоне 1-2 мкм длин волн очень мала. Поэтому в OSA применяются дифракционные решетки, которые обеспечивают лучшее разделение света по длинам волн или, что то же, лучшую разрешаю способность.

Дифракционная решетка состоит из последовательно расположенных через равные промежутки параллельных щелей (в случае передающей решетки) или зеркала (в случае принимающей решетки), интервалы между которыми определяются рабочими длинами волн вследствии того, что ее линии оказывают влияние на отраженные лучи только в том случае, когда луч света с определенной длиной волны проходит через апертуру соответствующей нерегулярности. Поэтому угол решетки зависит от длины волны, на которую настраивается OSA, а апертуры входа и выхода, как и размер луча на дифракционной решетке, определяют ширину спектра оптического фильтра, выходной сигнал которого поступает на фотодиод и затем на электронную схему обработки результатов измерений.

Как было отмечено выше, дифракционная решетка осуществляет отражение под углом, пропорциональным длине волны, что позволяет настроить OSA на определенную длину волны входного излучения путем изменения угла, под которым свет падает на поверхность решетки.

Когда свет попадает на отражательные линии решетки, каждая неоднородность преломляет свет под углом, соответствующий определенной длине волны, создавая не синхронизированные друг с другом преломленные волны малой амплитуды, которые вносят вклад в параллельный фронт сформированной волны. При этом эффективность преломленного луча по отношению к мощности, поступающей на ее поверхность, определяется профилем каждой линии решетки.

Уравнение, отражающее работу дифракционной решетки в общем случае имеет вид:

(11.5.12)

где l- длина волны света в воздухе для большинства OSA; d- расстояние между линиями решетки, a и b- соответственно, угол входного и выходного излучения; m- целое число определяющее порядок спектральной составляющей.

В OSA часто используют специальную ориентацию дифракционной решетки, которая определяется условием Литроу. В этом случае излучение измеряемой длины волны отражается от дифракционной решетки в направлении, противоположном падающему лучу, а уравнение решетки имеет вид:

(11.5.13)

где Q=a-b.

В результате преломления плоская волна формируется под одним углом, в связи с чем имеет место интерференция между лучами смежных канавок решетки, а расхождение лучей наблюдается в малом диапазоне углов, имеющих максимальное значение равное:

(11.5.14)

где Db min – угол расхождения преломленного луча монохроматического света, а N-количество освещенных линий решетки.

Последнее выражение отражает фундаментальное ограничение ширины полосы пропускания фильтра, основанного на дифракционной решетке, и следовательно, определяет разрешающую способность OSA, которая ограничивается соотношением диаметра освещенной области решетки и длины волны оптического излучения

(11.5.15)

и измеряется в радиан/м.

Очевидно, что дисперсия дифракционной решетки изменяется с длиной волны, что также приводит к снижению разрешения монохроматора, поэтому некоторые OSA имеют специальные устройства, корректирующие влияние этого эффекта.

11.5.2. Автокорреляционные анализаторы оптического спектра

Принцип действия автокорреляционных анализаторов оптического спектра основан на преобразовании Фурье автокорреляционной функции входного оптического сигнала. Они строятся на основе интерферометра Майкельсона, включающего два оптических канала фиксированной и варьируемой длины, которые в общем случае выполнены на светоделителе и двух зеркалах, одно из которых неподвижно, а другое может перемещаться по ходу светового луча (рисунок 11.6). при прохождении световых лучей по этим каналам на выходе интерферометра формируется сигнал, имеющий место в результате взаимодействия части входного сигнала с задержанной на некоторое время другой частью этого же сигнала. В связи с этим результирующий сигнал является функцией автокорреляции входного излучения и называется интерферограммой, которая впоследствии подвергается преобразованию Фурье с целью определения спектра мощности входного сигнала.

Благодаря такому построению анализаторы спектра, основанные на интерферометрах Майкельсона, в отличие от других интерферометров позволяют осуществлять прямые измерения когерентной длины волны. Например, если точно измерить период полученной интерферограммы и затем сравнить его с образцовой длиной волны, длина волны неизвестного сигнала может быть определена с высокой точностью. Возможность точного измерения длины волны отличает этот прибор от других приборов аналогичного назначения.

При реализации данного принципа в общем случае излучение лазера коллимируют, а затем посредством полупрозрачного зеркала расщепляют на два луча, которые с помощью зеркал направляют таким образом, чтобы они проходили различные расстояния, после чего их вновь объединяют и подают на фотоприемник. Для того, чтобы отразить лучи обратно к полупрозрачному зеркалу, обычно используют плоские зеркала, выполненные на гранях куба (рисунок 11.7), что позволяет исключить отражения сигнала обратно к лазерному диоду. Из-за разности пройденного лучами пути электрические поля, воздействующие на фотодиод, будут сдвинуты на некоторое время t.

В дополнение к измерению длины когерентности и дисперсии в многомодовом ОВ интерферометр Майкельсона позволяет также измерять спектральную плотность мощности излучения. Для этого, как было отмечено выше, интерферограмма подвергается преобразованию Фурье.

Так как для идентификации длины волны в этом случае не используется фильтр с настраиваемой полосой пропускания, такие анализаторы не могут применяться в тех областях, где необходима фильтрация входного сигнала. Кроме этого, вследствие дробового шума, который всегда присутствует в оптическом приемнике при больших входных сигналах, данный тип анализатора имеет меньший динамический диапазон по сравнению с OSA на дифракционной решетке.

11.6. Измерение полосы частот модуляции

Полоса частот модуляции определяется в результате модулирования тока источника излучения от перестраиваемого генератора с последующим преобразованием модулированного оптического сигнала в электрический, параметры которого измеряются с получением частотной характеристики. Измерение модуляционных характеристик источников излучения имеет первостепенное значение в связи с увеличением скоростей волоконно-оптических систем передачи, так как ряд эффектов, приводящих к дополнительной «паразитной» модуляции, может значительно исказить оптический сигнал и привести к неадекватному его восстановлению на приемной стороне, увеличивая тем самым уровень ошибок приема. Особенно это касается современных полупроводниковых лазеров и внешних модуляторов, используемых в современных высокоскоростных системах передачи.

В общем случае данный вид измерений представляет собой совокупность измерений электрических и оптических сигналов, поэтому, не останавливаясь на всесторонне рассмотренных в литературе электрических измерениях, в настоящем параграфе будут рассмотрены особенности измерений оптических характеристик, подразумевая, что для измерения параметров электрических сигналов используются стандартные процедуры и приборы.

А. Измерение характеристик модуляции полупроводникового лазера. Как известно, частотная характеристика модуляции лазера зависит от значения постоянного тока смещения, возрастание которого обычно приводит к увеличению полосы частот, что связано со смещением характеристики релаксационных колебаний, определяющих естественную глубину модуляции частоты лазера. Наличие релаксационных колебаний, в свою очередь, создает дополнительную модуляцию интенсивности излучения лазера. Поэтому измерение модуляционной характеристики лазеров, используемых в телекоммуникациях, представляет собой очень важную задачу. Для проведения данных измерений с высокой точностью вначале (рисунок. 11.8) необходимо выполнить предварительную калибровку, исключив тем самым влияние модуляции в измерительной системе, задав начальную и конечную частоты диапазона, количество точек измерения, время измерения и уровень мощности источника [кн. Иванов].

В процессе калибровки определяются частотная и фазовая характеристики модуляции измерительной схемы, с тем, чтобы впоследствии использовать эту информацию в совокупности с данными внутренней калибровки анализатора. Параметры источника и приемника световой волны предопределяются во время заводской калибровки и вводятся в память анализатора. По окончании калибровки тестируемый лазер включается между интерфейсами электрической и оптической схем измерений, замещая калиброванный источник световой волны. При этом путем изменения смещения лазера можно повести ряд измерений, определив оптимальное значение, при котором достигается максимальная глубина частотной модуляции.

Б. Измерение модуляционной характеристики внешнего модулятора. Модуляционная характеристика внешнего модулятора в общем случае зависит от напряжения смещения и определяется следующими четырьмя параметрами:

  • вносимыми потерями, которые равны потерям в точке максимума функции передачи;
  • разностью минимального и максимального уровней модулирующего сигнала;
  • отношением максимального и минимального уровней оптического сигнала;
  • номинальным напряжением смещения, при котором имеет место равенство положительной и отрицательной полуволн оптического сигнала.

При этих условиях можно принять, что модуляционная характеристика для небольших отклонений от номинальной рабочей точки модулятора изменяется линейно. Тогда для синусоидального сигнала с выраженной в радианах частотой w интенсивность излучения I (t) будет определяться известным выражением.

(11.6.1)

где I0 – максимальная интенсивность света;

E(w) – зависящая от частоты эффективность модуляции;

Vp -разность минимального и максимального уровней модулирующего сигнала.

При этом рабочая точка модуляционной характеристики, естественно, может быть отрегулирована путем изменения напряжения смещения Vв.

Модуляционная характеристика внешних модуляторов интенсивности оптического излучения может быть определена с использованием анализатора компонентов световой волны таким же образом. Как и при использовании лазерных источников. Это еще один класс электронно-фотонных измерений, где источником является генератор электрического сигнала качающейся частоты, а измерение полосы частот модуляции внешних модуляторов интенсивности оптического излучения осуществляется при помощи анализатора компонентов световой волны по рассмотренной выше схеме измерения модуляции лазера. Однако между этими измерениями есть существенная разница, обусловленная тем, что модулятор представляет собой трехпортовое устройство, в котором коэффициент преобразования зависит от уровня входной оптической мощности, то есть эффективность преобразования модулятора является функцией уровней электрического и оптического входных сигналов.

Чтобы определить коэффициент преобразования модулятора в Вт / А, анализатор компонентов световой волны должен устанавливать зависимость модулированной мощности от входного тока модуляции, а так как с увеличением входной оптической мощности выходная модулированная оптическая мощность также возрастает, анализатор световой волны будет измерять очевидное увеличение чувствительности. Это означает, что измерение чувствительности модулятора действительно только для определенной входной оптической мощности, существовавшей в момент проведения измерения, в то время как частотная характеристика модуляции модулятора обычно действительна в широком диапазоне значений входной оптической мощности.

11.7. Измерение шумов оптического излучения

Одной из основных разновидностей шумов, часто встречающихся при оптических измерениях, являются шумы оптического излучения, которые существуют в оптическом сигнале до его обнаружения. Для количественной оценки совместно с таким показателем, как отношение сигнала/шум (SNR), часто пользуются понятием относительная интенсивность шума (RIN), которая определяется как [Иванов]

(11.7.1)

где (DР0)2 – среднеквадратическое значение отклонения интенсивности спектральной плотности оптического сигнала, а Р0 – средняя оптическая мощность. Из данного выражения следует, что на практике необходимо добиваться минимизации значения RIN, которое может быть использовано для определения максимально достижимого SNR в системе передачи световой волны, где основным источником шума является интенсивность шума лазера. Следующее выражение показывает теоретическое соотношение между значениями сигнал/шум и RIN [Иванов]

(11.7.2)

где m – глубина оптической модуляции;

В – полоса частот шума.

Анализ приведенных выше уравнений показывает, что в достаточно большом рабочем диапазоне RIN полупроводникового лазера уменьшается с увеличением его мощности и традиционно измеряется с помощью анализатора электрического сигнала, подключенного к фотодиоду через усилитель. Результат измерения анализатором спектра в этом случае эквивалентен усиленному электрическому показателю (DР0)2 в выражении, определяющем RIN. При этом одновременно должны осуществляться контроль уровня постоянного фототока, произведение квадрата которого на 50 Ом и усиление усилителя дает электрический эквивалент (Р0 )2. Здесь предполагается, что входной импеданс усилителя и анализатора спектра равен 50 Ом. Этот метод позволяет измерить как среднюю мощность оптического сигнала, так и обнаружение отклонения интенсивности шума. Кроме этого, анализатор оптического спектра может измерять уровни обнаруженного дробового и теплового шума, а также компенсировать их влияние с тем, чтобы иметь возможность измерять RIN ниже ограничения, вызванного дробовым шумом. Вычитание теплового и дробового шума из RIN обеспечивает увеличение диапазона измерения, как правило, приблизительно на 16 дБ.

Другим способам описания и сравнения шумов оптического излучения является выражение их в виде отношения мощности шума в 1Гц полосе частот, нормализованной относительно постоянной мощности сигнала. Такое описание полезно вследствие того, что это значение становится независимым от любого ослабления или абсолютной мощности, достигающей фотодиода. Данная частичная мощность шума в полосе частот часть называется относительным шумом оптического излучения и определяется следующим образом [ ]:

[Hz –1] (11.7.3)

где < D i 2> - усредненная по времени мощность шумов оптического излучения в полосе частот 1 Гц;

I0 – средняя интенсивность излучения.

Так как RIN’ является нормализованным параметром, данное выражение действительно и если параметры D i и I0 относятся к оптической интенсивности излучения обнаруженного фототока или даже входного напряжения приемника. На практике RIN’ можно определить с помощью анализатора электрического спектра, измеряющего усредненную по времени мощность шума фототока < D i 2> и амперметра, контролирующего среднее значение постоянного тока фотодиода I0 . Влияние, оказывается тепловым и дробным шумами, следует вычесть из измеренной мощности шума для получения более точного значения действительных шумов оптического излучения входного оптического сигнала.

Процедура измерений интенсивности шума обычно включает настройку анализатора сигнала световой волны установкой начальной и конечной частот диапазона измерения, разрешающей способности в полосе частот, полосы видеочастот, эталонного уровня и маркера шума. Здесь следует отметить, что для наблюдения полного спектра шумов лазера необходима установка как можно более широкого диапазона частот измерения, в то время как разрешающая способность должна быть настроена на значение, составляющее приблизительно одну сотую интервала, с тем чтобы в процессе измерения иметь достаточно высокую скорость развертки. Видеополоса частот, которая выполняет ту же функцию, что и усреднение спектрограммы, настраивается на значение, достаточно низкое для поддержания разумного времени развертки.

Значительное воздействие на уровень шумов лазера могут оказывать отражения от коннекторов или сращиваний. Очевидно, что с увеличением уровня шумов, вызванных обратными отражениями, будут наблюдаться соответствующие изменения спектра излучения. Поэтому, используя маркеры для разделения частот между пиками шумов Df , можно определить расстояние D между отражениями с использование следующего выражения:

(11.7.3)

где с – скорость света в вакууме, 3 × 10 8 м/с;

n – показатель преломления стекла, равный » 1.5.

Так, объемный оптический резонатор, сформированный между коннектором, создающим отражение, и зеркалом задней грани лазера, может усилить шум лазерного диода. Интерференция между прямой переданной волной и отраженной волной в лазерном резонаторе смещает усиление лазера, создавая синусоидальную вариацию шумового спектра, которая зависит от длины резонансного канала. При этом отраженная мощность нарушает динамическое равновесие процесса генерации и обычно увеличивает амплитуду интенсивности шума, особенно на частоте релаксационных колебаний. Также она может вызвать колебания шумового спектра с частотой, обратно пропорциональной полному времени прохождения светового луча от лазера до отражения. Чтобы избежать этого увеличения шума часто используются изоляторы. В результате экспериментальных исследований было показано, что для устранения этого эффекта изоляция должна составлять от 30 до 60 дБ и более.

Методы и средства измерений в телекоммуникационных системах


*****
Новосибирск © 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.