В настоящее время виртуальное проектирование схем с использованием волоконно-оптических датчиков (ВОД) совместно с волоконной решёткой Брэгга (ВРБ) в различных сферах деятельности человека, очень распространены.
Исследование датчика на основе ВРБ производится моделированием. Для изучения отклонений решетки в зависимости от температуры используется принцип прохождения электрического сигнала через колебательный контур как настроенный, так и с расстройкой частоты. Спектральная характеристика решетки подбирается таким образом, чтобы обеспечить эффективное определение величин интенсивностей симметричных гармоник поступающего сигнала.
Наименьшая величина затухания 0,22 дБ/км наблюдается на длине волны 1550 нм. Исследования в данном диапазоне длин волн позволяют проектировать волоконно-оптические датчики с меньшей погрешностью на дальних участках оптического кабеля. Параметры функциональных моделируемых блоков подбираются исходя из следующих условий:Возможность программной и практической реализации, максимальное соответствие реальным параметрам, обеспечивающие оптимальную эффективность моделирования, для обеспечения выполнения данных условий выбираем программное обеспечение Optisystem 7.0 фирмы Optiwave.
Схема моделируемого четырехчастотного метода с треугольной формой ВРБ представлена на рисунке 1.
Рис. 1 — Схема получения и прохождения четырехчастотного
сигнала с треугольной ВРБ
В качестве источника сигнала используем DFB-лазер мощностью 1 мВт работающий на частоте 193.1 ТГц (1552.5 нм) соответствующей средней частоте спектра ВРБ используемой в схеме.
Рис. 2 — Спектр излучения лазера
Для получения четырехчастотного сигнала используем два последовательно включенных электро-оптических модулятора Маха-Цендера совместно с двумя генераторами синусоидального напряжения настроенных на частоты 30 ГГц и 5ГГц соответственно.
Рис. 3 — Спектр сигнала с выхода первого
электрооптического модулятор Маха-Цендера
Рис 4 — Спектр сигнала с выхода второго
электрооптического модулятор Маха-Цендера
На рисунке 4 видно, что мы получили четырехчастотный симметричный сигнал с равными амплитудами и одинаковыми разностными частотами для двух пар гармонических составляющих.
Далее сигнал через усилитель и циркулятор поступает на ВРБ.
Спектр отраженного сигнала после прохождения ВРБ при нулевом смещении контура рисунок 5.
Рис. 5 — Спектр отраженного сигнала после прохождения ВРБ
На рисунке 5 видно изменение амплитуд составляющих сигнала согласно огибающей спектра ВРБ. Полученный измерительный сигнал с выхода ВРБ далее поступает на вход демультиплексора.
Последовательно включенные в схему демультиплексор и мультиплексор имеют целью сформировать два измерительных диапазона для дальнейшего детектирования и обработки.
Рис. 6- Сигнал первого канала поступающий
на первый фотодетектор
Рис. 7 — Сигнал второго канала поступающий
на второй фотодетектор
На выходах фотодетекторов формируются разностные сигналы амплитуд составляющих сигналов каждого из каналов. Которые в дальнейшем могут быть обработаны в РЧ области для определения изменения параметра измеряемого поля.
Рис. 8 — Разностная амплитуда составляющих первого канала
Рис. 9 — Разностная амплитуда составляющих второго канала
Зададим диапазон обобщенной расстройка контура ВРБ от 1551.5 нм до 1554 нм с шагом в 0.1 нм и произведем моделирование для 25 значения длины волны ВРБ. Построим зависимость мощности сигнала на выходах фотодекторов от — обобщенная расстройка контура, для разных форм ВРБ.
Рис.10 — Зависимости мощностей сигналов
от обобщенной расстрокий контура
Рис.11 — Зависимости мощностей сигналов
от обобщенной расстрокий контура
Рис 12 — Зависимости мощностей сигналов
от обобщенной расстрокий контура
Выбор канала измерения осуществляется после сравнения мощностей каналов и определения большего значения. По зависимости представленной на рисунках10 — 12 возможно определить величину отклонения центральной длины волны ВРБ. Далее по известной зависимости смещения спектра (~10пм/ᵒС) от температуры представленной на рисунке 13 определяется величина температурного воздействия.
Рассмотрим алгоритм определения меры и направления отклонения с спектра ВРБ на примере треугольной формы рисунок 14.
Рис. 14 — Определение отклонения спектра ВРБ
На рис. 14 представлены кружки с числами, которые показывают 3 случая отклонения спектра ВРБ:1.) В данной точке обобщенная расстройка контура находиться в «нулевой» точке. В этом случае ввиду симметричности четырехчастотного сигнала относительно центральной частоты спектра ВРБ разностные амплитуды составляющих будут примерно равны; 2.) произошло незначительное отклонение расстройка контура ВРБ от «нулевого» значения. Разностная амплитуда сигнала на правом канале увеличилась, а на левом уменьшилась. Направление отклонения устанавливается при сравнении мощностей каналов. По правому каналу измеряется отклонение спектра ВРБ; 3.) обобщенная расстройка контура ВРБ имеет значительное отклонение от «нулевой» точки. Это показывает низкий уровень мощности сигнала на левом канале. По правому каналу определяется мера отклонения средней частоты спектра ВРБ от «нулевой» точки.
Список литературы:
- Дураев, В.П. Перестраиваемые одночастотные полупроводниковые лазеры/В.П.Дураев // Физика и техника полупроводников, 2014, том 48, вып. 1
- Садеев, Т.С. Фотонные фильтры микроволновых на основе одночастотного лазера и амплитудного электрооптического модулятора Маха-Цендера: дис. к.т.н/Т.С.Садеев Казань 2011
- Гаврилов, А.М. Нелинейная дисперсия трехчастотного волнового пакета в бездисперсионной квадратично-нелинейной среде. Эксперимент/Гаврилов, А.М. // Электронный журнал «Техническая акустика» 2005, 29
- МПК G01K 11/32 (2006/01). Устройство для измерения параметров физических полей / Денисенко П.Е, Куприянов В.Г., Морозов О.Г., Морозов Г.А., Садеев Т.С., Салихов А.М. (КНИТУ им. А.Н. Туполева). №2012124693/28(037831); Заявл. 14.06.2012
- Морозов, О.Г. Симметричная двухчастотная рефлектометрия в лазерных системах контроля параметров природной и искусственных сред: дис. д.т.н./Морозов О.Г. Казань 2004[schema type=»book» name=»ВИРТУАЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ СХЕМЫ ЧЕТЫРЕХЧАСТОТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В СРЕДЕ OPTISYSTEM 7.0″ description=»В данном докладе рассматривается виртуальное проектирование, моделирование схемы четырехчастотного метода измерения параметров физических полей в среде Optisystem 7.0, выявлены основные особенности.» author=»Малых Дмитрий Вячеславович, Файзуллин Ренат Илдусович, Галин Артем Викторович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-02-21″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_25.07.15_07(16)» ebook=»yes» ]