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:

2 dn cosq= q l, (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 l_э – эталонная длина волны;

m_x и m_э – целые числа интерференционных порядков, определяемые расчетным путем;

Е_э и Е_х – дробные числа интерференционных порядков, найденные из расшифровки интерференционных картин;

n_э и n_x – показатели преломления среды в интерферометре, разные для эталонной и измеряемой длин волн.

Под порядком интерференции понимают число

(11.5.7)

где n_B – 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:

n _х = ln _э ± n _б, (11.5.10)

где n _х –неизвестная частота; n _э – эталонная частота;

n _б – измеряемая частота сигнала биений;

l – целые числа, номера гармоник.

Из соотношения (11.5.10) видно, что для измерения частоты n _х 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:

n_с= mn₁ ± nn₂ ± ln_н ± f, (11.5.11)

где n_с – 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.