Брэгговская структура адресного волокна

Адресная волоконная брэгговская структура ( AFBS ) представляет собой волоконную брэгговскую решетку , оптическая частотная характеристика которой включает в себя две узкополосные составляющие, разнос частот между которыми (который является адресной частотой AFBS) находится в радиочастотном (RF) диапазоне. Разнос частот (частота адреса) уникален для каждого AFBS в схеме опроса и не меняется, когда AFBS подвергается нагрузке или изменению температуры . Адресованная волоконная брэгговская структура может выполнять в волоконно-оптических сенсорных системах тройную функцию: датчика , формирователя двухчастотного зондирующего излучения и мультиплексора . Ключевой особенностью AFBS является то, что она позволяет определять ее центральную длину волны без сканирования ее спектрального отклика, в отличие от обычных волоконных решеток Брэгга (ВБР), которые исследуются с помощью оптоэлектронных опросников. Схема опроса АФБС существенно упрощена по сравнению с обычными запросчиками и состоит из широкополосного оптического источника (например, суперлюминесцентный диод ), оптический фильтр с заданной линейной наклонной частотной характеристикой и фотодетектор . Принцип опроса AFBS по своей сути позволяет включать в единую измерительную систему несколько AFBS с одинаковой центральной длиной волны и разными адресными частотами.

История

Понятие адресных волоконных брэгговских структур было предложено в 2018 году Айратом Сахабутдиновым. ^{[ 1 ]} и разработан в сотрудничестве со своим научным руководителем Олегом Морозовым. Идея возникла из более ранних работ Морозова и его коллег. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} где двухчастотное оптическое излучение электрооптического модулятора использовалось для определения центральной длины волны ВБР на основе амплитудного и фазового анализа сигнала биений на частоте, равной расстоянию между двумя компонентами зондирующего излучения. Это исключает необходимость сканирования спектрального отклика ВБР, обеспечивая при этом высокую точность измерений и снижая стоимость системы. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} AFBS была разработана как дальнейший шаг на пути к упрощению систем опроса ВБР за счет передачи формирования двухчастотного зондирующего излучения от модулятора источника на сам датчик. ^{[ 1 ]}

Виды АФБС

К настоящему времени представлены два типа АФБС с разными механизмами формирования двухчастотного излучения: 2π-ВБР и 2λ-ВБР.

2π-ВБР

2π-ВБР — это ВБР с двумя дискретными фазовыми π-сдвигами. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Он состоит из трех последовательных однородных ВБР с промежутками между ними, равными одному периоду решетки (см. рис. 1). В системе несколько 2π-ВБР должны быть соединены параллельно, чтобы фотодетектор принимал свет, прошедший через структуры.

2λ-ВБР

2λ-ВБР состоит из двух идентичных сверхузких ВБР, центральные длины волн которых разделены адресной частотой. ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} Несколько 2λ-ВБР в системе можно соединить последовательно, чтобы фотодетектор принимал отраженный от структур свет.

Принцип допроса

На рис. 2 представлена структурная схема системы опроса для двух АФБС (типа 2π-ВБР) с разными адресными частотами Ω ₁ и Ω ₂ . Широкополосный источник света 1 генерирует непрерывное световое излучение (диаграмма а ), соответствующее полосе измерения. Свет передается через оптоволоконный соединитель 9 , затем поступает в две AFBS 2.1 и 2.2 . Обе АФБС передают двухчастотные излучения, которые суммируются в комбинированное излучение (схема б с помощью другого ответвителя 10 ) . На выходе ответвителя формируется четырехчастотное излучение (схема в ), которое направляется через оптоволоконный разветвитель 6 . Делитель делит оптический сигнал на два канала – измерительный и опорный. В измерительном канале установлен оптический фильтр 3 с заданной линейной наклонной частотной характеристикой, преобразующий амплитуды четырехчастотного излучения в несимметричное (диаграмма г ). После этого сигнал поступает на фотоприемник 4 и принимается измерительным устройством. аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5 . Сигнал АЦП используется для определения измерительной информации от AFBS. В опорном канале сигнал (диаграмма е ) поступает на опорный фотоприемник 7 для управления выходной оптической мощностью, а затем принимается опорным АЦП 8 . Таким образом достигается нормировка интенсивности выходного сигнала, и все последующие расчеты проводятся с использованием соотношений интенсивностей в измерительном и опорном каналах. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}

Предположим, что отклик каждой спектральной компоненты AFBS представлен одной гармоникой, тогда общий оптический отклик двух AFBS можно выразить как: ^{[ 1 ]}^{[ 4 ]}

F(t)=\left[{\sum _{i=1}^{N}A_{i}\sin(\omega _{i}t)+B_{i}\sin((\omega _{i}+\Omega _{i})t)}\right]^{2},

где A _i , B _i - амплитуды частотных составляющих i -й АФБС; ω _i , – частота левых спектральных компонент i -й АФБС; Ω _i – адресная частота i -й AFBS.

Световую мощность, получаемую фотоприемником, можно описать следующим выражением:

P(t)=\sum _{i=1}^{N}\sum _{k=1}^{N}\left({A_{i}A_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k})t)+A_{i}B_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}-\Omega _{k})t)+ \atop B_{i}A_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i})t)+B_{i}B_{k}\cos((\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}-\Omega _{k})t)}\right).

Путем узкополосной фильтрации сигнала P ( t ) на адресных частотах можно получить систему уравнений, с помощью которой можно определить центральные частоты АФБС:

\sum _{i=1}^{N}\sum _{k=1}^{N}\left({A_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+A_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+ \atop B_{i}A_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)+B_{i}B_{k}\exp \left(-{\frac {(\Omega _{j}-|\omega _{i}-\omega _{k}+\Omega _{i}-\Omega _{k}|)^{2}}{2\sigma ^{2}}}\right)}\right)=D_{j},j={\overline {1,N}},

где D _j — амплитуда сигнала на адресных частотах Ω _j , а экспоненциальные множители описывают полосовые фильтры на адресных частотах.

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Сахабутдинов А.Ж. СВЧ-фотонные сенсорные системы на основе адресных волоконных брэгговских структур и их применение для решения практических задач. Доктор наук Диссертация. Казань: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, 2018. (на русском языке)
^ Перейти обратно: ^а ^б Морозов О.Г. Симметричная двухчастотная рефлектометрия для мониторинга природных и искусственных сред. Доктор наук Диссертация. Казань, 2004. 333 с. (на русском языке)
^ Ильин, Г.И.; Морозов О.Г. Одночастотное когерентное излучение в методе двухчастотного преобразования. Патент RU № А 1338647 SU 4 G02F 1/03. Запрос 13.04.83; Опубликовано 20.04.2004.
^ Перейти обратно: ^а ^б Морозов О.Г.; Сахабутдинов, А.Дж. (август 2019 г.). «Адресные волоконные брэгговские структуры в квазираспределенных системах микроволново-фотонных датчиков» (PDF) . Компьютерная оптика . 43 (4): 535–543. Бибкод : 2019CoOpt..43..535M . дои : 10.18287/2412-6179-2019-43-4-535-543 . ISSN 2412-6179 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Аглиуллин Т.А.; Губайдуллин Р.Р.; Морозов О.Г.; Ж. Сахабутдинов А.; Иванов, В. (март 2019 г.). «Система измерения деформации шин на основе адресных ВБР-структур» . 2019 Системы формирования и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/SOSG.2019.8706815 . ISBN 978-1-7281-0606-9 . S2CID 146118643 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Сахабутдинов А.Ж.; Морозов О.Г.; Аглиуллин Т.А.; Губайдуллин Р.Р.; Иванов, В. (март 2020 г.). «Моделирование спектрального отклика адресных ВБР-структур в подшипниках, чувствительных к нагрузке» . 2020 Системы формирования и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE. стр. 1–4. дои : 10.1109/IEEECONF48371.2020.9078659 . ISBN 978-1-7281-4772-7 . S2CID 216588349 .
^ Губайдуллин Р.Р.; Сахабутдинов А.Ж.; Аглиуллин Т.А.; Морозов О.Г.; Иванов, В. (июль 2019 г.). «Применение адресных волоконных брэгговских структур для измерения деформации шин» . 2019 Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в телекоммуникациях (СИНХРОИНФО) . Россия: IEEE. стр. 1–7. дои : 10.1109/SYNCHROINFO.2019.8813908 . ISBN 978-1-7281-3238-9 . S2CID 201810980 .
^ Морозов О.Г.; Сахабутдинов А Ж; Нуреев, И.И.; Мисбахов Р.Ш. (ноябрь 2019 г.). «Моделирование и технологии записи адресных волоконных брэгговских структур на основе двух одинаковых сверхузких решеток с разными центральными длинами волн» . Физический журнал: серия конференций . 1368 (2): 022049. Бибкод : 2019JPhCS1368b2049M . дои : 10.1088/1742-6596/1368/2/022049 . ISSN 1742-6588 .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Сахабутдинов А.Ж. СВЧ-фотонные сенсорные системы на основе адресных волоконных брэгговских структур и их применение для решения практических задач. Доктор наук Диссертация. Казань: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ, 2018. (на русском языке)

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б Морозов О.Г. Симметричная двухчастотная рефлектометрия для мониторинга природных и искусственных сред. Доктор наук Диссертация. Казань, 2004. 333 с. (на русском языке)

[3] Ильин, Г.И.; Морозов О.Г. Одночастотное когерентное излучение в методе двухчастотного преобразования. Патент RU № А 1338647 SU 4 G02F 1/03. Запрос 13.04.83; Опубликовано 20.04.2004.

[:4-4] Перейти обратно: ^а ^б Морозов О.Г.; Сахабутдинов, А.Дж. (август 2019 г.). «Адресные волоконные брэгговские структуры в квазираспределенных системах микроволново-фотонных датчиков» (PDF) . Компьютерная оптика . 43 (4): 535–543. Бибкод : 2019CoOpt..43..535M . дои : 10.18287/2412-6179-2019-43-4-535-543 . ISSN 2412-6179 .

[:2-5] Перейти обратно: ^а ^б Аглиуллин Т.А.; Губайдуллин Р.Р.; Морозов О.Г.; Ж. Сахабутдинов А.; Иванов, В. (март 2019 г.). «Система измерения деформации шин на основе адресных ВБР-структур» . 2019 Системы формирования и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE. стр. 1–5. дои : 10.1109/SOSG.2019.8706815 . ISBN 978-1-7281-0606-9 . S2CID 146118643 .

[:3-6] Перейти обратно: ^а ^б Сахабутдинов А.Ж.; Морозов О.Г.; Аглиуллин Т.А.; Губайдуллин Р.Р.; Иванов, В. (март 2020 г.). «Моделирование спектрального отклика адресных ВБР-структур в подшипниках, чувствительных к нагрузке» . 2020 Системы формирования и обработки сигналов в области бортовой связи . Москва, Россия: IEEE. стр. 1–4. дои : 10.1109/IEEECONF48371.2020.9078659 . ISBN 978-1-7281-4772-7 . S2CID 216588349 .

[7] Губайдуллин Р.Р.; Сахабутдинов А.Ж.; Аглиуллин Т.А.; Морозов О.Г.; Иванов, В. (июль 2019 г.). «Применение адресных волоконных брэгговских структур для измерения деформации шин» . 2019 Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов в телекоммуникациях (СИНХРОИНФО) . Россия: IEEE. стр. 1–7. дои : 10.1109/SYNCHROINFO.2019.8813908 . ISBN 978-1-7281-3238-9 . S2CID 201810980 .

[8] Морозов О.Г.; Сахабутдинов А Ж; Нуреев, И.И.; Мисбахов Р.Ш. (ноябрь 2019 г.). «Моделирование и технологии записи адресных волоконных брэгговских структур на основе двух одинаковых сверхузких решеток с разными центральными длинами волн» . Физический журнал: серия конференций . 1368 (2): 022049. Бибкод : 2019JPhCS1368b2049M . дои : 10.1088/1742-6596/1368/2/022049 . ISSN 1742-6588 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]