Microwave photonics polyharmonic systems for characterization of brillouin gain contour

Full Text

1. Введение Определение характеристик контура усиления Мандельштама-Бриллюэна (КУМБ) можно условно разделить на две подзадачи. Первая подзадача соответствует нахождению с помощью перестраиваемого лазера только центральной частоты КУМБ, определение зависимости которой от величины приложенных физических полей вполне достаточно для решения большинства задач. Данная зависимость линейна в диапазоне измерения температур от 40 до +100 С (1,36 МГц/С) и растяжения до 1% (594,1 МГц/%) [1, 2]. Вторая подзадача - нахождение максимальной амплитуды и добротности КУМБ с помощью методов модуляционных преобразований, определение которых необходимо для устранения мультипликативности отклика волокна на температуру и растяжение. Под добротностью КУМБ будем понимать отношение его центральной частоты к ширине контура на полувысоте. При увеличении температуры коэффициент усиления увеличивается, ширина контура уменьшается, а их произведение не изменяется и не зависит от температуры; при увеличении растяжения коэффициент усиления уменьшается, а ширина контура остается практически постоянной. При классических исследованиях (КУМБ) используются такие дорогостоящие оптико-электронные системы, как бриллюэновские оптические рефлектометры различных типов, оптические анализаторы спектра и др. [1, 2]. В последнее время появились более практичные радиофотонные системы, основанные на технологиях использования непрерывных одночастотных лазеров для накачки и возбуждения вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в одномодовом волокне и модуляционных преобразований части этого же излучения или излучения другого лазера для формирования зондирующего излучения для контроля параметров КУМБ [3-7]. Для кварцевых одномодовых волокон сдвиг частоты Мандельштама-Бриллюэна составляет порядка 10-20 ГГц, а усиление Мандельштама-Бриллюэна наблюдается в полосе пропускания 20-100 МГц [1]. Таким образом, формирование зондирующих излучений в таких системах осуществляется с помощью модуляционного преобразования одночастотного лазерного излучения радиосигналами СВЧ-диапазона с возможностью его перестройки по частоте, что позволяет отнести разрабатываемые системы к радиофотонным [8, 9]. Однако представленные в работах [3-7] способы зондирования и определения характеристик КУМБ имеют ряд ограничений. Классический способ определения характеристик КУМБ основан на использовании двух лазеров: одного - для накачки ВРМБ, а другого - для зондирования сформированного спектра усиления [3]. Недостаток этого способа состоит в необходимости строгого контроля разности частот и фаз двух источников. Решением проблемы является усовершенствованный способ, в котором электрооптический модулятор Маха-Цендера (ММЦ) формирует двухчастотный сигнал, представляющий собой боковые полосы лазера накачки, одна из которых потом используется для зондирования КУМБ [4]. Дальнейшее развитие способы зондирования КУМБ получили при использовании амплитудной двухполосной модуляции [5], амплитудной модуляции с подавленной несущей [6] и однополосной модуляции [7]. Несмотря на ряд преимуществ, реализация этих способов не всегда эффективна, в силу оставшейся характерной невысокой чувствительности измерений в широкой полосе частот. Ограничения на точность измерений накладывает использование для зондирования КУМБ только одной составляющей из сложного спектрального набора сформированных излучений. Остальные составляющие используются лишь как опорные для обеспечения детектирования с элементами гетеродинирования. При этом сказываются такие факторы, как монотонность или осцилляции КУМБ в области центральной частоты, влияние низкочастотных шумовых флуктуации на точность амплитудных измерений. В последнее время значительное развитие получили способы полигармонического зондирования и определения характеристик волоконных брэгговских решеток ВБР [10-16], в том числе с узкополосными окнами прозрачности лоренцевского типа, в которых для зондирования используется две спектральные компоненты. Учитывая ряд преимуществ, которыми обладают указанные способы, и схожесть характеристик КУМБ и ВРБ, следует проанализировать возможность применения данных способов для решения задач, поставленных в настоящей диссертации. Особое внимание следует обратить на равенство коэффициента модуляции частоты биений компонент единице при равенстве их амплитуд, как реперную точку для определения центральной частоты контура [17]. Анализ радиофотонных систем и способов зондирования и определения характеристик КУМБ показал, что необходимо как усовершенствование уже существующих способов, так и разработка новых, что подтверждает актуальность данной работы. Для дальнейших исследований нами предложены способы, которые основаны на использовании преимуществ полигармонических зондирующих излучений, использованных ранее для контроля параметров ВБР, которые характеризуются возможностью переноса спектра измеряемого сигнала в область минимальных шумов фотоприемника, а также эффективными способами обработки получаемой информации по характеристикам огибающей частоты биений спектральных компонент. 2. Определение центральной частоты КУМБ Рассмотрим способ двухчастотного симметричного зондирования КУМБ в одномодовом оптическом волокне, основанный на использовании преимуществ однополосной модуляции для преобразования комплексного спектра КУМБ из оптической области в электрическую, двухчастотного симметричного зондирующего излучения и алгоритмов определения центральной частоты КУМБ по анализу параметров огибающей частоты биений его спектральных компонент. Оптический сигнал от лазерного диода (ЛД) с длиной волны 1550 нм и шириной полосы излучения около 100 кГц разделяется по двум каналам устройством оптической развязки (УОР) (рис. 1). Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки. В первом канале излучение модулируется в электрооптическом однополосном двухканальном модуляторе Маха-Цендера (ММЦ), на вход которого через фазосдвигатель (ФС) и частотный объединитель (ЧО) подается два радиосигнала на частотах f_1=f_rf-∆f и f_2=f_rf+∆f, разность между которыми не превышает ширины КУМБ на полувысоте. При этом их средняя частота близка к центральной частоте f_MB. Далее модулированный сигнал подается на тестируемый участок волокна (ТУВ), в котором встречно распространяется оптическое излучение, прошедшее по второму каналу, циркулятор (Ц) и контроллер поляризации (КП). Немодулированное излучение является излучением накачки ВРМБ в ТУВ. Таким образом, однополосное двухчастотное излучение с составляющими f_s1=ν_0-f_rf-∆f и f_s2=〖ν_0-f〗_rf+∆f зондирует контур усиления (рис. 2), при этом частота ν_0-f_rf при настройке на центр контура усиления соответствует его центральной частоте f_MB, расстройка ∆f половине его ширины Δν_MB, а частота несущей ν_0 частоте накачки ν_P=c⁄λ_P . Рис. 2. К пояснению процесса зондирования КУМБ двухчастотным излучением Двухчастотное излучение, прошедшее через ТУВ принимается фотодетектором (ФД). Излучение на выходе оптического однополосного модулятора определяется выражением: (1) где A_0=|A_0 |exp(jφ_0 ), A_(-1)=|A_(-1) |exp(jφ_(-1) ), A_(-2)=|A_(-2) |exp(jφ_(-2) )  комплексные амплитуды оптической несущей и двухчастотного сигнала. Оптическая область на выходе волокна будет определяться выражением (2) Выходной ток на частоте биений между двумя зондирующими составляющими 2∆f пропорционален: (3) Из электрического выходного сигнала детектора можно получить образ оптической передаточной функции на частотах двух зондирующих сигналов. Оптическая передаточная функция ТУВ эквивалентна последовательному соединению линейной передаточной функции волокна и КУМБ. Для поиска центральной частоты введем в алгоритм определения характеристик параметр эквивалентный коэффициенту амплитудной модуляции огибающей частоты биений. При его равенстве единице центральная частота будет определяться как: f_MB=(f_s1+f_s2 )/2, (4) при известных частотах ν_0 и f_1,2. Были проанализированы варианты преобразования спектра из оптической в электрическую область с помощью однополосной модуляции и одночастотного зондирования, с помощью однополосной модуляции и двухчастотного симметричного зондирования, вариант обработки информации на частоте биений компонент только двухчастотного излучения без учета несущей. Показано, что при анализе спектра по огибающей только двухчастотного зондирующего сигнала чувствительность измерений может быть повышена в 3-6 раз, поскольку обработка сигнала ведется на частоте огибающей, лежащей в области минимальных шумов ФД [18-22]. Имитационное моделирование радиофотонной системы (рис. 1) проводилось в программной среде OptiSystem 12.0. На рис. 3,а представлена спектральная картина ВРМБ, полученного в одномодовом волокне, а на рис. 3,б результаты зондирования КУМБ. Полученные параметры КУМБ: ширина на полувысоте  100 МГц, смещение от несущей  10 ГГц, центральная частота  193,09 ТГц, полная ширина на полувысоте  100 МГц, максимальная мощность сигнала огибающей на выходе ФД - 350 мкВт. При сканирующем зондировании КУМБ происходит изменение амплитуд составляющих двухчастотного симметричного зондирующего излучения, они становятся не равными в зависимости от взаимного положения его средней частоты и центральной частоты КУМБ. Коэффициент модуляции огибающей их биений не равен 1 и по значению также зависит от величины расстройки средней частоты и центральной частоты КУМБ. При равенстве последних амплитуды составляющих зондирующего колебания равны, а коэффициент модуляции огибающей их биений - 1. а) б) Рис. 3. Спектральная картина ВРМБ (а) и спектр измеренного КУМБ (б) в одномодовом оптическом волокне Таким образом, исключается процедура поиска центральной частоты КУМБ по его максимуму, которая в силу ряда нестабильностей источника накачки ВРМБ и монотонности характеристики в области вершины контура характеризуется достаточно высоким уровнем погрешности. Составляющие двухчастотного симметричного зондирующего излучения спектрально расположены, как правило, на «линейных» склонах КУМБ и не подвержены его флуктуациям амплитудного характера в области центральной частоты. 3. Определение максимального коэффициента усиления и полной ширины КУМБ на полувысоте Рассмотрим способ определения максимальной амплитуды и добротности КУМБ, основанный на анализе коэффициента модуляции частоты биений между составляющими перестраиваемого по разностной частоте двухчастотного симметричного зондирующего излучения. Решаемая техническая задача заключается в повышении чувствительности и точности измерений указанных характеристик КУМБ. Предлагаемый способ определения характеристик КУМБ основан на том, что генерируют двухчастотное симметричное зондирующее излучение, подают его на вход одномодового оптического волокна, в котором с помощью излучения накачки возбуждено ВРМБ и сформирован КУМБ в зоне приложения внешнего воздействия (температуры, деформации растяжения/сжатия), перестраивают среднюю и разностную частоту зондирующего колебания в диапазоне измерений, соответствующем ширине КУМБ, регистрируют изменения параметров излучения, по которым определяют центральную частоту f_MB, максимальную амплитуду U_MB и добротность КУМБ Q_MB. Зондирующее излучение (рис. 4) формируют двухчастотным и в необходимый момент перестраивают его разностную частоту с ∆f_Р1 на ∆f_Р2, либо сразу четырехчастотным с четырьмя составляющими равной амплитуды соответственно на частотах f11, f21, f22, f12 со средней частотой f_С=(f12+f11)/2=(f22+f21)/2 и разностными частотами ∆f_Р1=f12f11 и ∆f_Р2=f22f21, меньшими ширины КУМБ, и направляют в волокно. Далее перестраивают среднюю частоту fС зондирующего колебания, причем в ходе перестройки разностные частоты оставляют неизменными, регистрируют изменение средней частоты зондирующего колебания и параллельно измеряют коэффициенты модуляции m1 и m2 огибающих частот биений между составляющими зондирующего колебания соответственно f11, f12 и f21, f22 на выходе волокна. Рис. 4. Спектральное расположение двух двухчастотных колебаний относительно КУМБ в случае совпадения их средней частоты с центральной частотой контура По достижении коэффициентом модуляции значения m1=m2=1 измеряют центральную частоту f_MB КУМБ, как равную значению средней частоты fС в данный момент времени, и измеряют соответствующие ему амплитуды огибающих частот биений между составляющими зондирующего колебания U_1для f11, f12 и U_2для f21, f22. Далее вычисляют максимальную амплитуду U_MBи добротность КУМБ Q_MB U_MB=√((χ^2 U_1^2-U_2^2 )/(χ^2-1) ); Q_MB=f_MB/(Δf_Pi ) √((U_MB⁄U_i )^2-1) , (5) где χ=(U_2 Δf_P2)⁄(U_1 Δf_P1 ), i равно1 или 2. Используя полученные значения, можно определить максимальный коэффициент усиления КУМБ по уравнениям, приведенным в [1, 2], а учитывая, что Q_MB  отношение центральной частоты КУМБ к его ширине на полувысоте, получим последний параметр из требуемых, зная центральную частоту f_MB. Проведенное имитационное моделирование разработанного способа определения характеристик КУМБ в программной среде OptiSystem 12.0 подтвердило возможность реализации способа и доказало его преимущества по повышению чувствительности и точности определения максимального усиления и добротности контура. В процессе измерений на информационный сигнал воздействуют шумы не всей полосы частот от КУМБ до несущей (10-20 ГГц), а лишь шумы полосы частот самого КУМБ (20-100 МГц). 4. Ключевые элементы радиофотонных систем для зондирования КУМБ Ключевыми элементами радиофотонных систем для симметричного двухчастотного зондирования КУМБ являются волоконный модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера (ИМЦ) и электрооптический интегральный модулятор Маха-Цендера (ММЦ). Первый служит для выделения ВРМБ на фоне релеевского рассеяния, второй - для формирования двухчастотного симметричного зондирующего излучения. Узел формирования ВРМБ показан на рис. 5,а. В качестве источника излучения выбран DFB-лазер. В эксперименте применялся модулятор на основе интерферометра Маха-Цендера, построенный на базе волоконных разветвителей 2×2, разность плеч соответствует области свободной дисперсии FSR 0,187 нм. На выходе портов интерферометра формируется сигнал рэлеевского рассеяния и компоненты ВРМБ, фиксируемые измерителем мощности и оптическим анализатором спектра. Для обеспечения требуемого уровня сигнала ВРМБ изменялся ток накачки лазера. На рис. 5,б показаны спектры КУМБ и релеевского рассеяния разделенные на выходе ИМЦ, полученные при входной мощности лазера 7 дБм [23]. а) б) Рис. 5. Экспериментальная установка для генерации сигнала ВРМБ (а), спектры ВРМБ и релеевского рассеяния при мощности накачки 7дБм (б) В качестве электрооптического ММЦ был выбран опытный образец производства ПНППК (г. Пермь), на котором проводились эксперименты по формированию двухчастотного симметричного зондирующего излучения при его работе в «нулевой» точке. Для измерений характеристик КУМБ был выбран ММЦ производства JDSU, как более широкополосный. Во всех электрооптических модуляторах, получение зондирующих симметричного двухчастотного или четырехчастотного непрерывного излучения с подавленной несущей может быть осуществлено с помощью последовательного амплитудно-фазового модуляционного преобразования лазерного излучения по методу Ильина-Морозова (100%-ая амплитудная модуляция одночастотного когерентного излучения с последовательной коммутацией фазы на π при прохождении огибающей амплитудно-модулированного излучения минимума) [10-16]. Его особенностями являются высокие спектральная чистота выходного излучения и коэффициент преобразования, а также возможность получения разностной частоты, равной частоте модуляции (а не удвоенной, как в классических схемах). Таким образом, возможно получение более узкополосных модуляционных формирователей, что существенно, учитывая малую ширину КУМБ (20-100 МГц). В дальнейших экспериментах предполагается использовать однопортовые амплитудные и фазовые ММЦ фирмы JDSU, либо новые разработки ПНППК. Основными погрешностями измерений при реализации радиофотонных систем на основе ИМЦ и ММЦ являются температурная нестабильность рабочих точек ИМЦ и ММЦ, а также DFB-лазера. 5. Заключение Показано, что дальнейшее развитие радиофотонных систем для исследования КУМБ может быть основано на применении в них для зондирования полигармонических симметричных излучений и реализации способов оценки амплитудных соотношений огибающих биений их частотных компонент для определения таких характеристик, как: центральная частота, максимальный коэффициент усиления и полная ширина на полувысоте. В результате проведенных компьютерных и физических экспериментов доказано, что предложенные способы характеризуются повышенным в 3-6 раз отношением сигнал/шум измерений, исключением погрешностей, связанных с необходимостью поиска центральной частоты по максимуму усиления, и простотой предложенных процедур определения центральной частоты, максимального коэффициента усиления и полной ширины на полувысоте по амплитудным соотношениям огибающих биений двух или четырех частотных компонент. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках проектной части государственного задания, выполняемого Казанским национальным исследовательским техническим университетом им. А.Н.Туполева-КАИ на кафедре радиофотоники и микроволновых технологий и в научно-исследовательском институте прикладной электродинамики, фотоники и живых систем (программа «Радиофотоника», З.1962.2014/К). Исследования процессов возбуждения ВРМБ проводились на кафедре линий связи и измерений в технике связи Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики, а аналитические исследования радиофотонных систем для зондирования КУМБ в его Казанском филиале на базе кафедры естественных и технических дисциплин в рамках грантовых конкурсов университета.

About the authors

O. G Morozov

G. A Morozov

A. A Talipov

V. A Burdin

M. V Dashkov

A. A Ivanov

D. S Dmitriev

References

Supplementary files