CC BY
51
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ В ОПТОВОЛОКОННЫХ СХЕМАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
Илья Сергеевич Глебус
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, инженер, тел. (383) 306-62-08, e-mail: [email protected]
Сергей Николаевич Макаров
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки, Конструкторско-технологический институт научного приборостроения СО РАН, старший научный сотрудник, 630058, Россия, г. Новосибирск, ул. Русская, 41, тел. (383) 306-62-08, e-mail: [email protected]
В статье рассмотрена проблема внутренних отражений оптоволоконных схем с перестраиваемым по оптической частоте когерентным источником излучения. Описана разработанная программа для моделирования данного типа схем; представлены примеры схем и результаты оптимизации их внутренних оптических отражений.
Ключевые слова: оптоволоконная схема, интерферометрический сигнал, матрица рассеяния, интерферометр Майкельсона.
SIMULATION OF INTERFEROMETRIC SIGNALS IN THE FIBRE-OPTICAL SCHEMES USING FREQUENCY-MODULATED RADIATION
Ilya S. Glebus
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Engineer, tel. (383) 306-62-08, e-mail: [email protected]
Sergey N. Makarov
Technological Design Institute of Scientific Instrument Engineering SB RAS, 630058, Russia, Novosibirsk, 41, Russkaya str., Senior scientist, tel. (383) 306-62-08, e-mail: [email protected]
In article the internal reflections problem in the fibre-optical schemes using frequency-modulated coherent radiation is considered. The developed software for modeling this type of schemes is described; a few optical circuit examples are investigated and the internal reflections optimization results are presented.
Key words: fibre-optical scheme, interferometric signal, scattering matrix, Michelson interferometer.
1. Введение
В интерферометрических оптоволоконных схемах [1] существует проблема множественных паразитных внутренних отражений от оптических неоднородностей схемы. Такими неоднородностями могут быть, например, оптические соединения (разъёмы, места сварки волокон), неидеальные оптические элементы.
Учитывая высокую чувствительность оптических схем с использованием интерференции, паразитные внутренние отражения могут значительно влиять
на работу схемы, и ими нельзя пренебречь. Поскольку явление множественной интерференции от таких множественных неоднородностей схемы является нетривиальным, то для анализа и оптимизации внутренних отражений типичной оптоволоконной схемы требуется специализированное программное обеспечение, которое бы позволяло моделировать это явление.
Данная работа описывает пример такого программного обеспечения, специально разработанного для анализа интерферометрических оптоволоконных схем с линейно перестраиваемым по оптической частоте источником когерентного излучения.
2. Построение топологии оптоволоконной схемы
Прежде всего, необходимо качественно и количественно описать топологию оптической схемы, которая будет подвергаться исследованию.
Компоненты, оказывающие влияние на мощность проходящих через него сигналов (например, путём ослабления этой мощности, её деления, перенаправления по различным каналам и т. п.), задаются при помощи многополюсников (рис. 1), имеющих один или несколько портов в зависимости от типа описываемого компонента.
О о >
^^ Я - М ро О 1У1 00 Мт ) /мю >*. мх Рі З’-Мої
5-М03 Рз р2 5.мга
Рис. 1. Многополюсник
Количественно многополюсник характеризуется матрицей рассеяния Ык, т. е. набором коэффициентов передачи мощности от порта к порту. При попадании сигнала 5 в какой-либо порт многополюсника мощность делится между портами и выходит из них в соответствии со значениями элементов матрицы рассеяния.
Элементы схемы (многополюсники) разделяются на несколько типов:
• пассивные элементы. Эти элементы выполняют только функцию передачи сигналов из порта в порт. Коэффициент передачи по мощности определяется матрицей рассеяния соответствующей элементу;
• элементы-источники. Эти элементы также имеют свою матрицу рассеяния, но в отличие от пассивных элементов дополнительно являются генераторами когерентного сигнала единичной мощности выдаваемой в выходной порт. Типичным примером данного типа является лазер;
• элементы-приёмники. В отличие от пассивных элементов при попадании на порт такого многополюсника параметры сигнала регистрируются. Регистрируется мощность и длина оптического пути распространения света от породившего его источника к данному приемнику. Примером таких компонентов являются фотодетекторы.
Элементы схемы (многополюсники) также разделяются по количеству используемых портов:
• один порт: лазеры, фото детекторы, зеркала, светопоглотители и т. п.;
• два порта: оптические соединения, аттенюаторы, оптические изоляторы и т. п.;
• три порта: оптические циркуляторы, светоделители 2 х 1 и 1 х 2;
• четыре порта: светоделители 2x2.
Все элементы (многополюсники) соединяются в топологию оптической схемы при помощи линий связи (одномодовых оптических волокон, или некоторого обобщенного пути распространения излучения) (рис. 2), характеризующихся длиной оптического пути, который будет преодолевать сигнал, распространяющийся по данной линии, и величиной ослабления, обусловленного, например, затуханием в волокне.
Линия связи
Рис. 2. Линии связи
Таким образом, при помощи набора многополюсников и соединяющих их линий связи строится топология той или иной оптоволоконной схемы.
В нашем случае для анализа оптоволоконной схемы такого описания вполне достаточно. Для простоты рассмотрения здесь не учитываются дисперсия излучения в волокне и поляризационные свойства излучения (например, можем предположить, что оптические компоненты и волокна схемы поляризационно-сохраняющие).
3. Анализ оптоволоконной схемы
После того, как топология схемы построена, необходимо осуществить трассировку её оптических сигналов. Из многополюсника типа «источник» генерируется сигнал единичной мощности, который в соответствии с матрицами рассеяния компонентов и характеристиками линий связи распространяется по схеме. По достижению каждого из многополюсников создаются дочерние сиг-
налы, которые в свою очередь трассируются по схеме. По достижению сигналами фотоприёмников параметры этих сигналов, т. е. его мощность в момент прихода на фотоприёмник и длина оптического пути, пройденного им от источника до приёмника, регистрируются.
Далее, на каждом из фотоприёмников необходимо произвести расчёт интерференции всех сигналов, которые достигли фотоприёмника и были им зарегистрированы. Для каждого такого оптического сигнала мы знаем его параметры: Рк - мощность, Lk - длину оптического пути от источника излучения. Поэтому когерентный оптический сигнал [2] можно представить в виде комплексной записи, состоящей из амплитудной и фазовой составляющих:
(1)
Квадрат модуля такого комплексного сигнала будет совпадать с мгновенной мощностью оптического излучения.
Амплитуда комплексного сигнала пропорциональна мгновенной напряжённости электрического поля на входе фотоприемника, поэтому его можно использовать для изучения явления интерференции с использованием принципа суперпозиции, применимого к электрическим полям от всех оптических сигналов, прибывших на вход фотоприёмника.
Амплитуда сигнала находится как А=М - из условий нормировки по мощности.
Фаза сигнала фк il является оптической фазой источника исходного излучения^ < которая претерпела задержку tk=Lk/c распространения света от источника к приёмнику: <рк (Р» С- h
Фаза самого источника излучения является интегралом его мгновенной оптической частоты во времени и для линейно перестраиваемого по оптической частоте источника излучения может быть записана в явном виде как:
^ V si-t2
(p0t = ]coi ^dt =co0-t + ——, (2)
о ^
где а>0 = a>(t = 0) - частота сигнала в начальный момент его генерации источником; SI - скорость (наклон прямой) нарастания частоты сигнала.
Тогда оптическая фаза пришедшего оптического сигнала равна:
9к О % irh jr g) о • i-tk > — где tk = Lk I с - время прохождения сигнала от источника до приёмника.
Затем, используя принцип суперпозиции, все комплексные амплитуды сигналов, зарегистрированных приемником, суммируются, и вычисляется мощ-
ность совокупного интерференционного сигнала:
2
к
4. Моделирование оптоволоконной схемы интерферометра Майкель-
сона
Топология схемы интерферометра Майкельсона [3] (рис. 3) состоит из следующих элементов: лазер 1 соединяется через оптоволоконный FC-PC коннектор 2 с оптическим изолятором 3, который служит для подавления отражённого излучения обратно в лазер. Изолятор 3 через коннектор 4 соединяется с одним из портов светоделителя 5. Ещё к двум портам светоделителя подключены оптоволоконные зеркала 6 и 7, причём до зеркала 7 линия связи имеет длину оптического пути на величину АЬ большую, чем до зеркала 6. К последнему из портов светоделителя 5 через коннектор 9 подключен фотоприёмник 10.
Изолятор К°ннектор
Рис. 3. Топология схемы интерферометра Майкельсона
Значения элементов матриц рассеяния выбраны в соответствии со значениями параметров реальных оптоволоконных компонентов из паспортов на эти компоненты: лазер FITEL FOL15DCWD [4], оптический изолятор Ю-H-1550FC, оптоволоконный коннектор FC-PC 30126D1, светоделитель 10202A-50-FC, фотодетектор PDB450C. Компоненты соединены при помощи волокна SMF-28e. Длины оптических путей между компонентами схемы равны 1 м (за исключением пути между зеркалом 7 и коннектором 8, где длина оптического пути равна АЬ = 13,7м).
Модель данной схемы была введена в программу. Спектральная плотность мощности интерферометрического сигнала на фотоприёмнике (пропорционального оптической мощности сигнала), полученная в результате моделирования схемы, приведена на рис. 4,а.
а)
б)
Рис. 4. Спектральная плотность мощности интерферометрического сигнала схемы интерферометра Майкельсона: с разъёмными оптоволоконными БС-РС коннекторами (а); со сварными соединениями (б).
Соотношение сигнал-шум для полезного интерференционного сигнала биений составляет около 13 дБ. Множественные отражения излучения от разъёмных оптоволоконных соединений, взаимно интерферируя между собой, в конечном счете, вызывают «частокол» спектральных пиков, который наблюдается в спектре сигнала. В результате спектр полезного сигнала получается искаженным из-за наличия внутренних отражений схемы. Шаг по частоте между «паразитными» спектральными пиками определяется длиной соединительных волокон (1 м) между компонентами схемы.
Если заменить оптоволоконные коннекторы FC-PC 30126D1 на сварные соединения волокон, то отражения от оптических соединений значительно снизятся, поскольку типичное сварное соединение отражает -60 дБ от проходящего через него излучения, в то время как разъёмное оптическое соединение типа БС-РС отражает -30 дБ проходящего излучения. Если в схеме соединительные волокна сократить до 0,33 м, то взаимные оптические пути между множественными отражениями снизятся, что приведёт к меньшему шагу по частоте между спектральными пиками интерферометрического сигнала.
Рисунок 4,б демонстрирует спектральную плотность мощности интерференционного сигнала схемы с использованием сварных соединений и более короткими соединительными волокнами (0,33 м). Результирующее соотношение сигнал-шум для такой оптической схемы составляет около 22 дБ, что на 9 дБ выше, чем в предыдущей схеме.
5. Заключение
Результатами этой работы является разработанное программное обеспечение, позволяющее исследовать влияния множественных внутренних отражений когерентных оптоволоконных схем на их работу.
Программное обеспечение можно использовать для моделирования и оптимизации практических оптоволоконных схем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Стерлинг Д. Волоконная оптика. Техническое руководство. М.: Лори. 1995. - 195 с.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Издательство «Наука». 1973.
3. Физическая энциклопедия. М.: Советская энциклопедия. Главный редактор
А.М. Прохоров. 1988.
4. DWDM CW DFB Laser Module Description. [Electronic resource] / Режим доступа: http://ece466.groups.et.byu.net/notes/laser1.pdf
© И.С. Глебус, С.Н. Макаров, 2013
