CC BY
8ВКВ0-2023- РАДИОФОТНИКА И ФИС
устройство опроса волоконных брэгговских решеток с использованием фотонно-интегральной схемы
на основе упорядоченной волноводной решетки с перекрестными
каналами
1* 2 2 1 Гаськов М.П. , Кондаков А.А. , Салгаева У.О. , Лобач И.А.
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск
2 ЦК НТИ «Фотоника», г. Пермь * E-mail: gaskov@iae.nsk.su DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-133-134
В последнее время область волоконных датчиков интенсивно развивается, т.к. они обладают рядом преимуществ относительно электрических датчиков. В частности, их можно использовать в суровых средах, их чувствительный элемент пассивен и не обладает электромагнитной восприимчивостью, т.к. не связан с электричеством. Самым известным видом волоконных датчиков является волоконная брэгговская решетка (ВБР). Центральная длина волны ВБР изменяется с деформацией и температурой, приложенные к ней. ВБР-датчики используются в различных приложениях, таких как мониторинг состояния конструкций [1], вибрационное зондирование при высоком электромагнитном шуме [2] или в качестве гидрофонов [3]. Для измерения центральной длины ВБР используется т.н. устройство опроса. На сегодняшний день разработано большое множество различных реализаций устройств опроса, позволяющие опрашивать сотни ВБР-датчиков со частотой опроса несколько кГц и высокой точностью измерения менее 10 пм. Основным ограничивающим фактором массового внедрения ВБР-датчиков в первую очередь обусловлена высокой стоимостью устройств опроса. Одним из решений этой проблемы при сохранении всех эксплуатационных характеристик является применения фотонных интегральных схем (ФИС) в качестве оптической схемы устройств опроса [4,5]. Целью данной работы являлось создание и испытание устройства опроса волоконных датчиков с использованием ФИС.
В настоящей работе ключевым элементом устройства опроса является ФИС на основе упорядоченной волноводной решетки (УВР) с перекрестными каналами. Одновременное измерение интенсивности в двух соседних каналах позволяет исключить флуктуации мощности источника и повысить точность восстановления длины волны. УВР содержит 10 спектральных каналов с подключенными фотоприемниками. Ширина каждого канала и области пересечения соседних каналов составляла около 1 нм. Спектр пропускания двух соседних каналов используемой ФИС изображен на рис.1. На основе ФИС был собран макет устройства опроса ВБР-датчиков (Рис. 2).
Рис. 1. Спектры пропускания двух соседних каналов УВР
Рис. 2. Оптическая схема макета
В качестве источника широкополосного излучения используется суперлюминесцентный лазерный диод (СЛД) с полной мощностью 2 мВт, центральной длиной волны 1530 и шириной спектра 40 нм. Далее излучение направляется на ВБР через волоконный циркулятор. Центральная длина волны отражения ВБР датчика составляла 1551.3 нм. Известно, что излучение СЛД является
ВКВ0-2023- РАДИОФОТОНИКА И ФИС
поляризованным, а типичные ВБР, как правило, формируются в стандартном телекоммуникационном волокне без сохранения состояния поляризации. Это означает, что в волоконной линии где располагается ВБР будет изменяться поляризация излучения при небольших изгибах волокна. По этой причине в схему был добавлен деполяризатор для минимизации поляризационного влияния. Для увеличения оптической мощности излучения, отраженного от ВБР, использовался полупроводниковый усилитель (ПУ). Для исключения одновременной регистрации двух состояний поляризации в схему после циркулятора был добавлен поляризатор. Схема после поляризатора
основана на компонентах и волокнах, сохраняющих поляризацию. Часть излучения выводится через оптоволоконный ответвитель 1/99 для фиксирования мощности или оптического спектра. Большая часть усиленного излучения поступает в ФИС и детектируется встроенными фотоприемниками. Макет устройств опроса при контролируемом нагреве ВБР датчика был откалиброван с использованием отношения сигналов с двух соседних фотоприемников. После калибровки макета статистическая ошибка измерения центральной длины волны с помощью устройства опроса составила около 25 пм (Рис. 3.). Дополнительно было обнаружено, что на длину волны, измеряемую устройством опроса, влияют температура прибора и изменение поляризации излучения в ВБР-датчике.
Рис. 3. Ошибка измерения длины волны ВБР С учетом этих факт°р°в была измерена
абсолютная ошибка измерения длины волны, которая составила около 70 пм. Наибольший вклад вносит поляризационные эффекты. Эту ошибку можно значительно уменьшить, если использовать более эффективный деполяризатор. Можно отметить, что погрешность измерения, связанная с температурой, может быть устранена путем калибровки устройства опроса при различных его температурах и дополнительного внутреннего датчика температуры в устройстве. В итоге можно ожидать, что в этих условиях значение ошибки не будет превышать 25 пм. Преимуществом этого устройства опроса является пассивность ФИС, что позволяет получать высокие скорости опроса, ограниченные только используемой электроникой.
Работа выполнена в рамках государственного задания, №122031600174-5 и поддержана центром компетенции «НТИ Фотоника».
Литература
1. Ken Ogawa, et al, Sensors, 19 (2019)
2. Laffont, G., et al, In Proceedings of the 20th International Conference on Optical Fiber Sensors, International Society for Optics and Photonics, Edinburgh, UK, (2009)
3. Takahashi, N., et al, Ultrasonics,38, 581-585 (2000)
4. Y. Sano, T. Yoshino, J. Lightw. Technol., 21, 132-139 (2003)
5. Hongqiang Li, Xiangdong Ma, Beibei Cui, Optica, 4(7), 692 (2017)
