JP2015514306A - Integrated light reflectometer - Google Patents
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Abstract
装置は、目標周波数でレーザ光を出力するように構成されたレーザ光源と、レーザ光源によって現在の期間に出力される実際の周波数と、レーザ光源の目標周波数との間の偏差を測定する測定ユニットとを含む。その装置は、実際の周波数と目標周波数との間の測定された偏差に基づいて、レーザ光源からのレーザ出力の一定の周波数を維持するようにそのレーザ光源を制御すべく構成されたフィードバック制御ユニットを備える。それにより、レーザ光源から送信されるレーザ光の周波数が目標周波数に調整される。そのフィードバック制御ユニットは、レーザ光源から出力されるレーザ光の周波数の直線的な変化速度を維持し、周波数測定のために使用される測定ユニットの特性を補償するように、レーザ光源を制御できる。方法は、レーザ光源のフィードバック制御を実行するために提供される。The apparatus comprises a measuring unit for measuring a deviation between a laser light source configured to output laser light at a target frequency, an actual frequency output by the laser light source during a current period, and a target frequency of the laser light source Including. The apparatus includes a feedback control unit configured to control the laser light source to maintain a constant frequency of laser output from the laser light source based on a measured deviation between the actual frequency and the target frequency. Is provided. Thereby, the frequency of the laser beam transmitted from the laser light source is adjusted to the target frequency. The feedback control unit can control the laser light source so as to maintain a linear rate of change of the frequency of the laser light output from the laser light source and compensate for the characteristics of the measurement unit used for frequency measurement. A method is provided for performing feedback control of a laser light source.
Description
本出願は、2012年3月14日に申請された米国仮特許出願(Provisional Patent Application)No.61/610533に基づく優先権を主張する。米国仮特許出願No.61/610533の全内容は、全体として参照によって本明細書に組み込まれる。 This application is a provisional patent application No. 1 filed on Mar. 14, 2012. Claim priority based on 61/610533. US provisional patent application no. The entire content of 61/610533 is incorporated herein by reference in its entirety.
本開示の少なくとも一部は、米国エネルギ省(U.S. Department of Energy)との契約の下で、考案または最初に実際に実用化された。 At least a portion of the present disclosure was conceived or first practically implemented under a contract with the US Department of Energy.
本開示は、光ファイバ(FO)設備の光学的完全性を検査するための装置および方法に関する。より詳細には、本開示は、1キロメートル以上の範囲で高分解能(例えば1cm未満、例えば2mm未満のような)で、安価にかつ単掃引で効率的に、FO設備の光学的完全性をテストできる、集積化された光反射率計および関連する方法に関する。 The present disclosure relates to an apparatus and method for inspecting the optical integrity of an optical fiber (FO) facility. More particularly, the present disclosure tests the optical integrity of FO equipment in high resolution (eg, less than 1 cm, eg, less than 2 mm), inexpensively and efficiently with a single sweep over 1 kilometer. It relates to an integrated light reflectometer and related methods.
光ファイバおよびレーザを含む光通信技術は、インターネットと大容量コンピューティングの主力である。次の十年のコンピューティングおよび通信ニーズを満たすことは、光信号の生成、伝送、スイッチングおよびルーティングだけでなく、知的でシームレスなネットワークを含む、研究開発の幅広いフロント全体を横断する進歩を要求する。機関や企業は、そのような急速に成長し、高速なグローバル通信ネットワークへのアクセスを持っているけれども、インフラストラクチャは未だ、個人ユーザに、FO設備での光のパワーを完全に活用するアクセスを提供するようには整っていない。 Optical communication technologies including optical fibers and lasers are the mainstay of the Internet and high capacity computing. Meeting the computing and communication needs of the next decade requires progress across a broad front of research and development, including intelligent and seamless networks, as well as optical signal generation, transmission, switching and routing. To do. Institutions and companies have access to such fast-growing, high-speed global communications networks, but the infrastructure still gives individuals access to make full use of the optical power at the FO facility. Not ready to serve.
既知のFO診断機器は、2つの高価なカテゴリ、すなわち、
1) 電気通信および大規模なデータネットワークのための、比較的低分解能の長距離ユニット(そのようなユニットは、一般的に光時間領域反射(OTDR)を使用し、0.1〜1メートルの分解能で数十キロメートルのスパンを提供する)、および
2) 1mm未満の分解能を提供する光周波数領域反射(OFDR)を使用した超高分解能の実験室機器
から構成されている。
Known FO diagnostic equipment has two expensive categories:
1) Relatively low resolution long range units for telecommunications and large data networks (such units typically use optical time domain reflection (OTDR) 2) consisting of ultra-high resolution laboratory equipment using optical frequency domain reflection (OFDR) that provides resolutions of less than 1 mm.
本明細書で使用される用語「コヒーレント」または「コヒーレンス」は、均一な波長(または周波数)を意味する。従って、用語「コヒーレンス長」とは、レーザ光の波長が空気中で均一であるような、空気の距離を意味する。 The term “coherent” or “coherence” as used herein means a uniform wavelength (or frequency). Therefore, the term “coherence length” means the distance of air such that the wavelength of the laser light is uniform in the air.
OFDRは波長可変(tunable)で高コヒーレンスのレーザ光源を使用する。OFDRレーザは、反射率計において非常に高い空間分解能に変換可能な広い光周波数掃引を提供できるが、レーザ光源のコストが非常に高く、供給業者が限られている。標準的な分布帰還型(DFB)レーザは、はるかに安価であり、より狭い波長範囲にわたってチューニングされ得るが、DFBレーザの波長可変性は、1cm以下の領域における分解能のために十分である。しかしながら、DFB源は、典型的には、約1mのファイバ長を超えた測定のために使用されるのに十分なコヒーレンスを提供しない。
OFDR uses a tunable, high coherence laser source. OFDR lasers can provide a wide optical frequency sweep that can be converted to very high spatial resolution in a reflectometer, but the cost of the laser source is very high and the suppliers are limited. Standard distributed feedback (DFB) lasers are much cheaper and can be tuned over a narrower wavelength range, but the wavelength variability of DFB lasers is sufficient for resolution in the
家庭からデータセンタへの通信網のような継続的な大規模FO展開をサポートするために、はるかに低コストで、かつ、これらのよりコンパクトな環境内で障害を位置付けるように高分解能で、これらのFO設備をテストするための識別されたニーズがある。 To support continuous large-scale FO deployments such as home-to-data center communications networks, these are much cheaper and with high resolution to locate obstacles in these more compact environments. There are identified needs for testing FO equipment.
上記に鑑み、本開示は、コスト効果の高い態様で、高い信頼レベルで光通信をさらに開発できる新たな、集積化された光反射率計を提供する。 In view of the above, the present disclosure provides a new, integrated light reflectometer that can further develop optical communications at a high reliability level in a cost effective manner.
通信、センシング、高度な照明システム、およびその他のFOプラットフォームのための継続的な大規模FO展開をサポートするために、本開示の集積化された光反射率計は、FO設備の光学的完全性が高分解能で遙かに低コストでテストされることを可能にする。本開示の集積化された光反射率計は、1キロメートル以上の範囲で、1cm未満の分解能で、安価な光学的測定を提供する。その集積化された光反射率計は、完全なおよび/またはカスタマイズ可能なソリューションを提供する。 To support continuous large-scale FO deployment for communications, sensing, advanced lighting systems, and other FO platforms, the integrated light reflectometer of the present disclosure provides optical integrity of the FO equipment. Allows to be tested at a much lower cost with higher resolution. The integrated light reflectometer of the present disclosure provides inexpensive optical measurements with a resolution of less than 1 cm over a kilometer range. The integrated light reflectometer provides a complete and / or customizable solution.
それゆえ、現在および将来のFO設備がピーク効率で動作するのを支援するために、集積化された光反射率計は、ファイバ接続の問題が終了する場所を、ネットワークオペレータがより容易に識別できるようにする。同様に、本開示によって対処される改善の一つのキー領域は、高分解能の通信テストおよび測定装置のコストの低減である。本開示の集積化された光反射率計は、FOネットワークのメンテナンスに使用されるべき高分解能と適度に短い範囲を有する反射率計で、大規模なFOネットワーク展開をサポートする。この技術は、近所に設置されている新たなFOネットワーク、オフィスビル、ファイバ・ツー・ザ・ホーム、ローカルエリアネットワーク、ワイドエリアネットワーク、および、航空機、船舶などの移動体を含む自己完結FOプラットフォームをサポートする。これらのFOプラットフォームの一部は、せいぜい数百メートル(<1キロメートル)延びる。そして、光呼掛けシステム(optical interrogation system)は、全体の光ネットワークの完全性を維持するための必要な修理を行うために、1センチメートル未満の範囲内で光障害を見つけることが望ましい。 Therefore, to help current and future FO equipment operate at peak efficiency, an integrated light reflectometer makes it easier for network operators to identify where fiber connection problems end. Like that. Similarly, one key area of improvement addressed by the present disclosure is a reduction in the cost of high resolution communication test and measurement equipment. The integrated optical reflectometer of the present disclosure is a reflectometer with high resolution and reasonably short range to be used for FO network maintenance, supporting large scale FO network deployments. This technology creates a new FO network in the neighborhood, office buildings, fiber-to-the-home, local area network, wide area network, and self-contained FO platform including mobiles such as aircraft and ships. to support. Some of these FO platforms extend at most several hundred meters (<1 kilometer). And it is desirable for the optical interrogation system to find optical disturbances within a range of less than one centimeter to make the necessary repairs to maintain the integrity of the entire optical network.
本開示は、レーザ出力は干渉計(例えば、測定ユニット)を使用して観測され、光が反射率計で使用される前に、検出された信号にフィードバック補正が適用されることを提供する。上記干渉計は、上記レーザ光源の瞬時の波長/周波数を測定するために使用される。その瞬間に上記レーザ光源が出力するレーザ光の実際の周波数と、上記レーザ光源の目標周波数との間に、偏差があるかどうかを決定するためである。上記干渉計の出力は、それが上記レーザ光源の上記実際の周波数と上記目標周波数との間の偏差を表すことから、「誤差信号」であると考えられ得る。上記干渉計内の上記実際の周波数と上記目標周波数との間の測定された偏差に基づいて、フィードバック補正が、上記レーザ光源に対して、レーザ周波数を上記目標周波数へ調節し、修正するためにリアルタイムで適用される。それによって、上記レーザ光源から、高コヒーレントなレーザ発振周波数出力が得られる。 The present disclosure provides that the laser output is observed using an interferometer (eg, a measurement unit) and feedback correction is applied to the detected signal before the light is used in the reflectometer. The interferometer is used to measure the instantaneous wavelength / frequency of the laser light source. This is to determine whether or not there is a deviation between the actual frequency of the laser light output from the laser light source at that moment and the target frequency of the laser light source. The output of the interferometer can be considered an “error signal” because it represents the deviation between the actual frequency of the laser source and the target frequency. Based on the measured deviation between the actual frequency in the interferometer and the target frequency, a feedback correction is made for the laser light source to adjust and correct the laser frequency to the target frequency. Applied in real time. Thereby, a highly coherent laser oscillation frequency output can be obtained from the laser light source.
従って、本開示は、干渉計を用いて観測されたレーザ発振周波数に基づく位相/周波数制御フィードバック機構を使用して、1回の測定で長いファイバ(例えば、1キロメートル以上)内の全点のために働く、補正された信号を生成する。高いフィードバック補正ゲインは、レーザの変動を補正するために最適化されたフィードバック位相応答を使用することによって可能とされる。また、同じフィードバック機構は、波長制御信号を注入すべき点を提供して、制御の直線性を確保するとともに、DFBレーザ光源の自然なコヒーレンス長を超える正確な測定結果を提供する。 Thus, the present disclosure uses a phase / frequency controlled feedback mechanism based on the lasing frequency observed with an interferometer for all points in a long fiber (eg, 1 kilometer or more) in a single measurement. Generate a corrected signal that works on A high feedback correction gain is made possible by using an optimized feedback phase response to correct for laser variations. The same feedback mechanism also provides a point at which the wavelength control signal should be injected to ensure control linearity and provide accurate measurement results that exceed the natural coherence length of the DFB laser source.
本開示のさらなる改良、利点および特徴は、図面に示された例示的な実施形態を参照して以下でより詳細に説明される。図面において、 Further improvements, advantages and features of the present disclosure are described in more detail below with reference to exemplary embodiments shown in the drawings. In the drawing
本開示の例示的な実施形態を図面を参照しながら説明する。以下の説明は、そのような説明は、限定ではなく説明の目的のために、特定の実施形態、手順、技術のような具体的な詳細を規定している。以下に記載される実施形態は例示であり、他の実施形態はこれらの特定の詳細から離れて使用されてもよいことが理解されるべきである。本開示の説明を不明瞭にしないように、幾つかの事例では、周知の方法、インタフェース、回路およびデバイスの詳細な説明は省略されている。また、幾つかの図面には、個別のブロックが示されている。当業者は、それらのブロックの機能は、個別のハードウェア回路を用いて、適切にプログラムされたデジタルマイクロプロセッサまたは汎用コンピュータと連動してソフトウェアプログラムおよび非一時的なコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されたデータを使用して、特定用途向け集積回路(ASIC)を使用して、および/または、1つ以上のデジタル信号プロセッサ(DSP)を使用して、実現され得ることを理解するであろう。 Exemplary embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. The following description sets forth specific details, such as particular embodiments, procedures, techniques, for purposes of explanation and not limitation. It is to be understood that the embodiments described below are exemplary and other embodiments may be used apart from these specific details. In some instances, detailed descriptions of well-known methods, interfaces, circuits, and devices have been omitted so as not to obscure the description of the present disclosure. In some of the drawings, individual blocks are shown. Those skilled in the art will record the functions of those blocks in software programs and non-transitory computer readable media in conjunction with a suitably programmed digital microprocessor or general purpose computer using separate hardware circuitry. It will be appreciated that the data may be implemented using an application specific integrated circuit (ASIC) and / or using one or more digital signal processors (DSPs). .
本開示の例示的な実施形態の説明においては、レーザ光源のタイプの例は、DFBレーザダイオードを含むレーザとして提供される。これらはレーザ光源の例として挙げられているということが理解されるべきであり、本開示はこれに限定されない。 In the description of exemplary embodiments of the present disclosure, examples of types of laser light sources are provided as lasers including DFB laser diodes. It should be understood that these are given as examples of laser light sources, and the present disclosure is not limited thereto.
本開示の詳細な説明の最初に、本開示の独自のソリューションをより良く説明するために、OFDRの原理の考察が、様々な例を参照して提供される。 At the beginning of the detailed description of the present disclosure, a discussion of the principles of OFDR is provided with reference to various examples to better explain the unique solutions of the present disclosure.
反射率計は、一方の端部に注入される信号の反射を解析することにより、導波路の特性を導波路の長さに沿って調べるために使用される。OFDRでは、信号は着実に変化する光波長(または光周波数)を有するコヒーレント光である。 A reflectometer is used to examine the properties of a waveguide along the length of the waveguide by analyzing the reflection of the signal injected at one end. In OFDR, the signal is coherent light having an optical wavelength (or optical frequency) that changes steadily.
OFDRの一例では、光は200THz(波長1500nm)の公称周波数からマイクロ秒当たり10MHzの速度で光周波数が着実に増加し、この周波数掃引は1000マイクロ秒の期間維持され得る。1kmの距離でファイバ内の不連続部(例えば、欠陥、コネクタ、端面等)から反射される光は、約10μsの往復遅延を発生する(ファイバ内の光の速度のための典型的な値を使用して)。したがって、光周波数掃引の間、反射光は、生成された光周波数が100MHz遅かった時のレーザ光源からのものであろう。反射光と現在のレーザ出力周波数との間のこの特定の周波数差は、掃引が維持される限り、この距離からの全ての光の特性であろう。他の全ての距離からの反射光は、異なる特性の差周波数を有することになる。 In one example of OFDR, light steadily increases in optical frequency from a nominal frequency of 200 THz (wavelength 1500 nm) at a rate of 10 MHz per microsecond, and this frequency sweep can be maintained for a period of 1000 microseconds. Light reflected from discontinuities in the fiber (eg, defects, connectors, end faces, etc.) at a distance of 1 km will generate a round trip delay of about 10 μs (typical values for the speed of light in the fiber). Use). Thus, during the optical frequency sweep, the reflected light will be from the laser source when the generated optical frequency is 100 MHz slow. This particular frequency difference between the reflected light and the current laser output frequency will be a property of all light from this distance as long as the sweep is maintained. Reflected light from all other distances will have a difference frequency with different characteristics.
光周波数/波長は、高分解能で直接測定することは困難であるかも知れない。しかし、非常に小さな周波数差は、2つの光源間で干渉によって容易に検出され得る。この場合、反射された光エネルギは、直接レーザから取り出される光の一部と干渉され得る。この構成は、時には自己ヘテロダインと呼ばれる。これら2つの干渉する光信号の間の光周波数の差は、干渉ビート、または2つの光入力信号の光周波数の差に等しい強度変調周波数を生成する。干渉後の光の強度変調は、光検出器を用いて電気信号に変換され得る。我々は電気ドメインにおいて更なる処理のための優れたツールを持っているので、上記信号を電気ドメインに移動することは有用である。この構成では、1km遠い点からの反射が、今、特徴的性質100MHzの電気信号を生成する。その周波数は反射が由来した場所を識別し、ビート周波数の振幅はその点での反射の強度を示す。光検出器からの信号の周波数スペクトルは、ファイバのその長さに沿った反射プロファイルの類似物を含むことが明らかである。ここで、ゼロ周波数は発射端を表し、ファイバ長はスケール100MHz=1kmであるスケール上で表される(すなわち、100kHz/m)。この周波数スペクトルは、多くの場合、上記検出器からのビート信号の高速フーリエ変換(FFT)によって生成される。
The optical frequency / wavelength may be difficult to measure directly with high resolution. However, very small frequency differences can be easily detected by interference between the two light sources. In this case, the reflected light energy can interfere with a portion of the light extracted directly from the laser. This configuration is sometimes called self-heterodyne. The difference in optical frequency between these two interfering optical signals produces an intensity modulation frequency equal to the interference beat, or the difference in optical frequency between the two optical input signals. The intensity modulation of the light after interference can be converted into an electrical signal using a photodetector. Since we have good tools for further processing in the electrical domain, it is useful to move the signal to the electrical domain. In this configuration, reflection from a
上では、レーザ光はコヒーレントであると仮定された。したがって、上記レーザは光周波数発振器である。ここで、その位相は、将来へ任意の長さの時間で、予測され得る。しかしながら、これは、実際にはそうではない。全ての発振器は幾つかの妨害を受け、特に、半導体レーザの発振位相は、その半導体レーザのキャビティ中への自然放出によって破壊されるからである。誘導された光子の排出は、建設的な位相でレーザ発振波エネルギを強める。一方、各自然放出光子は、ランダムな位相を有しており、したがって、レーザ発振位相にランダムな符号と振幅の小さな乱れを加える。時間の経過中、これらのランダムな外乱の影響は、レーザ位相を、理想的な目標位相(すなわち、それは完全にコヒーレントであった)から「ランダムウォーク」風に離れてさまよわせることである。そのランダム寄与が非常に小さい場合には、将来に向けて、レーザ位相を幾つかの有用な方法で予測することが可能かも知れない。この有効な予測時間は、レーザコヒーレンス時間である。また、コヒーレンス時間を光の速度に分けてレーザ発振コヒーレンス長として表すことができる。したがって、例えば、3μsのコヒーレンス時間を有するレーザは、空気中で1kmのコヒーレンス長を有する。上記の例をとって、コヒーレンス時間3μsのレーザを仮定すると、ファイバ中のコヒーレンス長は約600m(光の速度はファイバ中でより遅い)であるから、我々は、ファイバ中の300mの距離へ反射率測定を行うことができる(すなわち、600mの往復)。したがって、より長いコヒーレンス長を有するレーザは、遠い反射率測定ために使用され得る。 In the above, the laser light was assumed to be coherent. Therefore, the laser is an optical frequency oscillator. Here, the phase can be predicted for any length of time into the future. However, this is not the case in practice. All oscillators are subject to some disturbances, in particular because the oscillation phase of a semiconductor laser is destroyed by spontaneous emission into the cavity of the semiconductor laser. Stimulated photon emission enhances the lasing wave energy in a constructive phase. On the other hand, each spontaneously emitted photon has a random phase, and therefore adds a random code and a small disturbance in amplitude to the laser oscillation phase. Over time, the effect of these random disturbances is to wander the laser phase away from the ideal target phase (ie, it was completely coherent) in a “random walk” style. If the random contribution is very small, it may be possible to predict the laser phase in some useful way for the future. This effective prediction time is the laser coherence time. Further, the coherence time can be divided into the speed of light and expressed as the laser oscillation coherence length. Thus, for example, a laser with a coherence time of 3 μs has a coherence length of 1 km in air. Taking the above example, assuming a laser with a coherence time of 3 μs, the coherence length in the fiber is about 600 m (the speed of light is slower in the fiber), so we reflected to a distance of 300 m in the fiber. Rate measurements can be taken (ie, 600 m round trip). Thus, lasers with longer coherence lengths can be used for distant reflectance measurements.
また、コヒーレンスの上記の議論は、レーザ位相は或る時間へ良く定義され、その時間を超えてそれは未知であること、または、コヒーレンス関数は、コヒーレンス長へ高い値を有し、その距離を超えて無に落ちることを意味し得ることが留意されるべきである。しかしながら、典型的なコヒーレンス関数はローレンツ形状(Lorenzian)であり、これはゆっくり低下し、長い尾を持つ統計的分布である。コヒーレンス「カットオフ」点は、レーザ光が50%コヒーレントである点、または結果として生じる干渉縞が50%のコントラストを有する点として定義され得るが、コヒーレンスの程度は広範囲にわたってゆっくりとのみ変化する。コヒーレンス長についての単一の図は幾分誤解を招くかもしれないが、そのような図は、コヒーレンス長/時間を定量化するために提供されていることが理解されるべきである。したがって、OFDR動作を説明するにおいて、使用される数値は、程度(degree)に近似され得る。しかし、ここに述べたように、そのような近似は、そのようなコヒーレンス長または時間の使用や理解には影響しない。 Also, the above discussion of coherence shows that the laser phase is well defined for a certain time and beyond that it is unknown, or the coherence function has a high value for the coherence length and exceeds that distance. It should be noted that it can mean falling to nothing. However, the typical coherence function is Lorenzian, which is a statistical distribution with a slow tail and a long tail. A coherence “cut-off” point can be defined as a point where the laser light is 50% coherent, or a point where the resulting interference fringes have a contrast of 50%, but the degree of coherence changes only slowly over a wide range. Although a single diagram for coherence length may be somewhat misleading, it should be understood that such a diagram is provided to quantify coherence length / time. Thus, in describing OFDR operation, the numerical values used can be approximated to a degree. However, as noted herein, such an approximation does not affect the use or understanding of such coherence length or time.
上述したように、ファイバ長に沿った任意の物理的な点は、自己ヘテロダイン検波後の特定の周波数で識別される。この特性周波数は距離に比例するが、それはまた、レーザ発振光周波数の変化速度に比例する。高分解能を維持するために、本開示の例示的な実施形態は、その点から検出された周波数が一定になることを提供する。上記の例では、約1km離れた地点での反射を1cm(10万分の1)まで分解するのが望まれ、10万分の1の光周波数掃引速度の直線性が要求される。しかし、波長可変レーザは、この程度のチューニング直線性で、容易にはチューニングされ得ない。 As described above, any physical point along the fiber length is identified at a particular frequency after self-heterodyne detection. This characteristic frequency is proportional to the distance, but it is also proportional to the rate of change of the lasing light frequency. In order to maintain high resolution, exemplary embodiments of the present disclosure provide that the frequency detected from that point is constant. In the above example, it is desirable to resolve the reflection at a point about 1 km away to 1 cm (1 / 100,000), and linearity of the optical frequency sweep speed of 1 / 100,000 is required. However, a wavelength tunable laser cannot be easily tuned with such tuning linearity.
述べたように、測定距離は、レーザコヒーレンスによって制限され得る。この制限を克服する3つの主要技術がある。すなわち、1)上記のように高いコヒーレンス波長可変レーザ光源を用いることによる技術、2)例えば、フロガット(Froggatt)等に対する米国特許No.7,515,276(以下「フロガット」と呼ぶ。)で開示されているように、結果を解釈する前のレーザ非コヒーレンスの生の測定データを補償することによる技術、または、3)以下でより詳細に説明される本開示の解決策にしたがって、レーザ光源でのレーザ非コヒーレンスを補正することによる技術である。 As stated, the measurement distance can be limited by laser coherence. There are three main technologies that overcome this limitation. That is, 1) a technique using a high coherence wavelength tunable laser light source as described above, 2) U.S. Pat. 7,515,276 (hereinafter referred to as “Frogat”), or a technique by compensating the raw measurement data of laser non-coherence before interpreting the result, or 3) In accordance with the solution of the present disclosure described in detail, a technique by correcting for laser incoherence in a laser source.
技術1)は実行可能なソリューションである。多キロメートルの測定範囲で、同様の高品質の測定結果を生成できる幾つかの高品質な波長可変レーザ光源がある。しかし、これらのレーザは、多くの場合、MEMS部品およびミラーと組み合わされたレーザ装置を含むマイクロメカニカル構造であり、一般に製造するのが高価である。対照的に、中程度の品質の一般的なDFB半導体レーザは、電気通信システム用の光源として非常に低いコストで製造される。DFBレーザは、より典型的には約1mの非常に限られたスパンでのOFDR測定を許容するコヒーレンス長を有する。これは、多くの場合、有用な範囲ではない。 Technology 1) is a viable solution. There are several high quality tunable laser sources that can produce similar high quality measurement results over a multi-kilometer range. However, these lasers are often micromechanical structures that include laser devices combined with MEMS components and mirrors, and are generally expensive to manufacture. In contrast, medium quality common DFB semiconductor lasers are manufactured at very low cost as light sources for telecommunications systems. DFB lasers have a coherence length that allows OFDR measurements in a very limited span, more typically about 1 m. This is often not a useful range.
フロガットの技術2)は、安価なDFBレーザを、長い長さの測定を行う際に使用できるようにするための手段として使用されてきた。原則として、フロガットの技術は、時間とともにレーザ位相変動を測定し、電子的に測定値を記録することを含み、それにより、最近の過去の或る時点に検出器での測定値を補償するために用いることができる実際のレーザの位相(または近似)の履歴記録がある。したがって、フロガットは、干渉計でDFBレーザの位相を観測し、それから、その情報(デジタル的に遅延されている)を位相/周波数の漸進的変化の履歴記録を生成するために使用した後、その過去の履歴記録に基づいて、レーザのコヒーレンス長を超えたファイバ領域からのOFDR測定値を経験的に補償することを提案している。レーザ観測データに使用される遅延は、レーザのコヒーレンス長を超えた距離での実際の反射率計測定値における補正項として、補償された領域への遅延に等しい。しかし、その補償は、補償された遅延の周りの小さなウィンドウサイズに適用されるのみである。ファイバ長全体を観るためには、人は多くの部分的な読み取りを行う必要がある。 The Frogat technique 2) has been used as a means to enable inexpensive DFB lasers to be used when making long length measurements. In principle, the Frogat technique involves measuring the laser phase variation over time and electronically recording the measurements, thereby compensating for the measurements at the detector at some point in the past past. There is a history record of the actual laser phase (or approximation) that can be used. Thus, Frogat observes the phase of the DFB laser with an interferometer, and then uses that information (digitally delayed) to generate a historical record of phase / frequency gradual changes, then Based on past history records, it has been proposed to empirically compensate for OFDR measurements from the fiber region beyond the laser coherence length. The delay used for the laser observation data is equal to the delay to the compensated region as a correction term in the actual reflectometer measurements at distances beyond the laser coherence length. However, the compensation is only applied to a small window size around the compensated delay. To see the entire fiber length, one needs to make many partial readings.
本開示は、レーザ位相の漸進的変化を観測し、レーザの位相変動を補正するためにこの情報をフィードバックループで直ちに使用し、それによって、レーザコヒーレンス長/時間を増加させる新たな技術を提供する。レーザ光源でレーザ動作を補正することにより、上記1)の技術による高度にコヒーレントな波長可変レーザ光源を用いたシステムのように、収集された測定データは、全測定長さにわたって適用可能になる。本開示は、レーザ出力は、干渉計を用いて観測され、フィードバック補正は、そのレーザ光源に対して、そのレーザ光源の光周波数を補正するために適用されることを提供する。従って、本開示は、干渉計を用いて観測されるレーザ発振周波数に基づく位相/周波数制御フィードバック機構を使用して、1回の測定で長いファイバ内の全点について働く、補正された信号を生成する。高いフィードバック補正ゲインは、レーザの変動を補正するために最適化されたフィードバック位相応答を使用することによって可能となる。また、同じフィードバック機構は、DFBレーザをOFDR光源として使用するために必要な光周波数掃引を提供するために使用される波長制御信号が注入される点を提供する。 The present disclosure provides a new technique for observing gradual changes in laser phase and immediately using this information in a feedback loop to correct for laser phase variations, thereby increasing laser coherence length / time. . By correcting the laser operation with the laser light source, the collected measurement data can be applied over the entire measurement length, as in a system using a highly coherent tunable laser light source according to the technique of 1) above. The present disclosure provides that the laser power is observed using an interferometer and feedback correction is applied to the laser light source to correct the optical frequency of the laser light source. Thus, the present disclosure uses a phase / frequency controlled feedback mechanism based on the lasing frequency observed with an interferometer to produce a corrected signal that works for all points in a long fiber in a single measurement. To do. High feedback correction gains are possible by using an optimized feedback phase response to correct for laser variations. The same feedback mechanism also provides the point at which the wavelength control signal that is used to provide the optical frequency sweep necessary to use the DFB laser as the OFDR light source is injected.
図1Aは、レーザ光源110と測定ユニット120(例えば、干渉計)の構成を示すブロック図である。レーザ光源110は、目標周波数を有するが、上述のように、レーザ光源は、常にこの目標周波数でレーザ光を出力するわけではない。測定ユニット120は、レーザ光源110によって現在の瞬間に出力される実際の周波数と、レーザ光源110の目標周波数との間の偏差を測定するように構成されている。
FIG. 1A is a block diagram illustrating a configuration of a
レーザ光源110の光位相/周波数を観測(例えば、検出)するためのレーザ出力の干渉測定の例は、今、この観測がレーザ光源110のためのリアルタイムフィードバック制御を提供する仕方を示すために、図1Aを参照して説明される。
An example of laser power interferometry for observing (eg, detecting) the optical phase / frequency of the
瞬時のレーザ位相および/または光周波数は、レーザ光源110からの或る光出力上で干渉計を用いて観測され得る。例えば、測定ユニット120のマッハ・ツェンダー干渉計では、レーザ光は2つの経路(短い経路と長い経路)に分けられ、その後、再結合される。光が再結合されるとき、干渉が起こり、これは、建設的または相殺的であり得る。例示的な実施形態によれば、干渉計は、ファイバと、2×2ファイバカプラとから構築され得る。第1の2×2カプラは、レーザ光を2つのファイバ経路に分割する。第2の2×2カプラの一方の入力は、第1のカプラの一方の出力に直接融合されている。それとともに、他方の入力と出力の対は、ファイバの追加の長さを介して、接続されている。第2の2×2カプラの出力の一方または両方は、干渉結果を観測するための光検出器に接続され得る。この干渉計の一方の入力から出力までの経路長差が波長の正確な数であれば、その出力において干渉が建設的になり、光出力が最大値(トータルの入力光レベルにほぼ等しい)となる。一方、上記干渉計の一方の入力から出力までの経路長差が波長の1半波長差であれば(これらが均等分割比の2×2カプラであれば、このようになる。光遅延差は明らかではないかも知れないが、それはそれらのカプラで発生する。)、第2の出力レベルはゼロに近くなる。上記波長が変化して第1の経路の長さが上記よりも半波長長くなるように変化すれば、第1の出力はゼロ(相殺的干渉)になり、第2の出力は最大値(建設的干渉)となる。上記2つの条件の間の点では、いずれかの出力における強度は、発振波長の関数となり、また、ファイバ長差が光の多波長であれば、出力強度は、光周波数の非常に敏感な関数となり得る。また、より短い(経路差を通る伝搬遅延時間と比較して短い)時間スケールでは、出力強度は、レーザ位相の瞬時変化の直接的な関数である、ということが考慮される。より長い経路からの光はまだその位相変化を経験していないからである。
The instantaneous laser phase and / or optical frequency can be observed using an interferometer on some optical output from the
図1Bは、代替の実施形態のブロック図を示している。そこでは、測定ユニット130は、図1Aに示したマッハ・ツェンダー干渉計の代わりに、再循環干渉計を含んでいる。それにもかかわらず、図1Aおよび図1Bにおける測定ユニット120,130は、各々、レーザ光源110によって現在の瞬間に出力される周波数と、レーザ光源110の目標周波数との間の偏差を測定するように構成されている。
FIG. 1B shows a block diagram of an alternative embodiment. There, the
図2は、レーザを含む装置200の例示的な実施形態を示している。レーザの光周波数は安定化され、従って、そのレーザのコヒーレンス長は本開示に従って増加する。装置200は、レーザ光源110の発振周波数を観測するために、図1Aの干渉計120を使用する。干渉測定は、レーザ光源110によって出力されるレーザ光の周波数/波長をリアルタイムで制御するための位相/周波数制御フィードバック機構に供給される。図2中の参照数字210は、フィードバック制御ユニットを示している。このフィードバック制御ユニットは、レーザ光源100の実際の周波数と目標周波数との間の、干渉計120によって測定された偏差に基づいて、レーザ光源110から出力されるレーザの一定の周波数を維持するように、リアルタイムでレーザ光源110を制御するように構成されている。それにより、レーザ光源110から放射されるレーザ光の周波数が目標周波数に調整される。干渉計120の出力は「誤差信号」であると考えられ得る。その出力は、レーザ光源110の実際の周波数と目標周波数との偏差を表しているからである。干渉計において測定された実際の周波数と目標周波数との間の偏差に基づいて、フィードバック制御ユニット210は、レーザ光源110に対してリアルタイムでフィードバック補正を適用して、レーザ周波数を目標周波数へ調整および補正し、それによって、レーザ光源110の高度にコヒーレントなレーザ発振周波数出力を得る。
FIG. 2 illustrates an exemplary embodiment of an
上記のように、干渉計によって測定されたレーザ位相/周波数の時間変化は、異なる瞬間に発生されたレーザ光で自己ヘテロダインされた、反射された(遅延された)信号に基づいている。本開示の例示的な実施形態によれば、レーザ周波数のリアルタイム測定は、フィードバックループ内で直ちに使用されて、レーザ光源110によって出力された実際の周波数と目標周波数との間の周波数誤差を瞬時に補正する(例えば、図2に示された無限インパルス応答(IIR)フィルタによって)。
As described above, the time variation of the laser phase / frequency measured by the interferometer is based on a reflected (delayed) signal that is self-heterodyne with laser light generated at different instants. According to an exemplary embodiment of the present disclosure, real-time measurement of the laser frequency is used immediately in the feedback loop to instantly estimate the frequency error between the actual frequency output by the
これは、2つの設計特徴を与えることによって達成される。第1に、光周波数検出及びフィードバックループは、必要な補正の帯域幅に比べて小さい最小の遅延を起こさなければならない。このことは、干渉計およびフィードバック検出器(単数または複数)内で使用される短いファイバ長(ファイバが使用される場合、その他、導波路の長さを小さく維持するための集積化された光実装が使用され得る。)と、フィードバックループ内で使用される高速・低遅延電子部品とを必要とする。第2に、周波数誤差が発生したときそれらの周波数誤差を補正するように、十分な帯域幅を有するレーザ光源110に補正チューニングを適用する手段が提供される。DFBレーザは、一般的に、例えば付属のペルチェ冷却器を使用して、温度の変化によってチューニングされているが、これは秒(複数)のスケールの時間応答をもち、我々のフィードバック設計で使用するには遅すぎる。また、DFBレーザは、そのレーザに流れる電流によって僅かにチューニングされ得る(電流の変化はまた、そのレーザからの光強度を変調する)。これは、本開示において適用される機構である。ここで、主な効果は、レーザ電流加熱からの温度変化であるが、より急速な変化がレーザキャビティ内の電子数にあり、それは屈折率、したがって発振波長に影響する。本開示は、フィードバックループを閉じ、レーザ位相への破壊を最小限にするのに利用可能なメカニズムを活用する(さもなければ、低コヒーレンス長をもたらす。)。或る短期(ナノ秒のスケール)のレーザ位相ノイズは許容できるが、フィードバックループは、数マイクロ秒から数十マイクロ秒の時間スケールでコヒーレンスを維持するために、迅速にレーザ周波数を復元する。このコヒーレンス特性には、OFDR機器用のレーザが適する。
This is achieved by providing two design features. First, the optical frequency detection and feedback loop must cause a minimum delay that is small compared to the required correction bandwidth. This means that the short fiber length used in the interferometer and feedback detector (s) (if fiber is used, other integrated optical implementations to keep the waveguide length small) And high speed, low delay electronic components used in the feedback loop. Second, means are provided for applying correction tuning to a
チューニングの直線性が高分解能の機器のために重要であることが分かっている。殆どの波長可変レーザ(上記の「高品質」デバイスを含む)は、適度のチューニングの直線性を持っているが、それにもかかわらず、多くのOFDR測定のためには不十分である。レーザは、温度を調節すること、MEMSミラーおよび回折格子の角度を調整すること等によって、調整される。これらの「オープンループ」機構は、或る非直線性を有している。本開示のソリューションは、上述のフィードバックループ内でレーザ発振周波数制御を適用することである。 Tuning linearity has been found to be important for high resolution instruments. Most tunable lasers (including the “high quality” devices described above) have moderate tuning linearity but are nevertheless insufficient for many OFDR measurements. The laser is tuned by adjusting the temperature, adjusting the angles of the MEMS mirror and the diffraction grating, and so on. These “open loop” mechanisms have some non-linearity. The solution of the present disclosure is to apply lasing frequency control within the feedback loop described above.
上述したように、本開示のフィードバック安定化技術は、1つのみの固定された周波数で位相を安定化させるのに効果的である。周波数チューニングは、光位相(その光位相にフィードバックループがロックする。)を変化させることによって、これに追加され得る。例えば、デジタル位相回転をもつ直交位相フィードバックループは、精密チューニングのために設けられ得る。 As described above, the feedback stabilization technique of the present disclosure is effective in stabilizing the phase at only one fixed frequency. Frequency tuning can be added to this by changing the optical phase (the feedback loop locks to that optical phase). For example, a quadrature feedback loop with digital phase rotation can be provided for fine tuning.
フィードバックループを使用するこの周波数制御を実現する1つの手段は、干渉計の長いファイバを延伸することによるチューニングを含む。それは次のように働く。フィードバックループは、フィードバック光検出器の出力での或る電圧によって満足される。この電圧は、干渉計の短いアームおよび長いアーム中の光の間の一定の位相関係によって生成される。ファイバが延伸された場合、この位相関係を維持するために、波長が増加して、波長の同じ数が新しい光ファイバ長に収まり、出力カプラで同じ位相関係になる。これが達成されない場合、検出器の出力電圧が変化し、レーザ電流が変化して発振周波数を引っ張り、その結果、状態が復元される。それによって、レーザ波長が新しい長いファイバ長を満足するように調整される。ファイバは、そのファイバを例えばピエゾシリンダ(Piezo cylinder)上にしっかりと巻き付け、印加電圧によってそのシリンダの寸法を変更することによって、チューニングを行うために必要な小量だけ延伸され得る。レーザのチューニング範囲は、使用されるレーザ光源110で達成し得る電流チューニング範囲によって制限される。この制限に達するのに必要な延伸の程度は、ファイバによって耐えられ得る緊張と比較してかなり小さい。この波長チューニング機構は、図3に示すモデルにおいて実証された。図3は、レーザ光源呼掛けのためのテストファイバ干渉計を備えた、波長管理されたDFBレーザのMATLABシミュリンク(Simulink)電気光学的モデルを示している。
One means of realizing this frequency control using a feedback loop involves tuning by drawing a long fiber of the interferometer. It works as follows. The feedback loop is satisfied by a certain voltage at the output of the feedback photodetector. This voltage is generated by a constant phase relationship between the light in the short and long arms of the interferometer. When the fiber is drawn, to maintain this phase relationship, the wavelength is increased so that the same number of wavelengths fits in the new optical fiber length and the same phase relationship at the output coupler. If this is not achieved, the output voltage of the detector changes and the laser current changes to pull the oscillation frequency, so that the state is restored. Thereby, the laser wavelength is adjusted to satisfy the new long fiber length. The fiber can be stretched by the small amount necessary for tuning by winding the fiber tightly onto, for example, a Piezo cylinder and changing the dimensions of the cylinder with applied voltage. The laser tuning range is limited by the current tuning range that can be achieved with the
例示的な実施形態によれば、チューニングの別の技術は、フィードバックロック状態の位相を回転することを含む。直交干渉計出力は、例えば干渉計の出力カプラについて均等分割の4×4カプラを用いることによって、様々な手段によって達成され得る。例示的な実施形態によれば、このカプラは、4つの直交位相関係にある2つの光路を組み合わせることを表す4つの出力を有することができる。これらのうちの直交する対は、それらの出力強度において90度の関係を有することができる。これらの両方を検出することによって、干渉計における光位相関係の直交座標表現が得られる。これらの検出器の出力は、フィードバックループがロックされたときに任意の位相関係を満足するように適切な(例えば、直交座標から極座標へのマッピング(rectangular to polar mapping))比率で加算され得る。直交座標から極座標へのマッピングを回転させることにより、ロックしている光位相を回転させることができ、レーザ波長はロック条件を満たすように変わる。回転は、360度以上通してすることができる。各々の完全な回転は、回転が進むにつれてレーザ発振波長をランプさせながら、干渉計の非対称な長さに別の波長を追加する。この位相回転およびレーザチューニングは、レーザ電流チューニング範囲の限界に達するまで、継続し得る。 According to an exemplary embodiment, another technique for tuning includes rotating the phase of the feedback lock state. The quadrature interferometer output can be achieved by various means, for example by using equally divided 4 × 4 couplers for the output coupler of the interferometer. According to an exemplary embodiment, the coupler can have four outputs representing a combination of two optical paths in four quadrature relationships. Orthogonal pairs of these can have a 90 degree relationship in their output intensity. By detecting both, an orthogonal coordinate representation of the optical phase relationship in the interferometer is obtained. The outputs of these detectors can be summed at an appropriate ratio (eg, rectangular to polar mapping) to satisfy any phase relationship when the feedback loop is locked. By rotating the mapping from the Cartesian coordinates to the polar coordinates, the locked optical phase can be rotated and the laser wavelength is changed to satisfy the lock condition. The rotation can be made through 360 degrees or more. Each full rotation adds another wavelength to the asymmetric length of the interferometer while ramping the lasing wavelength as the rotation proceeds. This phase rotation and laser tuning can continue until the limit of the laser current tuning range is reached.
したがって、フィードバック制御ユニット210は、レーザ光源110から出力されるレーザ光の周波数の直線的な変化速度を維持するように、レーザ光源110を制御するように構成される。少なくとも2つの直交干渉計出力信号のマッピングは、フィードバックループが干渉計120内の任意の光位相関係でロックされ得るように、干渉計位相に加えられる。その結果として、マッピングは、干渉計120の中へまたは外へ、光サイクル/波長を「巻く(wind)」ように回転され得る。フィードバック制御ユニット210のフィードバックループは、フィードバックロックを維持するためのこれらの変更に合うように、レーザ周波数を調整する。その結果、正確にレーザ周波数が掃引される。
Therefore, the
干渉計の非対称な長さに追加された各波長は、レーザ発振波長および周波数の正確な変化を表す。したがって、チューニングは、干渉計の中へまたは外へ「巻かれた(wound)」波長のカウントによって表されるように、非常に正確である。これは、デジタルで正確なチューニング機構として実現され得る。直交座標から極座標へのマッピングによって制御された、これらの整数の波長カウントの間の補間は、乗算型DAC(デジタル・ツー・アナログ変換器)を用いて達成され、デジタルに制御される。これは、波長をカウントすることほど当然にはデジタル的に正確ではない一方、正確であるように設計することができ、デジタル係数は精度を高めるために容易に補償され得る。この技術の全体的な結果は、さらなる信号処理または補償方法を必要とせずに、多くのOFDR用途のために十分な非常に高いデジタル精度でチューニングされ得るレーザである(そのレーザの電流チューニング範囲内で)。これを達成することにより、レーザとフィードバック機構の組み合わせは、高コヒーレンスのレーザ光源として(例えば、ブラックボックスとして)を用いられ得る。そのレーザ光源は、さらなる補償なしに、より長い範囲のOFDR測定を直接行うために使用され得、各測定において測定の全長にわたって有効である結果をもたらす。したがって、OFDRを完成するための設計の残りの部分は、非常に簡単、単純で低コストであり得る。 Each wavelength added to the asymmetric length of the interferometer represents an exact change in lasing wavelength and frequency. Thus, the tuning is very accurate, as represented by a count of wavelengths “wound” into or out of the interferometer. This can be realized as a digital and accurate tuning mechanism. Interpolation between these integer wavelength counts, controlled by Cartesian to polar mapping, is accomplished using a multiplying DAC (Digital to Analog Converter) and is digitally controlled. While this is naturally not as digitally accurate as counting wavelengths, it can be designed to be accurate and the digital coefficients can be easily compensated to increase accuracy. The overall result of this technique is a laser that can be tuned with very high digital accuracy sufficient for many OFDR applications without requiring additional signal processing or compensation methods (within that laser's current tuning range). so). By achieving this, the combination of laser and feedback mechanism can be used as a high coherence laser source (eg, as a black box). The laser source can be used to directly make longer range OFDR measurements without further compensation, yielding results that are valid over the entire length of the measurement in each measurement. Thus, the rest of the design to complete the OFDR can be very simple, simple and low cost.
上述したように直交情報は4×4カプラを用いた干渉計から生成され得る。同様の結果が他の手段によって得られ得る。例えば、3×3カプラは、直交出力に対する近似を提供するが、それは、4×4カプラに対して、その出力とロックされるべき位相との間の変更されたマッピングを含むだろう。また、集積化された光反射率計では、4×4カプラは、他の要素から構成されてもよい。例えば、それは、2×2の要素から構築され得る。 As described above, the orthogonal information can be generated from an interferometer using a 4 × 4 coupler. Similar results can be obtained by other means. For example, a 3x3 coupler provides an approximation to a quadrature output, but for a 4x4 coupler it would include an altered mapping between its output and the phase to be locked. In the integrated light reflectometer, the 4 × 4 coupler may be composed of other elements. For example, it can be constructed from 2 × 2 elements.
電流チューニングのみによって達成され得るのよりも、より広いチューニング範囲を達成することが望ましいかもしれない。例示的な実施形態では、フィードバックループ内に、温度チューニングが追加され得る。温度チューニングは、OFDRレーザ波長をチューニングするために、本質的には十分に線形ではない。しかしながら、その温度チューニングが上記のように波長制御フィードバックループ内にあるレーザに追加された場合、フィードバックループ制御(電流チューニング)は、レーザのチューニングを線形化するために必要な補正項を生成できて、温度チューニングを伴ったより広いチューニング範囲で、(上記の純粋な電流チューニング機構と)同じ高度の直線性を達成できる。 It may be desirable to achieve a wider tuning range than can be achieved by current tuning alone. In an exemplary embodiment, temperature tuning may be added within the feedback loop. Temperature tuning is not sufficiently linear in nature to tune the OFDR laser wavelength. However, if that temperature tuning is added to the laser in the wavelength control feedback loop as described above, the feedback loop control (current tuning) can generate the correction terms needed to linearize the laser tuning. In the wider tuning range with temperature tuning, the same high degree of linearity can be achieved (as in the pure current tuning mechanism above).
温度チューニングの1つの制限は、加熱および冷却の入力に応答する温度変化の比較的遅い応答である。例示的な実施形態によれば、より迅速にレーザチップの温度を変更するために、磁気冷凍が使用され得る。磁気冷凍は、材料の温度が、磁場の印加によって変化され得る現象である。磁場が除去されると温度が以前の値に戻る。発生または除去される熱はなく、プロセスは断熱である。これは、磁界強度の瞬時の変化のための「瞬時の」温度変化を意味する。磁気冷凍材料片(例えば、ガドリニウム(Gd)またはその合金)にフィードバック安定化レーザを取り付けることによって、レーザ温度は、瞬時にではないけれども(そのレーザチップの温度を変更するためには、磁気冷凍材料とレーザチップとの間で熱エネルギが依然として交換される必要があるから)、非常に急速に変化され得る。 One limitation of temperature tuning is the relatively slow response of temperature changes in response to heating and cooling inputs. According to an exemplary embodiment, magnetic refrigeration can be used to change the temperature of the laser chip more quickly. Magnetic refrigeration is a phenomenon in which the temperature of a material can be changed by the application of a magnetic field. When the magnetic field is removed, the temperature returns to its previous value. There is no heat generated or removed and the process is adiabatic. This means an “instantaneous” temperature change due to an instantaneous change in magnetic field strength. By attaching a feedback stabilized laser to a piece of magnetic refrigeration material (eg, gadolinium (Gd) or an alloy thereof), the laser temperature is not instantaneous (to change the temperature of the laser chip, the magnetic refrigeration material Because the thermal energy still needs to be exchanged between the laser chip and the laser chip).
本開示の例示的な実施形態は、レーザ光源110を温度チューニングするための機構に、レーザ光源110の温度を調節するための磁気冷凍材料を含む温度調整部品を備える。上記温度調整部品は、フィードバック制御ユニット210と独立または連動して、レーザ光源110の温度を急速にチューニングできる。したがって、本開示の例示的な実施形態は、レーザ光源(例えば、図1Aおよび図1Bのレーザ光源110)と、上記レーザ光源の温度を調整する磁気冷凍材料を含む温度調整部品とを備え、それにより、上記レーザ光源から出力されるレーザ光の周波数を制御する装置を提供する。
An exemplary embodiment of the present disclosure includes a temperature adjustment component that includes a magnetic refrigeration material for adjusting the temperature of the
本開示の例示的な実施形態は、FO設備のような光学部品中へレーザ光を出力するように構成されているものとして記載されてきた。しかしながら、本開示は、それに限定されない。また、本開示の実施形態は、例えば、空気のような任意の媒体を通して関心領域に向けてレーザ光が伝えられる自立型(free-standing)または孤立型(stand-off)の実装にも適用可能である。本明細書で使用される通り、光学部品は、光ファイバ、光カプラ、光コネクタ、光スイッチ、光集積光導波路、液体、大気、および自由空間の任意の1つ又はそれ以上であり得る。 Exemplary embodiments of the present disclosure have been described as being configured to output laser light into an optical component such as an FO facility. However, the present disclosure is not limited thereto. The embodiments of the present disclosure can also be applied to free-standing or stand-off implementations in which laser light is transmitted to a region of interest through any medium such as air, for example. It is. As used herein, an optical component can be any one or more of optical fiber, optical coupler, optical connector, optical switch, optical integrated optical waveguide, liquid, air, and free space.
ファイバ構造の例示的な実施形態は、上述したように、例えば2×2カプラを含むと記載された。本開示は、これに限定されない。例えば、レーザ、カプラおよび検出器が小さな基板上に一体化されている、集積化された光学ソリューションが提供され得る。 An exemplary embodiment of a fiber structure has been described as including, for example, a 2 × 2 coupler, as described above. The present disclosure is not limited to this. For example, an integrated optical solution can be provided in which the laser, coupler and detector are integrated on a small substrate.
したがって、本開示の例示的な実施形態は、電気光学的コントローラを、標準的なDFBレーザ光源と組み合わせる。その電気光学的コントローラは、数mmの領域の分解能で、1回の測定で、長いファイバ長(数キロメートル、例えば5キロメートルまで)にわたって反射率測定を行うために使用可能な、規定されたコヒーレンスで、光周波数掃引を容易にするように波長を管理するためのものである。本開示のレーザ制御構成は、モデリングシステムを使用してモデル化される。そのモデリングシステムは、図3において予期できる結果で、他の光学系において実証済みの精度を示した。 Accordingly, exemplary embodiments of the present disclosure combine an electro-optic controller with a standard DFB laser source. The electro-optic controller has a defined coherence that can be used to perform reflectance measurements over long fiber lengths (up to several kilometers, eg up to 5 kilometers), with a single measurement, with a resolution of a few millimeters. In order to manage the wavelength so as to facilitate the optical frequency sweep. The laser control configuration of the present disclosure is modeled using a modeling system. The modeling system showed proven accuracy in other optics with the expected results in FIG.
電気光学的コントローラをDFBのようなレーザ光源と組み合わせた本開示の反射率計技術は、出力波長を管理し、それによって、数mmの分解能で、長いファイバ長、例えば1キロメートル以上にわたって、反射率計測定を行うのに使用可能な、規定されたコヒーレンスで、光周波数掃引を容易にする。したがって、本開示は、DFB線幅の安定化を評価および設計するための光学的モデリング技術を用いて、通常の電気通信グレードのレーザ光源から、非常に長いコヒーレンス時間および波長チューニング範囲を有する波長チューニング設計を可能にする。したがって、本開示の例示的な実施形態は、少なくとも約百メートルのコヒーレンス長を有するレーザ光を出力するように構成されたレーザ光源を提供する。 The reflectometer technology of the present disclosure that combines an electro-optic controller with a laser light source such as DFB manages the output wavelength, thereby providing a reflectivity over a long fiber length, eg, over 1 kilometer, with a resolution of a few millimeters. Facilitates optical frequency sweeping with defined coherence that can be used to make meter measurements. Accordingly, the present disclosure uses wavelength modeling with a very long coherence time and wavelength tuning range from conventional telecommunications grade laser sources using optical modeling techniques to evaluate and design DFB linewidth stabilization. Enable design. Accordingly, exemplary embodiments of the present disclosure provide a laser light source configured to output laser light having a coherence length of at least about a hundred meters.
この新たな反射率計技術は、近所/オフィス/政府のFOネットワーク(例えば、WAN、LANなど)のための、また、飛行機、船舶、陸上などの車両を含む移動可能な自己完結型のFOプラットフォーム、およびFOセンシングのための、手持ち操作可能な(hand-held)/集積化された計測/復調ツールとして展開され得る。これらのFOのプラットフォームの多くは、せいぜい数百メートル(<1km)延びる。光呼掛けシステムは、全体的なFOシステムの完全性を維持し必要な修理を行うために、光障害を正確に(<1cm以内)位置付けることが望ましい(現在の技術ではできない)。 This new reflectometer technology is a mobile, self-contained FO platform for neighborhood / office / government FO networks (eg, WAN, LAN, etc.) and also includes vehicles such as airplanes, ships and land , And as a hand-held / integrated measurement / demodulation tool for FO sensing. Many of these FO platforms extend at most several hundred meters (<1 km). The optical interrogation system should position the optical interference accurately (within <1 cm) to maintain the overall FO system integrity and perform the necessary repairs (not possible with current technology).
米国政府の機関は、例えば、空気、海、地上および宇宙の幅広い用途のためにFO技術を使用している。FO用途は、しばしば非常に特定のプロジェクトおよび範囲条件を伴って専門性の高いことがあり、その分野での信頼性と性能を確保するために、厳格なテストと過酷な環境の認証を要求することがある。例えば、航空機は急速に成長しているFO用途である。地上管制及びUAVを制御するアンテナとの間の通信リンクとして使用されて、FOは、長距離にわたる広範なデータを伝送するための非常に高速かつ効率的な手段を提供する。典型的に、航空機FOは、機の測位/制御および情報/データ送信を、長距離にわたって高帯域かつ高速にリンクする。地上車両、自動車用途では、FOは、照明、通信、センシングの要求については、当然に理想的な選択肢である。最後に、船のシステムのため、FOシステムは、ミッションクリティカルなオンボード通信システム、および、ドック入りした船へのデータ、電話、その他のサービスを提供するための、船から陸へのリンクのために展開されてきた。これらの接続は、船上無線送信/受信システムを使用することなく、船へおよび船からの高速、高帯域通信を可能にする。 US government agencies use FO technology for a wide range of applications, for example, air, sea, ground and space. FO applications can often be highly specialized with very specific projects and range conditions, requiring rigorous testing and harsh environment certification to ensure reliability and performance in the field Sometimes. For example, aircraft is a rapidly growing FO application. Used as a communication link between ground control and antenna controlling UAV, FO provides a very fast and efficient means for transmitting a wide range of data over long distances. Typically, an aircraft FO links aircraft positioning / control and information / data transmission over a long distance with high bandwidth and high speed. For ground vehicles and automotive applications, FO is of course the ideal choice for lighting, communication and sensing requirements. Finally, for ship systems, the FO system is for mission-critical on-board communication systems and ship-to-land links to provide data, telephone and other services to docked ships. Has been deployed. These connections allow high speed, high bandwidth communication to and from the ship without using an onboard radio transmission / reception system.
また、本開示は、ファイバブラッググレーティング(FBG)、外部ファブリー・ペロー(Fabry-Perot)干渉計(EFPI)またはその他のトランスデューサを使用する分散センサシステムのような、コヒーレントまたは干渉の測定のための呼掛けシステムとして働く。典型的な分散ファイバセンサシステムでは、第1に、光ファイバにおける温度、圧力、応力/歪みおよび振動を測定する手段を設ける必要があり、第2に、1本のファイバ上へ、幾つかの測定を多重化する手段を設ける必要もある。例えば、FBGセンサとともに使用される波長管理されたDFBレーザは、両方の要件を満たすことができる。 The present disclosure also provides a call for coherent or interference measurements, such as a distributed sensor system using a fiber Bragg grating (FBG), an external Fabry-Perot interferometer (EFPI), or other transducer. Works as a hanging system. In a typical distributed fiber sensor system, it is first necessary to provide means for measuring temperature, pressure, stress / strain and vibration in the optical fiber, and secondly, several measurements on a single fiber. It is also necessary to provide a means for multiplexing. For example, a wavelength-managed DFB laser used with an FBG sensor can meet both requirements.
まず、FBGは、レーザの掃引範囲内の波長で光を反射するように設計され得る。その反射波長は、FBGの格子周期によって決定される。歪みまたは温度変化のせいで、ファイバ寸法が変わることがあり、および/または、コア屈折率が変わることがある。それは、図4(3つの異なる温度での波長に対するFBGの反射強度を示している。)に示すように、反射波長を変更する。ファイバからの反射ピーク波長を測定することにより、FBGにおける歪みまたは温度が決定され得る。このプロセスは、チューニング可能なレーザ光源を必要とするが、必ずしも高い光源コヒーレンスを必要としない。 First, the FBG can be designed to reflect light at a wavelength within the laser sweep range. The reflection wavelength is determined by the grating period of the FBG. Due to strain or temperature changes, the fiber dimensions may change and / or the core refractive index may change. It changes the reflection wavelength, as shown in FIG. 4 (showing the reflection intensity of the FBG for wavelengths at three different temperatures). By measuring the reflected peak wavelength from the fiber, the strain or temperature in the FBG can be determined. This process requires a tunable laser source, but does not necessarily require high source coherence.
光源波長が急激に掃引されれば、現時点でのレーザと、図5に示されたようなFBGへの往復遅延時間の前に光源で見られる波長を有する任意のFBG反射信号との間の波長差を決定することができるかも知れない(図5は、3つのFBGから戻された信号と広帯域リフレクタからの基準信号とを示している。)。この波長差は、レーザ波長のごく一部であるかも知れないが、周波数に関して依然としてキロヘルツまたはメガヘルツに達し得る。この周波数範囲は、容易に捕捉され、電子的に処理され得る。その周波数差は、コヒーレント光検出を用いて検出され得(例えば、光検出器上で2つの光信号を混合することによって)、ビート周波数を生成する。ファイバ内の異なる点に位置するFBGの各々は、固有の往復距離を有し、それゆえ、図6に示された固有のビート周波数を有する(図6は、レーザ光周波数が時間に対して掃引されることを示している。)。遠くのFBGからの遅延反射は、近くの基準リフレクタの光周波数からオフセットされた(ずれた)、より早期の光周波数を示す。このシステムは、コヒーレント検出を容易にするためのコヒーレント光源を必要とする。ここで、コヒーレンスは、少なくとも、最も遠いFBGに対するファイバ内の往復距離と同じぐらい長くてもよい(必ずしも必要ではないが)。 If the light source wavelength is swept rapidly, the wavelength between the current laser and any FBG reflected signal having a wavelength seen by the light source before the round trip delay time to the FBG as shown in FIG. It may be possible to determine the difference (FIG. 5 shows the signals returned from the three FBGs and the reference signal from the wideband reflector). This wavelength difference may be a fraction of the laser wavelength, but can still reach kilohertz or megahertz with respect to frequency. This frequency range can be easily captured and processed electronically. The frequency difference can be detected using coherent light detection (eg, by mixing two optical signals on a photodetector) to produce a beat frequency. Each of the FBGs located at different points in the fiber has a unique round trip distance and therefore has the unique beat frequency shown in FIG. 6 (FIG. 6 shows that the laser light frequency is swept over time). It is shown that.) Delayed reflections from distant FBGs indicate earlier optical frequencies that are offset from the optical frequencies of nearby reference reflectors. This system requires a coherent light source to facilitate coherent detection. Here, the coherence may be at least as long as the round trip distance in the fiber for the farthest FBG (although not necessarily).
上記ではFBGがファイバ内のトランスデューサの一例として使用されているが、EFPIを含む他の可能なトランスデューサがあり、また、ファイバ自体の内在する後方散乱特徴さえも存在する。本開示は、予想されるレーザチューニング範囲および速度、特定のトランスデューサの感度係数、所望のシステムの測定範囲および感度、並びに、所望の測定空間分解能および合計長さを考慮して、最高の性能を得るために行われる数多くの最適化を支援する。 While FBG is used above as an example of a transducer in a fiber, there are other possible transducers including EFPI, and even the inherent backscattering characteristics of the fiber itself. The present disclosure obtains the best performance considering the expected laser tuning range and speed, the sensitivity factor of the particular transducer, the measurement range and sensitivity of the desired system, and the desired measurement spatial resolution and total length To support a number of optimizations to be made.
エネルギ市場向けのセンシング用途では、エネルギの生成と分配産業のために高分解能の歪み、温度、振動および圧力を提供する要望がある。光ファイバセンシングシステムは、高いレベルの正確さ、および、高温及び高圧での過酷な環境で動作する能力のせいで、これらの市場に対処するために開発されてきた。さらに、変圧器(それは、電力会社の最大の資本投資である。)は、従来から、手動で、遡及的かつ非効率的に管理されてきた。変電所に配備される次世代センサは、ユーティリティが計画外の障害を起こすのを防ぎ、メンテナンスコストを減らし、有用なトランス寿命を延ばす。風力エネルギのセンシング製品は、風力発電システムの動作観測、状態追跡を可能にするように開発されている。これらの新しいセンシング用途は、FOセンシングシステムによって対処されている。そのFOセンシングシステムは、タービン製造業者にコスト削減利益を与えながら、発電機出力を最大化するためのピッチ、並びに、ブレード、ドライブトレインおよびタワーの負荷低減を観測する。モバイルプラットフォーム、航空機、船舶、宇宙船などの正常性管理については、歪みと同様に、温度および他の物理的パラメータが測定および観測される。それにより、将来のより安全で、より効率的な輸送システムを提供する。 In sensing applications for the energy market, there is a desire to provide high resolution strain, temperature, vibration and pressure for the energy generation and distribution industry. Fiber optic sensing systems have been developed to address these markets because of the high level of accuracy and the ability to operate in harsh environments at high temperatures and pressures. In addition, transformers (which are the largest capital investment of power companies) have traditionally been managed manually, retroactively and inefficiently. Next-generation sensors deployed in substations prevent utilities from causing unplanned failures, reduce maintenance costs, and extend useful transformer life. Wind energy sensing products have been developed to enable observation and status tracking of wind power generation systems. These new sensing applications are addressed by the FO sensing system. The FO sensing system observes the pitch to maximize generator output and blade, drivetrain and tower load reduction while providing cost saving benefits to the turbine manufacturer. For health management of mobile platforms, aircraft, ships, spacecraft, etc., temperature and other physical parameters, as well as strain, are measured and observed. It will provide a safer and more efficient transportation system for the future.
本開示によれば、集積化された光反射率計は、レーザ光源の出力波長を管理し、それによって、数mmの領域の分解能で、1回の測定で、約5キロメートルまでの長いファイバ長で、反射率計測定を行うのに使用可能な、規定されたコヒーレンスで、光周波数掃引を容易にするだろう。レーザ制御構成は、高度に専門化されたモデリングシステムを使用してモデル化される。そのモデリングシステムは、他の光学系において実証済みの精度を示した。これらの固有のツールを使用して、本開示は、過去のDFB線幅安定化および波長チューニング設計を改善して、通常の通信グレードのレーザ光源から、非常に長いコヒーレンス時間および小さな(しかし十分な)波長チューニング範囲を得る。 According to the present disclosure, an integrated light reflectometer manages the output wavelength of a laser light source, thereby enabling long fiber lengths of up to about 5 kilometers in a single measurement with a resolution of a few millimeters. Thus, it will facilitate optical frequency sweeps with a defined coherence that can be used to make reflectometer measurements. The laser control configuration is modeled using a highly specialized modeling system. The modeling system showed proven accuracy in other optical systems. Using these unique tools, the present disclosure improves upon past DFB linewidth stabilization and wavelength tuning designs to achieve very long coherence times and small (but sufficient) from normal communication grade laser sources. ) Get the wavelength tuning range.
図7は、図3中のFOテストネットワークデバイスのシミュレーションプロットを示し、(上から下へ)キャビティ電子数、キャビティ強度、キャビティ光位相、制御干渉計出力フィールド、および測定干渉計出力フィールドを含む、幾つかの重要なパラメータを示している。ここでは図示していないが、電気回路の波形(例えば、レーザおよび検出器の電流および電圧)も観測されるだろう。 FIG. 7 shows a simulation plot of the FO test network device in FIG. 3, including (from top to bottom) cavity electron number, cavity intensity, cavity optical phase, control interferometer output field, and measured interferometer output field. Some important parameters are shown. Although not shown here, electrical circuit waveforms (eg, laser and detector currents and voltages) will also be observed.
集積化された光反射率計のために、通信グレードDFBレーザから最高の性能を得る効率的な光源が使用される。それゆえ、装置を微チューニングするために、光源を比較するための性能指数が実行される。そのような定量的な性能指数の一つは、レーザ線幅である。我々は、上記モデルから取られた後処理データによって、これを測定することができる。そのモデルでは、我々は、光位相を直接読むことができ、したがって、この情報から高速フーリエ変換(FFT)を導き出すことができる。 For the integrated light reflectometer, an efficient light source is used that obtains the best performance from a communication grade DFB laser. Therefore, a figure of merit for comparing the light sources is performed to fine tune the device. One such quantitative figure of merit is the laser linewidth. We can measure this with post-processing data taken from the above model. In that model, we can read the optical phase directly and thus derive a Fast Fourier Transform (FFT) from this information.
図8は、装置性能を数値的にを定量化し、比較するための、上述のテスト装置からの後処理データの一例を示している。この場合、レーザキャビティ位相のFFTは、レーザ線幅(それは、許容可能な値まで低減される)の尺度を与える。データ操作は、シミュリンク(Simulink)とMATLAB環境で良く満足されている。そこでは、効率的な開発の鍵は、実用的で測定可能な場合に対して検証されている正確なモデルである。 FIG. 8 shows an example of post-processing data from the test device described above for numerically quantifying and comparing device performance. In this case, the laser cavity phase FFT provides a measure of the laser linewidth, which is reduced to an acceptable value. Data manipulation is well-satisfied in Simulink and MATLAB environments. There, the key to efficient development is an accurate model that has been validated for practical and measurable cases.
上述したように、物理的な光源では、直接光位相を測定することは容易ではなく、したがって、レーザ線幅を直接測定することはできない。代わりに、レーザ光の、それ自体の遅延コピーによるヘテロダイン、すなわち、自己ヘテロダインが、位相雑音を測定するために使用される。これが、光源のコヒーレンス長を良く超えて、非常に長い遅延を伴って行われるならば、測定された線幅は、まるで同じ線幅をもつ2つの異なる光源の積を取るかのようであり、それらの一方の線幅を容易に評価することができる。しかしながら、コヒーレンスがかなり高い場合は、さらに、典型的なローレンツ形状のコヒーレンス分布は非常に長いテイルを持つので、これは、非常に長いファイバ遅延を要求する。代わりに、我々は、光をその光自身の若干遅延されたバージョンと干渉させるより短い干渉計を使用でき、それにより、位相雑音の測定を得ることができる。幸いこれは、正確にモデル化され、また、実際に実現され得る原理である。 As described above, it is not easy to directly measure the optical phase with a physical light source, and therefore, the laser line width cannot be directly measured. Instead, heterodyne with its own delayed copy of the laser light, ie self-heterodyne, is used to measure the phase noise. If this is done well with a very long delay, well beyond the coherence length of the light source, the measured line width appears to be the product of two different light sources with the same line width; One of the line widths can be easily evaluated. However, if the coherence is quite high, this also requires a very long fiber delay, since the typical Lorentz-shaped coherence distribution has a very long tail. Instead, we can use a shorter interferometer that causes the light to interfere with a slightly delayed version of the light itself, thereby obtaining a measurement of phase noise. Fortunately, this is a principle that can be accurately modeled and implemented in practice.
図9には、非対称マッハ・ツェンダー干渉計を用いた自己ヘテロダイン構成が示されている。ファイバでの偏光回転の可能性がある場合、実際には第2の光カプラの偏光整合を確保する必要があるから、多少簡略化されて示されている。そのモデルでは、設計によって、この偏光整合を十分に確保するのが容易である。 FIG. 9 shows a self-heterodyne configuration using an asymmetric Mach-Zehnder interferometer. When there is a possibility of polarization rotation in the fiber, the polarization matching of the second optical coupler needs to be ensured in practice, so that it is shown somewhat simplified. In that model, it is easy to ensure this polarization matching sufficiently by design.
本開示の集積化された光反射率計は、FO機器用の反射率計コアモジュールを含む低コストの機器プラットフォームを提供する。そのプラットフォームは、インストールおよびメンテナンス要員のためのパッケージングやディスプレイを備えた手持ち操作可能デバイス中へ組み込まれ得る。また、そのプラットフォームは、FOネットワーク連続観測システムの組み込まれた部分として使用され得る。本開示は、ネットワークオペレータに、問題の報告を容易にするために要約形式で必要なデータを提供し、また、メンテナンス要員に、問題を解決するために必要な特定の情報を提供するためにより詳細なレポートを提供する。本開示の高分解能で、彼らは個別のコネクタや光学部品内の問題を特定できる。非常に低コストで、集積化された光反射率計は、ネットワークの観測と信頼性を確保するために、研究教育ネットワーク(REN)、スモールオフィス/ホームオフィス(SOHO)、LAN、複数の場所にある建物およびその他の市場に横断的に、組み込まれ得る。本開示は、初めて、コストの点で必要とされる機器を提供する。そこでは、それらの機器は、新たに設計され、また、既存のネットワークに後付けされ得る。 The integrated optical reflectometer of the present disclosure provides a low cost instrument platform that includes a reflectometer core module for FO equipment. The platform can be incorporated into a handheld device with packaging and display for installation and maintenance personnel. The platform can also be used as an integrated part of the FO network continuous observation system. This disclosure provides network operators with the data they need in summary form to facilitate problem reporting, and more details to provide maintenance personnel with specific information needed to solve the problem. A simple report. With the high resolution of the present disclosure, they can identify problems within individual connectors and optics. A very low cost, integrated light reflectometer can be used in research and education networks (REN), small / home offices (SOHO), LANs and multiple locations to ensure network observation and reliability. It can be integrated across certain buildings and other markets. The present disclosure provides for the first time equipment required in terms of cost. There, these devices are newly designed and can be retrofitted to existing networks.
これらの新しいFOネットワークプラットフォームの多くは、資源および能力が限られている中小規模のテクノロジ企業によって開発され、サービス提供されている。より大きな顧客に加えて、FOネットワークテストに来るとき、中小企業(SME)は固有の課題に直面する。光通信市場における既存のテスト機器は、大企業にサービス提供するのに焦点を当てている一方、これらの中小企業はサービス提供されていない。本開示は、大きな顧客と同様に、このサービス提供されていない顧客に、FOテストソリューションのオプションを、利用可能である手頃な価格で提供する。 Many of these new FO network platforms are developed and serviced by small and medium sized technology companies with limited resources and capabilities. In addition to larger customers, SMEs (SMEs) face unique challenges when coming to FO network testing. Existing test equipment in the optical communications market focuses on serving large enterprises, while these small and medium businesses are not served. The present disclosure, as well as large customers, provides FO test solution options at affordable prices that are available to this unserviced customer.
本開示は、幾つかの市場の欲求を満たす。例えば、本開示は、機器当たりの低製造コストで、高分解能(km範囲で、<1cmの分解能)で、安価な測定機器の開発を提供する。また、本開示は、非常に柔軟で構成可能な光ネットワーク呼掛けプラットフォームを提供する。そのプラットフォームは、圧倒的な無数のテスト装置オプションを廃止するとともに、現在利用可能な全てのFO検出素子(EFPI、FBG、LPG、エタロン、分散など)と互換性がある。さらに、本開示は、センシングシステムと同様に障害および性能を観測するためにネットワーク中へ組み込まれ得る手持ち操作可能な構成または簡単なオプトエレクトロニクスカードのいずれかを提供する。インターネットダウンロード可能なソフトウェアのアップグレードは、機器を性能の最先端に維持するために使用され得る。 The present disclosure meets several market needs. For example, the present disclosure provides for the development of inexpensive measuring equipment with low manufacturing cost per equipment, high resolution (km resolution, <1 cm resolution). The present disclosure also provides a very flexible and configurable optical network interrogation platform. The platform eliminates the overwhelming myriad of test equipment options and is compatible with all currently available FO sensing elements (EFPI, FBG, LPG, etalon, dispersion, etc.). Furthermore, the present disclosure provides either a handheld configuration or a simple optoelectronic card that can be incorporated into a network to observe faults and performance as well as a sensing system. Internet downloadable software upgrades can be used to keep the device at the forefront of performance.
また、本開示は、本明細書に記載された集積化された光反射率計の作動機能を実行するための方法を、ファイバ特性を測定するためにOFDR装置中での集積化された光反射率計の使用とともに提供する。 The present disclosure also provides a method for performing the operational function of the integrated light reflectometer described herein, integrated light reflection in an OFDR device for measuring fiber properties. Provided with the use of a rate meter.
本発明は、その精神または本質的特徴から逸脱することなく他の特定の形態で実施され得ることが、当業者によって理解されるであろう。それゆえ、ここで開示された実施形態は、全ての点において、説明のためであり、限定されないと考えられる。本発明の範囲は、前述の説明よりも、むしろ添付の特許請求の範囲に示されている。その意味に入る全ての変更、範囲、等価範囲は、その中に包含されることが意図されている。 It will be appreciated by persons skilled in the art that the present invention may be implemented in other specific forms without departing from the spirit or essential characteristics thereof. The embodiments disclosed herein are therefore considered in all respects to be illustrative and not restrictive. The scope of the invention is indicated by the appended claims rather than by the foregoing description. All changes, ranges, and equivalent ranges that fall within the meaning are intended to be embraced therein.
Claims (23)
上記レーザ光源によって現在の期間に出力される実際の周波数と、上記レーザ光源の目標周波数との間の偏差を測定する測定ユニットと、
上記実際の周波数と目標周波数との間の測定された上記偏差に基づいて、上記レーザ光源からのレーザ出力の一定の周波数を維持するように上記レーザ光源を制御すべく構成されたフィードバック制御ユニットとを備え、それにより、上記レーザ光源から送信されるレーザ光の周波数が上記目標周波数に調整される装置。 A laser light source configured to output laser light at a target frequency;
A measuring unit for measuring a deviation between an actual frequency output by the laser light source in a current period and a target frequency of the laser light source;
A feedback control unit configured to control the laser light source to maintain a constant frequency of laser output from the laser light source based on the measured deviation between the actual frequency and a target frequency; By which the frequency of the laser light transmitted from the laser light source is adjusted to the target frequency.
上記フィードバック制御ユニットは、上記レーザ光源が制御された目標周波数を持たない場合よりも、上記レーザ光源から出力されるレーザ光の周波数のより大きな直線的な変化速度を維持するように、上記レーザ光源を制御するように構成されている装置。 The apparatus of claim 1.
The feedback control unit is configured to maintain a greater linear change rate of the frequency of the laser light output from the laser light source than when the laser light source does not have a controlled target frequency. A device that is configured to control.
上記フィードバック制御ユニットは、周波数測定のために使用される上記測定ユニットの特性を補償するように構成された無限インパルス応答フィルタを含む装置。 The apparatus of claim 1.
The feedback control unit includes an infinite impulse response filter configured to compensate for the characteristics of the measurement unit used for frequency measurement.
上記フィードバック制御ユニットは、上記測定ユニットの少なくとも2つの直交出力信号のマッピングを上記測定ユニットの位相に追加し、それにより、上記フィードバック制御ユニットによる上記レーザ光源のフィードバック制御が、上記測定ユニット内の任意の光位相関係でロックされるように構成されている装置。 The apparatus of claim 3.
The feedback control unit adds a mapping of at least two quadrature output signals of the measurement unit to the phase of the measurement unit, so that feedback control of the laser light source by the feedback control unit is optional in the measurement unit. A device that is configured to be locked in an optical phase relationship.
請求項2に記載の装置を備え、
このOFDR装置は、上記レーザ光源から離間したテストされるべき光学部品の点へ上記レーザ光源からレーザ光を出力し、上記出力されたレーザ光と上記点から反射されたレーザ光の瞬時の周波数との間の周波数差を測定するように構成され、
上記フィードバック制御ユニットは、上記レーザ光源から出力されたレーザ光の周波数と上記点から反射された瞬時の周波数との間の一定の差周波数を維持し、それにより、上記差周波数が上記レーザから上記点までの距離に直接比例し、上記反射されたレーザ光の振幅が上記点での反射率に比例して、上記光学部品の反射率プロファイルを特徴付けるように構成されたOFDR装置。 An OFDR device,
Comprising the apparatus of claim 2;
The OFDR apparatus outputs laser light from the laser light source to a point of the optical component to be tested that is spaced from the laser light source, and the instantaneous frequency of the output laser light and the laser light reflected from the point Configured to measure the frequency difference between
The feedback control unit maintains a constant difference frequency between the frequency of the laser light output from the laser light source and the instantaneous frequency reflected from the point, whereby the difference frequency is An OFDR device configured to characterize the reflectance profile of the optical component in direct proportion to the distance to a point, and wherein the amplitude of the reflected laser light is proportional to the reflectance at the point.
上記光学部品は、光ファイバ、光カプラ、光コネクタ、光スイッチ、光集積光導波路、液体、大気、および自由空間の少なくとも一つであるOFDR装置。 The OFDR device according to claim 5,
The optical component is an OFDR device that is at least one of an optical fiber, an optical coupler, an optical connector, an optical switch, an optical integrated optical waveguide, liquid, air, and free space.
上記光ファイバの上記反射率プロファイルは、上記フィードバック制御ユニットによって制御されていない上記レーザ光源によって測定可能な反射率プロファイルを超えた長さで測定可能であるOFDR装置。 The OFDR device according to claim 6,
The OFDR apparatus, wherein the reflectance profile of the optical fiber is measurable with a length exceeding the reflectance profile measurable by the laser light source not controlled by the feedback control unit.
上記光ファイバの上記反射率プロファイルは、1メートルよりも大きい距離で1回の測定で測定可能であるOFDR装置。 The OFDR device according to claim 6,
The OFDR apparatus, wherein the reflectance profile of the optical fiber can be measured in one measurement at a distance greater than 1 meter.
上記フィードバック制御ユニットは、上記レーザ光源の実際の周波数の範囲を上記目標周波数に安定化させるように構成されている装置。 The apparatus of claim 1.
The feedback control unit is configured to stabilize the actual frequency range of the laser light source to the target frequency.
上記レーザ光源に取り付けられた磁気冷凍材料を含む温度調整部品を備え、
上記温度調整部品は、上記フィードバック制御ユニットによって制御される上記レーザ光源の温度を調節するように構成されている装置。 The apparatus of claim 1.
A temperature control component including a magnetic refrigeration material attached to the laser light source;
The temperature adjusting component is an apparatus configured to adjust the temperature of the laser light source controlled by the feedback control unit.
上記実際の周波数と目標周波数との間の測定された上記偏差に基づいて、上記レーザ光源からのレーザ出力の一定の周波数を維持するように上記レーザ光源を制御し、それにより、上記レーザ光源から送信されるレーザ光の周波数が上記目標周波数に調整される方法。 Measuring the deviation between the actual frequency output by the laser source in the current period and the target frequency of the laser source,
Based on the measured deviation between the actual frequency and the target frequency, the laser light source is controlled to maintain a constant frequency of the laser output from the laser light source, and thereby from the laser light source. A method in which the frequency of the transmitted laser beam is adjusted to the target frequency.
上記レーザ光源から出力されるレーザ光の周波数の直線的な変化速度を維持するように上記レーザ光源を制御する方法。 The method of claim 11, wherein
A method of controlling the laser light source so as to maintain a linear change speed of the frequency of the laser light output from the laser light source.
上記レーザ光源の周波数測定のために使用される測定の特性を補償するように、無限インパルス応答フィルタを介して上記レーザ光源の制御を補償する方法。 The method of claim 11, wherein
A method of compensating control of the laser light source through an infinite impulse response filter so as to compensate for the characteristics of the measurement used for frequency measurement of the laser light source.
上記偏差を測定するための測定ユニットの少なくとも2つの直交出力信号のマッピングを上記測定ユニットの位相に追加し、それにより、上記レーザ光源のフィードバック制御が、上記測定ユニット内の任意の光位相関係でロックされる方法。 The method of claim 13, wherein
A mapping of at least two quadrature output signals of the measurement unit for measuring the deviation is added to the phase of the measurement unit, so that the feedback control of the laser light source is in any optical phase relationship within the measurement unit. How to be locked.
OFDR装置内で、上記レーザ光源から離間したテストされるべき光学部品の点へ上記レーザ光源からレーザ光を出力し、
上記出力されたレーザ光と上記点から反射されたレーザ光の瞬時の周波数との間の周波数差を測定し、
上記レーザ光源から出力されたレーザ光の周波数と上記点から反射された瞬時の周波数との間の一定の差周波数を維持し、それにより、上記差周波数が上記レーザから上記点までの距離に直接比例し、かつ上記反射されたレーザ光の振幅が上記点での反射率に比例して、上記光学部品の反射率プロファイルを特徴付ける方法。 The method of claim 12, wherein
In the OFDR device, output laser light from the laser light source to the point of the optical component to be tested that is spaced from the laser light source,
Measure the frequency difference between the output laser light and the instantaneous frequency of the laser light reflected from the point,
Maintaining a constant difference frequency between the frequency of the laser light output from the laser light source and the instantaneous frequency reflected from the point, so that the difference frequency is directly at the distance from the laser to the point. A method of characterizing the reflectance profile of the optical component in proportion and with the amplitude of the reflected laser light being proportional to the reflectance at the point.
上記光学部品は、光ファイバ、光カプラ、光コネクタ、光スイッチ、光集積光導波路、液体、大気、および自由空間の少なくとも一つである方法。 The method of claim 15, wherein
The method in which the optical component is at least one of an optical fiber, an optical coupler, an optical connector, an optical switch, an optical integrated optical waveguide, liquid, air, and free space.
上記光ファイバの上記反射率プロファイルは、上記目標周波数が制御されていない上記レーザ光源によって測定可能な反射率プロファイルを超えた長さで測定可能である方法。 The method of claim 16, wherein
The method wherein the reflectance profile of the optical fiber is measurable at a length that exceeds the reflectance profile measurable by the laser light source where the target frequency is not controlled.
上記光ファイバの上記反射率プロファイルは、1メートルよりも大きい距離で1回の測定で測定可能である方法。 The method of claim 16, wherein
The method wherein the reflectance profile of the optical fiber is measurable in a single measurement at a distance greater than 1 meter.
上記レーザ光源の実際の周波数の範囲を上記目標周波数に安定化させる方法。 The method of claim 11, wherein
A method of stabilizing an actual frequency range of the laser light source at the target frequency.
上記レーザ光源を制御することは、
磁気冷凍材料によって上記レーザ光源の温度を調整することを含む方法。 The method of claim 11, wherein
Controlling the laser light source
Adjusting the temperature of the laser light source with a magnetic refrigeration material.
上記レーザ光源に取り付けられた磁気冷凍材料を含む温度調整部品を備え、
上記温度調整部品は、上記レーザ光源の温度を調節して、上記レーザ光源から出力されるレーザ光の周波数を制御するように構成されている装置。 A laser light source configured to output laser light;
A temperature control component including a magnetic refrigeration material attached to the laser light source;
The temperature adjusting component is an apparatus configured to control the frequency of the laser light output from the laser light source by adjusting the temperature of the laser light source.
上記レーザ光源の調節された温度に基づいて、上記レーザ光源から出力される上記レーザ光の周波数を制御する方法。 Adjusting the temperature of a laser light source configured to output laser light by attaching a magnetic refrigeration material to the laser;
A method for controlling the frequency of the laser light output from the laser light source based on the adjusted temperature of the laser light source.
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