RU2087859C1 - Device registering changes of optical length of fibre-optical interferometer - Google Patents

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device registering changes of optical length of fiber-optical interferometer has phase modulator, photodetector, signal formation and processing unit connected to output of photodetector and two sections of optical fibre. First section is positioned in front of fibre-optical interferometer, is intended for transmission of optical radiation to input of fiber-optical interferometer. Second section is located between fibre-optical interferometer and photodetector and is meant for transmission of optical radiation from output of fibre-optical interferomer to input of photodetector. Phase modulator is placed on first section of fibre. EFFECT: simplified design, improved functional reliability of device. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных устройств и датчиков. The invention relates to the field of fiber optic measuring devices and sensors.

В фазовых волоконно-оптических датчиках информация об измеряемом воздействии содержится в изменении фазового набега оптического излучения в волоконном интерферометре Φ_и(Φ_и= L_и•β_и, где L_и длина интерферометра, β_и - постоянная распространения) или, что эквивалентно, в изменении его оптической длины L_o(L_o= Φ_и•λ/2π где λ длина световой волны в вакууме).In phase optical fiber sensors, information about the measured effect is contained in the change in the phase incidence of optical radiation in the fiber interferometer Φ _and (Φ _and = L _and • β _and , where L _{and the} length of the interferometer, β _and is the propagation constant) or, equivalently, in changing its optical length L _o (L _o = Φ _and • λ / 2π where λ is the light wavelength in vacuum).

Известно устройство для регистрации изменения оптической длины чувствительного плеча интерферометра Маха-Цендера [1] содержащее фотоприемник, электронные блоки обработки, фазовый модулятор, установленный на опорном плече интерферометра, поляризаторы. В работе устройства используется принцип удержания постоянной разности оптических длин чувствительного и опорного плеч интерферометра за счет компенсирующего воздействия фазового модулятора на опорное плечо. Изменение оптической длины чувствительного плеча интерферометра пропорционально компенсационному сигналу. A device for recording changes in the optical length of the sensitive arm of the Mach-Zehnder interferometer [1] comprising a photodetector, electronic processing units, a phase modulator mounted on the support arm of the interferometer, polarizers. The device uses the principle of maintaining a constant difference in the optical lengths of the sensitive and reference arms of the interferometer due to the compensating effect of the phase modulator on the support arm. The change in the optical length of the sensitive arm of the interferometer is proportional to the compensation signal.

Известно устройство [2] для регистрации оптической длины волоконного интерферометра Фабри-Перо, содержащее фотоприемник, модулятор, электронные блоки формирования модулирующих сигналов и обработки сигналов с выхода фотоприемника. В работе устройства используется вспомогательная двухчастотная модуляция фазы оптического излучения с кратными частотами и амплитудами определенной величины. За счет выделения на выходе фотоприемника сигналов комбинационных частот и специальной обработки обеспечивается регистрация изменения оптической длины волоконного интерферометра. A device [2] is known for recording the optical length of a Fabry-Perot fiber interferometer containing a photodetector, modulator, electronic units for generating modulating signals and processing signals from the output of the photodetector. The device uses an auxiliary two-frequency modulation of the phase of the optical radiation with multiple frequencies and amplitudes of a certain magnitude. By extracting the signals of combination frequencies and special processing at the output of the photodetector, registration of changes in the optical length of the fiber interferometer is provided.

Известно устройство [3] для регистрации изменения оптической длины волоконного интерферометра, содержащее фазовый модулятор, установленный на интерферометре, фотоприемник, блок формирования и обработки сигналов, подключенный к выходу фотоприемника и модулятору. В работе устройства используется вспомогательная одночастотная модуляция фазы оптического излучения. Электронный блок выделяет из выходного сигнала фотоприемника квадратурные сигналы, совместная обработка которых позволяет регистрировать величину и направления изменения оптической длины волоконного интерферометра. A device [3] is known for recording changes in the optical length of a fiber interferometer, comprising a phase modulator mounted on the interferometer, a photodetector, a signal generation and processing unit, connected to the output of the photodetector and a modulator. The device uses auxiliary single-frequency modulation of the phase of the optical radiation. The electronic unit extracts quadrature signals from the output of the photodetector, the combined processing of which allows the magnitude and direction of change of the optical length of the fiber interferometer to be recorded.

В качестве прототипа выбрано измерительное устройство [4] содержащее волоконный интерферометр, световод, подводящий оптическое излучение от источника к интерферометру, фотоприемник, модулятор фазы света и электронный блок формирования и обработки сигналов. С помощью фазового модулятора обеспечивается вспомогательная модуляция, необходимая для регистрации показаний, а также воздействие, компенсирующее температурный дрейф сигнала интерферометра. As a prototype, a measuring device [4] was selected containing a fiber interferometer, a light guide supplying optical radiation from a source to the interferometer, a photodetector, a light phase modulator, and an electronic signal generation and processing unit. Using the phase modulator, auxiliary modulation is provided, which is necessary for recording readings, as well as an effect compensating for the temperature drift of the interferometer signal.

Недостатком этого устройства (и аналогичных устройств) является то, что в объем измерительного элемента необходимо вводить модулятор пьезокерамические (или другие) компоненты и подавать электрические сигналы. При измерении высоких температур пьезокерамика может деполяризоваться, что приведет к снижению эффективности модулятора. Электрические сигналы нежелательны в легковоспламеняющихся средах. Также они могут создавать электромагнитные помехи в объекте измерения, и наоборот, электромагнитные поля в объеме измерений могут создавать помехи для устройства регистрации. The disadvantage of this device (and similar devices) is that it is necessary to introduce a piezoceramic (or other) component modulator into the volume of the measuring element and to supply electrical signals. When measuring high temperatures, piezoceramics can depolarize, which will lead to a decrease in the modulator efficiency. Electrical signals are undesirable in flammable environments. They can also create electromagnetic interference in the measurement object, and vice versa, electromagnetic fields in the measurement volume can interfere with the recording device.

Предлагаемое решение позволит расширить область применения устройств регистрации сигнала волоконно-оптического интерферометра путем обеспечения возможности исключения из интерферометра элементов, требующих подачи электрических сигналов и, соответственно, возможности удаления чувствительного элемента датчика от активных оптоэлектронных элементов. The proposed solution will expand the scope of the signal recording devices of the fiber-optic interferometer by providing the ability to exclude from the interferometer elements that require the supply of electrical signals and, accordingly, the ability to remove the sensitive element of the sensor from active optoelectronic elements.

Для этого в измерительном устройстве [4] содержащем подводящий световод, волоконный интерферометр, фазовый модулятор, фотоприемник, блок формирования и обработки сигналов, подключенный к выходу фотоприемника и модулятору, фазовый модулятор установлен в подводящем световоде, а не в интерферометре, фиг.1. Устройство регистрации использует модуляцию фазы оптического излучения в подводящем волокне (которая, как показано далее, обеспечивает модуляцию сигнала интерферометра, необходимую для регистрации) и пассивный волоконный интерферометр и тем самым исключает указанные недостатки и позволяет реализовать дистанционные волоконно- оптические интерферометры измерения, фиг. 2. To this end, in the measuring device [4] containing the input fiber, a fiber interferometer, a phase modulator, a photodetector, a signal generation and processing unit connected to the output of the photodetector and a modulator, the phase modulator is installed in the input fiber, and not in the interferometer, Fig. 1. The registration device uses the phase modulation of the optical radiation in the supply fiber (which, as shown below, provides the modulation of the interferometer signal necessary for registration) and a passive fiber interferometer and thereby eliminates these disadvantages and allows the implementation of remote fiber-optic measurement interferometers, FIG. 2.

Возможны различные варианты построения оптической схемы предлагаемого устройства. Рассмотрим регистрацию сигнала волоконно- оптического интерферометра на примере волоконного интерферометра Фабри-Перо. There are various options for constructing the optical scheme of the proposed device. Consider the signal registration of a fiber-optic interferometer using the example of a Fabry-Perot fiber interferometer.

Блок-схема устройства показана на фиг.1. Первый отрезок волокна 1 оптически соединен с входом волоконного интерферометра 2, выход которого соединен с входом фотоприемника 3. Фазовый модулятор 4 установлен на первом отрезке волокна. Электронный блок формирования 5 и обработки сигналов подключен к модулятору и выходу фотоприемника. The block diagram of the device is shown in figure 1. The first segment of fiber 1 is optically connected to the input of the fiber interferometer 2, the output of which is connected to the input of the photodetector 3. Phase modulator 4 is mounted on the first segment of the fiber. An electronic unit for generating 5 and processing signals is connected to the modulator and the output of the photodetector.

На фиг.2 изображена схема волоконно-интерферометрического датчика на основе пассивного чувствительного интерферометра и вспомогательной модуляции фазы света в подводящем волокне, в котором для удаления чувствительного элемента от активных компонентов использован световод, отводящий излучение от интерферометра к фотоприемнику. Приведенная схема состоит из блока активных оптоэлектронных устройств 1, волоконного тракта 2, чувствительного элемента 3, лазера 4, модулятора фазы 5, подводящего световода 6, отводящего световода 7, чувствительного интерферометра 8, фотоприемника 9, блока формирования и обработки сигналов. Figure 2 shows a diagram of a fiber interferometric sensor based on a passive sensitive interferometer and auxiliary modulation of the phase of the light in the supply fiber, in which a light guide is used to remove radiation from the interferometer to the photodetector. The above diagram consists of a block of active optoelectronic devices 1, a fiber path 2, a sensing element 3, a laser 4, a phase 5 modulator, an input fiber 6, an output fiber 7, a sensitive interferometer 8, a photodetector 9, and a signal generating and processing unit.

Модулирующий сигнал с частотой W сформированный блоком формирования и обработки сигналов 5, подается на волоконный модулятор фазы 4 (например пьезокерамический), расположенный на первом подводящем отрезке волокна 1. Действие фазового модулятора описывается выражением:
v = βL = Φ_o+δΦsinΩt, (1)
где Φ фазовый набег оптического излучения в волокне, b постоянная распространения, L длина волокна, W частота модуляции, задаваемая блоком 6, v_o "начальная" фаза фаза при отсутствии модуляции, δΦ амплитуда фазовой модуляции.A modulating signal with a frequency W generated by the signal generating and processing unit 5 is supplied to a phase 4 fiber modulator (for example, piezoceramic) located on the first supply segment of fiber 1. The action of the phase modulator is described by the expression:
v = βL = Φ _o + δΦsinΩt, (1)
where Φ is the phase shift of the optical radiation in the fiber, b is the propagation constant, L is the fiber length, W is the modulation frequency specified by block 6, v _{o is the} "initial" phase phase in the absence of modulation, δΦ is the amplitude of the phase modulation.

Производная dΦ/dt определяет приращение частоты света Δω [5]

Частотные сдвиги оптической несущей в подводящем волокне преобразуются волоконным интерферометром Фабри-Перо 2 в изменения интенсивности света. Переменная составляющая интенсивности сигнала на выходе волоконного интерферометра Фабри-Перо с невысокой добротностью имеет вид:
I = Acos2βL_и= AcosΦ_и, (3)
где I переменная составляющая интенсивности сигнала на выходе интерферометра, A постоянный коэффициент, зависящий от оптической схемы датчика. Постоянная распространения β зависит от частоты оптического излучения. Поэтому наличие частотной модуляции (2) света на входе волоконного интерферометра с частотой W приводит к модуляции b и соответственно v_и:

где β_o значение постоянной распространения при отсутствии модуляции,

n показатель преломления сердцевины волокна.The derivative dΦ / dt determines the increment of the light frequency Δω [5]

The frequency shifts of the optical carrier in the supply fiber are converted by a Fabry-Perot 2 fiber interferometer into changes in light intensity. The variable component of the signal intensity at the output of the Fabry-Perot fiber interferometer with a low Q factor has the form:
I = Acos2βL _and = AcosΦ _and , (3)
where I is a variable component of the signal intensity at the output of the interferometer, A is a constant coefficient depending on the optical design of the sensor. The propagation constant β depends on the frequency of the optical radiation. Therefore, the presence of frequency modulation (2) of light at the input of a fiber interferometer with a frequency W leads to modulation b and, accordingly, v _and :

where β _{o the} value of the propagation constant in the absence of modulation,

n the refractive index of the fiber core.

Т.о. на выходе интерферометра в соответствии с (3,4):

где J_k(x) функция Бесселя первого рода, k-го порядка.T.O. at the output of the interferometer in accordance with (3.4):

where J _k (x) is the Bessel function of the first kind, of the kth order.

Модулированное по интенсивности оптическое излучение поступает (в дистанционном варианте через световод 6) на фотоприемник 4, который регистрирует интенсивность света I. The intensity-modulated optical radiation enters (in the remote version through the light guide 6) to the photodetector 4, which registers the light intensity I.

В результате получен сигнал интерферометра со вспомогательной гармонической модуляцией (5), используемой для регистрации. Далее, обрабатывая модулированный сигнал интерферометра (например так же как в [3] отфильтровав и совместно обрабатывая первую и вторую гармоники сигнала (5), или другими известными методами) можно регистрировать величину и направление изменения

, т.е. регистрировать воздействия на чувствительный элемент датчика.As a result, an interferometer signal with auxiliary harmonic modulation (5) used for registration was obtained. Further, by processing the modulated signal of the interferometer (for example, as in [3], filtering and jointly processing the first and second harmonics of the signal (5), or by other known methods), the magnitude and direction of change can be recorded

, i.e. register effects on the sensor element.

Следует отметить, что за счет отражений на торцах подводящего волокна также может образоваться интерферометр Фабри-Перо, который при модуляции фазы оптического излучения модулятором даст паразитный сигнал на выходе подводящего волокна:
I₁= A₁cos(Φ_o+δΦcosΩt), (6)
первая и вторая гармоники которого являются помехой. Но, во-первых, при больших L сигнал интерферометра Фабри-Перо становится пренебрежимо мал из-за потерь и ограниченной когерентности лазера, во-вторых, при большой амплитуде фазовой модуляции δΦ (а именно это необходимо для получения достаточной девиации частоты dw) низшие гармоники сигнала интерферометра крайне малы, в-третьих, при необходимости интерферометр на подводящем волокне можно исключить за счет "просветления" торцов световода.It should be noted that due to reflections at the ends of the supply fiber, a Fabry-Perot interferometer can also be formed, which when modulating the phase of the optical radiation with a modulator will give a spurious signal at the output of the supply fiber:
I ₁ = A ₁ cos (Φ _o + δΦcosΩt), (6)
whose first and second harmonics are interference. But, firstly, for large L, the Fabry-Perot interferometer signal becomes negligible due to losses and limited laser coherence, and secondly, for a large phase modulation amplitude δΦ (namely, this is necessary to obtain a sufficient frequency deviation dw) lower harmonics the signal of the interferometer is extremely small, thirdly, if necessary, the interferometer on the supply fiber can be eliminated due to the "enlightenment" of the ends of the fiber.

Таким образом, при использовании описанного выше устройства возможно исключение из чувствительного элемента компонентов, требующих подачи электрических сигналов,и, соответственно, реализация волоконно-оптического интерферометрического датчика с пассивным чувствительным элементом, удаленным на значительное расстояние от источника оптического излучения, фотоприемника и устройства обработки сигналов. Thus, when using the device described above, it is possible to exclude components that require the supply of electrical signals from the sensitive element, and, accordingly, to implement a fiber-optic interferometric sensor with a passive sensitive element remote at a considerable distance from the optical radiation source, photodetector, and signal processing device.

Источники информации
1. У.В.Валиев, Джабер Хуссейн А.Р.Аль-Асади, И.Р.Микулин, А.В.Хайдаров. Простой волоконно-оптический датчик для измерения слабых магнитных полей на основе гомодинного интерферометра Маха- Цендера. Квантовая электроника, т. 20, 1993, N5, c.517 519.Sources of information
1. U.V. Valiev, Jaber Hussein A.R. Al-Asadi, I.R. Mikulin, A.V. Khaidarov. A simple fiber-optic sensor for measuring weak magnetic fields based on the Mach-Zehnder homodyne interferometer. Quantum Electronics, vol. 20, 1993, N5, p. 517 519.

2. S. P. Ginevsky, O.I.Kotov, A.V.Medvedev, V.M.Nikolaev, V.N.Filippov. Fiber Optic Interferometric Sensors Using a Novel Signal Detection Technique. Proc. ISFOC-91, March 25-29, 1991, Leningrad, USSR, p.309 312. 2. S. P. Ginevsky, O. I. Kotov, A. V. Medvedev, V. M. Nikolayev, V. N. Filippov. Fiber Optic Interferometric Sensors Using a Novel Signal Detection Technique. Proc. ISFOC-91, March 25-29, 1991, Leningrad, USSR, p. 309 312.

3. О.И.Котов, А.В.Медведев, В.М.Николаев. А.С. N1528518, БИ N46, 1989. 3. O. I. Kotov, A. V. Medvedev, V. M. Nikolayev. A.S. N1528518, BI N46, 1989.

4. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики. Энергоатомиздат. Ленингр.отд. 1991, 256 с. ил. 4. Okosi T. et al. Fiber optic sensors. Energoatomizdat. Leningrad branch 1991, 256 p. silt

И.С.Гоноровский. Основы радиотехники. М. Радио и связь, 1957. I.S. Gonorovsky. Fundamentals of Radio Engineering. M. Radio and Communications, 1957.

Claims (2)

1. Устройство для регистрации изменения оптической длины волоконного интерферометра, содержащее подводящее оптическое волокно, оптически связанное с входом волоконного интерферометра, выход которого оптически связан с фотоприемником, модулятор и блок формирования и обработки сигнала, подключенный к выходам фотоприемника и модулятора, отличающееся тем, что модулятор установлен на подводящем оптическом волокне. 1. A device for recording changes in the optical length of a fiber interferometer, comprising a supply optical fiber optically coupled to an input of a fiber interferometer, the output of which is optically coupled to a photodetector, a modulator and a signal generation and processing unit connected to the outputs of the photodetector and modulator, characterized in that the modulator mounted on a supply optical fiber. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход волоконного интерферометра оптически связан с входом фотоприемника через отводящее оптическое волокно. 2. The device according to claim 1, characterized in that the output of the fiber interferometer is optically coupled to the input of the photodetector through an output optical fiber.

Images