Волоконно-оптические интерферометрические методы для построения измерительных систем на основе поверхностно-излучающего лазера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Киреенков, Александр Юрьевич

• Киреенков, Александр Юрьевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Киреенков, Александр Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава. 1 Обзор современной литературы

1.1 Основные схемы построения измерительных систем на основе волоконно-оптических интерферометров

1.2 Источники шумов в волоконно-оптических интерферометрических измерительных системах

1.2.1 Шум источника оптического излучения

1.2.2 Дробовой шум

1.2.3 Шум электронной части

1.2.4 Шум в оптическом волокне

1.3 Источники оптического излучения для волоконно-оптических интерферометрических датчиков

1.4 Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором

1.5 Методы модуляции оптического излучения в ВОИД

Выводы по главе 1

Глава. 2 Построение волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе УСБЕЬ

2.1 Полупроводниковый поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором, излучающий на длине волны 1,55 мкм

2.1.1 Принципа работы и структура УСБЕЬ

2.1.2 Электрические и оптические параметры УСБЕЬ

2.2 Исследование временных параметров УСБЕЬ

2.3 Исследование шума интенсивности УСБЕЬ

2.4 Исследование фазового шума УСБЕЬ

2.5 Волоконно-оптическая интерферометрическая измерительная система на основе поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором

2.6 Влияние степени рассогласования КИ и ЧЭ на уровень выходного шума измерительной системы

Выводы по главе 2

Глава. 3 Метод частотно-импульсной модуляции

3.1 Исследование спектральных параметров УСБЕЬ в процессе нагрева

3.2 Исследование спектральных параметров УСБЕЬ в процессе охлаждения

3.3 Реализация частотно-импульсной модуляции УСБЕЬ

3.4 Экспериментальное исследование параметров частотно-импульсной модуляции УСБЕЬ в волоконно-оптической интерферометрической измерительной системе

3.4.1 Модуляция УСББЬ на частоте 31,25 кГц

3.4.2 Модуляция УСББЬ на частоте 500 кГц

Выводы по главе 3

Глава. 4 Методы согласования оптический путей в волоконно-оптических интерферометрах

4.1 Метод временной высокоскоростной рефлектометрии

4.2 Метод интерферометрии на основе частотно-импульсной модуляции УСББЬ

4.2.1 Математическое моделирование метода

4.2.2 Реализация метода

Вывод по главе 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Список литературы

Список работ автора

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Волоконно-оптические интерферометрические методы для построения измерительных систем на основе поверхностно-излучающего лазера»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Последние несколько десятилетий активно развивается направление построения измерительных систем различного назначения на основе волоконно-оптических интерферометров, которые обладают высокой чувствительностью к измеряемой величине [1, 2].

Для построения малогабаритных и относительно недорогих измерительных систем на базе волоконно-оптических интерферометров необходимо решать задачи уменьшения количества активных элементов в схемах измерительных приборов, упрощения конструкции и снижения массогабаритных параметров. При этом такие параметры измерительной системы как собственный уровень шумов, технические и эксплуатационные характеристики системы должны оставаться на заданном уровне.

Одним из ключевых параметров волоконно-оптических измерительных систем является собственный уровень шума, который определяет пороговую чувствительность измерительного прибора. При использовании современной элементной базы аналоговой и цифровой электроники можно добиться уровня шумов, создаваемого электроникой, близкого к теоретическому пределу [3, 4]. Поэтому основным источником шума в современных интерферометрических измерительных системах является источник оптического излучения [1]. Преобладающим типом шума в лазерных источниках оптического излучения является фазовый шум [5], который возникает вследствие нестабильности генерируемой лазером частоты.

Для опроса волоконно-оптических интерферометрических измерительных систем на основе массивов датчиков с временным уплотнением, в том числе систем, в которых в качестве светоотражающих зеркал используются волоконные брэгговские решетки, необходимо формирование оптических импульсов с заданной скважностью. Оптические элементы - модуляторы или оптические переключатели, формирующие оптический импульс из постоянного излучения, обладают конечным коэффициентом экстинкции и некоторой нежелательной

световой утечкой в закрытом состоянии [1]. Известно, что для интерферометрических измерительных систем требуется коэффициент экстинкции в диапазоне 50-100 дБ [1, 6]. Решение данного вопроса возможно двумя способами: применение специализированных модуляторов [6], оптимизированных для интерферометрических систем, и использование источника оптического излучения, сохраняющего свои спектральные и частотные параметры при работе в импульсном режиме, и работающего от прямой токовой модуляции.

Активно развивающимся направлением в современной оптоэлектронике является создание полупроводниковых поверхностно-излучающих лазеров с вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм [7-9]. Источники оптического излучения подобного типа активно применяются в телекоммуникационной области. По сравнению с полупроводниковыми лазерными диодами традиционной волноводной структуры с торцевым излучением, поверхностно излучающие лазеры с вертикальным резонатором имеют ряд достоинств, таких как: низкие токи модуляции, линейная поляризация с большим коэффициентом экстинкции, возможность прямой токовой модуляции по амплитуде и частоте, малая угловая расходимость оптического луча, невысокая цена, небольшие габариты и вес, возможность встраивания в печатную плату. Поскольку источники такого типа, излучающие в диапазоне на длин волн 1,55 мкм, появились относительно недавно, анализ и исследование их параметров с целью использования в волоконно-оптических интерферометрических измерительных системах является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является создание волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором с центральной длиной волны 1,55 мкм.

Для достижения данной цели необходимо решить ряд задач:

- исследовать общие и частотные параметры полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм;

- исследовать возможность применения полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором в волоконно-оптических интерферометрических датчиках с временным и спектральным мультиплексированием;

- построить математическую модель и реализовать метод частотно -импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе его частотно-динамических свойств при неизменной амплитуде токовых импульсов накачки;

- создать действующий макет волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором;

- провести анализ зависимости шумовых параметров волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы на основе полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором от рассогласования волоконного интерферометра;

- разработать, исследовать и реализовать метод измерения рассогласования длин плеч волоконно-оптического интерферометра на основе частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Проведены экспериментальные исследования шумовых и частотно-динамических параметров полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны оптического излучения 1,55 мкм.

2. Экспериментально исследованы шумовые параметры измерительной волоконно-оптической интерферометрической системы на основе

полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны оптического излучения 1,55 мкм.

3. Предложен и реализован оригинальный метод частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе перестройки частоты для работы в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы с сохранением постоянной амплитуды оптических импульсов; оригинальность метода подтверждена патентом.

4. Проведено экспериментальное сравнение двух методов фазовой модуляции в интерферометрической волоконно-оптической измерительной системе, в результате которого продемонстрированы сопоставимые уровни шума в выходных сигналах системы и пороговая чувствительность измерительной системы для метода частотно-импульсной модуляции и метода фазовой модуляции оптического излучения с помощью дополнительного фазового электрооптического модулятора.

5. Предложен, реализован и экспериментально исследован метод измерения рассогласования длин плеч двухлучевых волоконно-оптических интерферометров с использованием частотно-импульсной модуляции поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором и вспомогательной фазовой модуляции, обеспечивающий погрешность измерения в пределах ±47 мкм.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Проведены экспериментальные исследования общих, шумовых и частотно-динамических параметров полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны оптического излучения 1,55 мкм. Проведенные исследования показали возможность применения данного источника оптического излучения в волоконно-оптических интерферометрических измерительных системах.

2. Разработана, собрана и исследована волоконно-оптическая интерферометрическая измерительная система на основе поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм.

Экспериментально получена зависимость уровня шума измерительной системы от величины рассогласования длин плеч волоконно-оптического интерферометра.

3. Предложен оригинальный метод частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе динамической перестройки частоты для работы в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы с сохранением постоянной амплитуды оптических импульсов. Метод позволяет сформировать фазовую модуляцию в интерференционном сигнале как одного датчика, так и для нескольких датчиков, объединенных в массив с мультиплексированием по времени.

4. Проведено экспериментальное сравнение двух методов фазовой модуляции оптического излучения в интерферометрической волоконно-оптической измерительной системе, в результате которого продемонстрированы сопоставимые уровни шума в выходных сигналах системы и пороговая чувствительность измерительной системы для метода частотно-импульсной модуляции и метода фазовой модуляции оптического излучения с помощью дополнительного фазового электрооптического модулятора. Экспериментально показано, что возможно построение волоконно-оптической интерферометрической измерительной системы без внешнего фазового модулятора, с использованием предложенного метода. Такой подход приведет к упрощению оптической схемы измерительной системы и уменьшению оптических потерь.

5. Предложен и реализован метод измерения разности длин плеч двухлучевых волоконно-оптических интерферометров с использованием частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно излучающего лазера с вертикальным резонатором и вспомогательной фазовой модуляции. В результате экспериментальной проверки погрешность метода составила ± 47 мкм. Предложенный метод позволяет производить измерения в реальном времени как для одного интерферометра, так и для нескольких интерферометров, объединенных в массив с мультиплексированием по времени.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Оригинальный метод частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на основе его эффекта динамической перестройки частоты для работы в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы с сохранением постоянной амплитуды оптических импульсов.

2. Метод измерения разности длин плеч двухлучевых волоконно-оптических интерферометров с использованием частотно-импульсной модуляции полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором и вспомогательной фазовой модуляции, обеспечивающий погрешность измерения в пределах ±47 мкм.

3. Результаты экспериментального исследования поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором на длину волны 1,55 мкм в составе интерферометрической волоконно-оптической измерительной системы, которая показала возможность достижения уровня собственных шумов 17 мкрад/Гц0,5 в полосе частот от 400 до 500 Гц при минимальном рассогласовании длин плеч интерферометра и при уровне оптической мощности на фотоприёмном устройстве порядка 20 мкВт в импульсном режиме работы источника излучения.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на II, III и IV Всероссийских конгрессах молодых ученых (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2015); на XLП, XLШ, XLIV, XLV, XLVI научных и учебно-методических конференциях Университета ИТМО (Санкт-Петербург, Россия, 2013-2017); на международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2013» (Санкт-Петербург, Россия, 2013); на международной научно-практических конференции «Sensorica - 2014» (Санкт-Петербург, Россия, 2014).

Внедрение результатов. Результаты настоящего исследования используются на кафедре Световодной фотоники Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики при создании рабочих макетов гидроакустических волоконно-

оптических интерферометрических измерительных систем при выполнении совместных работ с Инжиниринговым центром волоконной оптики АУ «Технопарк-Мордовия» и ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 статьях в журналах, входящих в список ВАК (из них два, индексируемые базой цитирования Scopus). Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце диссертации и составляет 12 наименований. По результатам диссертационного исследования получен 1 патент.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 155 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок и 5 таблиц, список цитированной литературы представлен 89 наименованиями.

Глава. 1 Обзор современной литературы

1.1 Основные схемы построения измерительных систем на основе волоконно-оптических интерферометров

Возможность построения измерительных систем различного назначения на основе волоконно-оптических интерферометров привлекает внимание исследователей и разработчиков на протяжении последних сорока лет [1, 2, 10, 11]. Интерес к подобным системам со временем только усиливается. Волоконно-оптические измерительные системы (волоконно-оптические

интерферометрические датчики, ВОИД) обладают следующими преимуществами над традиционными электромеханическими: высокая чувствительность, невосприимчивость к внешним электромагнитным воздействиям, большой динамический диапазон, малые габариты и вес, электрическая пассивность, пожаробезопасность, отсутствие необходимости электрического питания самого датчика, возможность удаленного мониторинга и опроса датчиков, возможность мультиплексирования датчиков в большие массивы [10, 12, 13].

Волоконно-оптические интерферометрические датчики основаны на измерении разности фаз двух (и более) интерферирующих оптически волн. Интенсивность оптического сигнала на выходе двухлучевого интерферометра можно описать выражением [2]:

1 = 11 + 12 + 2-у V1! ■ ¡2 ■ с о 5 р (1.1)

где 11 и 12 - интенсивности двух интерферирующих волн, ф - разность фаз между

двумя волнами, у - степень когерентности источника оптического излучения.

Выражение (1.1) верно при условии одинаковой поляризации интерферирующих

волн. Выходной сигнал интерферометра является нелинейным.

Конструкция интерферометра располагается так, чтобы измеряемое внешнее воздействие оказывало влияние только на одно плечо - чувствительное, а опорное изолируется от внешнего воздействия. Воздействие на оптическое волокно приводит к изменению показателя преломления и длины оптического волокна, и изменению оптического пути, что влияет на разность фаз

интерферирующих световых волн и выходной сигнал интерферометра. Разность фаз между двумя световыми волнами можно представить [2]:

ф = ф5 + фа (1.2) где: фS - разность фаз, вызванная измеряемым воздействием, фd - разность фаз,

определяемая положением рабочей точки интерферометра. Наибольшая

чувствительность интерферометра к измеряемому воздействию находится в точке

квадратуры, где разность фаз ф составляет ±пп/2 (п - натуральное число).

Существуют различные методы демодуляции сигналов с интерферометров [2, 10]: со стабилизацией рабочей точки интерферометра и без стабилизации. Как правило, методы, относящиеся к первой группе требуют наличия обратной связи между аппаратной частью и волоконным интерферометром. Чаще всего такие методы пригодны для работы с одним датчиком [2]. Методы, не требующие стабилизацию рабочей точки, импользуются для опроса одного или множества объединенных массивов датчиков [14-17].

Измерительные схемы строятся на базе волоконно-оптических интерферометров [2, 10]: интерферометра Майкельсона, интерферометра Маха-Цендера, интерферометра Саньяка, интерферометра Фабри-Перо.

Схема измерительной системы на основе волоконно-оптического интерферометра Майкельсона показана на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1.Схема измерительной системы на основе волоконно-оптического

интерферометра Майкельсона Принцип работы схемы следующий: фотоны от источника оптического

излучения (ИОИ) проходят через оптический изолятор (ОИ), попадают в X-

разветвитель, делятся на две оптические волны. Одна оптическая волна поступает

в чувствительное плечо интерферометра, на которое прикладывается измеряемое

воздействие, отражается от зеркала и следует к X-разветвителю. Другая волна оптического излучения поступает в опорное плечо, также отражается от зеркала и следует к X-разветвителю. В X-разветвители оптические волны интерферируют и поступают на фоториемное устройство (ФПУ). Для улучшения чувствительности оптическое волокно чувствительного плеча покрывают специальными материалами и наматывают на структуру определенной формы [2, 18]. Опорное плечо изолируют от внешних воздействий. Оптический изолятор исключает попадание сигнала в источник оптического излучения.

Схемы на основе интерферометра Майкельсона обладают следующими преимуществами: излучение проходит дважды чувствительное плечо, тем самым в два раза увеличивается изменение фазы вследствие измеряемого воздействия; аппаратная часть оптоэлектроники может находиться далеко от чувствительной части; опорное плечо интерферометра можно расположить рядом с аппаратной частью и изолировать от внешних воздействий; схема проста и состоит из небольшого числа оптических компонентов. С описанием измерительных систем на основе интерферометра Майкельсона можно ознакомиться в работах [17, 19, 20].

Измерительная система на основе волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера изображена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2.Схема измерительной системы на основе волоконно-оптического

интерферометра Маха-Цендера

Принцип работы схемы, изображенной на рисунке 1.2, следующий: оптическое излучение от ИОИ проходит через ОИ, попадает на X-разветвитель, разделяется на две световые волны. Одна оптическая волна проходит по чувствительному плечу интерферометра и приобретает фазовый набег, вызванный

внешним измеряемым воздействием. Другая оптическая волна проходит по опорному плечу, которое разнесено с чувствительным и изолировано от внешних воздействий. После прохождения плеч световые волны объединяются во втором волоконном Х-разветвителе и интерферируют. Интерференционный сигнал попадает на ФПУ. Изменение разности фаз двух интерферирующих волн в результате внешнего воздействия приводит к изменению интенсивности интерференционного сигнала на ФПУ. Чувствительное плечо интерферометра Маха-Цендера также, как и в случае с интерферометром Майкельсона, покрывают определенными материалами и встраивают в специальную конструкцию для увеличения чувствительности [2]. Построение измерительных систем на основе интерферометра Маха-Цендера отражено в работах [1, 14, 15]. Одним из плюсов данной схемы является возможность установки двух ФПУ на выходе интерферометра, так называемое балансное детектирование, которое применяется длю увеличения соотношения сигнал/шум.

Измерительная схема на основе волоконно-оптического интерферометра Саньяка изображена на рисунке 1.3. Интерферометр Саньяка чаще всего применяется в волоконно-оптических гироскопах, но так же находит свое применение в других типах датчиков [2] .

интерферометраМаха-Цендера

Принцип работы схемы, изображенной на рисунке 1.3 следующий: оптическое излучение от ИОИ проходит через ОИ, попадает на Х-разветвитель, разделяется на две оптические волны. Одна оптическая волна распространяется в направлении по часовой стрелке, другая оптическая волна - против часовой стрелки. Пройдя весь волоконный контур, оптические волны сводятся в волоконном Х-разветвителе и интерферируют.

При вращении катушки вокруг оси, нормальной к плоскости волоконного контура, фазовые набеги двух встречно распространяющихся волн будут неодинаковы. Разность фаз двух интерферирующих волн пропорциональна угловой скорости вращения контура. Это явление лежит в основе работы волоконно-оптических гироскопов [1, 2].

При использовании интерферометра Саньяка в акустических волоконно-оптических датчиках катушка делится на чувствительную часть и линию задержки [15, 21]. Оптическая волна распространяющая по часовой стрелке проходит через линию задержки, а затем через чувствительную часть. Оптическая волна, распространяющаяся против часовой стрелки, сначала проходит через чувствительную часть, а затем через линию задержки. В результате между этими волнами возникает разность фаз при внешнем воздействии на чувствительную часть оптического волокна.

В волоконном интерферометре Саньяка оптические пути распространения двух встречных волн одинаковы, что позволяет использовать низкокогерентные (широкополосные) источники оптического излучения [2].

Измерительная схема на основе волоконно-оптического интерферометра Фабри-Перо изображена на рисунке 1.4

Рисунок 1.4.Схема измерительной системы на основе волоконно-оптического

интерферометра Фабри-Перо

Схема, изображенная на рисунке 1.4, работает следующим образом [1, 2]: оптическое излучение от ИОИ проходит через ОИ попадает по оптическому волокну в резонатор Фабри-Перо, который образован с помощью двух полупрозрачных зеркал (З1) и (З2) (также в качестве зеркал могут использоваться волоконные брэгговские решетки, речь о которых пойдет ниже). Оптические волны будут многократно отражаться от зеркал и интерферировать между собой.

Изменение разности фаз интерферирующих волн из-за изменения параметров резонатора (геометрических параметров, показателя преломления) под влиянием действием внешних воздействий приведет к изменению интенсивности интерференционного сигнала на ФПУ. Сам чувствительный элемент на основе интерферометра Фабри-Перо обладает небольшими размерами и может встраиваться в различные структуры.

Активно развивается направление, в котором в качестве светоотражающих элементов в волоконных интерферометрах используют волоконные брэгговские решетки (ВБР) [10]. Волоконная брэгговская решетка представляет собой структуру периодического изменения показателя преломления, сформированную в оптическом волокне. Основным свойством ВБР является способность отражать оптическое излучение определенной длины волны. Центральная длина волны отражения пропорциональна эффективному показателю преломления оптического волокна и периоду сформированной структуры решетки.

Рисунок 1.5.Схема интерферометрического сенсора на основе ВБР

На рисунке 1.5 показана схема интерферометрического сенсора на основе ВБР. Схема состоит: ИОИ - источник оптического излучения, лазер; ФПУ -фотоприемное устройство; ВБР1 и ВБР2 - волоконные брэгговские решетки и участок оптического волокна между ними образуют чувствительный элемент (ЧЭ). Компенсационный интерферометр (КИ) выполнен на основе волоконного интерферометра Маха-Цендера, с разбалансированными плечами 1 и 2. В одном плече располагается фазовый модулятор. Разница длин плеч интерферометра в два раза превышает расстояние между ВБР1 и ВБР2 (2Ь).

Схема работает следующим образом. ИОИ формирует оптический импульс и направляет его через волоконный Х-разветвитель к ЧЭ. Оптический импульс проходит по оптическому волокну, попадает на ВБР1, частично отражается (в данном случае ВБР1 выступает в качестве полупрозрачного зеркала и делит энергию попадающего на нее импульса, часть проходит вперед, по направлению распространения импульса, а часть назад) и проходит дальше, попадает на ВБР2, полностью отражается на от нее. Два отраженных от ВБР1 и ВБР2 импульса следуют обратно к разветвителю и направляются в КИ. Временная задержка между этими импульсами составляет удвоенное время распространения между ВБР. В КИ каждый из импульсов делится надвое и проходит по длинному плечу (2) и короткому плечу (1). На ФПУ поступают три импульса, второй из которых является интерференционным. Первый импульс - импульс отраженный от ВБР1 и прошедший по короткому плечу (1), второй импульс - результат сложения импульса отраженного от ВБР1 и прошедшего по длинному плечу (2) и отраженного от ВБР2 и прошедшего по короткому плечу (2), третий импульс -импульс отраженный от ВБР2 и прошедший по длинному плечу (1). Изменение геометрических размеров оптического волокна между ВБР1 и ВБР2 в результате внешнего воздействия приводит к изменению разности фаз интерферирующих импульсов, которое регистрируется ФПУ.

В одном ОВ можно сформировать от одного до нескольких десятков датчиков такого типа, тем самым снизив количество ОВ и пассивных оптических элементов. В измерительных системах с применением ВБР чаще всего используются методы спектрального и временного мультиплексирования, для создания массивов сенсоров. В работах [22-24] подробно описаны примеры таких систем.

В большинстве измерительных систем экономически эффективно повышать количество датчиков на один источник оптического излучения, фотоприёмное устройство и систему электронный обработки интерферометрических сигналов [1, 2, 10, 25]. Так же сокращение количества оптических волокон способствует упрощению используемых кабелей, что приводит к уменьшению стоимости,

масса-габаритных параметров и упрощению монтажа системы. Перед разработчиками ставятся задачи создания устройств сбора данных, обладающих максимальной информационной емкостью, способных опросить как можно больше сенсоров и при этом сохранить необходимые параметры по уровню собственных шумов.

Мультиплексирование волоконно-оптических измерительных систем -передача оптических сигналов опроса по одному оптическому волокну к измерительному массиву, состоящему из нескольких датчиков. Существуют разные способы мультиплексирования измерительных каналов [1, 10, 16, 25, 26]:

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Киреенков, Александр Юрьевич, 2017 год

Список литературы

1. Kirkendall C.K. Overview of high performance fibre-optic sensing / Kirkendall C.K., Dandridge A. // Applied Physics - 2004. - Т. 37 - № 18 - C.R197-R216.

2. Udd E.Fiber optic sensors : an introduction for engineers and scientists / E. Udd, W. B. Spillman - John Wiley & Sons, 2011.- 498c.

3. Kay A.Operational amplifier noise: techniques and tips for analyzing and reducing noise / A. Kay - Elsevier, 2012.- 248c.

4. Kester W.A.Data conversion handbook / W. A. Kester - Newnes, 2005.- 896c.

5. Blotekjaer K. Fundamental noise sources that limit the ultimate resolution of fiber optic sensors / Blotekjaer K. // SPIE - 1998. - № 3555 - С.1-12.

6. Kirkendall C.K. High Extinction-Ratio Optical Switch and Bias Control Washington, D.C.: OSA, 1997. - OThC39c.

7. Park M.-R. All-Monolithic 1.55 цт InAlGaAs/InP Vertical Cavity Surface Emitting Lasers Grown by Metal Organic Chemical Vapor Deposition / Park M.-R., Kwon O.-K., Han W.-S., Lee K.-H., Park S.-J., Yoo B.-S. // Japanese Journal of Applied Physics -2006. - Т. 45 - № 1 - C.L8-L10.

8. Keun Ho Rhew Reliability Assessment of 1.55-^M Vertical Cavity Surface Emitting Lasers for Optical Communication Systems IEEE, 2007. - 476-479с.

9. Rhew K.H. Reliability assessment of 1.55-^m vertical cavity surface emitting lasers with tunnel junction using high-temperature aging tests / Rhew K.H., Jeon S.C., Lee D.H., Yoo B.-S., Yun I. // Microelectronics Reliability - 2009. - Т. 49 - № 1 - С.42-50.

10. Y. Shizhuo, P. B. Ruffin T.S.F.Fiber Optic Sensors / T. S. F. Y. Shizhuo, P. B. Ruffin - London: CRC Press, Taylor & Francis Group, 2008.- 494c.

11. Culshaw B. Fiber-Optic Sensing: A Historical Perspective / Culshaw B., Kersey A. // Journal of Lightwave Technology, Vol. 26, Issue 9, pp. 1064-1078 - 2008. - Т. 26 -№ 9 - С.1064-1078.

12. Бутусов М.М.Волоконная оптика и приборостроение / М. М. Бутусов, С. Л. Галкин, С. П. Оробинский - Л.: Машиностроение, 1987.- 328c.

13. Окоси Т.Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, Х. Нисихара, К. Кюма, К. Хататэ - Л.: Энергоатомиздат, 1990.- 256c.

14. Kersey A.D. Time-division multiplexing of interferometric fiber sensors using passive phase-generated carrier interrogation / Kersey A.D., Dandridge A., Tveten A.B. // Optics Letters - 1987. - Т. 12 - № 10 - C.775.

15. Digonnet M.J.F. Acoustic fiber sensor arrays International Society for Optics and Photonics, 2004. - 39с.

16. McGarrity C. Multiplexing and demodulation of fiber optic-based interferometric sensors using an integrated-optic amplitude /phase modulator / McGarrity C., Jackson D.A. // Fiber and Integrated Optics - 1997. - Т. 16 - № 3 - C.261-268.

17. Cranch G.A. Large-scale remotely interrogated arrays of fiber-optic interferometric sensors for underwater acoustic applications / Cranch G.A., Nash P.J., Kirkendall C.K. // IEEE Sensors Journal - 2003. - Т. 3 - № 1 - C.19-30.

18. Плотников М.Ю. Волоконно-оптический гидрофон / Плотников М.Ю.

19. Huang S.-C. Cross-talk analysis of time-division multiplexing of polarization-insensitive fiber-optic Michelson interferometric sensors with a 3 x 3 directional coupler / Huang S.-C., Lin W.-W., Chen M.-H. // Applied Optics - 1997. - Т. 36 - № 4 - C.921.

20. Meng Z. Development of a 32-element fiber optic hydrophone system / под ред. M.A. Marcus, B. Culshaw, J.P. Dakin. International Society for Optics and Photonics, 2004. - 114с.

21. Vakoc B. A novel fiber-optic sensor array based on the Sagnac interferometer / Vakoc B., Digonnet M., Kino G. // Journal of Lightwave Technology - 1999.

22. Okawara C. Fiber optic interferometric hydrophone using fiber Bragg grating with wavelength division multiplexing / Okawara C., Saijyou K. // Acoustical science and technology - 2008. - Т. 29 - № 3 - C.232-234.

23. Okawara C. Fiber optic interferometric hydrophone using fiber Bragg grating with time division multiplexing / Okawara C., Saijyou K. // Acoustical science and technology - 2007. - Т. 28 - № 1 - C.39-42.

24. Koo K.P. Bragg grating-based laser sensors systems with interferometric

interrogation and wavelength division multiplexing / Koo K.P., Kersey A.D. // Journal of Lightwave Technology - 1995. - Т. 13 - № 7 - С.1243-1249.

25. Kersey A.D. Distributed and multiplexed fibre-optic sensor systems / Kersey A.D., Dandridge A. // Journal of the Institution of Electronic and Radio Engineers - 1988. -Т. 58 - № 5S - C.S99.

26. Dandridge A.D. Multiplexed interferometric fiber sensor arrays / под ред. A.D. Kersey, J.P. Dakin. , 1992. - 176-183с.

27. Brooks J. Coherence multiplexing of fiber-optic interferometric sensors / Brooks J., Wentworth R., Youngquist R., Tur M., Byoung Kim, Shaw H. // Journal of Lightwave Technology - 1985. - Т. 3 - № 5 - С.1062-1072.

28. Liao Y. Highly Scalable Amplified Hybrid TDM/DWDM Array Architecture for Interferometric Fiber-Optic Sensor Systems / Liao Y., Austin E., Nash P.J., Kingsley S.A., Richardson D.J. // Journal of Lightwave Technology - 2013. - Т. 31 - № 6 -С.882-888.

29. Dandridge A. Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated carrier / Dandridge A., Tveten A., Giallorenzi T. // IEEE Journal of Quantum Electronics - 1982. - Т. 18 - № 10 - С.1647-1653.

30. Yi Liao Phase Sensitivity Characterization in Fiber-Optic Sensor Systems Using Amplifiers and TDM / Yi Liao, Austin E., Nash P.J., Kingsley S.A., Richardson D.J. // Journal of Lightwave Technology - 2013. - Т. 31 - № 10 - С.1645-1653.

31. Derickson D.Fiber optic test and measurement / D. Derickson - , 1998.

32. Ziel A. van der Noise in solid-state devices and lasers / Ziel A. van der // Proceedings of the IEEE - 1970. - Т. 58 - № 8 - С.1178-1206.

33. Dandridge A. Noise reduction in fiber-optic interferometer systems / Dandridge A., Tveten A.B. // Applied Optics - 1981. - Т. 20 - № 14 - С.2337.

34. Bennett S.M. Apparatus and method for electronic RIN reduction in fiber-optic sensors / Bennett S.M. - 2002. - С.19.

35. Dandridge A. Properties of diode lasers with intensity noise control / Dandridge A., Tveten A.B. // Applied Optics - 1983. - Т. 22 - № 2 - С.310.

36. Bartolo R.E. Characterization of a Low-phase-noise, High-power (370 mW),

External-Cavity Semiconductor Laser / Bartolo R.E., Tventen A.B., Kirkendall C.K., Juodawlkis P.W., Loh W., Plant J.J. - 2010. - C.19.

37. Bartolo R.E. Achieving narrow linewidth low-phase noise external cavity semiconductor lasers through the reduction of 1/f noise / под ред. C. Mermelstein, D.P. Bour. , 2006. - 61330k.

38. Henry C. Phase noise in semiconductor lasers / Henry C. // Journal of Lightwave Technology - 1986. - Т. 4 - № 3 - C.298-311.

39. Dandridge A. Zero path-length difference in fiber-optic interferometers / Dandridge A. // Journal of Lightwave Technology - 1983. - Т. 1 - № 3 - C.514-516.

40. Beheim G. Fiber-optic interferometer using frequency-modulated laser diodes / Beheim G. // Applied Optics - 1986. - Т. 25 - № 19 - C.3469.

41. Kersey A.D. Novel passive phase noise cancelling technique for interferometric fibre optic sensors / Kersey A.D., Berkoff T.A. // Electronics Letters - 1990. - Т. 26 -№ 10 - C.640-641.

42. Kersey A.D. Passive laser phase noise suppression technique for fiber interferometers / под ред. R.P. DePaula, E. Udd. , 1991. - 310с.

43. Dandridge A. Electronic phase-noise suppression in diode lasers / Dandridge A., Tveten A.B. // Electronics Letters - 1981. - Т. 17 - № 25-26 - C.937.

44. Afiatouni F. Electronic laser phase noise reduction IEEE, 2013. - 265-268с.

45. Yamamoto Y. Squeezed States: A CLOSER LOOK AT THE AMPLITUDE AND PHASE OF LIGHT / Yamamoto Y., Richardson W.H. // Optics and Photonics News -1995. - Т. 6 - № 5 - C.24.

46. WANSER K.H. Intrinsic Thermal Phase Noise Limit in Optical Fiber Interferometers / WANSER K.H., KERSEY A.D., DANDRIDGE A. // Optics and Photonics News - 1993. - Т. 4 - № 12 - C.37.

47. Leach W.M. Fundamentals of low-noise analog circuit design / Leach W.M., Leach W.M., Member S. // IEEE PROC - 1994. - C.1515--1538.

48. Graeme J.Photodiode amplifiers: op amp solutions / J. Graeme - McGraw-Hill, Inc., 1995.- 252c.

49. Wanser K.H. Fundamental phase noise limit in optical fibres due to temperature

fluctuations / Wanser K.H. // Electronics Letters - 1992. - Т. 28 - № 1 - С.53-54.

50. Jackson D.A. Measurement of small phase shifts using a single-mode optical-fiber interferometer / Jackson D.A., Dandridge A., Sheem S.K. // Optics Letters - 1980. - Т. 5 - № 4 - С.139.

51. Dandridge A. Laser noise in fiber-optic interferometer systems / Dandridge A., Tveten A.B., Miles R.O., Giallorenzi T.G. // Applied Physics Letters - 1980. - Т. 37 -№ 6 - С.526.

52. Dandridge A. Single-mode diode laser phase noise / Dandridge A., Tveten A.B., Miles R.O., Jackson D.A., Giallorenzi T.G. // Applied Physics Letters - 1981. - Т. 38 -№ 2 - С.77.

53. Dandridge A. Phase noise of single-mode diode lasers in interferometer systems / Dandridge A., Tveten A.B. // Applied Physics Letters - 1981. - Т. 39 - № 7 - С.530-532.

54. Webb C.E.Handbook of Laser Technology and Applications: Applications / C. E. Webb, J. D. C. Jones - CRC Press, 2004.

55. Bush S.P. Studies of the coherence properties of a diode-pumped Nd:YAG ring laser / Bush S.P., Güngör A., Davis C.C. // Applied Physics Letters - 1988. - Т. 53 - № 8 - С.646.

56. Williams K.J. Interferometric measurement of low-frequency phase noise characteristics of diode laser-pumped Nd:YAG ring laser / Williams K.J., Dandridge A., Kersey A.D., Weller J.F., Yurek A.M., Tveten A.B. // Electronics Letters - 1989. - Т. 25 - № 12 - С.774.

57. Meng Z. Phase noise characteristics of a diode-pumped Nd:YAG laser in an unbalanced fiber-optic interferometer / Meng Z., Hu Y., Xiong S., Stewart G., Whitenett G., Culshaw B. // Applied Optics - 2005. - Т. 44 - № 17 - С.3425.

58. Bartolo R.E. The quest for inexpensive, compact, low phase noise laser sources for fiber optic sensing applications , 2009. - 750370-750370-4с.

59. Creath K. Interferometric investigation of a diode laser source / Creath K. // Applied Optics - 1985. - Т. 24 - № 9 - С.1291.

60. Dandridge A. Correlation of Low-Frequency Intensity and Frequency Fluctuations

in GaAlAs Lasers / Dandridge A., Taylor H.F. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques - 1982. - Т. 30 - № 10 - C.1726-1738.

61. Wu L. 0.26-Hz-linewidth ultrastable lasers at 1557 nm. / Wu L., Jiang Y., Ma C., Qi W., Yu H., Bi Z., Ma L. // Scientific reports - 2016. - Т. 6 - C.24969.

62. Spiegelberg C. Low-Noise Narrow-Linewidth Fiber Laser at 1550 nm (June 2003) / Spiegelberg C., Geng J., Hu Y., Kaneda Y., Jiang S., Peyghambarian N. // Journal of Lightwave Technology, Vol. 22, Issue 1, pp. 57- - 2004. - Т. 22 - № 1 - C.57-62.

63. Ball G.A. Continuously tunable single-mode erbium fiber laser / Ball G.A., Morey W.W. // Optics Letters - 1992. - Т. 17 - № 6 - C.420.

64. Menna R., Komissarov A., Maiorov M., Khalfin V., DiMarco L., Connolly J. G.D. High Power 1550 nm Distributed Feedback Lasers with 440 mW CW Output Power for Telecommunication Applications , 2001. - CPD12a

65. Stolpner L. Low noise planar external cavity laser for interferometric fiber optic sensors / под ред. D.D. Sampson. , 2008. - 700457с.

66. Alalusi M. Low noise planar external cavity laser for interferometric fiber optic sensors / под ред. E. Udd, H.H. Du, A. Wang. , 2009. - 73160Хс.

67. Juodawlkis P.W. Ultralow-Noise Packaged 1.55-^m Semiconductor External-Cavity Laser with 0.37-W Output Power Washington, D.C.: OSA, 2009. - CPDA3a

68. Juodawlkis P.W. High-Power, Low-Noise 1.5-^m Slab-Coupled Optical Waveguide (SCOW) Emitters: Physics, Devices, and Applications / Juodawlkis P.W., Plant J.J., Loh W., Missaggia L.J., O'Donnell F.J., Oakley D.C., Napoleone A., Klamkin J., Gopinath J.T., Ripin D.J., Gee S., Delfyett P.J., Donnelly J.P. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics - 2011. - Т. 17 - № 6 - C.1698-1714.

69. Iga K. Surface-emitting laser-its birth and generation of new optoelectronics field / Iga K. // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics - 2000. - Т. 6 - № 6 - C.1201-1215.

70. Iga K.Vertical-cavity surface-emitting laser devices / K. Iga, H. E. Li - Springer, 2002.

71. Rainer MichalzikVCSELs : Fundamentals, Technology and Applications of Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers / Rainer Michalzik, R. Michalzik - Springer,

2013.- 558c.

72. Hoe B. Van Ultra Small Integrated Optical Fiber Sensing System / Hoe B. Van, Lee G., Bosman E., Missinne J., Kalathimekkad S., Maskery O., Webb D.J., Sugden K., Daele P. Van, Steenberge G. Van // Sensors - 2012. - Т. 12 - № 12 - С.12052-12069.

73. Hoe B. Van Low-cost fully integrated fiber Bragg grating interrogation system / под ред. J. Canning, G. Peng. , 2012. - 83510ис.

74. Garcia-Souto J.A. Evaluation of a 1540nm VCSEL for fibre Bragg gratings interrogation in dynamic measurement applications / под ред. J.M. Lopez-Higuera, J.D.C. Jones, M. Lopez-Amo, J.L. Santos. SPIE, 2014. - 91573Aa

75. Toet P.M. Miniature and low cost fiber bragg grating interrogator for structural monitoring in nano-satellites / Toet P.M., Hagen R.A.J., Hakkesteegt H.C., Lugtenburg J., Maniscalco M.P. // International Conference on Space Optics, ICSO 2014, 7-10 October 2014, Tenerife, Canary Islands, Spain - 2014.

76. Kirkendall C.K. Sensitivity Limitations Due to Aliased High Frequency Phase Noise in High Channel-Count TDM Interferometric Arrays Washington, D.C.: OSA, 1996. - Fr14a

77. Chen A.Broadband optical modulators: science, technology, and applications / A. Chen, E. J. Murphy - CRC Press/Taylor & Francis Group, 2012.- 531c.

78. Dandridge A. Current-induced frequency modulation in diode lasers / Dandridge A., Goldberg L. // Electronics Letters - 1982. - Т. 18 - № 7 - С.302.

79. Kobayashi S. Direct Frequency Modulation In AlGaAs Semiconductor Lasers / Kobayashi S., Yamamoto Y., Ito M., Kimura T. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques - 1982. - Т. 30 - № 4 - С.428-441.

80. Petermann K.Laser diode modulation and noise / K. Petermann - Tokyo: Kluwer Academic Publishers, 1988.- 315c.

81. Zheng JesseOptical Frequency-Modulated Continuous-Wave (FMCW) Interferometry / Zheng Jesse - New York: Springer-Verlag, 2005.

82. Zheng J. Analysis of optical frequency-modulated continuous-wave interference / Zheng J. // Applied Optics - 2004. - Т. 43 - № 21 - С.4189.

83. Ероньян М.А., Комаров А.В., Кондратьев Ю.Н., Ромашова Е.И., Серков М.М.

Х.А.В. Тонкие анизотропные одномодовые волоконные световоды с эллиптической напрягающей оболочкой / Ероньян М.А., Комаров А.В., Кондратьев Ю.Н., Ромашова Е.И., Серков М.М. Х.А.В. // Оптический журнал -2000. - Т. 10 - № 57 - С.104-105.

84. Варжель С.В. Запись узкополосных волоконных брэгговских отражателей одиночным импульсом эксимерного лазера методом фазовой маски / Варжель С.В., Куликов А.В., Асеев В.А., Брунов В.С., Калько В.Г., Артеев В.А. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2011. -№ 5 (75).

85. Varzhel' S. V. Recording Bragg gratings in a birefringent optical fiber with a single 20-ns pulse of an excimer laser / Varzhel' S. V., Kulikov A. V., Meshkovskii I.K., Strigalev V.E. // Journal of Optical Technology - 2012. - Т. 79 - № 4 - С.257.

86. Wang L. The arctangent approach of digital PGC demodulation for optic interferometric sensors , 2006. - 6292 Шс.

87. Ishii Y. Laser-diode interferometry / Ishii Y. // Progress in Optics - 2004. - Т. 46 -С.243-309.

88. Suzuki T. Phase-shifting laser diode interferometer using pulse modulation / Suzuki T., Adachi T., Sasaki O., Choi S. // Applied Optics, Vol. 51, Issue 18, pp. 4109-4112 -2012. - Т. 51 - № 18 - С.4109-4112.

89. Варламов А.В. Определение оптических потерь при стыковке световодов с различным диаметром модового поля / Варламов А.В., Куликов А.В., Стригалев В.Е., Варжель С.В., Аксарин С.М. // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2013. - № 2 (84).

Список работ автора

Публикации в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК РФ для защиты кандидатских диссертаций:

A1. Мехреньгин М.В., Киреенков А.Ю., Погорелая Д.А., Плотников М.Ю., Шуклин Ф.А. Компенсация температурной зависимости выходного сигнала в схеме гомодинного приема сигнала фазовых волоконно-оптических датчиков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Том 15. № 2. С. 227-233.

A2. Беликин М.Н., Куликов А.В., Стригалев В.Е., Алейник А.С., Киреенков А.Ю. Исследование малогабаритного источника излучения для волоконно-оптических фазовых интерферометрических датчиков // Оптический журнал - 2015. - Т. 82. - № 12. - С. 34-40

A3. Беликин М.Н., Плотников М.Ю., Стригалев В.Е., Куликов А.В., Киреенков А.Ю. Экспериментальное сравнение алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов для фазового волоконно-оптического датчика // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики - 2015. -Т. 15. - № 6(100). - С. 1008-1015

A4. Алейник А.С., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Чиргин М.А., Беликин М.Н. Подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брэгговских решеток // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 5. С. 809-816.

A5. Lavrov V.S., Plotnikov M.Y., Aksarin S.M., Efimov M.E., Shulepov V.A., Kulikov A.V., Kireenkov A.Y. Experimental investigation of the thin fiber-optic hydrophone array based on fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology - 2017, No. 34, pp. 47-51 Изобретения:

A6. Способ частотно-импульсной модуляции полупроводникового лазерного источника оптического излучения для опроса оптических интерферометрических датчиков. Киреенков А.Ю., Алейник А.С., Мехреньгин

М.В., Плотников М.Ю. Справка о приоритете заявки на изобретение №2016146075 от 23.11.2016.

Прочие публикации:

А7. Аксарин С.М., Артеев В.А., Киреенков А.Ю. Уменьшение оптических потерь на сварке анизотропных световодов путем оптимизации ее параметров // Сборник трудов II Всероссийского конгресса молодых ученых СПб: НИУ ИТМО, 2013. - С.11-13.

А8. Киреенков А.Ю., Аксарин С.М., Варжель С.В., Мунько А.С. Исследование поляризационных характеристик волоконных решеток Брэгга, индуцированных в двулучепреломляющем оптическом волокне с эллиптической напрягающей оболочкой // Сборник трудов Международной конференции «0птика-2013». 2013. С. 329-330.

А9. Алейник А.С., Плотников М.Ю., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Никитенко А.Н. Подстройка рабочей длины волны источника оптического излучения в фазовых волоконных датчиках на брэгговских решетках // Сборник трудов II Международной научно-практической конференции <^ешопса - 2014». - СПб НИУ ИТМО, 2014.- С. 88-89.

А10. Алейник А.С., Беликин М.Н., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В., Чиргин М.А. Автоматическая подстройка центральной длины волны источника оптического излучения в интерферометрических датчиках на основе волоконных брегговских решеток // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, 2015.

А11. Алейник А.С., Ефимов М.Е., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В. Снижение уровня шумов в измерительном тракте интерферометрического волоконно-оптического гидрофона // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых. Электронное издание. - СПб: Университет ИТМО, 2015.

А12. Алейник А.С., Беликин М.Н., Киреенков А.Ю. Исследование электрических и оптических характеристик лазерного диода с вертикальным резонатором излучающем на длине волны 1,55 МКМ//Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, Выпуск 2 - 2014. - № Выпуск 2. - С. 4-5