eng
Выпуск #3/2020
Д.Шевцов, Ю.Константинов, М.Белокрылов, Р.Пономарев
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СБОРА ДАННЫХ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОМ ИССЛЕДОВАНИИ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ МЕТОДОМ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СБОРА ДАННЫХ ПРИ ТЕМПЕРАТУРНОМ ИССЛЕДОВАНИИ ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИХ МОДУЛЯТОРОВ МЕТОДОМ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ
Просмотры: 1351
DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.48.53
Эмпирическими и имитационными методами исследованы процессы изменения фазы излучения в интегрально-оптических модуляторах на подложке из ниобата лития, а также волоконных световодах, состыкованных с ними. Для проведения исследования использованы интегрально-оптические фазовые модуляторы на подложке из ниобата лития, демонстрирующие эффект прекращения каналирования фундаментальной моды волновода на резких температурных градиентах при нагреве из области низких температур, и волоконные световоды со спровоцированными температурными деформациями. Построена компьютерная модель процесса.
Эмпирическими и имитационными методами исследованы процессы изменения фазы излучения в интегрально-оптических модуляторах на подложке из ниобата лития, а также волоконных световодах, состыкованных с ними. Для проведения исследования использованы интегрально-оптические фазовые модуляторы на подложке из ниобата лития, демонстрирующие эффект прекращения каналирования фундаментальной моды волновода на резких температурных градиентах при нагреве из области низких температур, и волоконные световоды со спровоцированными температурными деформациями. Построена компьютерная модель процесса.
Теги: amplitude modulator correlation function frequency domain reflectometry integrated optical circuit signal processing амплитудный модулятор интегрально-оптическая схема корреляционная функция обработка сигнала рефлектометрия частотной области
ОПТИМАЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СБОРА ДАННЫХ
при температурном исследовании интегрально-оптических модуляторов методом рефлектометрии частотной области
Д.Шевцов, к.ф.-м.н., руководитель проекта Пермского федерального исследовательского
центра Уральского отделения РАН, доцент Пермского государственного научно-исследовательского университета,
Ю.Константинов, к.т.н., заведующий лабораторией фотоники ПФИЦ УрО РАН,
М.Белокрылов, мл. научный сотрудник ПФИЦ Уральского отделения РАН, аспирант ПГНИУ /
belokrylovme@gmail.com,
Р.Пономарев, к.ф.-м.н., ст. научный сотрудник ПФИЦ УрО РАН, доцент ПГНИУ
УДК 53.084: 535, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.48.53
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И ПРЕДЫДУЩАЯ РАБОТА
Интегрально-оптические амплитудные и фазовые модуляторы на подложке из ниобата лития нашли широкое применение в оптической связи, современной оптико-электронной схемотехнике и других областях фотоники. В частности, они стали не только неотъемлемой частью волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) на эффекте Саньяка, от стабильности работы которого в широких температурных диапазонах зависит безопасность полетов самолетов, но и являются основным вариантом внешней модуляции в аналоговых и цифровых волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) [1–3], эксплуатация которых может проходить в сложных условиях, например, в бортовой сети летательного аппарата. Поэтому требует всестороннего исследования эффект прекращения каналирования фундаментальной моды интегрально-оптического волновода на резких температурных градиентах при нагреве из области низких температур [4].
Такой градиент может появиться, в частности, при посадке летательного аппарата с высоты в несколько тысяч метров (где температуры составляют десятки градусов Цельсия ниже нуля) на прогретый аэродром, при этом работа бортовой волоконно-оптической сети должна оставаться стабильной. Очевидно, что неполадки при этом могут явиться действительно фатальными, поскольку происходит не падение контрастности импульса, ведущее к возможной ошибке дальнейшей идентификации логического ноля или единицы, а полное прекращение каналирования, то есть информация перестает поступать вовсе.
Естественно, при проектировании топологии ВОЛС для летательных средств авиаконструкторы и инженеры связи уделяют особое внимание тому, чтобы активные части оптоэлектронных устройств находились в термоизолированных областях летательного аппарата и/или были термостатированы с помощью специальных контроллеров. Рассматриваемые вопросы приобретают новую актуальность в связи с появлением беспилотных средств, требующих для своих применений наличия на борту оптоэлектронных устройств, но не располагающих свободным пространством для термоизоляции и/или термостатирования. Таким образом, изучение данного эффекта актуально.
Кроме того, важным представляется не только моделирование и наблюдение самого эффекта, но и изучение возможности его пространственной локализации. Предполагается, что известные когерентные рефлектометрические методы, основанные на регистрации вызванного локальным изменением показателя преломления сдвига фазы в световодах и волноводах, пригодны и для локализации заряда на поверхности волновода, который в [4] назван основной возможной причиной нарушения каналирования. В данной области когерентной оптической рефлектометрии преуспели исследователи из США – Соллер, Гиффорд, Мур и др. [5].
При этом о метрологическом наблюдении обратных отражений свидетельствует в основном лишь одна команда – Соллер и др. из Luna Innovations, остальные исследователи говорят об OFDR-системе обычно как об аппаратной части распределенного датчика.
Исследователи из Китая (Куи и др.) [6], Канады (Сонг) [7] применяют для извлечения информации о температурах и отделении их от механических напряжений автокорреляционные и взаимнокорреляционные функции (АКФ и ВКФ соответственно) обратных фурье-преобразований рефлектограмм частотной области. Первичное исследование интегрально-оптических схем на качественном уровне, выполненное средствами OFDR, описано в [8]. По информации авторов, методы одновременной фиксации распределения ряда физических параметров, в том числе заряда вблизи волновода, отсутствуют. Также необходимо отметить, что в указанных и схожих с ними публикациях, коих в последние годы наблюдается великое множество, весьма скупо описываются физические (аппаратные) пределы методов вычисления физических величин по пикам на функциях АКФ и ВКФ. Именно поэтому ставится задача использовать полученные авторами ранее в [4] величины изменения показателя преломления dn, ведущие к прекращению каналирования, и определить, достаточны ли они для наблюдения фазового сдвига на ВКФ спектров до появления заряда и после.
К тому же, температурное поле действует и на волоконные световоды, состыкованные с модулятором. В некоторых конструкторских реализациях ввиду малых габаритов приемо-передающих систем они могут подвергаться изгибу. Эти факторы в совокупности в самых неблагоприятных случаях приводят к увеличению поляризационной помехи (h-параметра), что приводит к изменению мощности сигнала на входе в модулятор. А если волокна зафиксированы жестким образом, то неизбежны и механические деформации. Эти деформации необходимо предотвратить на стадии проектирования бортовой сети связи.
Необходимо отметить, что практические попытки построения макетов систем, регистрирующих методами рефлектометрии частотной области (OFDR) фазовые возмущения среды распространения, были сделаны в том числе и авторами настоящей статьи. Практический путь изначально был выбран по следующей причине: компьютерный эксперимент предусматривал вариацию большого числа параметров с генерацией внушительного объема исходных данных, которые было бы сложно не только обрабатывать, но и даже хранить. Поэтому, чтобы заведомо отсечь ряд показателей, которые можно установить экспериментально, был сконструирован стенд, представленный на рис.1.
На данной установке были получены обратнорассеянные сигналы интерференции прямой и обратной волн в месте потенциального воздействия (локации модулятора и его волоконных выводов в линии). Проведение эксперимента по такой схеме позволило определить соотношение длин плеч интерферометров рефлектометра частотной области, диапазоны и скорости перестройки лазера по частоте оптического излучения.
На рис.2 представлена рефлектограмма модулятора, подключенного к измерительному стенду с основного (общего) входа. Она получена путем прямого преобразования Фурье (FFT) исходного сигнала. Исходный сигнал (пунктирная линия) достаточно зашумлен, поэтому для облегчения визуальной идентификации было проведено шумоподавление при помощи Вейвлет-фильтрации (сплошная линия). Более подробно это описано авторами в [9]. Пунктиром показаны локации окна для взятия обратного преобразования Фурье (FFT–1), выполненного с сохранением фазы исходного сигнала. Первая локация находится на самом интегрально-оптическом модуляторе, вторая приходится на входной волоконный световод.
После этого были взяты ВКФ обратных спектров рефлектограмм с воздействием и без воздействия на волновод (рис.3) в указанных окнах. Описанные манипуляции проводились для локаций 1 и 2 (рис.2) в отдельности. График ВКФ функции для области 1 не приведен ввиду его высокой схожести с представленным графиком на рис.3.
Из рис.3 видно, что взаимнокорреляционная функция не имеет четко локализованных пиков. При этом топология размещения термоциклируемых световодов, стыкуемых с модулятором, была такой, что температурные вариации должны были создать деформации порядка нескольких мкм/м, что было проверено ранее на бриллюэновском анализаторе BOTDA.
Предполагается, что отсутствие важных деталей ВКФ, необходимых для идентификации, может быть связано как с невысокой скоростью работы фотоприемного устройства, так и с малой разрядностью аналого-цифрового преобразования. После получения значений ключевых параметров в результате натурного эксперимента (соотношение длин плеч интерферометров, диапазоны и скорости перестройки лазера по частоте оптического излучения) стало возможным моделирование исследуемой системы с целью подтвердить или опровергнуть гипотезу о необходимости применения в схеме более скоростных и/или высокоразрядных фотоприемных устройств.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Интегрально-оптический модулятор, в данном исполнении также выполняющий функции делителя излучения 50/50 и поляризатора, представлен на рис.4 [4].
Реализация модели возможна как во временной, так и частотной области. Габариты таких изделий исчисляются сантиметрами, поэтому диагностика интегрально-оптических фазовых модуляторов при помощи рефлектометрии временной области нецелесообразна: пространственное разрешение подобных исследовательских систем определяется длительностью прямоугольного зондирующего импульса (не менее 1 м). К тому же ранее собранный стенд был реализован на принципах OFDR. Поэтому уместно применение оптической рефлектометрии частотной области [7, 8, 10], в которой пространственное разрешение определяется диапазоном перестройки одночастотного излучения, вводимого в образец, и в практических применениях может составлять несколько десятков микрометров. Предположим, что сенсорные методики, восстанавливающие по изменению фазы обратнорассеянного сигнала локальное изменение показателя преломления, вызванное воздействиями температур и деформаций, применимы и к выявлению дрейфов показателя преломления вследствие пироэлектрического эффекта, присутствующего в кристалле ниобата лития.
Будем считать, что вследствие пироэффекта изменение температуры кристалла приводит к локальному изменению показателя преломления кристалла и волноводов за счет движения заряженных дефектов, присутствующих в кристалле и движущихся под действием пироэлектрического поля, причем показатель преломления волновода и матрицы меняется неодинаково, так как волновод окружен сеткой дислокаций, собирающей на себе заряды и частично экранирующей действие пироэлектрического поля [11]. Это приводит к фазовому сдвигу обратнорассеянного света на локальных неоднородностях и позволяет применять описанную ниже модель. Как показал анализ, фазовые сдвиги вследствие пироэффекта много слабее фазовых изменений в состыкованном с волноводом волокне, поэтому на первом этапе уместнее рассмотреть световод, в котором изменения в показателе преломления вместе с деформациями приводят к следующему изменению фазы обратнорассеянного света [6, 7]:
Δφ = ϵl{β – 0,5βn2[(1 – μ)p12 – μp11]}, (1)
где ϵ – механическое напряжение в световоде; l – координата нахождения воздействия; β – константа распространения; n – показатель преломления; μ – коэффициент Пуассона; p11 и p12 – эластооптические коэффициенты.
Выражение (1) представлено в литературе для оптического волокна, но в первом приближении его можно использовать и для канального волновода с таким же расположением относительно кристаллографических осей. После подстановки известных физических постоянных в формулу (1) можно упростить ее до Δφ = Kϵβl, где K – величина, характеризующая механические свойства среды распространения.
Для типовой конфигурации оптического рефлектометра частотной области [9], где интерферируют прямое сканирующее по частоте одночастотное излучение и его обратнорассеянная часть, регистрируемое электрическое поле, в соответствующей точке a можно записать следующим образом [7, 8]:
Eas(t) = riE0exp{j[ω0 (t – τi) + πγ(t – τi)2 + Δφ]}, (2)
где Eas(t) – электрическое поле обратного рассеяния во времени при наличии внешнего воздействия на волновод; ri – амплитуда отражения Френеля от i-ой неоднородности; E0 – амплитуда электрического поля вводимого в световод или волновод излучения; ω0 – изначальная круговая оптическая частота; t – время; τi – время прямого и обратного следования света от начала световода до i-ой неоднородности; γ – скорость перестройки оптической частоты зондирующего источника излучения.
Если просуммировать все значения данного поля от координаты a до b, получим исходные данные для построения соответствующего участка (окна) рефлектограммы. В данном окне, полученном обратным преобразованием Фурье с сохранением фазы заданной области рефлектограммы, представляются спектры для двух случаев: Δφ = 0 (заряда на поверхности волновода или натяжения световода нет) и Δφ ≠ 0 (заряд или натяжение присутствуют). Далее между ними вычисляется взаимнокорреляционная функция. ВКФ были построены по смоделированным с использованием (1) и (2) массивам данных. Величины воздействий взяты из моделирования, полученного авторами ранее [4] (для волновода) и из показаний BOTDA, полученных в более ранних экспериментах (для световода). Случай для световода представлен на рис.5.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАДАЧИ НА БУДУЩЕЕ
Из полученной ВКФ видно, что визуализируется четкий пик, сдвинутый от начала координат. Величина сдвига ВКФ, вызванного смоделированным сдвигом фазы света при растяжении входного световода на несколько десятков мкм/м, составляет 1,4 ∙ 10–5 с, что практически должно регистрироваться даже сравнительно "медленными" фотоприемными устройствами (в том числе и тем, что был использован в первичном эксперименте). Как и следовало ожидать, вариация частоты дискретизации в модели в диапазонах от 100–500 МГц не выявила серьезных улучшений или ухудшений в детектировании пика ВКФ. Таким образом, фактор малой разрядности становится более вероятной причиной неуверенной регистрации пиков этой функции на макетной установке. В пользу этого говорит также необходимость регистрации достаточно слабого обратнорассеянного сигнала на грани уровня шумов регистрирующего устройства.
Будущую работу по регистрации температурных деформаций волоконных выводов интегрально-оптических модуляторов уместно сфокусировать на вариации чувствительности фотоприемников при использовании аналого-цифровых преобразователей различной разрядности, не затрачивая дополнительных ресурсов на вариацию частоты дискретизации и применяя типовые регистраторы, работающие на 100–500 МГц. Что касается детектирования заряда на поверхности самого волновода, то опыт использования построенной компьютерной имитационной модели и эксплуатации стенда косвенно свидетельствует о том, что сверхмалые фазовые изменения, вызванные пироэффектом, вряд ли могут быть визуализированы на ВКФ, в то время как рефлектограмма, получаемая прямым преобразованием Фурье исходных данных, как раз отображает точку прекращения каналирования. Таким образом, необходимо повышать разрешение и достоверность самой рефлектограммы, а не ее "производных", полученных обратным преобразованием Фурье в сканирующем окне.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность инженеру лаборатории фотоники ПФИЦ УрО РАН Д.Клоду за неоценимую помощь в проведении экспериментов и плодотворные дискуссии. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 19-48-590018 р а.
ЛИТЕРАТУРА
Величко М.А., Наний О.Е., Сусьян А.А. Новые форматы модуляции в оптических системах связи // LIGHTWAVE Russian Edition. 2005. № 4. С. 21–30.
Наний О.Е., Трещиков В.Н. Новое поколение
DWDM-систем связи // Фотон-Экспресс. 2014.
№ 4(116). С. 18–23.
Afanasev V., Ponomarev R. Electrooptical amplitude modulator Mach-Zehnder based lithium niobate, their modifications and modulation formats // Applied photonics. 2017. No 4. С. 336–360.
Ponomarev R.S., Shevtsov D.I., Karnaushkin P.V. "Shutdown" of the Proton Exchange Channel Waveguide in the Phase Modulator under the Influence of the Pyroelectric Effect // Appl. Sci. 2019. No 9(21). Р. 658–668.
Soller B., Gifford D., Wolfe M., Froggatt M. High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies // Optics Express. 2005. No 13(2). P. 666–674.
Cui J., Zhao S., Yang D., Ding G.Z. Investigation of the interpolation method to improve the distributed strain measurement accuracy in optical frequency domain reflectometry systems // Applied Optics. 2018. No 57(6). P. 1424–1431.
Song J. Optical Frequency Domain Reflectometry: Sensing range extension and enhanced temperature sensitivity, M.Sc. degree in Physics Thesis. – Ottawa, 2014. 113 p.
Шевцов Д.И., Пономарев Р.С., Барков Ф.Л., Бочкова С.Д., Владимирова Д.Б., Константинов Ю.А. Программно-аппаратный комплекс получения и обработки оптических рефлектограмм интегрально-оптических схем в частотной области // Фотон-Экспресс. 2019. Специальный выпуск к ВКВО-2019. С. 322–323.
Moore E.D. Advances in Swept-Wavelength Interferometry for Precision Measurements, Doctor of Philosophy Thesis. – Boulder: University of Colorado, Department of Electrical, Computer and Energy Engineering. 2011. 294 p.
Jоnes R.С. New calculus for the treatment of optical systems // Journal of the Optical Society of America. 1941. No 31(7). P. 488–493.
Ponomarev R.S., Shevtsov D.I. Using of optical reflectometry in integrated-optic device production // Applied photonics. 2018. No 5(1–2). P. 102–107.
при температурном исследовании интегрально-оптических модуляторов методом рефлектометрии частотной области
Д.Шевцов, к.ф.-м.н., руководитель проекта Пермского федерального исследовательского
центра Уральского отделения РАН, доцент Пермского государственного научно-исследовательского университета,
Ю.Константинов, к.т.н., заведующий лабораторией фотоники ПФИЦ УрО РАН,
М.Белокрылов, мл. научный сотрудник ПФИЦ Уральского отделения РАН, аспирант ПГНИУ /
belokrylovme@gmail.com,
Р.Пономарев, к.ф.-м.н., ст. научный сотрудник ПФИЦ УрО РАН, доцент ПГНИУ
УДК 53.084: 535, DOI: 10.22184/2070-8963.2020.88.3.48.53
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ И ПРЕДЫДУЩАЯ РАБОТА
Интегрально-оптические амплитудные и фазовые модуляторы на подложке из ниобата лития нашли широкое применение в оптической связи, современной оптико-электронной схемотехнике и других областях фотоники. В частности, они стали не только неотъемлемой частью волоконно-оптического гироскопа (ВОГ) на эффекте Саньяка, от стабильности работы которого в широких температурных диапазонах зависит безопасность полетов самолетов, но и являются основным вариантом внешней модуляции в аналоговых и цифровых волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) [1–3], эксплуатация которых может проходить в сложных условиях, например, в бортовой сети летательного аппарата. Поэтому требует всестороннего исследования эффект прекращения каналирования фундаментальной моды интегрально-оптического волновода на резких температурных градиентах при нагреве из области низких температур [4].
Такой градиент может появиться, в частности, при посадке летательного аппарата с высоты в несколько тысяч метров (где температуры составляют десятки градусов Цельсия ниже нуля) на прогретый аэродром, при этом работа бортовой волоконно-оптической сети должна оставаться стабильной. Очевидно, что неполадки при этом могут явиться действительно фатальными, поскольку происходит не падение контрастности импульса, ведущее к возможной ошибке дальнейшей идентификации логического ноля или единицы, а полное прекращение каналирования, то есть информация перестает поступать вовсе.
Естественно, при проектировании топологии ВОЛС для летательных средств авиаконструкторы и инженеры связи уделяют особое внимание тому, чтобы активные части оптоэлектронных устройств находились в термоизолированных областях летательного аппарата и/или были термостатированы с помощью специальных контроллеров. Рассматриваемые вопросы приобретают новую актуальность в связи с появлением беспилотных средств, требующих для своих применений наличия на борту оптоэлектронных устройств, но не располагающих свободным пространством для термоизоляции и/или термостатирования. Таким образом, изучение данного эффекта актуально.
Кроме того, важным представляется не только моделирование и наблюдение самого эффекта, но и изучение возможности его пространственной локализации. Предполагается, что известные когерентные рефлектометрические методы, основанные на регистрации вызванного локальным изменением показателя преломления сдвига фазы в световодах и волноводах, пригодны и для локализации заряда на поверхности волновода, который в [4] назван основной возможной причиной нарушения каналирования. В данной области когерентной оптической рефлектометрии преуспели исследователи из США – Соллер, Гиффорд, Мур и др. [5].
При этом о метрологическом наблюдении обратных отражений свидетельствует в основном лишь одна команда – Соллер и др. из Luna Innovations, остальные исследователи говорят об OFDR-системе обычно как об аппаратной части распределенного датчика.
Исследователи из Китая (Куи и др.) [6], Канады (Сонг) [7] применяют для извлечения информации о температурах и отделении их от механических напряжений автокорреляционные и взаимнокорреляционные функции (АКФ и ВКФ соответственно) обратных фурье-преобразований рефлектограмм частотной области. Первичное исследование интегрально-оптических схем на качественном уровне, выполненное средствами OFDR, описано в [8]. По информации авторов, методы одновременной фиксации распределения ряда физических параметров, в том числе заряда вблизи волновода, отсутствуют. Также необходимо отметить, что в указанных и схожих с ними публикациях, коих в последние годы наблюдается великое множество, весьма скупо описываются физические (аппаратные) пределы методов вычисления физических величин по пикам на функциях АКФ и ВКФ. Именно поэтому ставится задача использовать полученные авторами ранее в [4] величины изменения показателя преломления dn, ведущие к прекращению каналирования, и определить, достаточны ли они для наблюдения фазового сдвига на ВКФ спектров до появления заряда и после.
К тому же, температурное поле действует и на волоконные световоды, состыкованные с модулятором. В некоторых конструкторских реализациях ввиду малых габаритов приемо-передающих систем они могут подвергаться изгибу. Эти факторы в совокупности в самых неблагоприятных случаях приводят к увеличению поляризационной помехи (h-параметра), что приводит к изменению мощности сигнала на входе в модулятор. А если волокна зафиксированы жестким образом, то неизбежны и механические деформации. Эти деформации необходимо предотвратить на стадии проектирования бортовой сети связи.
Необходимо отметить, что практические попытки построения макетов систем, регистрирующих методами рефлектометрии частотной области (OFDR) фазовые возмущения среды распространения, были сделаны в том числе и авторами настоящей статьи. Практический путь изначально был выбран по следующей причине: компьютерный эксперимент предусматривал вариацию большого числа параметров с генерацией внушительного объема исходных данных, которые было бы сложно не только обрабатывать, но и даже хранить. Поэтому, чтобы заведомо отсечь ряд показателей, которые можно установить экспериментально, был сконструирован стенд, представленный на рис.1.
На данной установке были получены обратнорассеянные сигналы интерференции прямой и обратной волн в месте потенциального воздействия (локации модулятора и его волоконных выводов в линии). Проведение эксперимента по такой схеме позволило определить соотношение длин плеч интерферометров рефлектометра частотной области, диапазоны и скорости перестройки лазера по частоте оптического излучения.
На рис.2 представлена рефлектограмма модулятора, подключенного к измерительному стенду с основного (общего) входа. Она получена путем прямого преобразования Фурье (FFT) исходного сигнала. Исходный сигнал (пунктирная линия) достаточно зашумлен, поэтому для облегчения визуальной идентификации было проведено шумоподавление при помощи Вейвлет-фильтрации (сплошная линия). Более подробно это описано авторами в [9]. Пунктиром показаны локации окна для взятия обратного преобразования Фурье (FFT–1), выполненного с сохранением фазы исходного сигнала. Первая локация находится на самом интегрально-оптическом модуляторе, вторая приходится на входной волоконный световод.
После этого были взяты ВКФ обратных спектров рефлектограмм с воздействием и без воздействия на волновод (рис.3) в указанных окнах. Описанные манипуляции проводились для локаций 1 и 2 (рис.2) в отдельности. График ВКФ функции для области 1 не приведен ввиду его высокой схожести с представленным графиком на рис.3.
Из рис.3 видно, что взаимнокорреляционная функция не имеет четко локализованных пиков. При этом топология размещения термоциклируемых световодов, стыкуемых с модулятором, была такой, что температурные вариации должны были создать деформации порядка нескольких мкм/м, что было проверено ранее на бриллюэновском анализаторе BOTDA.
Предполагается, что отсутствие важных деталей ВКФ, необходимых для идентификации, может быть связано как с невысокой скоростью работы фотоприемного устройства, так и с малой разрядностью аналого-цифрового преобразования. После получения значений ключевых параметров в результате натурного эксперимента (соотношение длин плеч интерферометров, диапазоны и скорости перестройки лазера по частоте оптического излучения) стало возможным моделирование исследуемой системы с целью подтвердить или опровергнуть гипотезу о необходимости применения в схеме более скоростных и/или высокоразрядных фотоприемных устройств.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
Интегрально-оптический модулятор, в данном исполнении также выполняющий функции делителя излучения 50/50 и поляризатора, представлен на рис.4 [4].
Реализация модели возможна как во временной, так и частотной области. Габариты таких изделий исчисляются сантиметрами, поэтому диагностика интегрально-оптических фазовых модуляторов при помощи рефлектометрии временной области нецелесообразна: пространственное разрешение подобных исследовательских систем определяется длительностью прямоугольного зондирующего импульса (не менее 1 м). К тому же ранее собранный стенд был реализован на принципах OFDR. Поэтому уместно применение оптической рефлектометрии частотной области [7, 8, 10], в которой пространственное разрешение определяется диапазоном перестройки одночастотного излучения, вводимого в образец, и в практических применениях может составлять несколько десятков микрометров. Предположим, что сенсорные методики, восстанавливающие по изменению фазы обратнорассеянного сигнала локальное изменение показателя преломления, вызванное воздействиями температур и деформаций, применимы и к выявлению дрейфов показателя преломления вследствие пироэлектрического эффекта, присутствующего в кристалле ниобата лития.
Будем считать, что вследствие пироэффекта изменение температуры кристалла приводит к локальному изменению показателя преломления кристалла и волноводов за счет движения заряженных дефектов, присутствующих в кристалле и движущихся под действием пироэлектрического поля, причем показатель преломления волновода и матрицы меняется неодинаково, так как волновод окружен сеткой дислокаций, собирающей на себе заряды и частично экранирующей действие пироэлектрического поля [11]. Это приводит к фазовому сдвигу обратнорассеянного света на локальных неоднородностях и позволяет применять описанную ниже модель. Как показал анализ, фазовые сдвиги вследствие пироэффекта много слабее фазовых изменений в состыкованном с волноводом волокне, поэтому на первом этапе уместнее рассмотреть световод, в котором изменения в показателе преломления вместе с деформациями приводят к следующему изменению фазы обратнорассеянного света [6, 7]:
Δφ = ϵl{β – 0,5βn2[(1 – μ)p12 – μp11]}, (1)
где ϵ – механическое напряжение в световоде; l – координата нахождения воздействия; β – константа распространения; n – показатель преломления; μ – коэффициент Пуассона; p11 и p12 – эластооптические коэффициенты.
Выражение (1) представлено в литературе для оптического волокна, но в первом приближении его можно использовать и для канального волновода с таким же расположением относительно кристаллографических осей. После подстановки известных физических постоянных в формулу (1) можно упростить ее до Δφ = Kϵβl, где K – величина, характеризующая механические свойства среды распространения.
Для типовой конфигурации оптического рефлектометра частотной области [9], где интерферируют прямое сканирующее по частоте одночастотное излучение и его обратнорассеянная часть, регистрируемое электрическое поле, в соответствующей точке a можно записать следующим образом [7, 8]:
Eas(t) = riE0exp{j[ω0 (t – τi) + πγ(t – τi)2 + Δφ]}, (2)
где Eas(t) – электрическое поле обратного рассеяния во времени при наличии внешнего воздействия на волновод; ri – амплитуда отражения Френеля от i-ой неоднородности; E0 – амплитуда электрического поля вводимого в световод или волновод излучения; ω0 – изначальная круговая оптическая частота; t – время; τi – время прямого и обратного следования света от начала световода до i-ой неоднородности; γ – скорость перестройки оптической частоты зондирующего источника излучения.
Если просуммировать все значения данного поля от координаты a до b, получим исходные данные для построения соответствующего участка (окна) рефлектограммы. В данном окне, полученном обратным преобразованием Фурье с сохранением фазы заданной области рефлектограммы, представляются спектры для двух случаев: Δφ = 0 (заряда на поверхности волновода или натяжения световода нет) и Δφ ≠ 0 (заряд или натяжение присутствуют). Далее между ними вычисляется взаимнокорреляционная функция. ВКФ были построены по смоделированным с использованием (1) и (2) массивам данных. Величины воздействий взяты из моделирования, полученного авторами ранее [4] (для волновода) и из показаний BOTDA, полученных в более ранних экспериментах (для световода). Случай для световода представлен на рис.5.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ЗАДАЧИ НА БУДУЩЕЕ
Из полученной ВКФ видно, что визуализируется четкий пик, сдвинутый от начала координат. Величина сдвига ВКФ, вызванного смоделированным сдвигом фазы света при растяжении входного световода на несколько десятков мкм/м, составляет 1,4 ∙ 10–5 с, что практически должно регистрироваться даже сравнительно "медленными" фотоприемными устройствами (в том числе и тем, что был использован в первичном эксперименте). Как и следовало ожидать, вариация частоты дискретизации в модели в диапазонах от 100–500 МГц не выявила серьезных улучшений или ухудшений в детектировании пика ВКФ. Таким образом, фактор малой разрядности становится более вероятной причиной неуверенной регистрации пиков этой функции на макетной установке. В пользу этого говорит также необходимость регистрации достаточно слабого обратнорассеянного сигнала на грани уровня шумов регистрирующего устройства.
Будущую работу по регистрации температурных деформаций волоконных выводов интегрально-оптических модуляторов уместно сфокусировать на вариации чувствительности фотоприемников при использовании аналого-цифровых преобразователей различной разрядности, не затрачивая дополнительных ресурсов на вариацию частоты дискретизации и применяя типовые регистраторы, работающие на 100–500 МГц. Что касается детектирования заряда на поверхности самого волновода, то опыт использования построенной компьютерной имитационной модели и эксплуатации стенда косвенно свидетельствует о том, что сверхмалые фазовые изменения, вызванные пироэффектом, вряд ли могут быть визуализированы на ВКФ, в то время как рефлектограмма, получаемая прямым преобразованием Фурье исходных данных, как раз отображает точку прекращения каналирования. Таким образом, необходимо повышать разрешение и достоверность самой рефлектограммы, а не ее "производных", полученных обратным преобразованием Фурье в сканирующем окне.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы выражают благодарность инженеру лаборатории фотоники ПФИЦ УрО РАН Д.Клоду за неоценимую помощь в проведении экспериментов и плодотворные дискуссии. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Пермского края в рамках научного проекта № 19-48-590018 р а.
ЛИТЕРАТУРА
Величко М.А., Наний О.Е., Сусьян А.А. Новые форматы модуляции в оптических системах связи // LIGHTWAVE Russian Edition. 2005. № 4. С. 21–30.
Наний О.Е., Трещиков В.Н. Новое поколение
DWDM-систем связи // Фотон-Экспресс. 2014.
№ 4(116). С. 18–23.
Afanasev V., Ponomarev R. Electrooptical amplitude modulator Mach-Zehnder based lithium niobate, their modifications and modulation formats // Applied photonics. 2017. No 4. С. 336–360.
Ponomarev R.S., Shevtsov D.I., Karnaushkin P.V. "Shutdown" of the Proton Exchange Channel Waveguide in the Phase Modulator under the Influence of the Pyroelectric Effect // Appl. Sci. 2019. No 9(21). Р. 658–668.
Soller B., Gifford D., Wolfe M., Froggatt M. High resolution optical frequency domain reflectometry for characterization of components and assemblies // Optics Express. 2005. No 13(2). P. 666–674.
Cui J., Zhao S., Yang D., Ding G.Z. Investigation of the interpolation method to improve the distributed strain measurement accuracy in optical frequency domain reflectometry systems // Applied Optics. 2018. No 57(6). P. 1424–1431.
Song J. Optical Frequency Domain Reflectometry: Sensing range extension and enhanced temperature sensitivity, M.Sc. degree in Physics Thesis. – Ottawa, 2014. 113 p.
Шевцов Д.И., Пономарев Р.С., Барков Ф.Л., Бочкова С.Д., Владимирова Д.Б., Константинов Ю.А. Программно-аппаратный комплекс получения и обработки оптических рефлектограмм интегрально-оптических схем в частотной области // Фотон-Экспресс. 2019. Специальный выпуск к ВКВО-2019. С. 322–323.
Moore E.D. Advances in Swept-Wavelength Interferometry for Precision Measurements, Doctor of Philosophy Thesis. – Boulder: University of Colorado, Department of Electrical, Computer and Energy Engineering. 2011. 294 p.
Jоnes R.С. New calculus for the treatment of optical systems // Journal of the Optical Society of America. 1941. No 31(7). P. 488–493.
Ponomarev R.S., Shevtsov D.I. Using of optical reflectometry in integrated-optic device production // Applied photonics. 2018. No 5(1–2). P. 102–107.
Отзывы читателей
