eng
Выпуск #6/2016
В.Гаврилов, Ю.Грязнов, П.Моисеев, А.Частов
Развитие принципов построения переменных оптико-электронных аттенюаторов
Развитие принципов построения переменных оптико-электронных аттенюаторов
Просмотры: 5338
В статье рассмотрены основные принципы построения переменных оптико-электронных аттенюаторов. Описаны детали конструкции различных аттенюаторов. Предложен алгоритмический метод повышения точности установки ослаблений, реализованный с помощью встраиваемого микроконтроллера.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.94.107
DOI:10.22184/1993-7296.2016.60.6.94.107
Теги: fiber-optic transmission system optic variable attenuator волоконно-оптические системы передач оптические переменные аттенюаторы
ВВЕДЕНИЕ
Возникновение волоконной оптики, обусловленное, в частности, созданием когерентных источников света, привело к необходимости разработки измерительной техники, которая сможет функционировать аналогично приборам, работающим в радиодиапазоне. Речь идет о генераторах, аттенюаторах, ваттметрах и других устройствах, предназначенных для работы с излучением оптического диапазона.
Аттенюаторы используются для изменения уровня светового потока перед регистрирующим прибором [1,2], измерения чувствительности оптико-электронных приборов и улучшения работы приемников ( например, перевод детектора на линейный участок характеристики [3]). Отмечаются следующие принципы ослабления света: использование расходимости пучка излучения, фотометрические сетки, диафрагмы, вращающийся диск с чередованием секторов различной прозрачности, рассеивающие или поглощающие среды, комбинации линз и диафрагм, многократное френелевское отражение.
В данной работе описываются особенности конструкции и функциональные возможности волоконно-оптических аттенюаторов производства ННИПИ "Кварц", а также методы их усовершенствования.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ АТТЕНЮАТОРОВ
При переходе к волоконной оптике цели и принципы ослабления излучения остаются без изменения. Однако конструктивное исполнение аттенюаторов осложняется тем, что в большинстве случаев на их входе и выходе стоят волоконные соединители. Для определенности под ослабителями далее мы будем понимать элемент, в котором непосредственно происходит поглощение излучения, а под аттенюатором – устройство, в которое входит названный элемент с согласующими и механическими узлами.
Волоконно-оптические аттенюаторы можно классифицировать по различным признакам.
Один из таких признаков – характер ослабления излучения. Существуют модели аттенюаторов, которые могут уменьшать интенсивность излучения на фиксированную величину. В некоторых устройствах реализовано переключение дискретных значений ослабления. Часть аттенюаторов разработаны для непрерывного изменения интенсивности. Кроме того, существуют модификации, в которых сочетается ступенчатая и плавная регулировка ослабления света.
Исходя из назначения, аттенюаторы могут встраиваться в измерительные модули или выпускаться как самостоятельные изделия.
По методу внесения потерь аттенюаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В первом случае происходит последовательное переключение нескольких элементов с различными значениями ослабления. Во втором – одновременное включение нескольких элементов с различными величинами ослабления.
Управление аттенюаторами может быть как механическим, так и программным.
Разработка волоконно-оптических аттенюаторов в ННИПИ "Кварц" началась в 80-х годах прошлого столетия. При создании первых отечественных волоконно-оптических генераторов ОГ4-162 и ОГ4-163 возникла необходимость включения в них аттенюатора с переменным значением ослабления [4]. Ослабление оптического излучения осуществлялось за счет дифракционных потерь при передаче излучения между торцами оптически связанных световодов. Изменение значения ослабления излучения 2 (рис.1) в диапазоне 0–25 дБ производилось путем варьирования расстояния L между торцами световодов 1 и 3. При этом разрешение при установке значения ослабления было не хуже 0,1 дБ, погрешность – менее 0,5 дБ, начальные потери не превышали 0,8 дБ.
Конструктивно аттенюатор состоит из направляющей, в которой расположены наконечники с точно центрированными световодами. Установка необходимого значения ослабления производится ручкой, связанной с механизмом перемещения одного из наконечников и отсчетным устройством (рис.2).
Более высокой воспроизводимости параметров ослабления можно достичь двумя методами: при работе с параллельными пучками или путем разрыва волоконно-оптического тракта и установки на его входе и выходе линзовых согласующих элементов. Микролинзы согласующих элементов юстируются относительно торцов волокна и друг друга по минимальному значению начальных вносимых потерь. Точность установки торца волокна должна быть не хуже 0,5 мкм в поперечном сечении и 5 мкм – в продольном.
Ослабление оптического излучения достигается путем введения в параллельный пучок одного или нескольких дискретных ослабителей (рис.3).
Ослабление на длине волны излучения при вводе в канал n ослабителей составляет
, (1)
где
n – число включенных дискретных ослабителей,
ρi (λ) – отражение от поверхности i-го поглотителя,
Li – толщина i-го поглотителя.
Точная величина ослабления достигается посредством введения переменного ослабителя, который изменяет интенсивность излучения путем варьирования угла поворота диска с нанесенным поглотителем:
(2)
где
α – угол поворота диска,
f (α) – зависимость толщины пленки от угла поворота,
ρпер (α, λ) – коэффициент уменьшения интенсивности излучения для плавного ослабителя, определяемый как отношение интенсивности излучения после ослабителя к интенсивности излучения до ослабителя.
Встраиваемый аттенюатор с методом внесения потерь последовательного типа показан на рис.4. Пять дискретных ослабителей с фиксированными значениями ослабления от 1 до 30 дБ расположены на диске и при его вращении могут последовательно вводиться в оптический канал. Диск связан с ручкой управления системой шестерен. Он расположен между входным и выходным согласующими элементами. Рабочие длины волн составляют 0,85; 1,3; 1,55 мкм.
Встраиваемые аттенюаторы интегрируются и в волоконно-оптические генераторы ОГ4–181 и ОГ4–182 [5]. В оптических блоках этих генераторов сформирован канал с параллельным пучком излучения, в котором последовательно расположены: ответвитель, плавный аттенюатор, дополнительный ответвитель, дискретные аттенюаторы с затуханием 20 и 40 дБ, вводимые в канал с помощью реле. Регистрация сигналов с ответвителей с помощью фотодиодов позволяет контролировать мощность излучения на входе и после плавного ослабителя. Кроме того, внедрение в конструкцию переключателя приводит к возможности полностью перекрывать параллельный пучок.
Все разработанные аттенюаторы, кроме моделей, встроенных в генераторы ОГ4–162 и ОГ4–163, построены на основе внесения потерь в параллельный пучок между двумя согласующими узлами. Используется как последовательный, так и параллельный способы внесения потерь. Преимуществом параллельного способа, который реализован во всех программируемых аттенюаторах, является возможность достижения предельных величин ослабления при сравнительно небольших характеристиках ослабления составляющих элементов. К недостаткам следует отнести повышение начальных потерь из-за увеличения расстояния между согласующими элементами.
В ННИПИ "Кварц" разработана линейка аттенюаторов, представляющих собой самостоятельные устройства, обеспечивающие различную степень ослабления. Среди них можно выделить аттенюатор с параллельным способом введения ослабления (рис.5), состоящий из соосно расположенных ослабителей с заданными значениями затухания. Прибор позволяет использовать любую комбинацию ослабителей в диапазоне 0–80 дБ с шагом 3–4 дБ.
В аттенюаторе, показанном на рис.6, реализован комбинированный способ внесения потерь. Дискретные элементы с заданными значениями ослабления от 3 до 30 дБ установлены на диске и поочередно вводятся в пучок излучения. Последовательно с диском, где расположены дискретные ослабители, помещен диск плавного ослабителя, при повороте которого изменяется поглощение излучения от 0 до 20 дБ. Эти два диска связаны с ручками управления системой шестеренок. В окне на передней панели аттенюатора расположены лимбы, проградуированные в единицах дБ.
Кроме дисков в пучок излучения в области задней панели с помощью электродвигателя вводится пластина, имеющая три положения: открыто, закрыто и дополнительный ослабитель с затуханием в 20 или 30 дБ. Общий диапазон изменения значения ослабления составляет от 0 до 80 дБ. Специально разработанные согласующие узлы устроены так, что излучение посредством использования микролинз фокусируется на торцы внешних соединителей, подключаемых к аттенюатору. Была разработана модификация аттенюатора, у которого на входе и выходе установлены стандартные розетки, связанные с согласующими узлами с помощью внутренних стандартных соединителей (рис.7).
Наиболее технологическим методом изготовления ослабителей является напыление металлической пленки на прозрачную подложку. Основное требование, предъявляемое к материалу покрытия – минимальная зависимость коэффициента ослабления от длины волны. Этому аспекту в наибольшей степени удовлетворяют пленки из титана и никеля. Наименьшей селективностью обладают пленки из никеля, однако они характеризуются низкой адгезией к стеклу. Поэтому для ослабителей более подходят пленки на основе титана.
Кроме поглощающих покрытий в изготовлении аттенюаторов используются специально разработанные просветляющие покрытия (MgF2-Al2O3-ZrO2-ZnS) для уменьшения отражения от линз в согласующих элементах и устранения интерференции в ослабителях (рис.8).
Перспективным направлением для автоматизации работы аттенюаторов в контрольно-измерительной аппаратуре ВОЛС является применение пьезоэлектрических двигателей. Вибродвигатели обладают рядом специфических свойств: высокой чувствительностью – в пределах 0,9–0,1 мкм, малой постоянной времени – порядка 0,1 мс, изменением угловой скорости в широких пределах, мгновенной фиксацией положения ротора благодаря сухому трению, миниатюрным габаритам и простотой конструкции. Все эти особенности позволили создать электроуправляемый комбинированный аттенюатор с плавной и ступенчатой регулировкой поглощения коллимированного пучка излучения (рис.9).
Наиболее совершенными приборами, используемыми для ослабления оптического излучения, являются программируемые аттенюаторы.
Первый отечественный программируемый аттенюатор VM 1602 предназначен для ослабления сигналов в оптическом диапазоне в составе модульной контрольно-измерительной аппаратуры с интерфейсной шиной VXI (рис.10). Диапазон изменения значений ослабления составляет 0–60 дБ с погрешностью его установки 0,2 дБ. Рабочая длина волны излучения соответствует 1,3±0,05 мкм. Аттенюатор включает в себя оптический блок, микроконтроллерное устройство управления и интерфейс VXI.
Управление аттенюатором осуществляется с помощью графического интерфейса пользователя, разработанного на основе современных методов визуального проектирования. Видеопанель интерактивного управления прибором, реализованная в виде автономного приложения, позволяет использовать аттенюатор с ОС Windows 2000/XP/7 (рис.11).
Микроконтроллерное устройство управления включает в себя узлы управления дискретными и плавным ослабителями, а также узлы формирования сигналов об их срабатывании.
Программируемый волоконно-оптический аттенюатор ОД1–28 (рис.12), разработанный для автоматизированного рабочего места ОК6–13 [6], является самостоятельным прибором с метрологическими параметрами и занесен в Государственный реестр измерительных средств РФ.
Аттенюатор включает в себя базовый блок и три сменных блока, каждый из которых предназначен для соответствующей длины волны (рис.13).
В сменном блоке расположены оптический блок с приводами ослабителей и устройством их управления (рис.14).
Оптический блок представляет собой отрезок волоконно-оптического тракта с разрывом линии. На входе и выходе разрыва установлены линзовые согласующие элементы. Ослабление сигнала производится в диапазоне от 0 до 90 дБ. Рабочие длины волн соответствуют 0,85, 1,31 и 1,55 мкм. Для ослабления используется введение в оптическом канале семи дискретных ослабителей с величинами затухания 2, 3, 4, 8, 16, 30, 32 дБ и одного ослабителя с переменным значением от 0 до 3 дБ. Ослабители располагаются между согласующими линзовыми элементами.
Погрешность установки ослабления аттенюатора соответствует ΔА = ( 0,2 + 0,013 А ) дБ, где А – номинальное значение воспроизводимого затухания (дБ). Начальные потери составляют не более 3 дБ.
Введение в оптический канал дискретных ослабителей осуществляется с помощью электромагнитных приводов, а управление переменным ослабителем – посредством электродвигателя с редуктором. Для полного перекрытия оптического канала устанавливается электромагнитный привод со шторкой.
Управление системой электромагнитных приводов и электродвигателем осуществляется микроконтроллером, расположенном в базовом блоке. Уровни управляющих сигналов формируются в устройствах управления, находящихся в сменных блоках прибора. Аттенюатор обеспечивает работу как в ручном, так и в дистанционном режиме управления через интерфейсы КОП, USB или RS 232.
Использование тонкопленочных дискретных ослабителей с большим значением ослабления (16–32 дБ) в широком спектральном диапазоне (1 300–1 700 нм) приводит к существенному увеличению спектрально зависимой составляющей погрешности ослабления. Подобная погрешность может достигать единиц децибел на краях спектрального диапазона и поэтому, в ряде случаев, не компенсируется переменным ослабителем.
Непосредственное увеличение значения переменного ослабителя до 5–7 дБ приводит к уменьшению точности ослабления аттенюатора и появлению дополнительной спектрально зависимой погрешности, вносимой самим переменным ослабителем.
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ОСЛАБЛЕНИЯ АТТЕНЮАТОРА
Применение сложных конструктивно-технологических методов уменьшения погрешности ослабления дискретных ослабителей не всегда обеспечивает желаемый результат. В первую очередь это определяется конечной точностью изготовления тонкопленочных оптических ослабителей. Стоит отметить, что разброс погрешности напыления покрытия достигает единиц и десятков процентов. Кроме того, процесс производства тонкопленочных ослабителей связан с большими экономическими затратами. Плюс ко всему, параметры оптических ослабителей зависят от температуры окружающей среды.
Существенное повышение метрологических характеристик волоконно-оптических аттенюаторов с дискретными ослабителями можно осуществить за счет применения алгоритмических методов коррекции устанавливаемого значения ослабления, базирующихся на математической обработке информации о реальных параметрах как дискретных, так и переменно-оптических ослабителей.
Решение задачи коррекции погрешности дискретных ослабителей в широком спектральном диапазоне проводилось в два этапа.
На первом этапе методом образцовых мер получали индивидуальные градуировочные характеристики ослабителей как функции от длины волны излучения ai (λ). Разность значений градуировочной характеристики и образцовых мер в виде массива поправок, записывалась в память прибора. Значение поправок на длинах волн, отличных от длин волн калибровки, получали методом кусочно-линейной аппроксимации. Данный метод использовали в целях уменьшения объема внутренней памяти встроенных вычислительных средств, сокращения количества образцовых мер и времени калибровки.
Однако коррекция погрешности ослабления аттенюатора с помощью массива поправок для всех комбинаций дискретных ослабителей не позволяет обеспечить необходимую точность установки ослабления.
Поэтому дополнительно был разработан метод оптимизации комбинаций включения дискретных ослабителей на основе хранящихся в памяти поправок.
Суть метода в том, что при установке заданного значения ослабления с помощью встроенных вычислительных средств прибора осуществляется такой выбор включения дискретных ослабителей, чтобы их суммарная погрешность для выбранной длины волны была меньше значения переменного ослабителя. Таким образом, выполняется неравенство
, (3)
где
Ауст – ослабление, установленное на передней панели,
ai – реальные значения ослаблений дискретных ослабителей с учетом поправок,
апл – реальное ослабление переменного ослабителя.
Набранное на передней панели значение ослабления (например, 29 дБ) в случае идеально точных дискретных ослабителей может быть реализовано набором 16 дБ +8 дБ +4 дБ дискретных ослабителей и +1 дБ плавного ослабителя. Однако дискретные ослабители изготавливаются с определенной погрешностью. Конкретные значения ослабления заносятся в память прибора. Туда же входят отклонения значения ослабления дискретных ослабителей в зависимости от длины волны. Таким образом, оптимальным набором для реализации ослабления 29 дБ может оказаться совсем другой набор, который определяется вычислительными средствами.
Применение подобного решения в волоконно-оптическом аттенюаторе ОД1–28 позволило снизить уровень погрешности установки ослабления до 0,2 дБ в широком спектральном и динамическом диапазонах.
Модификациями прибора ОД1–28 являются аттенюатор на 3 длины волны, выполненный в едином корпусе (рис.15) [7], и аттенюатор на одну длину волны (рис.16).
Основные параметры рассмотренных аттенюаторов представлены в таблице.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время в ННИПИ "Кварц" проводится определение оптимальной номенклатуры волоконно-оптических аттенюаторов разных видов и назначений: от специальных метрологических систем до портативных аттенюаторов тестерного типа. Уточняются их технические, функциональные и эксплуатационные характеристики, позволяющие удовлетворять широкий круг требований пользователей в различных научных и метрологических организациях и промышленных предприятиях нашей страны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hecht J. Photonic Frontiers: Optical Test and Measurement: Looking Back/Looking Forward: A revolution in optical measurement – faster, easier and far more digital. – Laser Focus World, 2015, issue 10, p.25.
2. Воронков Г.Л. Ослабители оптического излучения. – Лю: Машиностроение, 1980.
3. Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика. – М.: Физматгиз, 1961.
4. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М. и др. Генераторы сигналов оптические ОГ4–162 и ОГ-163. – Световодные системы связи и передачи информации: Тез. докл. IV Всесоюз. конф., Москва, 1984.
5. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М. и др. Генераторы АМ оптических сигналов ОГ4–181, ОГ4–182. – Техника средств связи. Сер.: Радиоизмерительная техника, 1991, вып. 2, с.43–50.
6. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М., Махалов А.В., Частов А.А. Автоматизированный рабочий эталон ОК6–13 для поверки средств измерения параметров ВОСП. – Радиолокация, навигация, связь: Материалы XIV конференции, Воронеж, 2008, т. 2, с. 1372–1386.
7. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М., Махалов А.В., Моисеев П.Д., Синев Д.А., Частов А.А. Средство контроля параметров волоконно-оптических модулей. – Радиоизмерения и электроника, Н. Новгород: ОАО "ФНПЦ ННИПИ Кварц им. А.П. Горшкова", 2013, № 19, с. 25–30.
Возникновение волоконной оптики, обусловленное, в частности, созданием когерентных источников света, привело к необходимости разработки измерительной техники, которая сможет функционировать аналогично приборам, работающим в радиодиапазоне. Речь идет о генераторах, аттенюаторах, ваттметрах и других устройствах, предназначенных для работы с излучением оптического диапазона.
Аттенюаторы используются для изменения уровня светового потока перед регистрирующим прибором [1,2], измерения чувствительности оптико-электронных приборов и улучшения работы приемников ( например, перевод детектора на линейный участок характеристики [3]). Отмечаются следующие принципы ослабления света: использование расходимости пучка излучения, фотометрические сетки, диафрагмы, вращающийся диск с чередованием секторов различной прозрачности, рассеивающие или поглощающие среды, комбинации линз и диафрагм, многократное френелевское отражение.
В данной работе описываются особенности конструкции и функциональные возможности волоконно-оптических аттенюаторов производства ННИПИ "Кварц", а также методы их усовершенствования.
КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ АТТЕНЮАТОРОВ
При переходе к волоконной оптике цели и принципы ослабления излучения остаются без изменения. Однако конструктивное исполнение аттенюаторов осложняется тем, что в большинстве случаев на их входе и выходе стоят волоконные соединители. Для определенности под ослабителями далее мы будем понимать элемент, в котором непосредственно происходит поглощение излучения, а под аттенюатором – устройство, в которое входит названный элемент с согласующими и механическими узлами.
Волоконно-оптические аттенюаторы можно классифицировать по различным признакам.
Один из таких признаков – характер ослабления излучения. Существуют модели аттенюаторов, которые могут уменьшать интенсивность излучения на фиксированную величину. В некоторых устройствах реализовано переключение дискретных значений ослабления. Часть аттенюаторов разработаны для непрерывного изменения интенсивности. Кроме того, существуют модификации, в которых сочетается ступенчатая и плавная регулировка ослабления света.
Исходя из назначения, аттенюаторы могут встраиваться в измерительные модули или выпускаться как самостоятельные изделия.
По методу внесения потерь аттенюаторы подразделяются на последовательные и параллельные. В первом случае происходит последовательное переключение нескольких элементов с различными значениями ослабления. Во втором – одновременное включение нескольких элементов с различными величинами ослабления.
Управление аттенюаторами может быть как механическим, так и программным.
Разработка волоконно-оптических аттенюаторов в ННИПИ "Кварц" началась в 80-х годах прошлого столетия. При создании первых отечественных волоконно-оптических генераторов ОГ4-162 и ОГ4-163 возникла необходимость включения в них аттенюатора с переменным значением ослабления [4]. Ослабление оптического излучения осуществлялось за счет дифракционных потерь при передаче излучения между торцами оптически связанных световодов. Изменение значения ослабления излучения 2 (рис.1) в диапазоне 0–25 дБ производилось путем варьирования расстояния L между торцами световодов 1 и 3. При этом разрешение при установке значения ослабления было не хуже 0,1 дБ, погрешность – менее 0,5 дБ, начальные потери не превышали 0,8 дБ.
Конструктивно аттенюатор состоит из направляющей, в которой расположены наконечники с точно центрированными световодами. Установка необходимого значения ослабления производится ручкой, связанной с механизмом перемещения одного из наконечников и отсчетным устройством (рис.2).
Более высокой воспроизводимости параметров ослабления можно достичь двумя методами: при работе с параллельными пучками или путем разрыва волоконно-оптического тракта и установки на его входе и выходе линзовых согласующих элементов. Микролинзы согласующих элементов юстируются относительно торцов волокна и друг друга по минимальному значению начальных вносимых потерь. Точность установки торца волокна должна быть не хуже 0,5 мкм в поперечном сечении и 5 мкм – в продольном.
Ослабление оптического излучения достигается путем введения в параллельный пучок одного или нескольких дискретных ослабителей (рис.3).
Ослабление на длине волны излучения при вводе в канал n ослабителей составляет
, (1)
где
n – число включенных дискретных ослабителей,
ρi (λ) – отражение от поверхности i-го поглотителя,
Li – толщина i-го поглотителя.
Точная величина ослабления достигается посредством введения переменного ослабителя, который изменяет интенсивность излучения путем варьирования угла поворота диска с нанесенным поглотителем:
(2)
где
α – угол поворота диска,
f (α) – зависимость толщины пленки от угла поворота,
ρпер (α, λ) – коэффициент уменьшения интенсивности излучения для плавного ослабителя, определяемый как отношение интенсивности излучения после ослабителя к интенсивности излучения до ослабителя.
Встраиваемый аттенюатор с методом внесения потерь последовательного типа показан на рис.4. Пять дискретных ослабителей с фиксированными значениями ослабления от 1 до 30 дБ расположены на диске и при его вращении могут последовательно вводиться в оптический канал. Диск связан с ручкой управления системой шестерен. Он расположен между входным и выходным согласующими элементами. Рабочие длины волн составляют 0,85; 1,3; 1,55 мкм.
Встраиваемые аттенюаторы интегрируются и в волоконно-оптические генераторы ОГ4–181 и ОГ4–182 [5]. В оптических блоках этих генераторов сформирован канал с параллельным пучком излучения, в котором последовательно расположены: ответвитель, плавный аттенюатор, дополнительный ответвитель, дискретные аттенюаторы с затуханием 20 и 40 дБ, вводимые в канал с помощью реле. Регистрация сигналов с ответвителей с помощью фотодиодов позволяет контролировать мощность излучения на входе и после плавного ослабителя. Кроме того, внедрение в конструкцию переключателя приводит к возможности полностью перекрывать параллельный пучок.
Все разработанные аттенюаторы, кроме моделей, встроенных в генераторы ОГ4–162 и ОГ4–163, построены на основе внесения потерь в параллельный пучок между двумя согласующими узлами. Используется как последовательный, так и параллельный способы внесения потерь. Преимуществом параллельного способа, который реализован во всех программируемых аттенюаторах, является возможность достижения предельных величин ослабления при сравнительно небольших характеристиках ослабления составляющих элементов. К недостаткам следует отнести повышение начальных потерь из-за увеличения расстояния между согласующими элементами.
В ННИПИ "Кварц" разработана линейка аттенюаторов, представляющих собой самостоятельные устройства, обеспечивающие различную степень ослабления. Среди них можно выделить аттенюатор с параллельным способом введения ослабления (рис.5), состоящий из соосно расположенных ослабителей с заданными значениями затухания. Прибор позволяет использовать любую комбинацию ослабителей в диапазоне 0–80 дБ с шагом 3–4 дБ.
В аттенюаторе, показанном на рис.6, реализован комбинированный способ внесения потерь. Дискретные элементы с заданными значениями ослабления от 3 до 30 дБ установлены на диске и поочередно вводятся в пучок излучения. Последовательно с диском, где расположены дискретные ослабители, помещен диск плавного ослабителя, при повороте которого изменяется поглощение излучения от 0 до 20 дБ. Эти два диска связаны с ручками управления системой шестеренок. В окне на передней панели аттенюатора расположены лимбы, проградуированные в единицах дБ.
Кроме дисков в пучок излучения в области задней панели с помощью электродвигателя вводится пластина, имеющая три положения: открыто, закрыто и дополнительный ослабитель с затуханием в 20 или 30 дБ. Общий диапазон изменения значения ослабления составляет от 0 до 80 дБ. Специально разработанные согласующие узлы устроены так, что излучение посредством использования микролинз фокусируется на торцы внешних соединителей, подключаемых к аттенюатору. Была разработана модификация аттенюатора, у которого на входе и выходе установлены стандартные розетки, связанные с согласующими узлами с помощью внутренних стандартных соединителей (рис.7).
Наиболее технологическим методом изготовления ослабителей является напыление металлической пленки на прозрачную подложку. Основное требование, предъявляемое к материалу покрытия – минимальная зависимость коэффициента ослабления от длины волны. Этому аспекту в наибольшей степени удовлетворяют пленки из титана и никеля. Наименьшей селективностью обладают пленки из никеля, однако они характеризуются низкой адгезией к стеклу. Поэтому для ослабителей более подходят пленки на основе титана.
Кроме поглощающих покрытий в изготовлении аттенюаторов используются специально разработанные просветляющие покрытия (MgF2-Al2O3-ZrO2-ZnS) для уменьшения отражения от линз в согласующих элементах и устранения интерференции в ослабителях (рис.8).
Перспективным направлением для автоматизации работы аттенюаторов в контрольно-измерительной аппаратуре ВОЛС является применение пьезоэлектрических двигателей. Вибродвигатели обладают рядом специфических свойств: высокой чувствительностью – в пределах 0,9–0,1 мкм, малой постоянной времени – порядка 0,1 мс, изменением угловой скорости в широких пределах, мгновенной фиксацией положения ротора благодаря сухому трению, миниатюрным габаритам и простотой конструкции. Все эти особенности позволили создать электроуправляемый комбинированный аттенюатор с плавной и ступенчатой регулировкой поглощения коллимированного пучка излучения (рис.9).
Наиболее совершенными приборами, используемыми для ослабления оптического излучения, являются программируемые аттенюаторы.
Первый отечественный программируемый аттенюатор VM 1602 предназначен для ослабления сигналов в оптическом диапазоне в составе модульной контрольно-измерительной аппаратуры с интерфейсной шиной VXI (рис.10). Диапазон изменения значений ослабления составляет 0–60 дБ с погрешностью его установки 0,2 дБ. Рабочая длина волны излучения соответствует 1,3±0,05 мкм. Аттенюатор включает в себя оптический блок, микроконтроллерное устройство управления и интерфейс VXI.
Управление аттенюатором осуществляется с помощью графического интерфейса пользователя, разработанного на основе современных методов визуального проектирования. Видеопанель интерактивного управления прибором, реализованная в виде автономного приложения, позволяет использовать аттенюатор с ОС Windows 2000/XP/7 (рис.11).
Микроконтроллерное устройство управления включает в себя узлы управления дискретными и плавным ослабителями, а также узлы формирования сигналов об их срабатывании.
Программируемый волоконно-оптический аттенюатор ОД1–28 (рис.12), разработанный для автоматизированного рабочего места ОК6–13 [6], является самостоятельным прибором с метрологическими параметрами и занесен в Государственный реестр измерительных средств РФ.
Аттенюатор включает в себя базовый блок и три сменных блока, каждый из которых предназначен для соответствующей длины волны (рис.13).
В сменном блоке расположены оптический блок с приводами ослабителей и устройством их управления (рис.14).
Оптический блок представляет собой отрезок волоконно-оптического тракта с разрывом линии. На входе и выходе разрыва установлены линзовые согласующие элементы. Ослабление сигнала производится в диапазоне от 0 до 90 дБ. Рабочие длины волн соответствуют 0,85, 1,31 и 1,55 мкм. Для ослабления используется введение в оптическом канале семи дискретных ослабителей с величинами затухания 2, 3, 4, 8, 16, 30, 32 дБ и одного ослабителя с переменным значением от 0 до 3 дБ. Ослабители располагаются между согласующими линзовыми элементами.
Погрешность установки ослабления аттенюатора соответствует ΔА = ( 0,2 + 0,013 А ) дБ, где А – номинальное значение воспроизводимого затухания (дБ). Начальные потери составляют не более 3 дБ.
Введение в оптический канал дискретных ослабителей осуществляется с помощью электромагнитных приводов, а управление переменным ослабителем – посредством электродвигателя с редуктором. Для полного перекрытия оптического канала устанавливается электромагнитный привод со шторкой.
Управление системой электромагнитных приводов и электродвигателем осуществляется микроконтроллером, расположенном в базовом блоке. Уровни управляющих сигналов формируются в устройствах управления, находящихся в сменных блоках прибора. Аттенюатор обеспечивает работу как в ручном, так и в дистанционном режиме управления через интерфейсы КОП, USB или RS 232.
Использование тонкопленочных дискретных ослабителей с большим значением ослабления (16–32 дБ) в широком спектральном диапазоне (1 300–1 700 нм) приводит к существенному увеличению спектрально зависимой составляющей погрешности ослабления. Подобная погрешность может достигать единиц децибел на краях спектрального диапазона и поэтому, в ряде случаев, не компенсируется переменным ослабителем.
Непосредственное увеличение значения переменного ослабителя до 5–7 дБ приводит к уменьшению точности ослабления аттенюатора и появлению дополнительной спектрально зависимой погрешности, вносимой самим переменным ослабителем.
МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ОСЛАБЛЕНИЯ АТТЕНЮАТОРА
Применение сложных конструктивно-технологических методов уменьшения погрешности ослабления дискретных ослабителей не всегда обеспечивает желаемый результат. В первую очередь это определяется конечной точностью изготовления тонкопленочных оптических ослабителей. Стоит отметить, что разброс погрешности напыления покрытия достигает единиц и десятков процентов. Кроме того, процесс производства тонкопленочных ослабителей связан с большими экономическими затратами. Плюс ко всему, параметры оптических ослабителей зависят от температуры окружающей среды.
Существенное повышение метрологических характеристик волоконно-оптических аттенюаторов с дискретными ослабителями можно осуществить за счет применения алгоритмических методов коррекции устанавливаемого значения ослабления, базирующихся на математической обработке информации о реальных параметрах как дискретных, так и переменно-оптических ослабителей.
Решение задачи коррекции погрешности дискретных ослабителей в широком спектральном диапазоне проводилось в два этапа.
На первом этапе методом образцовых мер получали индивидуальные градуировочные характеристики ослабителей как функции от длины волны излучения ai (λ). Разность значений градуировочной характеристики и образцовых мер в виде массива поправок, записывалась в память прибора. Значение поправок на длинах волн, отличных от длин волн калибровки, получали методом кусочно-линейной аппроксимации. Данный метод использовали в целях уменьшения объема внутренней памяти встроенных вычислительных средств, сокращения количества образцовых мер и времени калибровки.
Однако коррекция погрешности ослабления аттенюатора с помощью массива поправок для всех комбинаций дискретных ослабителей не позволяет обеспечить необходимую точность установки ослабления.
Поэтому дополнительно был разработан метод оптимизации комбинаций включения дискретных ослабителей на основе хранящихся в памяти поправок.
Суть метода в том, что при установке заданного значения ослабления с помощью встроенных вычислительных средств прибора осуществляется такой выбор включения дискретных ослабителей, чтобы их суммарная погрешность для выбранной длины волны была меньше значения переменного ослабителя. Таким образом, выполняется неравенство
, (3)
где
Ауст – ослабление, установленное на передней панели,
ai – реальные значения ослаблений дискретных ослабителей с учетом поправок,
апл – реальное ослабление переменного ослабителя.
Набранное на передней панели значение ослабления (например, 29 дБ) в случае идеально точных дискретных ослабителей может быть реализовано набором 16 дБ +8 дБ +4 дБ дискретных ослабителей и +1 дБ плавного ослабителя. Однако дискретные ослабители изготавливаются с определенной погрешностью. Конкретные значения ослабления заносятся в память прибора. Туда же входят отклонения значения ослабления дискретных ослабителей в зависимости от длины волны. Таким образом, оптимальным набором для реализации ослабления 29 дБ может оказаться совсем другой набор, который определяется вычислительными средствами.
Применение подобного решения в волоконно-оптическом аттенюаторе ОД1–28 позволило снизить уровень погрешности установки ослабления до 0,2 дБ в широком спектральном и динамическом диапазонах.
Модификациями прибора ОД1–28 являются аттенюатор на 3 длины волны, выполненный в едином корпусе (рис.15) [7], и аттенюатор на одну длину волны (рис.16).
Основные параметры рассмотренных аттенюаторов представлены в таблице.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время в ННИПИ "Кварц" проводится определение оптимальной номенклатуры волоконно-оптических аттенюаторов разных видов и назначений: от специальных метрологических систем до портативных аттенюаторов тестерного типа. Уточняются их технические, функциональные и эксплуатационные характеристики, позволяющие удовлетворять широкий круг требований пользователей в различных научных и метрологических организациях и промышленных предприятиях нашей страны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hecht J. Photonic Frontiers: Optical Test and Measurement: Looking Back/Looking Forward: A revolution in optical measurement – faster, easier and far more digital. – Laser Focus World, 2015, issue 10, p.25.
2. Воронков Г.Л. Ослабители оптического излучения. – Лю: Машиностроение, 1980.
3. Шишловский А.А. Прикладная физическая оптика. – М.: Физматгиз, 1961.
4. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М. и др. Генераторы сигналов оптические ОГ4–162 и ОГ-163. – Световодные системы связи и передачи информации: Тез. докл. IV Всесоюз. конф., Москва, 1984.
5. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М. и др. Генераторы АМ оптических сигналов ОГ4–181, ОГ4–182. – Техника средств связи. Сер.: Радиоизмерительная техника, 1991, вып. 2, с.43–50.
6. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М., Махалов А.В., Частов А.А. Автоматизированный рабочий эталон ОК6–13 для поверки средств измерения параметров ВОСП. – Радиолокация, навигация, связь: Материалы XIV конференции, Воронеж, 2008, т. 2, с. 1372–1386.
7. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М., Махалов А.В., Моисеев П.Д., Синев Д.А., Частов А.А. Средство контроля параметров волоконно-оптических модулей. – Радиоизмерения и электроника, Н. Новгород: ОАО "ФНПЦ ННИПИ Кварц им. А.П. Горшкова", 2013, № 19, с. 25–30.
Отзывы читателей
