eng
Выпуск #7/2017
В.Н.Гаврилов, Ю.М.Грязнов, А.В.Малахов, П.Д.Моисеев, Д.А.Синев, А.А.Частов
Автоматизированная система контроля параметров оптоэлектронных компонентов ВОСП
Автоматизированная система контроля параметров оптоэлектронных компонентов ВОСП
Просмотры: 3465
В статье представлена новая автоматизированная система контроля параметров оптоэлектронных компонентов. Автоматизированная система состоит как из вновь разработанных приборов, так и из серийно выпускаемых. Приведены технические характеристики приборов и структурные схемы измерений параметров оптоэлектронных компонентов.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.67.7.84.93
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.67.7.84.93
Теги: control of optoelectronic components fiber optic data transmission systems волоконно-оптические системы передачи данных контроль оптоэлектронных компонентов
В волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) информации наряду с пассивными элементами оптического тракта в качестве основных компонентов выступают светоизлучающие и фотоприемные структуры, а также выполненные на их основе модули и узлы. Эксплуатация ВОСП сопряжена с измерениями, тестированиями и контролем параметров этих элементов. Для автоматического тестирования и мониторинга параметров состояния пассивных элементов оптического тракта – соединителей, разветвителей и ответвителей, коммутаторов кабеля – на рынке имеется большое разнообразие измерительных систем. Но эти системы не контролируют параметры оптического сигнала: его уровень мощности, спектральные характеристики излучателей (лазеров или светодиодов), фотодетекторов, оптических усилителей. Поэтому в области контроля параметров светодиодов, полупроводниковых лазеров, излучающих модулей как на этапе их производства, так и в процессе эксплуатации ощущается необходимость в разработках измерительных систем. Системы контроля оптических параметров также необходимы на этапе разработки и производства фотоприемников и приемных модулей.
Автоматизированная система контроля параметров волоконно-оптических узлов и модулей была разработана в ОАО "ФНПЦ "ННИПИ "Кварц" имени А.П.Горшкова". Ее использование позволит снизить трудоемкость контрольных операций, повысить стабильность параметров выпускаемых компонентов ВОСП. Автоматизированная система предназначена для измерения следующих параметров светоизлучающих и фотоприемных структур:
• мощность и длина волны излучения светоизлучающих структур;
• ампер-ваттная чувствительность фотоприемных структур;
• спектральные характеристики светоизлучающих и фотоприемных структур;
• абсолютные и относительные уровни мощности излучения.
Автоматизированная система состоит из следующих приборов: источника излучения волоконно-оптического, измерителя мощности волоконно-оптического, аттенюатора волоконно-оптического, опорного приемника, входящего в состав установки для спектральных измерений. Приборы выполнены в виде конструктива размером 415 Ч 213 Ч 129 мм для установки в 19" стойку. Предусмотрена возможность комплектовать приборы в стандартном корпусе Propac PRO, производимом компанией Schroff, например: источник излучения волоконно-оптический и измеритель мощности, или источник излучения и аттенюатор волоконно-оптический (рис.1). В состав автоматизированной системы контроля входят также и серийно выпускаемые приборы: монохроматор МДР‑204, источник питания постоянного тока, фотодиодный усилитель F57-601, ПЭВМ. Внешний вид автоматизированной системы контроля параметров волоконно-оптических узлов и модулей в полном составе приведен на рис.2.
Автоматизированная система соответствует требованиям ГОСТ 22261 в части метрологических характеристик, по стойкости, прочности и устойчивости к механическим и климатическим воздействиям удовлетворяет требованиям группы 3 ГОСТ 22261.
Основу источника излучения волоконно-оптического составляют полупроводниковые лазеры, излучающие на длинах волн 0,85; 1,31; 1,55 и 1,62 мкм. Величина уровня мощности и длина волны излучения диодных лазеров сильно зависят от температуры окружающей среды и температуры рабочей среды лазера. Поэтому в качестве излучателя используется полупроводниковый оптический модуль (ПОМ), содержащий лазер, смонтированный на полупроводниковом холодильнике. Холодильник вместе с датчиком температуры (в качестве датчика использован терморезистор) включен в схему термостабилизации, где он играет роли исполнительного и чувствительного элементов.
Чувствительным элементом схемы стабилизации мощности излучения является фотодиод. Сигнал с фотодиода подается на операционный усилитель, сравнивается с опорным постоянным напряжением. Сигнал рассогласования усиливается, интегрируется и далее поступает на управляемый источник тока накачки лазера. При изменении тока накачки лазер выводится в рабочую точку, и производится процедура стабилизации рабочих режимов.
Возможна модуляция выходного излучения от внутреннего генератора с частотой 270 Гц, которая осуществляется изменением тока накачки лазера. При этом ток накачки лазера складывается из двух составляющих (постоянной и переменной), величины которых зависят от значений управляющих напряжений, подаваемых в базы транзисторов генераторов тока.
Принцип действия измерителя мощности волоконно-оптического основан на преобразовании энергии оптического сигнала в электрический ток при помощи фотодиода. На входах измерителя мощности расположены специально разработанные оптические соединители, позволяющие подключать как многомодовые, так и одномодовые оптические кабели. Линзы, расположенные в соединителях, формируют параллельный пучок, необходимый для работы оптических узлов и модулей прибора.
Для повышения точности измерения мощности в измерителе предусмотрена возможность автоматического определения центральной длины волны излучения. Измерение осуществляется с помощью дисперсионного элемента, спектральная характеристика поглощения которого внутри рабочего диапазона носит монотонный характер и имеет большую крутизну. Принцип измерения длины волны данным способом заключается в следующем [1].
Отклик фотоприемника на воздействие излучения с распределением мощности излучения по длине волны P(λ) в спектральном диапазоне Δλ имеет вид:
, (1)
где
I1 – ток фотоприемника,
S(λ) – спектральная чувствительность фотоприемника,
α – ампер-ваттная характеристика фотоприемника.
Если перед фотоприемником расположить фильтр, прозрачность которого Т(λ), то отклик фотоприемника на излучение с такими же характеристиками I2 примет вид:
. (2)
Спектральная чувствительность фотоприемника в пределах ширины спектра измеряемого излучения меняется незначительно, и ее можно считать постоянной.
Специально разработанный интерференционный фильтр имеет передаточную характеристику, обеспечивающую линейную зависимость его пропускания от длины волны (в пределах спектра, измеряемого ваттметром излучения), и следовательно:
. (3)
Таким образом, отношение I2/I1 пропорционально центральной длине волны:
. (4)
Экспериментально измеренная при калибровке зависимость I2/I1 от длины волны излучения заносится в память процессора, и по двум измерениям мощности определяется центральная длина волны исследуемого излучения.
При калибровке измеряется спектральная зависимость чувствительности фотодиодов, по которой рассчитываются коэффициенты, обратно пропорциональные чувствительности фотодиодов на каждой длине волны. При измерении мощности излучения по измеренной центральной длине волны излучения из памяти процессора извлекается коэффициент, соответствующий этой длине волны, и результат измерения мощности излучения дается с его учетом. Таким образом исключается спектральная чувствительность измерителя мощности от длины волны.
В каждом оптическом канале перед фотодиодами располагаются три независимо управляемых переключателя, которые по команде вводят в оптический пучок заслонку из светонепроницаемого материала, оптический аттенюатор с ослаблением 20 дБ или дисперсионный элемент, периодически включающийся в режиме измерения длины волны.
Введение в оптический тракт аттенюатора расширяет диапазон линейности фотоприемника, в качестве которого используется специальный фотодиод, расположенный на полупроводниковом термоэлементе, позволяющем стабилизировать температуру.
В структуре системы предусмотрена заслонка, способная перекрывать световой канал. Ее наличие вызвано необходимостью проведения калибровки прибора, а также связано с работой в режиме "установка нуля". Предусмотрено, что в этот режим можно входить как по команде оператора, так и автоматически – через заданный промежуток времени.
В качестве фотоприемника используется фотодиод на основе InGaAs-структур, фоточувствительный элемент которого расположен на полупроводниковом микрохолодильнике, что дает возможность стабилизировать температуру. Ток фотоприемников преобразуется в напряжение и далее подается на вход программируемого усилителя. Программируемый усилитель позволяет изменять коэффициент передачи усилителя в соответствии с уровнем подаваемой мощности оптического сигнала. Далее напряжение подается на вход 14-разрядного АЦП, преобразуется в двоичный код и обрабатывается микроконтроллером.
Исследование параметров излучающих и фотоприемных структур необходимо производить в широком динамическом диапазоне мощностей излучения. Это достигается применением аттенюатора волоконно-оптического.
Ослабление оптического излучения реализовано в приборе путем использования поглощающих металлических пленок, напыленных на подложки из оптического стекла. Этот метод обеспечивает наиболее стабильные показатели и более технологичен для получения заданных величин ослабления с большой точностью. Требуемое значение ослабления достигают, вводя в пучок параллельных лучей компоненты из набора дискретных ослабителей. Точное значение устанавливаемого ослабления достигается введением переменного ослабителя, ослабление которого меняется с углом поворота диска, расположенного на пути светового пучка, с нанесенным на него поглотителем.
При включении n дискретных ослабителей и переменного аттенюатора величина полного ослабления определяется в соответствии с формулой [2]:
, (5)
где
kλ0 – коэффициент поглощения пленки на длине волны градуировки l0,
L – толщина поглотителя,
a – угол поворота переменного ослабителя,
f(α) – функция зависимости толщины пленки от угла поворота,
r(α, λ) – коэффициент ослабления, определяемый отражением на поверхности с нанесенным на нее поглотителем.
Коэффициенты kλ0, f(α), ρλ0пер(α), ρi, λ0 определяются экспериментально на длине волны градуировки λ0.
Спектральные измерения в автоматизированной измерительной системе производятся на основе малогабаритного монохроматора МДР‑204, в котором используется дифракционная решетка (600 штрихов на миллиметр), имеющая рабочую область 380–2 500 нм. Для обеспечения возможности работы монохроматора с волоконно-оптическими световодами в системе применены согласующие оптические узлы на входную и выходную щели монохроматора. При работе выходное излучение монохроматора вводится в многомодовые волоконно-оптические соединители 62,5/125 мкм или 200/230 мкм, имеющие на своих концах присоединительные разъемы типа FC/PC.
Приемник опорный, используемый в спектральных измерениях, работает в двух диапазонах: 0,8–1,0 мкм и 1,0–1,65 мкм. Отличительной особенностью опорного приемника является то, что его относительная спектральная характеристика предварительно измеряется на установке высшей точности для спектральных измерений, входящей в состав Государственного специального эталона единиц длины и времени распространении сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем передачи информации ГЭТ 170-2006 [3]. Значения спектральной характеристики, измеренные через 10 нм, заносятся в формуляр опорного приемника и используются в программе измерений.
Структурная схема приемника опорного в основном аналогична структурной схеме измерителя мощности волоконно-оптического. Но имеется отличие, оно заключается в том, что излучение в приемнике опорном с входного соединителя поступает непосредственно на фотодиоды, т. е. в нем отсутствуют задвижка, дисперсионный элемент и аттенюатор.
Средство контроля работает в следующих основных режимах:
• проверка правильности функционирования средства контроля;
• проведение автоматизированного измерения параметров излучающих структур;
• проведение автоматизированного измерения параметров фотоприемных структур.
Проверка правильности функционирования средства контроля обеспечивается диагностированием входящих в средство контроля приборов, проверкой их взаимодействия и проводится при подготовке к работе со средством контроля или при наличии сбоев в работе средства контроля.
Автоматизированная проверка излучающих и фотоприемных структур осуществляется в диалоговом режиме. ПЭВМ согласно программе выдает на дисплей указания для проведения соответствующих операций с проверяемой аппаратурой, оператор выполняет их и сообщает о выполнении на дисплей. По окончании проверки формируется и печатается, при необходимости, протокол проверки.
Измерение параметров излучающих структур производится по схеме, представленной на рис.3. У излучающих структур измеряется мощность излучения и спектральные характеристики (длина волны и полуширина спектра излучения). Мощность излучения можно измерять либо при фиксированном (заранее установленном значении тока накачки), либо в автоматическом режиме снимать ампер-ваттную зависимость исследуемого излучателя. В этом случае в программу измерений должны быть введены предельные значения величины тока накачки и шаг его изменения. Для измерения спектральных характеристик излучение через монохроматор подается на приемник опорный, сигнал с которого через интерфейс поступает на ПЭВМ. По окончании цикла измерений ампер-ваттной и спектральной характеристик формируется протокол по результатам измерений.
Схема соединения приборов при измерении параметров фотоприемных структур приведена на рис.4.
Измерения спектральной чувствительности фотодиодов проводятся методом сравнения спектральных характеристик чувствительности фотоприемного модуля и приемника опорного с известной спектральной характеристикой, входящего в состав установки.
Сигналы, получаемые при последовательном подключении волоконно-оптического кабеля от монохроматора к входам опорного приемника и фотоприемного модуля (ФМ), можно записать как:
IОП, λ =Рλ · SОП, λ, (6)
IФМ, λ = Рλ · SФМ, λ, (7)
где
Рλ – мощность излучения на выходе монохроматора на длине волны λ;
SОП, λ, SФМ, λ – спектральные чувствительности приемника опорного (ОП) и фотоприемного модуля на длине волны λ;
IОП, λ, IФМ, λ – отклики приемника опорного приемника и фотоприемного модуля на длине волны λ.
Тогда спектральная чувствительность фотоприемного модуля запишется следующим образом:
SФМ, λ = SОП, λ · IФМ, λ / IОП, λ. (8)
В результате измерений в диалоговом окне программы наряду с графическим изображением отклика чувствительности опорного приемника в заданном спектральном диапазоне отобразится спектральная зависимость отклика фотоприемного модуля и таблицы их значений.
Измерение ампер-ваттной чувствительности фотоприемных модулей проводится путем измерения мощности излучения, падающего на модули, и тока с помощью фотодиодного усилителя.
Для определения ампер-ваттной зависимости исследуемой фотоприемной структуры в программу измерений должны быть введены предельные значения величины мощности излучения и шаг ослабления.
Для определения спектральной чувствительности устанавливают спектральный диапазон измерений (λmax, λmin) и шаг движения по спектру.
По окончании цикла измерений ампер-ваттной характеристики и спектральной чувствительности фотодиодов формируется протокол по результатам измерений параметров фотодиодов.
Параметры и характеристики автоматизированной системы контроля определяются параметрами и характеристиками входящих в него составных частей. Для измерителя параметров излучающих модулей они соответствуют следующим значениям:
•.. диапазон измеряемых значений средней мощности 10–9–10–1 Вт;
•.. основная относительная погрешность измерения средней мощности на длинах волн градуировки..................................... в пределах ±5%;
•.. длины волн излучения......... 0,85–1,65 мкм;
•.. абсолютная погрешность измерений длин волн не более 5 нм.
Для измерителя параметров фотоприемных модулей они соответствуют следующим значениям:
•.. ампер-ваттная чувствительность. 0,05–1 А/Вт;
• спектральная чувствительность:
•.. диапазон длин волн..... 0,60–1,65 мкм;
•.. погрешность измерения... не более ±4%.
Технические решения, применяемые в автоматизированной системе контроля параметров волоконно-оптических узлов и модулей, и наличие трех интерфейсов USB, RS232, КОП (GPIB) в каждом приборе обеспечивают простоту подключения как всей автоматизированной системы, так и отдельных приборов, входящих в ее состав, к персональному компьютеру. Пакет прилагаемых программных средств позволяет осуществить автоматизацию испытаний, составление отчетов и обеспечить при этом максимальный уровень производительности при измерении параметров волоконно-оптических узлов и модулей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаврилов В.Н. Комплект волоконно-оптических измерительных модулей для автоматизированной магистрально-модульной системы на базе шины VXI / В. Н. Гаврилов, Ю. М. Грязнов, А.В Махалов, А. А. Частов. – Антенны, 2004, вып. 7 (86), с. 23–30.
2. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М., Моисеев П.Д., Частов А.А. Программируемый аттенюатор волоконно-оптический. – Радиоизмерения и электроника, 2010, № 16, c. 2–6. Н. Новгород. – ФГУП ННИПИ "Кварц".
3. Государственный специальный эталон единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем связи и передачи информации ГЭТ 170–2006.
4. 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, v.10, № 13, p. 25.
Автоматизированная система контроля параметров волоконно-оптических узлов и модулей была разработана в ОАО "ФНПЦ "ННИПИ "Кварц" имени А.П.Горшкова". Ее использование позволит снизить трудоемкость контрольных операций, повысить стабильность параметров выпускаемых компонентов ВОСП. Автоматизированная система предназначена для измерения следующих параметров светоизлучающих и фотоприемных структур:
• мощность и длина волны излучения светоизлучающих структур;
• ампер-ваттная чувствительность фотоприемных структур;
• спектральные характеристики светоизлучающих и фотоприемных структур;
• абсолютные и относительные уровни мощности излучения.
Автоматизированная система состоит из следующих приборов: источника излучения волоконно-оптического, измерителя мощности волоконно-оптического, аттенюатора волоконно-оптического, опорного приемника, входящего в состав установки для спектральных измерений. Приборы выполнены в виде конструктива размером 415 Ч 213 Ч 129 мм для установки в 19" стойку. Предусмотрена возможность комплектовать приборы в стандартном корпусе Propac PRO, производимом компанией Schroff, например: источник излучения волоконно-оптический и измеритель мощности, или источник излучения и аттенюатор волоконно-оптический (рис.1). В состав автоматизированной системы контроля входят также и серийно выпускаемые приборы: монохроматор МДР‑204, источник питания постоянного тока, фотодиодный усилитель F57-601, ПЭВМ. Внешний вид автоматизированной системы контроля параметров волоконно-оптических узлов и модулей в полном составе приведен на рис.2.
Автоматизированная система соответствует требованиям ГОСТ 22261 в части метрологических характеристик, по стойкости, прочности и устойчивости к механическим и климатическим воздействиям удовлетворяет требованиям группы 3 ГОСТ 22261.
Основу источника излучения волоконно-оптического составляют полупроводниковые лазеры, излучающие на длинах волн 0,85; 1,31; 1,55 и 1,62 мкм. Величина уровня мощности и длина волны излучения диодных лазеров сильно зависят от температуры окружающей среды и температуры рабочей среды лазера. Поэтому в качестве излучателя используется полупроводниковый оптический модуль (ПОМ), содержащий лазер, смонтированный на полупроводниковом холодильнике. Холодильник вместе с датчиком температуры (в качестве датчика использован терморезистор) включен в схему термостабилизации, где он играет роли исполнительного и чувствительного элементов.
Чувствительным элементом схемы стабилизации мощности излучения является фотодиод. Сигнал с фотодиода подается на операционный усилитель, сравнивается с опорным постоянным напряжением. Сигнал рассогласования усиливается, интегрируется и далее поступает на управляемый источник тока накачки лазера. При изменении тока накачки лазер выводится в рабочую точку, и производится процедура стабилизации рабочих режимов.
Возможна модуляция выходного излучения от внутреннего генератора с частотой 270 Гц, которая осуществляется изменением тока накачки лазера. При этом ток накачки лазера складывается из двух составляющих (постоянной и переменной), величины которых зависят от значений управляющих напряжений, подаваемых в базы транзисторов генераторов тока.
Принцип действия измерителя мощности волоконно-оптического основан на преобразовании энергии оптического сигнала в электрический ток при помощи фотодиода. На входах измерителя мощности расположены специально разработанные оптические соединители, позволяющие подключать как многомодовые, так и одномодовые оптические кабели. Линзы, расположенные в соединителях, формируют параллельный пучок, необходимый для работы оптических узлов и модулей прибора.
Для повышения точности измерения мощности в измерителе предусмотрена возможность автоматического определения центральной длины волны излучения. Измерение осуществляется с помощью дисперсионного элемента, спектральная характеристика поглощения которого внутри рабочего диапазона носит монотонный характер и имеет большую крутизну. Принцип измерения длины волны данным способом заключается в следующем [1].
Отклик фотоприемника на воздействие излучения с распределением мощности излучения по длине волны P(λ) в спектральном диапазоне Δλ имеет вид:
, (1)
где
I1 – ток фотоприемника,
S(λ) – спектральная чувствительность фотоприемника,
α – ампер-ваттная характеристика фотоприемника.
Если перед фотоприемником расположить фильтр, прозрачность которого Т(λ), то отклик фотоприемника на излучение с такими же характеристиками I2 примет вид:
. (2)
Спектральная чувствительность фотоприемника в пределах ширины спектра измеряемого излучения меняется незначительно, и ее можно считать постоянной.
Специально разработанный интерференционный фильтр имеет передаточную характеристику, обеспечивающую линейную зависимость его пропускания от длины волны (в пределах спектра, измеряемого ваттметром излучения), и следовательно:
. (3)
Таким образом, отношение I2/I1 пропорционально центральной длине волны:
. (4)
Экспериментально измеренная при калибровке зависимость I2/I1 от длины волны излучения заносится в память процессора, и по двум измерениям мощности определяется центральная длина волны исследуемого излучения.
При калибровке измеряется спектральная зависимость чувствительности фотодиодов, по которой рассчитываются коэффициенты, обратно пропорциональные чувствительности фотодиодов на каждой длине волны. При измерении мощности излучения по измеренной центральной длине волны излучения из памяти процессора извлекается коэффициент, соответствующий этой длине волны, и результат измерения мощности излучения дается с его учетом. Таким образом исключается спектральная чувствительность измерителя мощности от длины волны.
В каждом оптическом канале перед фотодиодами располагаются три независимо управляемых переключателя, которые по команде вводят в оптический пучок заслонку из светонепроницаемого материала, оптический аттенюатор с ослаблением 20 дБ или дисперсионный элемент, периодически включающийся в режиме измерения длины волны.
Введение в оптический тракт аттенюатора расширяет диапазон линейности фотоприемника, в качестве которого используется специальный фотодиод, расположенный на полупроводниковом термоэлементе, позволяющем стабилизировать температуру.
В структуре системы предусмотрена заслонка, способная перекрывать световой канал. Ее наличие вызвано необходимостью проведения калибровки прибора, а также связано с работой в режиме "установка нуля". Предусмотрено, что в этот режим можно входить как по команде оператора, так и автоматически – через заданный промежуток времени.
В качестве фотоприемника используется фотодиод на основе InGaAs-структур, фоточувствительный элемент которого расположен на полупроводниковом микрохолодильнике, что дает возможность стабилизировать температуру. Ток фотоприемников преобразуется в напряжение и далее подается на вход программируемого усилителя. Программируемый усилитель позволяет изменять коэффициент передачи усилителя в соответствии с уровнем подаваемой мощности оптического сигнала. Далее напряжение подается на вход 14-разрядного АЦП, преобразуется в двоичный код и обрабатывается микроконтроллером.
Исследование параметров излучающих и фотоприемных структур необходимо производить в широком динамическом диапазоне мощностей излучения. Это достигается применением аттенюатора волоконно-оптического.
Ослабление оптического излучения реализовано в приборе путем использования поглощающих металлических пленок, напыленных на подложки из оптического стекла. Этот метод обеспечивает наиболее стабильные показатели и более технологичен для получения заданных величин ослабления с большой точностью. Требуемое значение ослабления достигают, вводя в пучок параллельных лучей компоненты из набора дискретных ослабителей. Точное значение устанавливаемого ослабления достигается введением переменного ослабителя, ослабление которого меняется с углом поворота диска, расположенного на пути светового пучка, с нанесенным на него поглотителем.
При включении n дискретных ослабителей и переменного аттенюатора величина полного ослабления определяется в соответствии с формулой [2]:
, (5)
где
kλ0 – коэффициент поглощения пленки на длине волны градуировки l0,
L – толщина поглотителя,
a – угол поворота переменного ослабителя,
f(α) – функция зависимости толщины пленки от угла поворота,
r(α, λ) – коэффициент ослабления, определяемый отражением на поверхности с нанесенным на нее поглотителем.
Коэффициенты kλ0, f(α), ρλ0пер(α), ρi, λ0 определяются экспериментально на длине волны градуировки λ0.
Спектральные измерения в автоматизированной измерительной системе производятся на основе малогабаритного монохроматора МДР‑204, в котором используется дифракционная решетка (600 штрихов на миллиметр), имеющая рабочую область 380–2 500 нм. Для обеспечения возможности работы монохроматора с волоконно-оптическими световодами в системе применены согласующие оптические узлы на входную и выходную щели монохроматора. При работе выходное излучение монохроматора вводится в многомодовые волоконно-оптические соединители 62,5/125 мкм или 200/230 мкм, имеющие на своих концах присоединительные разъемы типа FC/PC.
Приемник опорный, используемый в спектральных измерениях, работает в двух диапазонах: 0,8–1,0 мкм и 1,0–1,65 мкм. Отличительной особенностью опорного приемника является то, что его относительная спектральная характеристика предварительно измеряется на установке высшей точности для спектральных измерений, входящей в состав Государственного специального эталона единиц длины и времени распространении сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем передачи информации ГЭТ 170-2006 [3]. Значения спектральной характеристики, измеренные через 10 нм, заносятся в формуляр опорного приемника и используются в программе измерений.
Структурная схема приемника опорного в основном аналогична структурной схеме измерителя мощности волоконно-оптического. Но имеется отличие, оно заключается в том, что излучение в приемнике опорном с входного соединителя поступает непосредственно на фотодиоды, т. е. в нем отсутствуют задвижка, дисперсионный элемент и аттенюатор.
Средство контроля работает в следующих основных режимах:
• проверка правильности функционирования средства контроля;
• проведение автоматизированного измерения параметров излучающих структур;
• проведение автоматизированного измерения параметров фотоприемных структур.
Проверка правильности функционирования средства контроля обеспечивается диагностированием входящих в средство контроля приборов, проверкой их взаимодействия и проводится при подготовке к работе со средством контроля или при наличии сбоев в работе средства контроля.
Автоматизированная проверка излучающих и фотоприемных структур осуществляется в диалоговом режиме. ПЭВМ согласно программе выдает на дисплей указания для проведения соответствующих операций с проверяемой аппаратурой, оператор выполняет их и сообщает о выполнении на дисплей. По окончании проверки формируется и печатается, при необходимости, протокол проверки.
Измерение параметров излучающих структур производится по схеме, представленной на рис.3. У излучающих структур измеряется мощность излучения и спектральные характеристики (длина волны и полуширина спектра излучения). Мощность излучения можно измерять либо при фиксированном (заранее установленном значении тока накачки), либо в автоматическом режиме снимать ампер-ваттную зависимость исследуемого излучателя. В этом случае в программу измерений должны быть введены предельные значения величины тока накачки и шаг его изменения. Для измерения спектральных характеристик излучение через монохроматор подается на приемник опорный, сигнал с которого через интерфейс поступает на ПЭВМ. По окончании цикла измерений ампер-ваттной и спектральной характеристик формируется протокол по результатам измерений.
Схема соединения приборов при измерении параметров фотоприемных структур приведена на рис.4.
Измерения спектральной чувствительности фотодиодов проводятся методом сравнения спектральных характеристик чувствительности фотоприемного модуля и приемника опорного с известной спектральной характеристикой, входящего в состав установки.
Сигналы, получаемые при последовательном подключении волоконно-оптического кабеля от монохроматора к входам опорного приемника и фотоприемного модуля (ФМ), можно записать как:
IОП, λ =Рλ · SОП, λ, (6)
IФМ, λ = Рλ · SФМ, λ, (7)
где
Рλ – мощность излучения на выходе монохроматора на длине волны λ;
SОП, λ, SФМ, λ – спектральные чувствительности приемника опорного (ОП) и фотоприемного модуля на длине волны λ;
IОП, λ, IФМ, λ – отклики приемника опорного приемника и фотоприемного модуля на длине волны λ.
Тогда спектральная чувствительность фотоприемного модуля запишется следующим образом:
SФМ, λ = SОП, λ · IФМ, λ / IОП, λ. (8)
В результате измерений в диалоговом окне программы наряду с графическим изображением отклика чувствительности опорного приемника в заданном спектральном диапазоне отобразится спектральная зависимость отклика фотоприемного модуля и таблицы их значений.
Измерение ампер-ваттной чувствительности фотоприемных модулей проводится путем измерения мощности излучения, падающего на модули, и тока с помощью фотодиодного усилителя.
Для определения ампер-ваттной зависимости исследуемой фотоприемной структуры в программу измерений должны быть введены предельные значения величины мощности излучения и шаг ослабления.
Для определения спектральной чувствительности устанавливают спектральный диапазон измерений (λmax, λmin) и шаг движения по спектру.
По окончании цикла измерений ампер-ваттной характеристики и спектральной чувствительности фотодиодов формируется протокол по результатам измерений параметров фотодиодов.
Параметры и характеристики автоматизированной системы контроля определяются параметрами и характеристиками входящих в него составных частей. Для измерителя параметров излучающих модулей они соответствуют следующим значениям:
•.. диапазон измеряемых значений средней мощности 10–9–10–1 Вт;
•.. основная относительная погрешность измерения средней мощности на длинах волн градуировки..................................... в пределах ±5%;
•.. длины волн излучения......... 0,85–1,65 мкм;
•.. абсолютная погрешность измерений длин волн не более 5 нм.
Для измерителя параметров фотоприемных модулей они соответствуют следующим значениям:
•.. ампер-ваттная чувствительность. 0,05–1 А/Вт;
• спектральная чувствительность:
•.. диапазон длин волн..... 0,60–1,65 мкм;
•.. погрешность измерения... не более ±4%.
Технические решения, применяемые в автоматизированной системе контроля параметров волоконно-оптических узлов и модулей, и наличие трех интерфейсов USB, RS232, КОП (GPIB) в каждом приборе обеспечивают простоту подключения как всей автоматизированной системы, так и отдельных приборов, входящих в ее состав, к персональному компьютеру. Пакет прилагаемых программных средств позволяет осуществить автоматизацию испытаний, составление отчетов и обеспечить при этом максимальный уровень производительности при измерении параметров волоконно-оптических узлов и модулей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гаврилов В.Н. Комплект волоконно-оптических измерительных модулей для автоматизированной магистрально-модульной системы на базе шины VXI / В. Н. Гаврилов, Ю. М. Грязнов, А.В Махалов, А. А. Частов. – Антенны, 2004, вып. 7 (86), с. 23–30.
2. Гаврилов В.Н., Грязнов Ю.М., Моисеев П.Д., Частов А.А. Программируемый аттенюатор волоконно-оптический. – Радиоизмерения и электроника, 2010, № 16, c. 2–6. Н. Новгород. – ФГУП ННИПИ "Кварц".
3. Государственный специальный эталон единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем связи и передачи информации ГЭТ 170–2006.
4. 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, v.10, № 13, p. 25.
Отзывы читателей
