Безпосередня модуляція джерела випромінювання

Безпосередня модуляція джерела випромінювання

Як відомо, одним з основних методів модуляції оптичного випромінювання є керування струмом накачування джерел лазерного випромінювання, що вимагає забезпечення стабільності робочої точки і зниження впливу нелінійної залежності потужності випромінювання від струму через випромінювач (нелінійності ватт-амперної характеристики).

Тому що дані фактори утрудняють досягнення високих метрологічних характеристик пристроїв, що використовують метод безпосередньої модуляції джерела випромінювання, розглянемо шляхи усунення цих недоліків побудовою модулятора на основі керованих джерел оптичного випромінювання (КДОВ).

Останні можуть бути виконані за принципом стабілізації потужності оптичного випромінювання введенням негативного зворотного зв'язку (НЗЗ) по випромінюванню і самонастроюванню.

При цьому усі вони побудовані за принципом безупинного порівняння вхідного сигналу з вихідним сигналом, що попередньо перетворений у сигнал, однорідний вхідному.

Рисунок 1 – Структурна схема КДОВ з негативним зворотним зв'язком за випромінюванням.

Відповідно до структурної схеми КДОВ з НЗЗ за випромінюванням (Рис. 1), вхідний сигнал U_іnp надходить через випрямляч (В) на один iз входів віднімаючого пристрою (ВП) і потім на кероване джерело струму (КДС), до виходу якого підключене джерело випромінювання LD.

При цьому керуючим сигналом для КДС є різниця випрямленного вхідного сигналу, і сигналу зворотного зв'язку.

Останній формується фотоприймачем ФП, що сприймає частину корисного світлового потоку, випромінюваного LD, і подається на iнвертуючий вхід підсилювача.

Оптичний зв'язок ФП із LD може бути здійснений свiтодiльною пластиною, сферичним дзеркалом з отвором для виводу корисного випромінювання й оптичним колектором (ОК). Для даної схеми можна показати, що коефіцієнт передачі буде визначатися відомим виразом,

,(1)

де і , відповідно, коефіцієнт передачі і потужність випромінювання, без зворотного зв'язку.

З даного виразу видно, що для одержання високої стабільності необхідно мати максимальне значення, однак, досягнення високої стабільності обмежується дрейфами темнового струму фотодіода і дрейфом підсилювача струму фотодіода.

Інший шлях стабілізації випромінювання полягає у використанні принципу самонастроювання КДОВ (рис. 2), заснованому на порівнянні із сигналом і в керуванні отриманим різницевим сигналом коефіцієнтом перетворення КДС, для того, щоб мінімізувати дану різницю сигналу.

Для цього вхідний сигнал одночасно вводиться як в основний тракт (ОТ), так і в тракт порівняння (ТП) схеми – на один із входів віднімаючого пристрою (ВП), на інший вхід якого подається сигнал із ФП, що сприймає частину випромінюваного світлового потоку.

У цьому випадку основний тракт складається з керованого елемента (КЕ) і КДС з підключених до виходу LD, а в тракт порівняння входять віднімаючий пристрій, підсилювач неузгодженості (ПН), фазочутливий випрямляч (ФЧВ) і фільтр низьких частот (ФНЧ).

Рисунок 2 – Використання принципу самонастроювання КДОВ

Якщо коефіцієнт передачі ОТ дорівнює номінальному значенню, то і напруга на виході ТП вiдсутня. Відхилення коефіцієнта передачі ОТ від приводить до порушення зазначеної рівності і появи на виході ВП сигналу неузгодженості, що після обробки в ТП впливає на коефіцієнт передачі КЕ, відновлюючи номінальне значення коефіцієнта передачі ОТ.

При відсутності зсуву фаз між сигналами і , коефіцієнт перетворення і похибка КДОВ даного типу визначаються

,

,(2)

де – коефіцієнт передачі ОТ при відсутності сигналу неузгодженості;

– коефіцієнт пропорційності між вхідною напругою ТП і зміною коефіцієнта передачі ОТ під впливом цієї напруги;

– коефіцієнт передачі ФП;

– коефіцієнт передачі оптичного каналу ОК;

–коефіцієнт передачі ТП.

Як випливає з наведених виразів, при , , і точність КДОВ буде визначатися нестабільністю коефіцієнтів передачі ФП і ОК. У той же час при кінцевих значеннях виникає похибка, що зростає зі зменшенням .

Тому дана схема практично не дозволяє одержати виграш у точності порівняно з КДОВ з глибоким НЗЗ , тому що вона включає похибки, обумовлені зсувом фаз між порівнюваними сигналами і неідентичністю частотних характеристик каналів.

Інший можливий шлях побудови КДОВ полягає у використанні частотного і часового поділу вхідного і вихідного сигналів. Структурна схема КДОВ, що реалізує перший принцип, представлена на рис. 3.

Рисунок 3 – Структурна схема КДОВ

Очевидно, що використання функціональних вузлів, що визначають стабільність джерела на фіксованій частоті пробного сигналу, дозволяє виконати ці вузли з великим коефіцієнтом підсилення і тим самим забезпечити більш високу точність КДС.

Для цього на вхід пристрою одночасно з вхідним сигналом подають поділений дільником напруги (ДН) пробний сигнал , який генерується генератором пробного сигналу (ГПС) з частотою, у 5-10 разів більшою верхньої частоти вхідного сигналу, а коефіцієнт передачі ДН установлюють рівним зворотному значенню коефіцієнта передачі КДОВ на частоті пробного сигналу .

Напруга одночасна подається на вхід ВП , що входить у ТП , де вона порівнюється з вихідним сигналом ФП тієї ж частоти , a отриманий різницевий сигнал підсилюється вибірним підсилювачем (П), настроєним на частоту пробного сигналу.

Посилений сигнал потім випрямляється фазочутливим випрямлячем ФЧВ і після фільтрації у ФНЧ керує коефіцієнтом передачі КЕ, відновлюючи номінальне значення коефіцієнта передачі КДОВ. При , використовуючи позначення можна записати

(3)

де – коефіцієнт передачі ОТ при сигналі неузгодженості ; – зміна коефіцієнта передачі ОТ під дією ; –коефіцієнт передачі дільника напруги.

З огляду на те, що сигнал , що надходить на другий вихід ВП, подається з виходу КДОВ через оптичний колектор і фотоприймач

,(4)

де – корисний світловий потік на виході КДОВ.

Коефіцієнт перетворення КДОВ в цьому випадку буде визначатися виразом

,(5)

де – коефіцієнт передачі ОТ при відсутності сигналу неузгодженості;

– коефіцієнт пропорційності між вихідною напругою ТП і зміною коефіцієнта передачі ОТ під впливом цієї напруги;

-коефіцієнт передачі ФП;

– коефіцієнт передачі оптичного каналу (ОК);

– коефіцієнт передачі ТС.

Як випливає з приведених виразів, при буде мати місце , тобто точність КДОВ також буде визначатися нестабільністю коефіцієнтів передачі ФП і ОК.

Істотним недоліком даної схеми є наявність похибок, обумовлених зсувом фаз між порівнюваними сигналами і неідентичністю частотних характеристик каналів, а при , .

Точність КДОВ також буде визначатися нестабільністю коефіцієнтів передачі оптичних елементів, а при кінцевих значеннях буде виникати похибка, що зростає зі зменшенням , що не дозволяє одержати виграшу в точності в порівнянні з КДОВ з глибоким НЗЗ.

Не зупиняючись на розгляді стабілізації КДОВ шляхом поділу в часі пробного і корисного сигналів, неефективного на низьких частотах останнього, можна легко показати, що такий спосіб також не забезпечить поліпшення якості стабілізації.

Таким чином, варто зазначити, що в КДОВ найбільше доцільно застосування глибокого НЗЗ, через простоту його реалізації, широкосмугостi і точності.

Тепер розглянемо процес модуляції випромінювання LD з ватт-амперною характеристикою, представленою на рис. 4, при подачі на вхід КДОВ амплитудно-модульованого сигналу.

Рисунок 4 – Ватт-амперна характеристика

На рис. 5 приведена функціональна схема керування КДОВ, у якій стабілізація середньої потужності випромінювання, що змінюється в залежності від температури навколишнього середовища, здійснюється за допомогою НЗЗ по вивченню безпосередньої подачі останнього з заднього дзеркала резонатора LD на контрольний фотодіод, сигнал якого порівнюється компаратором А1 з опорним сигналом і потім впливає на одне з плечей диференціального джерела струму.

Останній виконаний на транзисторах і таким чином, щоб, змінюючи струм зсуву LD, коректувати зміну середньої потужності випромінювання, викликану збурювальним впливом.

Рисунок 5 – Функціональна схема керування КДОВ

З огляду на те, що потужність випромінювання лазерного діода при перевищенні струму накачування граничного значення лінійно зростає з ростом струму накачування, при крутості ватт-амперної характеристики середнє значення сигналу керування другим плечем джерела струму можна прийняти рівним .

Представивши керуючий вплив у виді амплитудно-модульованного коливання

(6)

де в –постійний у часі коефіцієнт, обраний так, щоб амплітуда коливання завжди була позитивною;

– закон зміни амплітуди модульованого коливання щодо середнього рівня;

; и –частота і початкова фаза несійного коливання, відповідно, що результуюче значення струму керування LD буде дорівнювати

(7)

і не повинно перевищувати, навіть короткочасно, максимально припустимого паспортного значення для використовуваного LD.

Прийнявши при 100% модуляції , a , значення струму зсуву LD одержимо рівним

,(8)

де К – постійний коефіцієнт.

Максимальне середнє й амплітудне значення потужності випромінювання при цьому будуть, відповідно, рівні

,(9)

,(10)

де і – значення статичної і динамічної крутості ватт-амперної характеристики LD;

– параметр, що враховує необхідність зменшення амплітудного значення керуючого впливу через нелінійність ватт-амперної характеристики LD на її початковій ділянці, значення якого можна визначити, як .

Таким чином, шляхом відповідного вибору напруги зсуву диференціального джерела струму, використовуваного, як правило, для імпульсного керування LD, визначені режими найбільш загального випадку модуляції оптичного випромінювання за допомогою неперервного амплітудно-модульованого сигналу.

Тут слід зазначити, що для стабілізації крутості ватт-амперної характеристики LD, як правило, використовується давач температури, сигнал якого керує джерелом струму (модулятором), компенсуючи при цьому зміну .

Безпосередня модуляція струму керування лазера, крім модуляції світлової хвилі, впливає на її спектр, змінюючи центральну довжину хвилі, а також спектральний склад і амплітуди окремих мод резонатора, причому, чим менше кількість випромінюваних мод (ліній), тим істотніше цей вплив. Інші джерела світла, такі, як газовий лазер, узагалі не можуть модулюватися розглянутим методом.

Тому виникла необхідність у використанні зовнішніх модуляторів, з яких найбільше поширення знайшли пристрої, засновані на взаємодії акустичних і оптичних хвиль, реалізованій в акустооптичних модуляторах, і на електрооптичному ефекті.