Підвищення точності вимірювання відстаней і потужності когерентного та некогерентного оптичного випромінювання. Застосування методів низькокогерентної спектральної інтерферометрії для створення сіток оптичних частот в телекомунікаційних системах.
Аннотация к работе
Для роботи в радіодіапазоні спектра методи низькокогерентної спектральної інтерферометрії інтенсивно розвиваються в рамках шумової радарної технології, в тому числі у приладах для прецизійного вимірювання відстаней [2*]. Вивчення методів спектральної інтерферометрії показали, що найбільшого застосування ці методи здобули в оптичній томографії, що заснована на явищі оптичної когерентності (як в амплітудній, так і в спектральній областях) для широкосмугових випадкових сигналів (optical coherence tomography (OCT), або усталений термін в нашій країні: оптична когерентна томографія (ОКТ)). Розгляд технологій ОКТ, що засновані на методах низькокогерентної інтерферометрії (або інша назва - інтерферометрії білого світла), показав, що значний інтерес при розробці таких технологій полягає в дослідженні та розвиненні широкосмугових джерел оптичного випромінювання, на яких базуються ці методи. Внаслідок необхідності обміну та передачі великих обємів інформації в сучасному світі, представляють інтерес і в останні десятиліття інтенсивно розвиваються технології волоконно-оптичного звязку на основі WDM систем (англ.: Wavelength Division Multiplexing - спектральне ущільнення каналів), в яких інформаційні канали розділені по частоті, тобто кожен інформаційний канал передається на своїй частоті. Для вирішення поставлених завдань в роботі використовувалися відомі методи наукових досліджень: метод низькокогерентної спектральної інтерферометрії на базі інтерферометрів Майкельсона, Фабрі-Перо і Маха-Цандера, спектрометрія оптичного випромінювання, методи сучасної шумовий радіолокації, методи подвійної спектральної обробки, метод гетеродинного перенесення оптичної частоти в радіодіапазон частот, компютерна обробка результатів вимірювань спектра оптичного випромінювання, Фурє-аналіз спектра оптичного випромінювання, математичне моделювання поляризаційних процесів поширення оптичного випромінювання в оптичних детекторах, абсолютні вимірювання потужності оптичного випромінювання, компютерне моделювання оптичної схеми детекторів оптичного випромінювання, методи математичної статистики для обробки результатів експериментальних досліджень.В розділі проведено аналітичний огляд та розглянуто фізичний принцип дії широкосмугових джерел оптичного випромінювання для застосування в спектральній інтерферометрії, який дозволив при роботі над дисертацією зосередити увагу над дослідженням надяскравих світлодіодів, як недорогої альтернативи суперлюмінесцентним діодам, що використовуються в даних задачах. Показано, що характеристики трап-детекторів забезпечуються завдяки багаторазовому попаданню оптичного променя на фотодіоди, що входять до складу трап-детектора, за рахунок перевідбиттів, в результаті чого поглинається практично все оптичне випромінювання, що надходить в трап-детектор, тобто їх квантова ефективність наближається до 100 %. Були проведені теоретичні і експериментальні дослідження фізичних основ методу спектральної інтерферометрії (або методу подвійної спектральної обробки), що полягає у формуванні періодичного чергування максимумів і мінімумів на осі частот спектра, які є наслідком лінійної інтерференції гармонійних спектральних складових широкосмугових випадкових сигналів, які сумуються на виході інтерферометра, за умови, що різниця довжин плечей інтерферометра перевищує довжину когерентності джерела випромінювання. Оригінальна нова модель трап-детектора дозволила збільшити кількість відбиттів променя всередині трап-детектора, в результаті чого було збільшено поглинену потужність оптичного випромінювання, а отже поліпшено точність її вимірювання [7]. Складено математичну модель поляризаційної залежності поширення оптичного випромінювання всередині трап-детектора, за якою струм трап-детектора визначається за виразом: , (3) де h - постійна Планка; с - швидкість світла у вакуумі; e - елементарний заряд; n - коефіцієнт заломлення повітря; ? - довжина хвилі випромінювання, що падає на фотодіод; i - порядковий номер відбиття оптичного променя в трап-детекторі; N - кількість віддзеркалень оптичного променя в трап-детекторі; Pi - потужність випромінювання після i-го відбиття оптичного променя; ri - коефіцієнт відбиття від поверхні i-го фотодіода; ? - внутрішня квантова ефективність: , (4) де ? - частина пар електрон-дірок, яка бере участь у фотострумі (у відносних одиницях); ?(?) - коефіцієнт поглинання активного шару фотодіода, який залежить від довжини хвилі; ? - товщина шару фотодіода, на якому поглинається оптична потужність.Теоретично і експериментально показано, що використання надяскравих світлодіодів в практичних застосуваннях спектральної інтерферометрії для вимірювання відстані мікрометричного діапазону, забезпечує метрологічні характеристики вимірювальних систем, які відповідні системам на основі суперлюмінесцентних діодів. Розроблено, виготовлено та досліджено шумовий лазерний вимірювач відстані на базі інтерферометра Маха-Цандера для вимірювань відстаней до сотень метрів методом спектральної інтерферометрії з використанням гетер