ПРИМЕНЕНИЕ РАДИОФОТОНИКИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ 

Востриков Е.В.,Литвинов Е.В.,Волковский С.А.,Алейник А.С.,Польте Г.А.Применение радиофотоники в волоконно-оптических измерительных приборах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2020. Т. 1. № 1. С. 1–23

doi:10.17586/2226-1494-2020-20-1-1-23

Радиофотоника является новым научно-техническим направлением, которое образовалось в результате интенсивного развития таких областей, как волоконная, интегральная и нелинейная оптика, лазерная физика, опто- и микроэлектроника. В последние десятилетия наблюдается положительная динамика по созданию радиофотонных устройств, эта тенденция связана с возможностью создавать устройства ультравысоких и сверхвысоких частот с параметрами, недостижимыми обычными электронными устройствами. Характеристики радиофотонных измерительных систем сопоставимы с характеристиками традиционных волоконно-оптических датчиков, данная технология может быть использована как для создания новых измерительных приборов, так и для усовершенствования уже существующих измерительных систем других типов. В работе представлен аналитический обзор способов применения радиофотонных технологий в волоконно-оптических измерительных приборах. В первой части обзорной статьи рассмотрен общий принцип построения радиофотонных волоконно-оптических измерительных приборов. Представлены ключевые элементы подобного рода систем — радиофотонные фильтры. Описаны технологии их построения с указанием особенностей, преимуществ и недостатков. Рассмотрены способы создания радиофотонных фильтров с конечной импульсной характеристикой с положительными и отрицательными коэффициентами. Последующие разделы посвящены непосредственно анализу радиофотонных волоконно-оптических измерительных приборов и содержат классификацию таких устройств по их принципу работы. Предложена классификация спектральных и интерферометрических радиофотонных волоконно-оптических измерительных приборов с указанием их отличительных признаков. Представлены и проанализированы экспериментальные данные, основные характеристики и области практического применения наиболее распространенных датчиков. Рассмотрены новые подходы и методы по созданию радиофотонных измерительных систем и улучшению тактико-технических характеристик существующих приборов. Приведено сопоставление характеристик радио- фотонных волоконно-оптических измерительных приборов и традиционных волоконно-оптических датчиков, по результатам которого можно сделать вывод о применимости современного типа измерительных приборов, а также о преимуществах их использования по сравнению с другими волоконно-оптическими датчиками.

1. Белоусов А.А., Вольхин Ю.Н., Гамиловская А.В., Дубровская А.А., Тихонов Е.В. О применении методов и средств радиофотоники для обработки сигналов дециметрового, сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн // Прикладная фотоника. 2014. Т. 1. № 1. С. 65–86. doi: 10.15593/2411-4367/2014.1.06

2. Hervás J., Ricchiuti A.L., Li W., Zhu N.H., Fernández-Pousa C.R., Sales S., Li M., Capmany J. Microwave photonics for optical sensors // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. 2017. V. 23. N 2. P. 5602013. doi: 10.1109/JSTQE.2017.2651117

3. Yao J. Microwave photonics: Optical generation and processing of microwave signals // ProICAIT ‘08 Proc. of the 2008 International Conference on Advanced Infocomm Technology. 2008. P. 135. doi: 10.1145/1509315.1509450

4. Capmany J., Ortega B., Pastor D. A tutorial on microwave photonic filters // Journal of Lightwave Technology. 2006. V. 24. N 1. P. 201– 229. doi: 10.1109/JLT.2005.860478

5. Capmany J., Ortega B., Pastor D., Sales S. Discrete-time optical processing of microwave signals // Journal of Lightwave Technology. 2005. V. 23. N 2. P. 702–723. doi: 10.1109/JLT.2004.838819

6. Смит С. Цифровая обработка сигналов: практическое руководство для инженеров и научных работников. М.: Додэка XXI век, 2008. 720 с.

7. Minasian R.A. Photonic signal processing of microwave signals // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.  2006. V. 54. N 2. P. 832–846. doi: 10.1109/TMTT.2005.863060

8. Mishra V., Gupta S. Microwave photonic filter: A systematic literature review // International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering. 2017. V. 6. N 5. P. 628–634. doi: 10.17148/IJARCCE.2017.65121

9. Coppinger F., Yegnanarayanan S., Trinh P.D., Jalali B. All-optical RF filter using amplitude inversion in a semiconductor optical amplifier // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1997. V. 45. N 8. P. 1473–1477. doi: 10.1109/22.618457

10. Thakur V., Pandove G., Gupta T. Optical wavelength converters based on cross gain modulation and cross phase modulation in SOA // International Journal of Electronics and Computer Science Engineering. 2012. V. 1. N 3. P. 1274–1280.

11. Turkiewicz J.P., Khoe G.D., de Waart H. All-optical 1310 to 1550 nm wavelength conversion by utilising nonlinear polarisation rotation in semiconductor optical amplifier // Electronics Letters. 2005. V. 41. N 1. P. 29–30. doi: 10.1049/el:20057435

12. Vyrsokinos K., Apostolopoulos D., Zakynthinos P., Avramopoulos H., Pleros N. Wavelength conversion for NRZ signals with enhanced regenerative characteristics // Proc. of the Conference on Optical Fiber Communication, OFC 2009. 2009. P. 5032381.

13. Wang X., Chan K.T. Tunable all-optical incoherent bipolar delay-line filter using injection-locked Fabry-Perot laser and fibre Bragg gratings // Electronics Letters. 2000. V. 36. N 24. P. 2001–2003. doi: 10.1049/el:20001424

14. Nguyen Q.T., Girault G., Vaudel O., Bramerie L., Besnard P., Shen A., Duan G.H., Kazmierski C., Lobo S., Joindot M., Simon J.-C., Dupuis N., Garreau A., Belfqih Z., Chanclou P. Colorless components for WDM-based optical access networks // Proc. International Workshop on Photonics and Applications 2008 (IWPA 2008). 2008.

15. Yao J. Microwave photonics // Journal of Lightwave Technology. 2009. V. 27. N 3. P. 314–335. doi: 10.1109/JLT.2008.2009551

16. Белкин М.Е. Разработка модели оптоэлектронного генератора СВЧ диапазона // Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения. 2008. Т. 8. № 1. С. 289–297.

17. Белкин М., Лопарев А. Оптоэлектронный генератор — первое практическое устройство СВЧ-оптоэлектроники // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2010. № 6(104). С. 62–71.

18. Shao Y., Han X., Li M., Zhao M. RF signal detection by a tunable optoelectronic oscillator based on a PS-FBG // Optics Letters. 2018. V. 43. N 6. P. 1199–1202. doi: 10.1364/OL.43.001199

19. Togo H., Mochizuki S., Kukutsu N. Optical fiber electric field sensor for antenna measurement // NTT Technical Review. 2009. V. 7. N 3.

20. Fandiño J.S., Muñoz P. Analysis of system imperfections in a photonics-assisted instantaneous frequency measurement receiver based on a dual-sideband suppressed-carrier modulation // Journal of Lightwave Technology. 2015. V. 33. N 2. P. 293–303. doi: 10.1109/JLT.2014.2378331

21. Preussler S., Schneider T. Attometer resolution spectral analysis based on polarization pulling assisted Brillouin scattering merged with heterodyne detection // Optics Express. 2015. V. 23. N 20. P. 26879– 26887. doi: 10.1364/OE.23.026879

22. Chen B., Zheng S.L., Zhang X.M., Zhang X.M., Jin X.F., Chi H. Simultaneously realizing PM-IM conversion and efficiency improvement of fiber-optic links using FBG // Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 2009. V. 23. N. 2-3. P. 161–170. doi: 10.1163/156939309787604472

23. Yao J. Microwave photonics for high-resolution and high-speed interrogation of fiber Bragg grating sensors // Fiber and Integrated Optics 2015.V. 34.N 4.P. 230–242.doi:10.1080/01468030.2015.1061622

24. Li W., Li M., Yao J. A narrow-passband and frequency-tunable microwave photonic filter based on phase-modulation to intensity- modulation conversion using a phase-shifted fiber bragg grating // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.  2012. V. 60. N 5. P. 1287–1296. doi: 10.1109/TMTT.2012.2187678

25. Li L., Yi X., Huang X.X.H., Minasian A. Shifted dispersion-induced radio-frequency fading in microwave photonic filters using a dual- input Mach-Zehnder electro-optic modulator // Optics Letters. 2013. V. 38. N 7. P. 1164–1166. doi: 10.1364/OL.38.001164

26. Wang H., Zheng J.Y., Li W., Wang L.X., Li M., Xie L., Zhu N.H. Widely tunable single-bandpass microwave photonic filter based on polarization processing of a nonsliced broadband optical source // Optics Letters. 2013. V. 38. N 22. P. 4857–4860. doi: 10.1364/OL.38.004857

27. Capmany J., Mora J., Gasulla I., Sancho J., Lloret J., Sales S. Microwave photonic signal processing // Journal of Lightwave Technology. 2013. V. 31. N 4. P. 571–586. doi: 10.1109/JLT.2012.2222348

28. Xue X., Zheng X., Zhang H., Zhou B. Widely tunable single-bandpass microwave photonic filter employing a non-sliced broadband optical source // Optics Express. 2011. V. 19. N 19. P. 18423–18429. doi: 10.1364/OE.19.018423

29. Xue X., Zheng X., Zhang H., Zhou B. Highly reconfigurable microwave photonic single-bandpass filter with complex continuous- time impulse responses //  Optics Express. 2012. V.  20. N 24.  P. 26929–26934. doi: 10.1364/OE.20.026929

30. Song M., Long C.M., Wu R., Seo D., Leaird D.E., Weiner A.M. Reconfigurable and tunable flat-top microwave photonic filters utilizing optical frequency combs // IEEE Photonics Technology Letters. 2011. V. 23. N 21. P. 1618–1620. doi: 10.1109/LPT.2011.2165209

31. Deng Y., Li M., Huang N., Wang H., Zhu N. Optical length-change measurement based on an incoherent single-bandpass microwave photonic filter with high resolution // Photonics Research. 2014. V. 2. N 4. P. B35–B39. doi: 10.1364/PRJ.2.000B35

32. Dong H., Liu S., Yang L., Peng J., Cheng K. Optical fiber displacement sensor based on microwave photonics interferometry // Sensors (Basel). 2018. V. 18. N 11. P. 3702. doi: 10.3390/s18113702

33. Zhou X.L., Yu Q.X. Wide-range displacement sensor based on fiber- optic fabry-perot interferometer for subnanometer measurement // IEEE Sensors Journal. 2011. V. 11. N 7. P. 1602–1606. doi: 10.1109/JSEN.2010.2103307

34. Seat H.C., Chawah P., Cattoen M., Sourice A., Plantier G., Boudin F., Chéry J., Brunet C., Bernard P., Suleiman M. Dual-modulation fiber Fabry-Perot interferometer with double reflection for slowly-varying displacements // Optics Letters. 2012. V. 37. N 14. P. 2886–2888. doi: 10.1364/OL.37.002886

35. Li T., Tan Y., Shi C., Guo Y., Najdovski Z., Ren H., Zhou Z. A high- sensitivity fiber Bragg grating displacement sensor based on transverse property of a tensioned optical fiber configuration and its dynamic performance improvement // IEEE Sensors Journal. 2017. V. 17. N 18. P. 5840–5848. doi: 10.1109/JSEN.2017.2737556

36. Zou Y., Dong X., Lin G, Adhami R. Wide range FBG displacement sensor based on twin-core fiber filter // Journal of Lightwave Technology. 2012. V.  30.  N 3.  P.  337–343.  doi: 10.1109/JLT.2011.2181334

37. Wang X.M., Zhao C.L., Wang Y.R., Shen C.Y., Dong X.Y. A highly sensitive fibre-optic nano-displacement sensor based on surface plasmon resonance // Journal of Lightwave Technology. 2016. V. 34. N 9. P. 2324–2330. doi: 10.1109/JLT.2016.2535662

38. Moreno-Hernández C.J., Monzón-Hernández D., Martínez-Ríos A., Moreno-Hernández D., Villatoro J. Long-range interferometric displacement sensing with tapered optical fiber tips // IEEE Photonics Technology Letters. 2015. V. 27. N 4. P. 379–382. doi: 10.1109/LPT.2014.2375651

39. Yang Y., Tian D., Chen K., Zhou X., Gong Z., Yu Q. A fiber-optic displacement sensor using the spectral demodulation method // Journal of Lightwave Technology. 2018. V. 36. N 17. P. 3666–3671. doi: 10.1109/JLT.2018.2841973

40. Qi L., Zhao C.L., Wang Y., Kang J., Zhang Z., Jin S. Compact micro- displacement sensor with high sensitivity based on a long-period fiber grating with an air-cavity // Optics Express. 2013. V. 21. N 3. P. 3193– 3200. doi: 10.1364/OE.21.003193

41. Ricchiuti A.L., Barrera D., Sales S., Thevenaz L., Capmany J. Long fiber Bragg grating sensor interrogation using discrete-time microwave photonic filtering techniques // Optics Express. 2013.   V. 21. N 23. P. 28175–28181. doi: 10.1364/OE.21.028175

42. Zhou J., Xia L., Cheng R., Wen Y., Rohollahnejad J. Radio-frequency unbalanced M-Z interferometer for wavelength interrogation of fiber Bragg grating sensors // Optics Letters. 2016. V. 41. N 2. P. 313–316. doi: 10.1364/OL.41.000313

43. Ricchiuti L.A., Sales S. Spot event detection along a large-scale sensor based on ultra-weak fiber Bragg gratings using time-frequency analysis // Applied Optics. 2016. V. 55. N 5. P. 1054–1060. doi: 10.1364/AO.55.001054

44. Huang J., Hua L., Lan X., Wei T., Xiao H. Microwave assisted reconstruction of optical interferograms for distributed fiber optic sensing // Optics Express. 2013. V. 21. N 15. P. 18152–18159. doi: 10.1364/OE.21.018152

45. Chamoun J., Digonnet M.J.F. Aircraft-navigation-grade laser-driven FOG with Gaussian-noise phase modulation // Optics Letters. 2017. V. 42. N 8. P. 1600–1603. doi: 10.1364/OL.42.001600

46. Chamoun J., Digonnet M.J.F. Pseudo-random-bit-sequence phase modulation for reduced errors in a fiber optic gyroscope // Optics Letters. 2016. V. 41. N 24. P. 5664–5667. doi: 10.1364/OL.41.005664

47. Wang C., Yao J. Ultrafast and ultrahigh-resolution interrogation of a fiber bragg grating sensor based on interferometric temporal spectroscopy // Journal of Lightwave Technology. 2011. V. 29. N 19. P. 2927–2933. doi: 10.1109/JLT.2011.2164572

48. Tosi D., Korganbayev S., Molardi C., Schena E., Perrone G., Iadicicco A., Campopiano S., Sales S. High spatial resolution fiber optic sensors and their impact in biomedical measurements and diagnostic // Proc. of the Conference on Lasers and Electro-Optics Pacific Rim (CLEO-PR 2018). 2018. P. 8700054.

49. Das B., Srivastava D., Tiwari U.K., Choudhary B.C. Dynamic strain response of a π-phase-shifted FBG sensor with phase-sensitive detection // OSA Continuum. 2018. V. 1. N 4. P. 1172–1184. doi: 10.1364/OSAC.1.001172

50. Bao X., Chen L. Recent progress in distributed fiber optic sensors // Sensors (Basel). 2012. V. 12. N 7. P. 8601–8639. doi: 10.3390/s120708601

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License