Безпосередня модуляція джерела випромінювання (стр. 1 из 2)
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 Uіnp 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;