В.В. Иванов¹, Г.С. Воронков², А.Г. Закоян³, И.В. Степанов⁴, А.В. Воронкова⁵, Р.В. Кутлуяров⁶, Е.П. Грахова⁷

1−7 Уфимский университет науки и технологий (г. Уфа, Россия)

Постановка проблемы. На сегодняшний день большое развитие получили оптические сенсоры и системы их опроса (системы интеррогации). Для использования частотного метода интеррогации требуется быстродействующая система опроса датчиков, которая позволит снизить требования к оконечному детектирующему оборудованию.

Цель. Разработать интегральную схему интеррогатора на основе оптоэлектронного осциллятора с преобразованием частоты для создания быстродействующей системы опроса датчиков акустической эмиссии.

Результаты. Рассмотрен метод частотной интеррогации, основанный на использовании оптоэлектронного осциллятора, для применения в системах измерения акустической эмиссии и интеррогатор, выполненный в виде фотонной интегральной схемы. Проведено компьютерное моделирование частотной системы интеррогации для случая изменения амплитуды сигналов акустической эмиссии от 3∙10−12 м до 3∙10−11 м. Получено, что частота СВЧ-колебаний на выходе оптоэлектронного осциллятора при этом составила от 1,23 ГГц до 12,49 ГГц, а быстродействие системы интеррогации составило 12,5 МГц.

Практическая значимость. Предложенная схема может быть использована в приложениях неразрушающего контроля, в том числе для обнаружения и оценки динамики роста микротрещин.

1. Othonos A., Kalli K. 1999. Fiber Bragg Gratings: Fundamentals and Applications in Telecommunications and Sensing. Norwood: Artech House.
2. Bogaerts W. et al. Silicon microring resonators // Laser & Photonics Reviews. 2012. Т. 6. № 1. С. 47−73.
3. Soltani M., Yegnanarayanan S., Adibi A. Ultra-high Q planar silicon microdisk resonators for chip-scale silicon photonics // Optics express. 2007. Т. 15. № 8. С. 4694−4704.
4. Yao J. Microwave photonics for high-resolution and high-speed interrogation of fiber Bragg grating sensors // Fiber and Integrated Optics. 2015. Т. 34. № 4. С. 204−216.
5. Нуреев И.И. Радиофотонные амплитудно-фазовые методы интеррогации комплексированных датчиков на основе волоконных решеток Брэгга // Инженерный вестник Дона. 2016. Т. 41. № 2. С. 19.
6. Słowikowski M. et al. Photonic Integrated Interrogator for Monitoring the Patient Condition during MRI Diagnosis // Sensors. 2021. Т. 21. № 12. С. 4238.
7. Рузаков И.А. Мониторинг деформационного состояния элементов конструкции из ПКМ на основе волоконно-оптических датчиков (обзор) // Труды ВИАМ. 2019. № 4 (76). С. 88−98.
8. Yao J. Microwave photonic sensors // Journal of Lightwave Technology. 2020. Т. 39. № 12. С. 3626−3637.
9. Yao J. Photonic generation of microwave arbitrary waveforms // Opt. Commun. 2011. V. 284. № 15. P. 3723−3736.
10. Chew S.X. et al. Optoelectronic oscillator based sensor using an on-chip sensing probe // IEEE Photonics Journal. 2017. Т. 9. № 2. С. 1−9.
11. Yao J. Optoelectronic oscillators for high speed and high resolution optical sensing // Journal of Lightwave Technology. 2016. Т. 35. № 16. С. 3489−3497.
12. Giacobbe A. et al. Fast FBG sensor interrogation method based on silicon microring resonators // IEEE SENSORS. 2020. С. 1−4.
13. Yang F. et al. Highly Sensitive Integrated Photonic Sensor and Interrogator Using Cascaded Silicon Microring Resonators // Journal of Lightwave Technology. 2022. Т. 40. № 9. С. 3055−3061.
14. Zhang W., Yao J. Silicon photonic integrated optoelectronic oscillator for frequency-tunable microwave generation // Journal of Lightwave Technology. 2018. Т. 36. № 19. С. 4655−4663.
15. Wu Q., Okabe Y., Yu F. Ultrasonic structural health monitoring using fiber Bragg grating // Sensors. 2018. Т. 18. № 10. С. 3395.
16. Golovastikov N.V., Bykov D.A., Doskolovich L.L. Temporal differentiation and integration of 3D optical pulses using phase-shifted Bragg gratings // Computer Optics. 2017. Т. 41. № 1. С. 13−21.
17. Sun X. et al. Fabrication and Sensing Application of Phase Shifted Bragg Grating Sensors // Materials. 2022. Т. 15. № 10. С. 3720.
18. Wu Q. et al. Application of an optical fiber sensor for nonlinear ultrasonic evaluation of fatigue crack // IEEE Sensors Journal. 2019. Т. 19. № 13. С. 4992−4999.
19. Wu Q., Okabe Y., Yu F. Ultrasonic structural health monitoring using fiber Bragg grating // Sensors. 2018. Т. 18. № 10. С. 3395.
20. Muanzuala L. et al. Measuring the linewidth of a stabilized diode laser // arXiv preprint arXiv:1510.03683. 2015.
21. Application Report Dramatically Improve Your Lock Time with VCO Instant Calibration. https://www.ti.com/lit/an/snaa342/ snaa342.pdf?ts=1655282529812&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F (дата обращения: 24.10.2022).
22. Venghaus H., Grote N. Fibre Optic Communication: Key Devices. Springer Series in Optical Sciences. Springer International Publishing. 2017.
23. Soref R. Tutorial: Integrated-photonic switching structures // Apl Photonics. 2018. Т. 3. № 2. С. 021101.
24. Hosseini N. et al. Stress-optic modulator in TriPleX platform using a piezoelectric lead zirconate titanate (PZT) thin film // Optics express. 2015. Т. 23. № 11. С. 14018−14026.