Схема понижения частоты сенсорной системы на основе интегрального оптоэлектронного осциллятора

Основным источником данных в измерительных системах являются датчики. Постоянно разрабатываются как новые виды и типы датчиков, так и подходы к их опросу, поскольку они могут улучшить параметры измерительных систем или открыть новую область их применения. Одной из многообещающих технологий является опрос в частотной области посредством схем оптоэлектронного осциллятора (ОЭО) [1]. Системы опроса на основе ОЭО обладают высокой чувствительностью и скоростью опроса [2]. Данные особенности критически важны для областей применения, где измеряемая характеристика изменяется в малых диапазонах или с высокой (порядка единиц мегагерц) частотой [3].

ОЭО преобразует сдвиг центральной длины волны оптического датчика, возникающий вследствие внешнего воздействия (деформации, поперечной нагрузки, температуры, а также изменения показателя преломления окружающей среды), в изменение частоты сверхвысокочастотного (СВЧ) колебания на выходе схемы [4]. Соответственно, частота сигнала на выходе ОЭО будет зависеть от воздействия, приложенного к датчику. Однако частоты выходных колебаний ОЭО составляют единицы или десятки гигагерц и измерение таких частот является сложной задачей. Для ее решения в схемах опроса на основе ОЭО применяются дополнительные компоненты, такие как анализаторы, реализующие быстрое преобразование Фурье [5], спектроанализаторы или высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) [6]. Однако такие устройства подходят только для лабораторных условий, где не предъявляются дополнительные требования к энергопотреблению, габаритам, задержкам, возможностям автоматизации и цене конечного изделия. Соответственно, для удовлетворения этих требований необходимы новые математические и технологические подходы для улучшения обработки сигналов от сенсорных систем на основе ОЭО.

На данный момент существуют транзисторы с рабочими частотами, подходящими для работы со схемами ОЭО [7], что позволяет использовать

для получения значения частоты ОЭО фототранзисторы или транзисторные делители частоты. Также для этой цели был предложен математический подход, основанный на аппроксимации рациональными функциями [8]. Более того, был предложен метод преобразования частотного опроса датчиков в опрос по интенсивности [9].

Перспективными устройствами для новых областей применения являются датчики и сенсорные системы на основе фотонных интегральных схем (ФИС) [10]. Ранее авторами данной статьи описывались преимущества применения интегрального ОЭО для сенсорных систем [11].

В данной статье предложена схема частотного опроса датчиков на основе интегрального ОЭО, выходная частота СВЧ-колебания которого зависит от резонансной длины волны оптического устройства, используемого для определения показателя преломления анализируемой жидкости. Предложенная система может быть использована для определения концентрации вещества в жидкости [12] или же для анализа биологических жидкостей [13]. Для измерения частоты СВЧ-колебаний схема ОЭО дополнена блоком преобразования частоты, что обеспечивает возможность снижения значения регистрируемых частот, тем самым позволяя снизить стоимость конечного оборудования и повысить степень интеграции сенсорной системы в целом. Соответственно, данная работа направлена на разработку системы опроса датчиков на основе интегрального ОЭО со схемой преобразования частоты.

На основе вышеизложенного, задача работы может быть сформулирована следующим образом: разработка частотного метода опроса датчиков, применимого для коммерческих высокоскоростных систем, и снижение требований к конечному оборудованию систем опроса.

Сенсорная система на основе оптоэлектронного осциллятора с преобразователем частоты

В качестве оптического датчика использована волноводная решетка Брэгга с фазовым сдвигом (ФС-ВБР) [14]. Данный тип датчика часто применяется, например, в медицине и биологии [15]. Как указано выше, для опроса датчика была применена схема ОЭО.

Принцип работы ОЭО основан на биении оптических поднесущих и подробно описан в работе [16]. На рисунке 1 представлена схема интегрального ОЭО с ФС-ВБР в качестве режек-торного фильтра.

Для запуска процесса генерации СВЧ-колеба- ний в ОЭО узкополосное излучение с внешнего источника лазерного излучения поступает на ФИС, где проходит через фазовый модулятор, где оптическое излучение модулируется шумовым сигналом с усилителя. После этого фазомодулированный оптический сигнал поступает на режекторный фильтр, где часть спектра сигнала подавляется. Вследствие подавления противофазной части спектра оптического сигнала на режекторном фильтре возникает биение двух оптических несущих на фотодетекторе с частотой, определяемой разностью частот источника лазерного излучения и режекторного фильтра.

Рисунок 1. Схема оптоэлектронного осциллятора с волноводной брегговской решеткой с фазовым сдвигом: ИЛИ – источник лазерного излучения, ФМ – фазовый модулятор, ФД – фотодетектор,

ФИС – фотонная интегральная схема,

СЧ – синтезатор частоты, ПЧ – преобразователь частоты, АЦП – аналого-цифровой преобразователь, К – контроллер. Штрихпунктирными линиями показаны оптические сигналы, сплошными – электрические

Для снижения сложности измерения частоты СВЧ-колебаний на выходе ОЭО была построена схема понижения частоты (рисунок 1). Данная схема состоит из преобразователя частоты (ПЧ), синтезатора частоты (СЧ), АЦП и контроллера (К). Она работает следующим образом. СВЧ-колебание с выхода ОЭО поступает на вход ПЧ и преобразуется в колебание промежуточной частоты (ПрЧ):

f ПрЧ     f СЧ    f ОЭО .

Требуемое значение ПрЧ сохранено в памяти контроллера. С выхода ПЧ, колебание ПрЧ поступает на АЦП, где происходит измерение его частоты, после этого измеренное значение сравнивается с требуемым в контроллере. В случае отклонения значения частоты колебания ПрЧ контроллер генерирует управляющий сигнал для изменения частоты на выходе СЧ. Соответственно, при отсутствии изменения частоты ОЭО ПрЧ не изменяется. В случае изменения частоты ОЭО происходит изменение ПрЧ, контроллер подает сигнал на изменение частоты СЧ, после чего происходит возвращение значения ПрЧ к исходному. Поскольку значения ƒПрЧ и ƒСЧ в выражении (1) известны, становится возможным вычисление значения ƒОЭО. Альтернативным методом вычисления частоты колебания на выходе ОЭО может послужить применение фиксированной частоты СЧ. В свою очередь, по известной частоте колебания на выходе ОЭО можно определить резонансную (пиковую) частоту оптического датчика:

/ фС-ВБР ^_ / лазера “ ^f ОЭО .

В предложенной схеме стабильность частоты синтезатора в значительной мере влияет на погрешность измерения, что снижает влияние фазового шума ОЭО на результат измерения. Так, для синтезатора частоты LMX2820 FFA (TI, США) нестабильность частоты в устоявшемся режиме составляет 30 кГц [17]. При этом для данного случая время перестройки частоты СЧ составляет около 20 нс, что ограничивает время опроса датчика. Возможным решением этих проблем является повышение промежуточной частоты, однако это требует более производительного АЦП, что увеличивает стоимость и сложность системы. Также возможным решением является применение микроконтроллеров и одноплатных компьютеров в качестве АЦП.

Результаты моделирования системы

На основе рисунка 1 была разработана численная модель интегрального ОЭО в программном обеспечении Lumerical INTERCONNECT. Изменение показателя преломления жидкости, окружающей ФС-ВБР, приводит к сдвигу ее резонансной частоты. Зависимость данной частоты от показателя преломления жидкости была получена с помощью численного моделирования в программном обеспечении Lumerical MODE. На рисунке 2 показана зависимость частоты колебания на выходе ОЭО от показателя преломления анализируемой жидкости. В рамках моделирования было рассмотрено изменение показателя преломления жидкости от 1,39 до 1,391, что соответствует показателю преломления крови при наличии раковых заболеваний [15].

Показатель преломления жидкости

Рисунок 2. Зависимость частоты колебания на выходе ОЭО от показателя преломления жидкости

Из рисунка 2 видно, что частота выходного колебания ОЭО превышает 12 ГГц, что подтверждает необходимость применения схемы понижения частоты. При этом изменение показателя преломления жидкости на 0,0001 приводит к изменению частоты колебания на выходе ОЭО на 0,98 ГГц, соответственно, чувствительность системы в целом может быть определена как:

S = fo = 9800 ггц/riu , (2) An где RIU – единицы показателя преломления (англ. refractive index units).

Исходя из полученного значения чувствительности системы, можно сделать вывод о том, что для анализа показателя преломления крови с различными раковыми патологиями (от 1,39 до 1,391) [15] необходимо применение частотного диапазона, превышающего 100 ГГц. Однако частота среза фазовых модуляторов и фотодетекторов ограничивается 90 ГГц [18]. Выражение (2) показывает, что уменьшение частотного диапазона возможно с помощью снижения чувствительности схемы. Это можно реализовать за счет производства датчика на другой платформе интегральной фотоники с меньшим контрастом показателей преломления, чем у платформы кремний-на-изоляторе (КНИ), например: фосфид индия, нитрид кремния, TriPleX и другие [19]. Стоит отметить, что в этом случае потребуется гибридная интеграция датчика в систему опроса [20], которая увеличит сложность изготовления сенсорной системы.

Для оценки влияния схемы понижения частоты на качество обработки АЦП были использованы критерии отношения сигнала к сумме шума и искажений (SINAD, Signal-to-Noise and Distortion

Ratio) и уровня излучения на гармониках [21]. На рисунке 3 показана зависимость SINAD от частоты на входе АЦП. На рисунке 4 представлена зависимость уровня излучения на гармониках от частоты на входе АЦП.

Рисунок 3. Зависимость отношения сигнала к сумме шума и искажений от частоты на входе АЦП

Рисунок 4. Зависимость уровня излучения на гармониках от частоты на входе АЦП

Предпочтительной платформой для производства схемы ОЭО является КНИ ввиду ее совместимости с технологией КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник) с возможностью интеграции оптической и электронной частей сенсорной системы. Также возможным вариантом является платформа фосфид индия, поскольку с ее помощью возможно размещение на одной фотонной интегральной схеме всех оптических компонентов ОЭО.

Результаты численного моделирования показывают, что компоненты схемы понижения частоты должны поддерживать частоты до 13 ГГц.

Стоит отметить, что вносимая временная задержка и частота дискретизации компонентов должны соответствовать частоте метода опроса (10 МГц). Например, в качестве блока ПЧ могут быть использованы микросхемы преобразователей частоты CHR3662-QDG (UMS, Европа) и CMD177 (Qorvo, США), СВЧ-смесителей от 3 до 50 ГГц (АО «НПФ «Микран», Россия), а для синтеза частоты – микросхемы АЦП LMX2820 (TI, США), К5101НВ04FI (Миландр, Россия) или ADC3564 (Analog Devices, США). Также могут быть использованы и другие микросхемы с подходящими характеристиками.

Заключение

В статье была продемонстрирована сенсорная система с опросом датчиков по частоте на основе ОЭО со схемой понижения частоты. Последняя позволяет снизить требования к процессу обработки сигнала с соответствующим упрощением устройства сенсорной системы. В свою очередь, применение частотного метода опроса датчиков позволяет улучшить характеристики сенсорной системы, такие как чувствительность и предел детектирования. Результаты моделирования в программном обеспечении Ansys Lumerical показали, что частота СВЧ-колебаний на выходе ОЭО меняется от 3,01 до 12,89 ГГц при варьировании показателя преломления анализируемой жидкости от 1,39 до 1,391. Чувствительность системы составила 9800 ГГц/RIU.

Стоит отметить, что предложенная система опроса может быть использована не только для измерения параметров жидкости, но и для получения данных о состоянии окружающей среды. Например, изменение температуры может приводить к значительным отклонениям показателя преломления брэгговских решеток с соответствующим изменением длины волны пика отражения.

Также был приведен краткий анализ электронной компонентной базы, которая может быть использована для реализации сенсорной системы на основе представленной в статье схемы. Было показано, что предложенная схема может снизить быстродействие за счет времени перестройки синтезатора частоты и времени вычисления значения промежуточной частоты. Однако, полученная скорость опроса остается достаточной для задач [3], критичных к данному параметру. В результате, предложенная схема может стать основой для нового класса сенсорных систем.

Исследование выполнено в рамках работ по государственному заданию Минобрнауки России для УУНиТ (соглашение № 075-03-2024-123/1 от 15.02.2024 г.) в молодежной научно-исследова- тельской лаборатории Евразийского НОЦ «Сенсорные системы на основе устройств интегральной фотоники».