GR1010881B - Vcsel based fiber bragg grating interrogator - Google Patents
Vcsel based fiber bragg grating interrogator Download PDFInfo
- Publication number
- GR1010881B GR1010881B GR20230101020A GR20230101020A GR1010881B GR 1010881 B GR1010881 B GR 1010881B GR 20230101020 A GR20230101020 A GR 20230101020A GR 20230101020 A GR20230101020 A GR 20230101020A GR 1010881 B GR1010881 B GR 1010881B
- Authority
- GR
- Greece
- Prior art keywords
- photodiode
- electronics
- sensors
- optical
- fiber optic
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
- G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
- G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
- G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
- G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
- G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
- G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
Abstract
Το παρών δίπλωμα ευρεσιτεχνίας αφορά σε συσκευή πλήρους φασματικής και χρονικής ανάγνωσης φραγμάτων περίθλασης Bragg και μικροδομημένων αισθητήρων οπτικών ινών. Η συσκευή αποτελείται από ένα ή περισσότερα Λέιζερ Επιφανειακής Εκπομπής Κάθετης Κοιλότητας (ΛΕΕΚΚ) - (Vertical Cavity Surface Emitting Laser-VCSEL) και τα συνοδά ηλεκτρονικά υποσυστήματα οδήγησης που ελέγχουν με ακρίβεια και σταθερότητα την οπτική εκπομπή του λέιζερ που αποτελεί την οπτική είσοδο προς έναν ή περισσότερους μικροδομημένους αισθητήρες ή φράγματα περίθλασης Bragg. Η συσκευή αποτελείται περεταίρω από έναν οπτικό κυκλοφορητή ελεύθερου χώρου ή οπτικών ινών. Το ανακλώμενο φως από τους αισθητήρες εισέρχεται του οπτικού κυκλοφορητή και ανακατευθύνεται προς μία φωτοδίοδο που ανιχνεύει την ένταση του ανακλώμενου φωτός και συγχρονίζεται ηλεκτρονικά με το ΛΕΕΚΚ ώστε να καταγράφεται και η φασματική πληροφορία, αλλά και χρονική πληροφορία υψηλής ταχύτητας όταν το ΛΕΕΚΚ λειτουργεί σε κλειδωμένη φασματική θέση. Τα συνοδά ηλεκτρονικά της συσκευής είναι υπεύθυνα για τον ακριβή και επαναλήψιμο συγχρονισμό φωτοδιόδου με ΛΕΕΚΚ.The present patent relates to a device for full spectral and temporal readout of Bragg gratings and microstructured fiber optic sensors. The device consists of one or more Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELs) and the accompanying electronic drive subsystems that accurately and stably control the optical emission of the laser that constitutes the optical input to one or more microstructured sensors or Bragg gratings. The device further consists of a free space or fiber optic optical circulator. The reflected light from the sensors enters the optical circulator and is redirected to a photodiode that detects the intensity of the reflected light and is electronically synchronized with the VCSEL so that both spectral information and high-speed temporal information are recorded when the VCSEL is operating in a spectrally locked position. The accompanying electronics of the device are responsible for the precise and repeatable photodiode synchronization with the LED.
Description
[0001] Περιγραφή[0001] Description
[0003] Ευρεσιτεχνία: Συσκευή ανάγνωσης Φραγμάτων περίθλασης Bragg (FBG) βασισμένο σε Λέιζερ Επιφανειακής Εκπομπής Κάθετης Κοιλότητας (ΛΕΕΚΚ )[0003] Patent: Bragg Grating (FBG) reader based on Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL)
[0005] Περιοχή διπλώματος ευρεσιτεχνίας[0005] Patent area
[0007] Το παρών δίπλωμα ευρεσιτεχνίας αφορά στην περιοχή των συσκευών ανάγνωσης αισθητήρων οπτικών ινών βασισμένων στα φράγματα περίθλασης Bragg ( Fiber Bragg Gratings, FBGs).[0007] The present patent relates to the field of fiber optic sensor readers based on Fiber Bragg Gratings (FBGs).
[0009] Αιτιολογική έκθεση[0009] Explanatory report
[0011] Οι αισθητήρες οπτικών ινών βασισμένοι σε φράγματα περίθλασης Bragg (Fiber Bragg Grating, FBG) θεωρούνται οι πλέον επιτυχημένοι εμπορικά στο είδος τους, τα τελευταία 20 χρόνια. Οι αισθητήρες αυτοί έχουν βρει πληθώρα εφαρμογών ως υψηλής απόδοσης και αξιοπιστίας αισθητήρες στην παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας, στην ιατρική, στην μηχανική και σε πληθώρα άλλων εφαρμογών. Τέτοιοι αισθητήρες οπτικών ινών είναι πλέον ιδιαίτερα διαδεδομένοι σε κρίσιμες εφαρμογές υψηλού κόστους που απαιτούν υψηλές επιδόσεις, όπως παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας γεφυρών, πυρηνικών αντιδραστήρων, γυροσκόπια διαστημοπλοίων, παρακολούθηση πίεσης υδάτινων φραγμάτων και στην ιατρική μεταξύ πολλών άλλων εφαρμογών. Ο κοινός παρονομαστής στις εφαρμογές που χρησιμοποιούνται οι αισθητήρες αυτοί είναι οι υψηλές απαιτήσεις επιδόσεων του αισθητήρα και το υψηλό κόστος τους. Το μεγαλύτερο εμπόδιο προς μία ευρύτερη χρήση των φραγμάτων περίθλασης Bragg είναι το απαγορευτικό κόστος της συσκευής ανάγνωσής τους και συγκεκριμένα η έλλειψη φθηνών συσκευών φασματικής ανάγνωσης των αισθητήρων αυτών.[0011] Fiber Bragg Grating (FBG) based fiber optic sensors are considered to be the most commercially successful of their kind in the last 20 years. These sensors have found a wide range of applications as high-performance and reliable sensors in structural integrity monitoring, medicine, engineering and a variety of other applications. Such fiber optic sensors are now particularly widespread in critical high-cost applications that require high performance, such as structural integrity monitoring of bridges, nuclear reactors, spacecraft gyroscopes, water dam pressure monitoring and medicine among many other applications. The common denominator in the applications in which these sensors are used is the high performance requirements of the sensor and their high cost. The biggest obstacle to a wider use of Bragg gratings is the prohibitive cost of their reading device and specifically the lack of inexpensive spectral reading devices for these sensors.
[0013] Η φθηνότερη συσκευή ανάγνωσης αισθητήρων FBG στην αγορά λειτουργεί βάσει της μεθόδου ανίχνευσης στο άκρο (edge detection). Στη μέθοδο αυτή, μία οπτική πηγή στενού (laser) ή ευρύτερου (LED) φασματικού περιεχομένου προσπίπτει προς το φασματικό άκρο ενός φράγματος περίθλασης Bragg και το ανακλώμενο φως παρακολουθείται από μία φωτοδίοδο. Ωστόσο, στη μέθοδο αυτή υπάρχουν μερικά σοβαρά μειονεκτήματα.[0013] The cheapest FBG sensor reader on the market operates on the basis of the edge detection method. In this method, an optical source of narrow (laser) or broad (LED) spectral content is incident on the spectral edge of a Bragg grating and the reflected light is monitored by a photodiode. However, there are some serious disadvantages to this method.
[0014] Πρωτίστως, η μέθοδος αδυνατεί να λάβει φασματική πληροφορία του αισθητήρα και δύναται να παρακολουθήσει έναν και μόνο αισθητήρα ανά συσεκυή ανάγνωσης. Επιπλέον, είναι ιδιαίτερα επιρρεπής σε διακυμάνσεις της έντασης του φωτός και ολίσθησής αυτής, που μπορεί να αποδώσουν λάθος μετρήσεις. Τέλος, για τη λειτουργία της μεθόδου αυτής θεωρείται ότι το φάσμα του αισθητήρα παραμένει αμετάβλητο κατά τη χρήση του, πράγμα που μπορεί και να μην συμβαίνει σε πολλές εφαρμογές.[0014] First, the method is unable to obtain spectral information from the sensor and can only monitor one sensor per reading sequence. Furthermore, it is particularly susceptible to variations in light intensity and drift, which can lead to erroneous measurements. Finally, the operation of this method assumes that the sensor spectrum remains unchanged during use, which may not be the case in many applications.
[0016] Μία άλλη μέθοδος ανάγνωσης αισθητήρων φραγμάτων περίθλασης Bragg βασίζεται σε διατάξεις συζευγμένου φορτίου (Charge Coupled Device - CCD) και αποτελεί ουσιαστικά μία φασματομετρική μέθοδο. Ένα φράγμα περίθλασης υψηλής διακριτικής ικανότητας χρησιμοποιείται για την ανάλυση του προσπίπτοντος φωτός το οποίο και απεικονίζεται πάνω σε έναν γραμμικό αισθητήρα CCD. Η φωτεινή πηγή είναι συνήθως ευρέως φασματικού περιοχομένου εντός της φασματικής περιοχής λειτουργίας του οπτικού αισθητήρα. Η μέθοδος αυτή περιορίζεται από τη λιθογραφία πυριτίου, από το οποίο συνήθως κατασκευάζονται οι διατάξεις CCD και δεν μπορούν ανιχνεύσουν οπτικά σήματα σε μήκη κύματος πάνω από 1000 nm. Αυτό συνεπάγεται την αδυναμία χρήσης φθηνών περιφερειακών που υπάρχουν σε αφθονία γύρω από την περιοχή των 1550 nm λόγω των οπτικών τηλεπικοινωνιών. Η χρήση διατάξεων με χρήση ημιαγωγών εκτός πυριτίου, όπως π.χ. InGaAs αυξάνει σημαντικά το κόστος της μεθόδου καθιστώντας την μη ελκυστική.[0016] Another method of reading Bragg grating sensors is based on Charge Coupled Device (CCD) devices and is essentially a spectrometric method. A high-resolution grating is used to analyze the incident light which is imaged onto a linear CCD sensor. The light source is usually of a broad spectral range within the spectral range of the optical sensor. This method is limited by the silicon lithography, from which CCD devices are usually made and cannot detect optical signals at wavelengths above 1000 nm. This implies the inability to use inexpensive peripherals that are abundant around the 1550 nm region due to optical telecommunications. The use of devices using semiconductors other than silicon, such as e.g. InGaAs, significantly increases the cost of the method, making it unattractive.
[0017] Τέλος, η πιο διαδεδομένη μέθοδος ανάγνωσης αισθητήρων FBG, η οποία είναι όμως και η πλέον δαπανηρή, είναι η χρήση λέιζερ μεταβλητού μήκους κύματος. Στη μέθοδο αυτή ένα μεταβλητού μήκους και μικρού φασματικού εύρους λέιζερ, σαρώνεται καθ' όλο το φασματικό του εύρος, τυπικά περί των 100 nm, κοντά στο τηλεπικοινωνιακό παράθυρο της περιοχής C. Το ανακλώμενο φάσμα από τον ή τους αισθητήρες κατευθύνεταιπρος μία φωτοδίοδο που αναδομείτο φάσμα. Μία τέτοια συσκευή μπορεί να υποστηρίξει την παράλληλη ανάγνωση πολλαπλών αισθητήρων που διαχωρίζονται φασματικά μεταξύ τους, ενώ παρέχει εξαιρετικό λόγο σήματος προς θόρυβο στις μετρήσεις και πολύ καλή φασματική διακριτική ικανότητα. Ωστόσο, οι συσκευές αυτές χαρακτηρίζονται από το υψηλό τους κόστος, το οποίο και αποτελεί τροχοπέδη για την ευρύτερη διάδοση της τεχνολογίας των φραγμάτων περίθλασης Bragg σε ένα ευρύτερο κοινό ή σε εφαρμογές με υψηλότερη ευαισθησία στον λόγο απόδοσης / κόστους.[0017] Finally, the most common method of reading FBG sensors, which is also the most expensive, is the use of a variable wavelength laser. In this method, a variable wavelength and narrow spectral width laser is scanned throughout its spectral range, typically around 100 nm, near the telecommunications window of the C region. The reflected spectrum from the sensor(s) is directed to a photodiode that reconstructs the spectrum. Such a device can support the parallel reading of multiple sensors that are spectrally separated from each other, while providing excellent signal-to-noise ratio in measurements and very good spectral resolution. However, these devices are characterized by their high cost, which is a brake on the wider dissemination of Bragg grating technology to a wider audience or in applications with a higher sensitivity to the performance/cost ratio.
[0019] Η παρούσα ευρεσιτεχνία που περιγράφεται ενθάδε αποσκοπεί στην παροχή μίας συσκευής ανάγνωσης αισθητήρων FBG χαμηλού κόστους, αλλά υπέρ-υψηλής διακριτικής ικανότητας, και υψηλού δυναμικού εύρους, με δυνατότητα πλήρους φασματικής σάρωσης των αισθητήρων, αλλά και δυνατότητα χρήσης της τεχνικής ανίχνευσης στο άκρο (edge detection) με υψηλή ταχύτητα απόκρισης σε μία συσκευή. Η συσκευή δύναται να λειτουργεί φασματικά επί ή περί του παραθύρου οπτικών τηλεπικοινωνιών C ή στην ευρύτερη και εκτεταμένη περιοχή αυτού. Η συσκευή βασίζεται στη χρήση ενός ή περισσοτέρων λέιζερ επιφανειακής εκπομπής κάθετης κοιλότητας (ΛΕΕΚΚ), φωτοδιόδων ανίχνευσης και κυκλοφορητών και απαρτίζεται από τα απαραίτητα ηλεκτρονικά υποσυστήματα για την ακριβή, σταθερή και επαναλήψιμη λειτουργία της για παρατεταμένα χρονικά διαστήματα.[0019] The present invention described herein aims to provide a low-cost, ultra-high resolution, high dynamic range FBG sensor reader, with the ability to fully scan the sensors, as well as the ability to use the edge detection technique with high response speed in one device. The device can operate spectrally on or around the optical telecommunications window C or in the wider and extended region thereof. The device is based on the use of one or more vertical cavity surface emitting lasers (VCSLs), detection photodiodes and circulators and consists of the necessary electronic subsystems for its accurate, stable and repeatable operation for extended periods of time.
[0021] Περιγραφή της ευρεσιτεχνίας[0021] Description of the invention
[0023] Η παρούσα ευρεσιτεχνία αφορά σε συσκευή ανάγνωσης αισθητήρων οπτικών ινών που βασίζονται σε φράγματα περίθλασης Bragg (Fiber Bragg Gratings, FBG) ή σε μικροδομημένους αισθητήρες (100, 101). FI συσκευή βασίζεται σε και αποτελείται από ένα ή και περισσότερα Λέιζερ Επιφανειακής Εκπομπής Κάθετης Κοιλότητας (ΛΕΕΚΚ) - (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) μεταβλητού μήκους κύματος και οπτικής ισχύος (120), σε μία ή και περισσότερες φωτοδιόδους (PDs) (123), σε μία μητρική πλακέτα που φιλοξενείτο απαιτούμενα ηλεκτρονικά ισχύος (121), έναν μικροϋπολογιστή ή μικροελεγκτή (122), έναν ή περισσότερους οπτικούς κυκλοφορητές (110) και τις απαραίτητες οπτοηλεκτρονικές συνδέσεις (102, 124). Η συσκευή ενδέχεται να τροφοδοτείται από συσσωρευτή (140).[0023] The present invention relates to a fiber optic sensor reader based on Fiber Bragg Gratings (FBG) or microstructured sensors (100, 101). The FI device is based on and consists of one or more Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSL) of variable wavelength and optical power (120), one or more photodiodes (PDs) (123), a motherboard housing the required power electronics (121), a microcomputer or microcontroller (122), one or more optical circulators (110) and the necessary optoelectronic connections (102, 124). The device may be powered by a battery (140).
[0024] Η συσκευή της παρούσας ευρεσιτεχνίας χρησιμοποιεί ως πηγή φωτός ένα ή περισσότερα Λέιζερ Επιφανειακής Εκπομπής Κάθετης Κοιλότητας (ΛΕΕΚΚ) μεταβλητού μήκους κύματος και οπτικής ισχύος (120), εκπομπής γύρω από ή επί του τηλεπικοινωνιακού παραθύρου C. Η οπτική ισχύς εξόδου μεταβάλλεται μέσω αλλαγών στη ροή ρεύματος και το μήκος κύματος μεταβάλλεται μέσω αλλαγών στην τάση στα άκρα του / των ΛΕΕΚΚ. Η σταθερότητα του επιλεγμένου μήκους κύματος και της οπτικής ισχύος διασφαλίζεται από την ενσωμάτωση θερμοκρασιακού ελέγχου στη συσκευή (201) και ανάδρασης από το ΛΕΕΚΚ μέσω ενσωματωμένου θερμίστορ. Η φωτοδίοδος της συσκευής είναι μεταβαλλόμενου κέρδους (gain), μέσω μετατροπής του ρεύματος που διαρρέει τα άκρα της σε τάση και ενίσχυση αυτής (205), παρέχοντας μεταβλητά επίπεδα οπτικής ευαισθησίας καί δυναμικού εύρους.[0024] The device of the present invention uses as a light source one or more Surface Emitting Lasers (SELs) of variable wavelength and optical power (120), emitting around or on the telecommunications window C. The optical output power is varied by changes in the current flow and the wavelength is varied by changes in the voltage at the ends of the SELs. The stability of the selected wavelength and optical power is ensured by the integration of temperature control in the device (201) and feedback from the SELs via an integrated thermistor. The photodiode of the device is of variable gain, by converting the current flowing through its ends into voltage and amplifying it (205), providing variable levels of optical sensitivity and dynamic range.
[0025] Ο έλεγχος των λειτουργικών παραμέτρων του / των ΛΕΕΚΚ όπως και της / των φωτοδιόδων, υλοποιείται μέσω της ενσωμάτωσης διακριτών ηλεκτρονικών υποσυστημάτων στην μητρική κάρτα της συσκευής (121). Η μητρική κάρτα (mainboard) (121) ενσωματώνει το υποσύστημα θερμοκρασιακού ελέγχου και παρακολούθησης του / των ΛΕΕΚΚ (201) που βασίζεται σε εμπορικά διαθέσιμο ολοκληρωμένο κύκλωμα (Integrated Circuit - 1C) θερμοκρασιακού ελέγχου (TEC). Το υποσύστημα TEC ευθύνεται για τη λειτουργία του / των ΛΕΕΚΚ σε σταθερή θερμοκρασία, παρέχοντας σταθερή και επαναλήψιμη ρύθμιση οπτικής ισχύος και φασματικής θέσης εκπομπής. Επιπρόσθετα, η μητρική κάρτα, ενσωματώνει το ηλεκτρονικό υποσύστημα απομονωμένης πηγής ρεύματος (isolated current source) (202), σκοπός του οποίου είναι η παροχή σταθερής ροής ηλεκτρικού ρεύματος στο/α ΛΕΕΚΚ, ώστε να επιτυγχάνεται σταθερή και ακριβής ρύθμιση της οπτικής ισχύος εξόδου του λέιζερ. Η απομονωμένη πηγή ρεύματος υλοποιείται με τη χρήση ενός τελεστικού ενισχυτή (Operational Amplifier -OpAmp) και μετατροπέων ψηφιακού σήματος σε αναλογικό (Digital to Analog Converters - DACs). Η μεταβολή του μήκους κύματος του / των ΛΕΕΚΚ υλοποιείται μέσω του ηλεκτρονικού υποσυστήματος ελέγχου τάσης (203) το οποίο βασίζεται στην τεχνική της άμεσης ψηφιακής σύνθεσης (Direct Digital Synthesis - DDS). Η μητρική κάρτα ενσωματώνει επιπροσθέτως το ηλεκτρονικό υποσύστημα οδήγησης της φωτοδιόδου (205), το οποίο βασίζεται στην αρχιτεκτονική Ενισχυτή Μεταβαλλόμενου Κέρδους(Programmable Gain Amplifier -PGA). Η μητρική κάρτα περιλαμβάνει και τα απαραίτητα ηλεκτρονικά υποσυστήματα παροχής ισχύος (200) που αποτελούνται από μετατροπείς και ρυθμιστές τάσης. Τέλος, στη μητρική κάρτα ενσωματώνεται και το κύκλωμα προστασίας του / των ΛΕΕΚΚ (204).[0025] The control of the operating parameters of the LEC(s) as well as the photodiodes(s) is implemented through the integration of discrete electronic subsystems on the device's motherboard (121). The motherboard (mainboard) (121) incorporates the LEC(s) temperature control and monitoring subsystem (201) which is based on a commercially available temperature control integrated circuit (TEC). The TEC subsystem is responsible for operating the LEC(s) at a constant temperature, providing stable and repeatable optical power and spectral emission position adjustment. In addition, the motherboard incorporates the isolated current source (isolated current source) electronic subsystem (202), the purpose of which is to provide a constant flow of electric current to the LEC(s), in order to achieve stable and precise adjustment of the laser's optical output power. The isolated power source is implemented using an operational amplifier (OpAmp) and digital to analog converters (DACs). The wavelength change of the LEC(s) is implemented through the electronic voltage control subsystem (203) which is based on the Direct Digital Synthesis (DDS) technique. The motherboard additionally integrates the electronic photodiode driving subsystem (205), which is based on the Programmable Gain Amplifier (PGA) architecture. The motherboard also includes the necessary power supply electronic subsystems (200) consisting of converters and voltage regulators. Finally, the protection circuit of the LEC(s) (204) is also integrated into the motherboard.
[0027] Η μητρική κάρτα συνδέεται σε έναν μικροϋπολογιστή ή σε έναν μικροελεγκτή, εφεξής αποκαλούμενα ως η επεξεργαστική μονάδα (122), ο ρόλος της οποίας είναι ο έλεγχος των ηλεκτρονικών υποσυστημάτων της μητρικής κάρτας και η διεπαφή της συσκευής με τον τελικό χρήστη ή με έναν τερματικό σταθμό (130). Οι οδηγοί των ηλεκτρονικών υποσυστημάτων στην μητρική κάρτα προγραμματίζονται στην επεξεργαστική μονάδα και ένα γραμμικό ή γραφικό περιβάλλον χρήστη προγραμματίζονται για την διεπαφή με τον χρήστη (130). Σε περίπτωση υλοποίησης μικροϋπολογιστή ένα γραφικό περιβάλλον χρήστη χρησιμοποιείται για τη διεπαφή με τον τελικό χρήστη, ενώ όταν χρησιμοποιείται ένας μικροελεγκτής, τα δεδομένα της συσκευής μεταδίδονται ασύρματα στην τερματική συσκευή απεικόνισης και ελέγχου που μπορεί να είναι ένας προσωπικός υπολογιστής ή ένα κινητό τηλέφωνο, μεταξύ άλλων.[0027] The motherboard is connected to a microcomputer or microcontroller, hereinafter referred to as the processing unit (122), whose role is to control the electronic subsystems of the motherboard and to interface the device with the end user or with a terminal (130). The drivers of the electronic subsystems on the motherboard are programmed in the processing unit and a linear or graphical user interface is programmed for the interface with the user (130). In the case of a microcomputer implementation, a graphical user interface is used for the interface with the end user, while when a microcontroller is used, the data of the device is transmitted wirelessly to the display and control terminal device which may be a personal computer or a mobile phone, among others.
[0029] Η συσκευή μπορεί να περιέχει μία ή περισσότερες θύρες οπτικής εισόδου για τοποθέτηση αισθητήρων οπτικών ινών (110, θύρα 2). Η οπτική έξοδος του ΛΕΕΚΚ κατευθύνεται προς την είσοδο του οπτικού κυκλοφορητή και η έξοδος του κυκλοφορητή αποτελεί την οπτική είσοδο της συσκευής. Η επιστροφή του κυκλοφορητή (110, θύρα 3) κατευθύνεται προς την ενισχυμένη φωτοδίοδο, παρέχοντας ανίχνευση του ανακλώμενου φωτός από την είσοδο της συσκευής.[0029] The device may include one or more optical input ports for mounting fiber optic sensors (110, port 2). The optical output of the LFCC is directed to the input of the optical circulator, and the output of the circulator constitutes the optical input of the device. The return of the circulator (110, port 3) is directed to the amplified photodiode, providing detection of the light reflected from the input of the device.
[0031] Η συσκευή λειτουργεί με δύο διακριτούς τρόπους. Τη λειτουργία φασματικής σάρωσης και τη λειτουργία ανίχνευσης στο άκρο (edge-detection). Κατά τη λειτουργία φασματικής σάρωσης το ΛΕΕΚΚ οδηγείται μέσω του υποσυστήματος μεταβλητής τάσης να εκτελέσει μία πλήρη ή μερικής φασματική σάρωση και το ανακλώμενο φάσμα ανιχνεύεται από την ενισχυμένη φωτοδίοδο η οποία και συγχρονίζεται ηλεκτρονικά με τη σάρωση του ΛΕΕΚΚ ώστε να παρέχεται και η φασματική πληροφορία. Στη λειτουργία ανίχνευσης στο άκρο το ΛΕΕΚΚ τοποθετείται σε προκαθορισμένη θέση στο φάσμα και το ανακλώμενο οπτικό σήμα ανιχνεύεται συνεχώς από την φωτοδίοδο. Η λειτουργία ανίχνευσης στο άκρο μπορεί να ενεργοποιηθεί αυτόματα μετά από μία πλήρη φασματική σάρωση, ώστε: 1) να αναγνωριστεί η φασματική τοποθεσία φραγμάτων περίθλασης Bragg και μετά, 2) να οριστεί η φασματική θέση του ΛΕΕΚΚ στο FBG και τέλος, 3) να ενεργοποιηθεί η ανίχνευση μεταβολής οπτικής ισχύος από την φωτοδίοδο. Κατ' αυτό τον τρόπο δύναται να χρησιμοποιηθεί η διάταξη για ανίχνευση ακουστικού σήματος.[0031] The device operates in two distinct modes. The spectral scanning mode and the edge-detection mode. In the spectral scanning mode, the LEEKK is driven by the variable voltage subsystem to perform a full or partial spectral scan and the reflected spectrum is detected by the amplified photodiode which is electronically synchronized with the LEEKK scan to provide spectral information. In the edge-detection mode, the LEEKK is positioned at a predetermined position in the spectrum and the reflected optical signal is continuously detected by the photodiode. The edge-detection mode can be automatically activated after a full spectral scan to: 1) identify the spectral location of Bragg gratings and then, 2) define the spectral position of the LEEKK in the FBG and finally, 3) activate the detection of optical power change by the photodiode. In this way, the device can be used for detecting an acoustic signal.
[0033] Η συσκευή της παρούσας ευρεσιτεχνίας συνδυάζει τη δυνατότητα πλήρους φασματικής ανίχνευσης της μεθόδου λέιζερ μεταβλητού μήκους κύματος, με εξαιρετικά υψηλή διακριτική ικανότητα και δυναμικό εύρος, μαζί με την ταχύτητα της μεθόδου ανίχνευσης στο άκρο, σε μία συσκευή χαμηλού κόστους και υψηλών επιδόσεων, λόγω του χαμηλού κόστους της ημιαγώγιμης πηγής φωτός ΛΕΕΚΚ.[0033] The device of the present invention combines the full spectral detection capability of the variable wavelength laser method, with extremely high resolution and dynamic range, together with the speed of the edge detection method, in a low cost and high performance device, due to the low cost of the semiconductor LECKK light source.
Claims (8)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20230101020A GR1010881B (en) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | Vcsel based fiber bragg grating interrogator |
| PCT/GR2024/050008 WO2025125838A1 (en) | 2023-12-11 | 2024-12-06 | Vcsel based fiber bragg grating interrogator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GR20230101020A GR1010881B (en) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | Vcsel based fiber bragg grating interrogator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| GR1010881B true GR1010881B (en) | 2025-02-10 |
Family
ID=94216945
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| GR20230101020A GR1010881B (en) | 2023-12-11 | 2023-12-11 | Vcsel based fiber bragg grating interrogator |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| GR (1) | GR1010881B (en) |
| WO (1) | WO2025125838A1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210281048A1 (en) * | 2020-03-09 | 2021-09-09 | Thorlabs Quantum Electronics, Inc. | Tunable laser assembly and method of control |
| US20230349780A1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-11-02 | Chelak Medical Solution Inc. | Miniaturization of fiber bragg grating interrogation for integration into implantable devices |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6836578B2 (en) * | 2003-04-14 | 2004-12-28 | Lake Shore Cryotronics, Inc. | System and method for measuring physical stimuli using vertical cavity surface emitting lasers with integrated tuning means |
| US9677957B2 (en) * | 2012-11-27 | 2017-06-13 | Senek Instrument LLC | Serial fiber Bragg grating interrogator with a pulsed laser for reflection spectrum measurement |
-
2023
- 2023-12-11 GR GR20230101020A patent/GR1010881B/en active IP Right Grant
-
2024
- 2024-12-06 WO PCT/GR2024/050008 patent/WO2025125838A1/en active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20210281048A1 (en) * | 2020-03-09 | 2021-09-09 | Thorlabs Quantum Electronics, Inc. | Tunable laser assembly and method of control |
| US20230349780A1 (en) * | 2022-04-29 | 2023-11-02 | Chelak Medical Solution Inc. | Miniaturization of fiber bragg grating interrogation for integration into implantable devices |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2025125838A1 (en) | 2025-06-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8477296B2 (en) | Opto-electronic signal processing methods, systems, and apparatus for optical sensor interrogation | |
| US8526811B2 (en) | Power monitoring photodiode array with integrated, current sourced reference photodiode | |
| US9222810B1 (en) | In situ calibration of a light source in a sensor device | |
| CN101718942A (en) | Multi-channel fiber Bragg grating (FBG) demodulator | |
| KR20030025694A (en) | Apparatus for optical signal performance monitoring in wavelength division multiplexing system | |
| US7091462B2 (en) | Transmitter with laser monitoring and wavelength stabilization circuit | |
| CN113701660B (en) | Optical sensing demodulation module and optical sensing system | |
| US20040213501A1 (en) | Using intensity and wavelength division multiplexing for fiber Bragg grating sensor system | |
| Patil et al. | Development of Optical Fiber Test Bench for Intensity-Modulated Optical Fiber Sensors | |
| US20090290160A1 (en) | Wavelength sweep control | |
| GR1010881B (en) | Vcsel based fiber bragg grating interrogator | |
| US4930134A (en) | Precision temperature sensor | |
| CN222814090U (en) | Laser power detection control circuit | |
| KR102517180B1 (en) | Narrow linewidth laser oscillator and fiber optic sensor system having the same | |
| CN212931660U (en) | Multichannel fiber grating demodulation system based on semiconductor laser | |
| KR101437437B1 (en) | FBG Sensor System and Optical Signal Processing Module thereof | |
| JPS6217621A (en) | Optical power meter | |
| CN112213284B (en) | Self-calibration method of natural gas detector | |
| CN114383641B (en) | Optical sensing demodulation module and optical sensing system | |
| Jiang et al. | Highly sensitive FBG temperature measurement based on a wavelength pumped multiplexing filter and two optical channels | |
| EP4685445A1 (en) | Integrated spectrometer readout electronics | |
| JP3676924B2 (en) | Light beam sensor | |
| CN115326115B (en) | Optical sensing system and method | |
| CN117330113A (en) | FBG demodulation device | |
| CN113639892B (en) | A fiber grating temperature sensor and quasi-distributed temperature measurement system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PG | Patent granted |
Effective date: 20250314 |