Master's Thesis

Development and realization of the spectral response evaluation unit for fiber-optic sensors interrogation

Final Thesis 26.12 MB

Author of thesis: Bc. Matej Grega

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. František Urban, CSc.

Reviewer: Ing. Radim Šifta, Ph.D.

Abstract:

Fiber optic measurement systems have considerable potential for application in challenging environments, where their ability to withstand harsh conditions and electromagnetic interference is a significant advantage. This thesis describes the design of a high-speed fiber optic sensor interrogator unit that evaluates the spectral response of sensors around a wavelength of 1550 nm with a measurement repetition frequency of 10 kHz. The interrogator employs wavelength tuning of a DFB laser diode (LD) with current pulses having an amplitude of up to 2 A and a length of 5--10 µs. The thesis includes the construction of a prototype of the interrogator unit and the design of a method for calibrating LD current pulses. This method has been demonstrated to achieve an LD tuning linearity error of ±6 pm in the range of 7.27 nm.

Keywords:

fiber-optic sensor, measuring system, measuring unit, fibre-optic interrogator, DFB, laser diode, tuning of semiconductor laser, optical spectrum analyser

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student seznámil státní zkušební komisi s řešením své diplomové práce. Zodpověděl otázky a připomínky oponenta. Dále odpověděl otázky komise: Doba života LD v impulzním namáhání. Počítáte ji jakou součet aktivních dob, nebo součet všech period impulzního průběhu? Dělal jste to všechno sám? Je toho opravdu dost a text je výborný. Bylo to pro firmu, pracoval na tom tým lidí?

Language of thesis

Slovak

Faculty

Department

Study programme

Microelectronics (MPC-MEL)

Composition of Committee

doc. Ing. František Urban, CSc. (předseda)
prof. Ing. Jaromír Hubálek, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Juraj Marek, Ph.D. (člen)
Ing. Vladimír Levek, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Ludvík (člen)
doc. Ing. Imrich Gablech, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. František Urban, CSc.

Toto rozsáhlé a komplexní téma, kterým se dipl. Matěj Grega ve své práci zabývá, má bezprostřední využití v optoelektronických senzorových systémech. Vyžaduje však nejen hluboké pochopení funkce a vlastností optovláknových FP a FBG senzorických struktur, ale také porozumění vlastnostem moderních konstrukcí laserových diod, které mají ve zpracovávaném tématu řešit klíčovou úlohu rychle přelaďovaného optického zdroje. Pan Grega pro splnění požadavků práce musel detailně zjišťovat chování DFB laserových diod ve vysoce nestandartních režimech proudového impulsního buzení, současně s poznáváním vlivů podchlazení a teplotní stabilizace čipu laserové diody směrem k rozsahu a linearitě periodického přelaďování optického výstupu a s ohledem na žádanou stabilitu optického výkonu při přeladění.
Pan Grega ve své práci soustředil značné úsilí na experimenty s vysokými, rychle proměnnými proudovými impulsy při proudovém buzení LD, aby porozuměl chování  a omezením LD v takových specifických režimech. K tomu účelu navrhl a sestrojil klíčový modul impulsního proudového buzení LD. Zde oceňuji zejména jeho práci na po částech lomeném rampovém impulsním proudovém průběhu, který mu dovolil nalézt tvar proudového budícího impulzu pro získání téměř lineárního průběhu rozladění LD s velmi nízkou chybou linearity, vysokým přeladěním a malou změnou intenzity záření. Z aplikačního hlediska velmi významný je také jeho návrh ochranných obvodů laserové diody minimalizující možnost provozního poškození nadproudově namáhané diody.
Pan Matěj Grega řešil i teplotní vlivy na rozmítání diody a navrhl mechanické a elektronické části teplotního podchlazování a stabilizace LD. V neposlední řadě se diplomant vypořádal i s návrhem řídících obvodů a obvodů detekční části optického měřícího řetězce. To mu dovolilo sestavit funkční vzorek celého zařízení, kde bylo možno ověřit klíčové vlastnosti systému.
Čeho si velmi považuji je systémový a analytický přístup diplomanta k řešenému tématu. Svou prací beze zbytku splnil požadavky zadání a tvořivě dosáhl inovativní výsledky práce.
Po faktické, formální i jazykové stránce má práce vysokou úroveň, je zpracována přehledně a systematicky. Práce je obsažná a řadí se k rozsáhlejším, což je opodstatněno šíří i hloubkou zpracovaného tématu. 
Pan Grega byl v práci pečlivý a zodpovědný. Využíval konzultace se specialisty, pracoval s doporučenou literaturou a uměl tvořivě aplikovat svoje poznatky i poznatky pracoviště do svých řešení.
Výsledky jeho práce dávají reálné východisko k dopracování vyvinutých bloků do průmyslově využitelného měřícího zařízení s pozoruhodnými parametry.
Navrhuji akceptovat práci k obhajobě s návrhem hodnocení stupněm A 98 bodů. Points proposed by supervisor: 98

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Radim Šifta, Ph.D.

Diplomová práce se zabývá návrhem a realizací vyhodnocovací optoelektronické jednotky pro optické vláknové senzory založené na Braggových vláknových mřížkách a Fabry-Perótově rezonátoru. Diplomová práce je rozsáhlá, má 102 stran (od úvodu po závěr), z čehož přibližně ¾ tvoří praktická část práce. Poměr praktické části vůči teorii je dobrý. Práce je logicky uspořádána, jednotlivé části na sebe tematicky navazují, z hlediska grafického zpracování a členění textu práci hodnotím velmi kladně. Práce neobsahuje překlepy ani gramatické chyby, je celkově velmi kvalitně zpracována. Stejně tak jsou kvalitně zpracovány citace zdrojů literatury a relevantní odkazy v textu. Drobnou výtku mám k někdy až násilnému překladu běžně ustálených technických frází v angličtině (např. překlad current sink do výrazu proudová nora).
Z hlediska obsahu práce je zřejmé, že se student v řešené problematice velmi dobře zorientoval. V teoretické části se zabývá především optovláknovými senzory, měřicími systémy a jejich aplikacemi. Dále se v teoretické části zabývá polovodičovými laserovými diodami. Teoretická část tak úzce souvisí s následujícími praktickými částmi a je v adekvátním rozsahu. Praktická část je rozdělena do 4 kapitol. První tvoří návrh elektronických částí (optický zdroj, detektory, řídící elektronika a napájecí zdroje). Návrh jednotlivých komponent je podložen simulacemi, obvody komponent jsou řešeny do detailů – včetně šumových analýz, kompenzací teplotních driftů, ochran atd. Velká pozornost je věnována návrhu optického zdroje s LD, což je klíčová komponenta, která je dle zadání práce provozována v nestandardním režimu. Zde je vidět, že si student s danou problematikou velmi dobře poradil a podařilo se mu navrhnout a odladit unikátní řešení. Další kapitola je věnována konstrukčnímu řešení a realizaci vyhodnocovací jednotky, včetně tepelného managementu a zajištění teplotní stabilizace klíčových částí systému. Zde student projevil schopnost optimalizace systému v širším kontextu než jen z hlediska elektronického návrhu. Velmi dobře je zpracován návrh vláknového managementu pro vyvázání potřebných optických vláken a optických komponent. Další kapitola je věnována návrhu digitální logiky a SW, kde student pracoval s FPGA pro zpracování rychlých signálů v řádu stovek MHz a řízení systému v reálném čase. Součástí FPGA je také předzpracování dat, které je řešeno originálním a efektivním způsobem. Student vytvořil také základní SW v jazyce C pro možnost přenosu dat do PC k dalšímu zpracování. V poslední kapitole se potom student věnuje testování, kalibraci, analýze přesnosti a rozboru dosažených výsledků.
Celkově se jedná o velmi kvalitní, rozsáhlou práci, která je komplexní a zahrnuje široký záběr napříč obory – optika, elektronika, mechanická konstrukce, tepelný management, programování, popis hardware FPGA (firmware), měření a testování. Dosažené výsledky jsou na velmi vysoké úrovni a jsou prakticky využitelné v senzorové technice. Student splnil požadavky v zadání a odvedl obrovský kus práce jak z hlediska návrhu, tak realizace. Trochu byl vytkl celkovou délku práce přesahující 100 stran, kde některé z částí jsou popsány až příliš detailně, ale vzhledem k širokému záběru práce je to pochopitelné.
Práci doporučuji k obhajobě s hodnocením 98 bodů. Topics for thesis defence:
  1. 1)Pokud dojde k výměně laserové diody (zachován stejný typ LD, jen jiný kus), změní se vyzařované spektrum a případně jak moc? Lze nějakým způsobem zajistit, aby byly měřicí jednotky vzájemně zaměnitelné?
  2. 2) Režim, ve kterém je LD provozována přesahuje maximální povolené hodnoty výrobcem. Má provozování LD v takovém režimu vliv na její životnost? Lze podobný případ najít někde v literatuře, jsou dostupné nějaké zdroje, kde by byla životnost v tomto režimu rozebírána? Popř. je možné navrhnout nějaké zrychlené testovací podmínky pro odhad životnosti?
Points proposed by reviewer: 98

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová