Оптический бриллюэновский рефлектометр

 

Оптический бриллюэновский рефлектометр содержит последовательно установленные полупроводниковый источник излучения, направленный ответвитель, один выход которого соединен с устройством ввода излучения в контролируемый отрезок оптического волокна, а второй - с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к входу устройства обработки через устройство выбора и накопления. Также в него введены узкополосный оптический фильтр, задающий генератор, генератор линейно изменяющегося тока, причем узкополосный фильтр расположен между выходом направленного ответвителя и оптическим входом фотоприемника, один выход задающего генератора подключен к входу устройства обработки, а другой через генератор линейно изменяющегося тока - к входу полупроводникового источника излучения. Технический результат - упрощение, повышение разрешающей способности и динамического диапазона измерений. 3 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, техники связи и оптоэлектроники и может быть использовано в электротехнической промышленности, промышленности средств связи при производстве оптических волокон и волоконно-оптических кабелей, а также при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических трактов.

Известно устройство для измерения характеристик оптических волокон, включающее полупроводниковый источник оптического излучения, оптический направленный ответвитель, фотоприемник, смеситель, анализатор спектра, генератор напряжения, частота которого изменяется по пилообразному закону.

Работа устройства заключается в том, что на вход контролируемого волоконно-оптического тракта направляют оптическое излучение, интенсивность которого промодулирована по пилообразному закону, при этом измеряют параметры оптического сигнала на выходе фотоприемника, установленного на выходе ответвителя таким образом, что этот фотоприемник принимает оптический сигнал обратного рассеяния. Величина отраженной оптической мощности от неоднородностей в оптическом волокне определяется амплитудами спектральных составляющих, образующихся на выходе смесителя в результате смешения исходного модулирующего сигнала от генератора, частота которого изменяется по пилообразному закону, и выходного сигнала фотоприемника. О расстоянии до неоднородности можно судить по величине задержки оптического сигнала. Чем задержка оптического сигнала больше, тем разностная частота, образующаяся при смешении двух сигналов, будет больше. Образующийся спектр отражает расположение и величину неоднородностей в оптическом волокне. Недостатком устройства является мешающее влияние паразитных комбинационных спектральных составляющих, а также спектральных составляющих, образующихся в зонах обращения, в момент обратного хода пилообразного напряжения. Кроме того, устройство регистрирует рэлеевское обратное рассеяние оптических сигналов и не может зарегистрировать бриллюэновское рассеяние, характеризующее напряженное состояние оптического волокна.

Известен бриллюэновский рефлектометр, позволяющий измерять рефлектограммы, представляющие собой зависимость интенсивности обратного рэлеевского рассеяния от длины оптического волокна для набора длин волн оптического излучения и бриллюэновское рассеяние, наиболее близкое по своей технической сущности к изобретению [1], содержащее: - полупроводниковый одночастотный источник оптического излучения; - частотный двигатель, выполняющий одновременно роль импульсного модулятора интенсивности оптического излучения; - два направленных ответвителя оптического излучения; - объединитель оптического излучения; - зеркало; - фотоприемник; - устройство выбора и накопления импульсных сигналов, формирующее рефлектограммы; - спектроанализатор, измеряющий сдвиг оптической частоты; - устройство обработки, определяющее положение максимума кривой рассеивания для каждой длины волокна, которое и соответствует бриллюэновскому сдвигу частоты.

Оптический вход фотоприемника связан с выходом объединителя. На один вход объединителя приходит оптический сигнал от направленного ответвителя, установленного между источником излучения и двигателем частоты лазера. На другой вход сигнал приходит через отклоняющее зеркало от другого направленного ответвителя, установленного между двигателем частоты и контролируемым волокном.

Устройство позволяет измерять рефлектограммы оптических волокон, а также расстояние до места напряженного состояния оптического волокна, характеризующееся низкой надежностью. Для измерения рефлектограммы используется оптический измерительный сигнал, представляющий собой короткий импульс. Длительность импульса определяет разрешающую способность и точность измерения расстояний. Чем импульс излучения короче, тем выше разрешение и точность измерений. Для измерения мест с натяжением волокна, находящегося в напряженном состоянии, в устройство введен сдвигатель частоты излучения, позволяющий измерять рефлектограммы на различных фиксированных длинах волн оптического излучения. Места расположения напряженного состояния волокна определяются путем сравнительного анализа полученных рефлектограмм. Недостатками устройства являются:
- необходимость использования коротких широкополосных измерительных оптических сигналов, длительность сигналов определяет разрешение и точность измерения рефлектометра;
- невысокий динамический диапазон измерений, так как в цепи прохождения измерительных сигналов два разветвителя и один объединитель.

Предложенное устройство решает задачи упрощения, повышения разрешающей способности и динамического диапазона измерений.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство введены узкополосный оптический фильтр, задающий генератор и генератор линейно изменяющегося тока, причем выход задающего генератора подключен к входу генератора линейно изменяющегося тока, а выход генератора линейно изменяющегося тока подключен к входу полупроводникового источника излучения.

На фиг.1 изображена структурная схема бриллюэновского рефлектометра.

Устройство состоит из узкополосного оптического фильтра 1, фотоприемника 2, устройства выбора и накопления 3, устройства обработки 4, задающего генератора 5, генератора линейно изменяющегося тока 6, полупроводникового источника оптического излучения 7, направляющего оптическое излучение в измеряемый отрезок оптического волокна через последовательно установленные оптический ответвитель 8 и оптический соединитель 9.

Устройство работает следующим образом:
Задающий генератор 5 вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения (см. эпюру а на фиг.2), запускающие генератор линейно изменяющегося тока 6, который вырабатывает ток накачки полупроводникового источника излучения. Форма тока, вырабатываемая генератором 6, представлена на фиг.2, эпюра б. Диапазон изменения тока накачки от I_min до I_max. Период следования прямоугольных импульсов должен быть больше либо равен сумме максимально возможной удвоенной задержке оптического сигнала в волокне и длительности прямого хода пилообразного тока. При этом условии отсутствует влияние на результаты измерений зон обращения, возникающих в момент обратного хода пилы. При изменении тока накачки полупроводникового источника излучения изменяется не только оптическая излучаемая мощность, но и длина волны оптического излучения [2].

Оптический измерительный сигнал, представляющий собой непрерывное излучение с длиной волны, изменяющейся по пилообразному закону, направляются через последовательно установленные оптический ответвитель 8 и оптический соединитель 9 в контролируемый отрезок оптического волокна (волоконно-оптический тракт).

Оптический ответвитель 8 установлен таким образом, что излучения обратного рассеяния из оптического волокна направляется на оптический вход фотоприемника 2 через узкополосный фильтр 1, пропускающий диапазон длин волн Δλ, см. эпюру в на фиг.2. Эпюры оптических сигналов обратного рассеяния, поступающие на вход оптического фильтра, представлены также на эпюре в, фиг.2. Если на некотором участке увеличивается натяжение волокна, внутренние напряжения в волокне растут, в стекле возникают гиперзвуковые волны [1]. Вследствие эффекта Доплера оптическая частота рассеянного сигнала от такого участка волокна будет отличаться от частоты полупроводникового источника оптического излучения и как следствие от частоты рэлеевского рассеяния (см. эпюру в, фиг.2, момент времени T₁). В момент времени Т₂ сигнал рассеяния от напряженного участка волокна заканчивается и частота оптического сигнала, поступающего на оптический фильтр, возвращается к первоначальному значению. На эпюре г, фиг. 2 представлен сигнал на выходе фотоприемника 2. Сигнал представляет собой совокупность импульсных сигналов, длительность которых зависит от крутизны линейного участка пилы (графика зависимости длины волны оптического излучения λ от времени t) и полосы пропускания оптического фильтра Δλ и может быть определена из выражения:

где Δλ - полоса пропускания оптического фильтра, К - скорость изменения длины волны оптического излучения (крутизна линейного участка пилы).

Дальнейшая обработка сигнала (выбор, накопление, усреднение) аналогична обработке сигналов в импульсном рефлектометре и осуществляется в устройстве выбора и накопления 3, засинхронизированным импульсами, вырабатываемыми генератором 5, и в устройстве обработки 4.

На фиг. 3, а представлен пример рефлектограммы оптического волокна, имеющего натянутый (напряженный) участок. Вносимых оптических потерь участок не вносит, так как скачков перепада уровня рефлектограммы нет.

Положительный и отрицательный выбросы на рефлектограмме информируют о частоте колебаний фононов, а следовательно, и о степени ненадежности участка волоконно-оптического тракта. На фиг.3, б изображен пример рефлектограммы волокна, имеющего напряженный участок и неоднородность, вносящую оптические потери δ дБ. В месте локализации неоднородности наблюдается скачок уровня рефлектограммы.

Полоса пропускания оптического фильтра должна быть не менее спектра излучения полупроводникового источника в момент регистрации измерительного сигнала. В качестве полупроводникового источника оптического излучения выберем полупроводниковый источник излучения с брэгговской решеткой типа ПОМ-22 (источники выпускаются серийно фирмой АО "Нолатех"), имеющий следующие характеристики:
- длина волны излучения - 1,3 мкм;
- мощность излучения - 5 мВт;
- ширина спектра излучения - 500 кГц (3•10^-6нм);
- быстродействие - 620 МГц.

Исходя из быстродействия источника излучения, можно сформировать перепады тока накачки длительностью
τ_min = 1/f_max, (2)
где f_maх - предельная частота модуляции (620 МГц). Подставляя значение предельной частоты в формулу (2), получим - τ_min=1,6 нс. Будем формировать перепад тока накачки длительностью 3 нс. Диапазон перестройки длины волны источника излучения при изменении тока накачки на 0,01% составляет 10 нм. Крутизна линейного участка измерения тока накачки будет равна 3,3 нм/нс. Если выбрать оптический фильтр с полосой пропускания 2 нм (такие фильтры выпускает ГУП "Астрофизика"), то с помощью такого фильтра получим на выходе фотоприемника совокупность импульсов длительностью 0,6 нс. Исходя из времени распространения сигнала в оптическом волокне 5 нс/м, получим разрешение рефлектометра равным 0,1 м. Таким образом, устройство упрощается, в устройстве отсутствуют двигатель частоты, акустооптические модуляторы и другие сложные устройства. Повышается разрешение измерений. Бриллюэновский рефлектометр фирмы ANDO АQ-8602 обеспечивает пространственное разрешение 2 м. Динамический диапазон по сравнению с прототипом увеличивается как минимум на 6 дБ за счет исключения из состава устройства одного ответвителя и одного объединителя.

Использованная литература:
1. Контроль надежности оптических кабелей с помощью бриллюэновской рефлектометрии "Фотон - Экспресс" 14, декабрь, 1998 г. (Статья представлена сервис - центром "Телеком - Комплект - Сервис").

2. В.Н. Легкий и др. Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров. - Томск, Радио и связь, 1990 г.

Формула изобретения

Оптический бриллюэновский рефлектометр, содержащий последовательно установленные полупроводниковый источник излучения, направленный ответвитель, один выход которого соединен с устройством ввода излучения в контролируемый отрезок оптического волокна, а второй - с оптическим входом фотоприемника, выход которого подключен к входу устройства обработки через устройство выбора и накопления, отличающийся тем, что в него введены узкополосный оптический фильтр, задающий генератор, генератор линейно-изменяющегося тока, причем узкополосный фильтр расположен между выходом направленного ответвителя и оптическим входом фотоприемника, один выход задающего генератора подключен к входу устройства обработки, а другой через генератор линейно изменяющегося тока - к входу полупроводникового источника излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3