Кольцевые волоконно-оптические тракты для измерения малых потерь в световоде тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСШШ ИНСТИТУТ

на правах рукописи

ПОЛЯКОВА Ирина Колистратовна

УДК 631.7.068

КОЛЬЦЕВЫЕ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ТРАКТЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ПОТЕРЬ В СВЕТОВОДЕ 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МССКБА - 1991 г.

Работа выполнена в Институте радиотехники и электроники АН СССР.

Научный руководитель: доктор технических наук

Официальные оппоненты: д.ф.-м.н., профессор Шевченко В.В.

к.ф.-м.н., ст.н.с. Горшков Б.Г.

Ведущая организация: МРТИ АН СССР

заседании Спезиализированного совета и шз.У1.и2 при мфхи по адресу:

141700 Московская обл., г.Долгопрудный, Институтский пер.д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Авторефераг разослан "

профессор Соколов А.В.

Защита состоится

Ученый секретарь Специализированного

Совета К 063.91.02

кандидат физико-математических наук

С.М.КОРШУНОВ

Актуальность теш. Развитие волоконных систем различного назначения требует разработки высокочувствительных систем для диагностики волоконно-оптических трактов, в частности измерения "потерь в них. Распространенный в настоящее время метод рефлектометрии во временной области обладает сравнительно. низкой чувствительностью, обусловленной малой амплитудой сигнала обратного релеевского рассеяния (на 40*50 дБ ниже уровня мощности зондирующего импульса). Это требует применения сложных систем обработки и накопления сигнала, возможности которых на данный момент использованы практически полностью. Совершенствование технологии волоконных световодов и элементной базы для ВОЛС, освоение диапазона длин волн 1,3 мкм и 1,55 мкм, где практически достигнут, теоретический предел затухания излучения (приблизительно 0,2 дБ/км), выдвигает в ряд актуальных задачу измерения малых потерь в световодах.

Наряду с этим широкое распространение волоконно-оптических датчиков, особенно амплитудного типа, требует надежного измерения малых приращений потерь в световодах, как локальных, так и распределенных, вызванных внешним воздействием на них различных физических величин.

Цель настоящей работы состояла в разработке методов измерения малых потерь в световодах и их изменений, обусловленных внешним воздействием, при' многократном прохсждениия оптического сигнала по замкнутому в кольцо световоду.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- теоретически и экспериментально показана возможность накопления изменешгй в сигналах как рассеянного, так и проходящего излучения, обусловленных потерями в световоде;

- предложены и апробированы способы измерения малых собственных и наведенных внешним воздействием потерь з волоконных световодах.

Полокения выносимые на защиту.

1. Теоретически обосновано, экспериментально реализовано накопление изменений в сигналах рассеянного излучения, вызванных потерями в световоде, за счет многократного прохождения импульса света через световод, замкнутый в кольцо и получены аналитические соотношения, описывающие зависимость мощности сигнала релеевского рассеяния от параметров волоконно-оптического тракта.

2. Теоретически и экспериментально показана возможность измерения малых потерь в световоде, замкнутом в кольцо, путем регистрации отношения гармоник последовательности проходящих импульсов и численным методом найдены номера оптимальных гармоник, используемых в качестве опорного и информационного сигналов, при различных параметрах ответвителя. При соответствующем подборе параметров ответвителя предложенный способ позволяет обеспечить семикратное накопление сигнала.

Практическая ценность работы: - предложенные неразрущающие метода измерения потерь в световодах при замыкании их в кольцо позволяют .измерять потери на уровне 0,05 дБ; - разработана технология изготовления ответвителей У-типа 6 потерями менее 0,05 дБ для кольцевых трактов и выяснено влияние модсвого состава излучения на их характеристики;

Диссертационная работа выполнена в рамках научных исследований ИРЭ АН СССР, направленных в частности, на создание и изучение свойств волоконно-оптических датчиков -физических величин.

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались на IX Международной школе по когерентной и нелинейной оптике (Ужгород, 1989 г.), на Всесоюзных научно-технических конференциях по волоконно-оптическим датчикам и преобразователям (г.Севастополь, 1989 г., 1990 г.), на научно- техническом семинаре по волоконно-оптическим системам и средствам (г.Калининград, 1990 г.), I Международной конференции по волоконной оптике Ш0С*91 (Ленинград, 1991 г.)

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 статьях.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографии; содержит 133 страницы, из них 83 страницы текста, 46 рисунков и 7 таблиц, список литературы из 70 наименований.

Краткое содержание диссертации. Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и выбор направления исследований, формируются защищаемые положения и дается краткое описание содержания диссертации по главам.

В первой главе (обзорной) проведен анализ литературы, относящейся к изучению' способов измерения малых потерь в волоконных световодах. В 1.1. описывается метод' двух точек (метод обламывания), его особенности, достоинства и недостатки. Более подробно в 1.2. рассмотрены теоретические основы метода рефлектометрии во временной области для многомодозых волокон, модовый состав обратно рассеянного сигнала и его зависимость от модового состава возбуждающего излучения для различных типов волокна, особенности экспериментальной реализации метода.

В связи с исследованием в диссертационной работе кольцевых волоконно-оптических трактов в 1.3. рассмотрены известные применения метода релеевского рассеяния для их изучения. Приведены данные о перспективности применения кольцевой системы для накопления в проходящем сигнале изменений, вызванных воздействием внешней среды на световод. Сведения из обзора литературы, проведенного в 1 главе, определили направленность исследований в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена теоретическому исследованию распространения сигналов релеевского рассеяния в кольцевом волоконно-оптическом тракте С1,3]. В 2.1. выведены аналитические выражения, определяющие зависимость мощности рассеянного

сигнала от номера прохода зондирующего импульса по кольцу при равномерном распределении потерь в волоконном тракте. Показана возможность накопления изменений, обусловленных собственными потерями в световоде, в сигнале релеевского рассеяния за счет многократного проховдения зондирующего импульса по кольцу. Величина этого накопления определяется числом достигнутых проходов зондирующего импульса. Разр&Оотан метод измерения собственных потерь в световоде с помощью кольцевых трактов [5]. Используя свойство кольцевых трактов, а именно то, что величина перепадов мощности при смене проходов зондирующего импульса по кольцу не зависит от потерь в световоде и его длины, а определяется лишь параметрами ответвителя, рассчитаны соотношения между коэффициентами передачи направленного волоконно-оптического ответвителя У-типа, упрощающие реализацию предложенного метода измерения малых потерь.

Представляет интерес использовать полученный эффект накопленная для измерения дополнительных потерь вызванных каким-либо внешним воздействием на световод.

В 2.3. выведены аналитические зависимости сигнала релеевского рассеяния от номера прохода зондирующего импульса по кольцу для двух случаев, когда внешнее воздействие приводит к: 1) равномерному изменению потерь в волоконном тракте, 2) дополнительным локальным потерям в месте приложения этого воздействия. Рассмотрены изменения формы сигнала релеевского рассеяния .происходящие при росте коэффициентов передачи ответвителя. Поназано (2,4), что при сравнении сигналов релеевского рассеяния в кольцевом тракте, испытывающем внешнее воздействие и без него, проявляется и-крагное накопление. Предложен метод измерения малых потерь, обусловленных внешним воздействием на световод, с использованием кольцевых трактов. Указаны оптимальные значения коэффициентов передачи направленного ответвителя У-типа для получения накопления в свето-водном кольце.

В третьей главе описываются результаты экспериментального исследования особенностей релеевского рассеяния в кольцевом тракте на основе многомодового световода Е7]. Проведено сравнение экспериментальных данных с результатами теоретичес-

ких расчетов. В 3.1. описана экспериментальная установка и методика получения зависимости мощности сигнала релеевского рассеяния от номера прохода зондарувдего импульса по кольцу. Все измерения проводились на длине волны к = 0,85 мкы. Зондирующий импульс, мощностью Р=200 мВт и длительностью т=30 не, вводится через плечо направленного ответвителя в волоконно-оптическое кольцо, длина которого Ь=400м. Все оптические элементы выполнены на многомодовом волокне, со ступенчатым профилем показателя преломления и потерями 2,4 дБ (на длине волны \=0,85 мкм). Для эксперимента было выбрано волокно со ступенчатым профилем показателя преломления, так как в нем сигнал релэевского рассеяния имеет равновесное распределение модового состава и не зависит от состава зондарувдего излучения.

В 3.2. оценены случайные и систематические погрешности предложенных методов и проведено сравнение с ошибками измерения потерь, в частности малых, традиционным рефлектометричес-ким методом. Показано, что предложенные методы измерения малых потерь с использованием оптического накопления в волоконно-оптическом кольце позволяет повысить точность измерения малых потерь приблизительно в 4 раза.

Как указывалось во второй главе, величина накопления определяется числом проходов зондарувдего импульса по кольцу, которое растет при увеличении коэффициентов передачи направленного ответвителя и уменьшении избыточных потерь в нем.

Поэтому методике изготовления направленных ответвителей с малыми потерями и заданными коэффициентами деления уделено большое внимание 121 (3.3). Следутаций параграф (3.4) посвящен изучению стабильности параметров направленных волоконно-оптических ответвителей У-типа. Экспериментально показано, что при сужении диаграммы направленности проходящего излучения, например на 355Е, происходит уменьшение потерь в ответвителей прямом направлении (1-2 канала) на 0,8*1,5 дБ, а в обратном - 2+2,5 дБ [6]- Предложена качественная модель, объясняющая влияние модового состава излучения на характеристики ответвителя, сформулированы рекомендации для изготовления ответвителей с малой зависимостью их параметров от модового состава.

В 3.5. проведен анализ полученных экспериментальных данных о релеевском рассеянии в кольцевом тракте.

В 3.5.1. проведена экспериментальная проверка предложенного метода измерения малых собственных потерь на примере многомодового световода. Показано, что накопление в кольцевом волоконно тракте при 5-кратном прохождении зондирующего импульса позволяет измерять потери в световоде на уровне 0,1+0,02 дБ, что в 5 раз меньше предела чувствительности волоконно-оптического рефлектометра. Указано на возможность проследить за установлением равновесного модового состава и измерить потери в световоде, соответствующие данному распределению, используя короткий отрезок волокна, замкнутый в кольцо.

В параграфах 3.5.2 и 3.5.3 представлены результаты измерения потерь, вызванных внешним воздействием на световод. В первом из этих параграфов рассматривался случай дополнительных локальных потерь, а во втором - случай, когда внешнее воздействие вызывает равномерное изменение потерь вдоль всего волоконно-оптического тракта. Показано, что изменение модового состава проходящего излучения, обусловленное воздействием, приводит к повышению коэффициентов передачи направленного ответвителя и к уменьшению потерь в световоде при следующем проходе зондирующего импульса по кольцу. Оба эти явления частично компенсируют накопление изменений, вызванных потерями, в сигнале релеевского рассеяния.

Практический интерес представляет собой случай слабого воздействия на световод, рассмотренный в 3.5.4. Экспериментально показано, что при малом изменении модового состава излучения из-за внешнего воздействия, не приводящем к вариациям коэффициентов передачи ответвителя, мокно достичь желаемого оптического накопления и использовать кольцевой тракт для измерения малых вносимых воздействием потерь (0,05 дБ).

Четвертая глава посвящена рассмотрению сигналов, прошедших через кольцевой волоконно-оптический тракт [4]. Эти тракты, как указывалось выше, применялись для повышения чувствительности волоконно-оптических датчиков амплитудного типа, но в них величину воздействия внешней среды на кольцевой тракт

определяли по амплитуде зондирующего импульса, сделавшего N проходов по кольцу. В данной главе приведены результаты исследований возможности регистрации величины внешнего воздействия по отношению амплитуд гармоник результирующего сигнала. В 4.1 были определены параметры последовательности импульсов на выходе кольцевого волоконно-оптического тракта. В 4.2 проведен гармонический анализ этой последовательности, который показал, что среда гармоник результирующего сигнала существуют минимально и максимально чувствительные к внешнему воздействию. Номера данных гармоник определяются параметрами кольцевого тракта ( коэффициентами передачи ответвителя, длиной световода в кольце и периодом следования зондирующего импульса ). Приведены результаты расчетов чувствительности кольцевого тракта для различных коэффициентов передачи направленного ответвителя (4.3). Эффект накопления и связанное с ним повышение чувствительности проявляется, начиная со значения коэффициентов передачи, равном 0,4 для плеча ответвителя, через которое излучение вводится в кольцевой тракт. Максимальное значение чувствительности в 7 раз превышает максимальное значение чувствительности известных систем регистрации без накопления, что достигается при следующем соотношении коэффициентов передачи ^,3=^3= 0,99 и к12=к42= 0,01 (4.4).

В 4.5 проведено рассмотрение чувствительности кольцевого тракта для случая, если в качестве измеряемой величины брать не амплитуду К-гармоники результирующего сигнала, а ее фазу. Это дает возможность работать с сигналами значительной амплитуды, а не со слабыми, на уровне шумов, сигналами, как в случае системы регистрации без накопления.

В последнем параграфе (4.6) описана блок-схема экспериментальной установки и представлены данные по экспериментальной проверке полученных результатов.

В заключении диссертации приведены ее основные результаты:

1. Проведен теоретический анализ распространения сигналов обратного релеевского рассеяния в световоде, замкнутом в кольцо. Получены аналитические соотношения, описывающие зави-

симость мощности сигнала релеевского рассеяния от параметров волоконно-оптического тракта, при наличии и отсутствии внешнего воздействия на световод, приводящего к дополнительным потерям.

2. Предложены, обоснованы теоретически и проверены экспериментально на многомодовых волокнах новые модификации рефлектомэтрического метода определения потерь в световоде как собственных так и вызванных внешним воздействием, основанные на использовании оптического накопления в сигнзле обратного релеевского рассеяния. Определены соотношения между коэффициентами передачи направленного волоконно-оптического ответвителя У-типа, упрощающие реализацию предложенного способа.

3. Теоретически и экспериментально показана возможность измерения малых потерь в световоде, замкнутом в кольцо, путем регистрации отношения гармоник последовательности проходящих импульсов и численным методом найдены номера оптимальных гармоник, используемых в качестве опорного и информационного сигналов, при различных параметрах ответвителя.

4. Проведенный гармонический анализ последовательности импульсов на выходе кольцевого тракта показал, что чувствительность такой системы зависит от коэффициентов передачи ответвителя, длины световода в кольце и периода следования зондирующего импульса.Максимальное ее значение в ? раз превышает максимальное значение чувствительности известных систем регистрации без накопления, что достигается при следующем соотношении коэффициентов передачи к13=к43= 0,99 и ^-¡¿^¿г-0,01.

5.Разработана технология изготовления огветвителей У-типа с потерями менее 0,5 дБ для кольцевых трактов. Показано, что изменение модового состава излучения приводит к вариациям параметров ответвителя (сужение диаграммы направленности излучения на 35% приводит к уменьшению потерь в ответвите-ле на 0",8+1,5 дБ в прямом направлении и на 2+2,5 дБ в обратном направлении). Предложена качественная модель, объясняющая влияние модового состава проходящего излучения, на параметры ответвителя.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. И.К.Полякова, А.В.Соколов, А.А.Соколовский "Использование релеевского рассеяния в кольцевой системе для регистрации внешнего воздействия", Радиотехника, 1990, J66, стр.72-76.

2. Ф.А.Егоров, И.К.Полякова, А.А.Соколовский "Волоконно-оптические ответвигели", Сборник тезисов докладов научно-технического семинара по волоконно-оптическим системам и средствам", Калининград, Моск.обл., 1990, стр.84.

3. I.K.Polyakova, A.A.SokolOYsMy "Measuring of Small Loss In Fiber by Recirculation King System", ISF0C91, Leningrad March 25-29, 1991, pp.246-249.

4. V.V.Molseev, I.K.Polyakova "Detection Method for Amplitude Flber-Optlc Sensors", ISFOC'91, Leningrad March 25-29, 1991, pp.287-293.

5. И.К.Полякова, А.А.Соколовский "Способ измерения потерь в световоде и устройство для его реализации" J64887661/10 имеется положительное решение о выдаче авторского свидетельства от 27.05.91.

6. Ф.А.Егоров, И.К.Полякова, А.А.Соколовский "Исследование параметров волоконно-оптических ответвителей", Метрология, 1991 г., J63, стр. 24-29.

7. И.К.Полякова, А.А.Соколовский "Экспериментальное исследование релеевского рассеяния в кольцевой системе", Измерительная техника, 1991 г., Я9, стр.86-91.

Подписано в печать 08.07.1991 г.

Формат 60x84/16. Объем 0,70 усл.п.л. Тираж 100 экз.

Ротапринт ИРЭ АН СССР. Зап. 175.