Метод когерентной частотной рефлектометрии и его применение для анализа волоконно-оптических трактов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах, рукописи

Бирюков Вячеслав«Алексеевич

МЕТОД КОГЕРЕНТНОЙ ЧАСТОТНОЙ РЕМЕКТОМЕТРШ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДШ АНАЛИЗА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ТРАКТОВ

Специальность: 01.04.21 - лазерная физика

7

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Инстатуте радиотехники и электроники РАН

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Потапов Владимир Тимофеевич.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

щхх$ессор

Козел Станислав Миронович, кандидат физико-математических наук Горшков Борис Георгиевич. Ведущая организация: Московский институт радиотехники,

электроники и автоматики.

Защита состоится "30 » мая_1997 г в Ю-оо часов на

заседании диссертационного совета Д. 002.74.04 в Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 103907, г. Москва, Моховая,18 ИРЭ РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН Автореферат разослан " " апреля 1997 г.

Ученый секретарь , . к.ф-м.н.

диссертационного совета Левкин Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследованиям и разработке методов измерения и контроля характеристик оптических, волокон и трактов всегда уделялось большое внимание. Одним из наиболее распространенна методов измерения затухания света в оптическом волокне является метод рефлектометрии, который позволяет неразрушаицим способом измерять затухание в оптических волокнах имея доступ только с одного конца волокна. Наиболее разработанным методом рефлектометрии, применяемым в данное время в волоконно-оптической связи и научных исследованиях, является метод временной рефлектометрии и, в частности, метод рефлектометрии с когерентным приемом излучения. В настоящее время существует целый ряд приборов - рефлектометров для измерения характеристик как многомодовых так и одномодовых оптических волокон. Обладая высокими характеристиками эти рефлектометры требуют для их реализации довольно сложной измерительной техники: источников света наносекундной длительности и широкополосных фотоприемных устройств. С другой стороны, значительно более простым и дедовым для реализации является метод когерентной частотной рефлектометрии, позволяющий достигать достаточно высоких характеристик при измерениях параметров одномодовых волокон, однако в этом методе до сих пор остается ряд невыясненных проблем, которые сдерживают развитие и применение метода в волоконной оптике. Представляется поэтому актуальным - исследовать предельные возможности метода когерентной частотной рефлектометрии с авто-динным приемом, обусловленные особенностями частотной модуляции

лазера, его шумами, влиянием рэлеевского рассеяния на спектр генерации автодина.

В методе когерентной частотной рефлектометрии с автоданным приемом в световод посылается частотно-модулированная световая волна, а обратно рассеянный сигнал сбивается с опорным лучом. Информация о рассеянии и затухании света в световоде переносится при этом в спектр низкочастотных биений фототока. Пространственное разрешение по длине световода определяется величиной девиации частоты источника излучения.

Из источников излучения высоким требованиям к длине когерентности, предъявляемым в методе когерентной частотной рефлектометрии, удовлетворяет He-Ne лазер. Автодинный эффект в He-Ne лазере изучался рядом авторов и была показана высокая чувствительность автодина к слабым обратно отраженным сигналам.

Однако результаты известных работ по когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения не обеспечивают полноты анализа метода и не дают полного представления о его возможностях.

Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов, происходящих в Не-Не лазере под воздействием рассеянного в оптическом волокне излучения; изучение влияния фазовых шумов лазера на характеристики волоконно-оптического рефлектометра, установление принципиальных ограничений и возможностей метода когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения.

Научная новизна. На основе исследований, выполненных в диссертационной работе на защиту выносятся следующие положения: I. Показано, что спектр амплитудной модуляции сигнала лазерного

автодина с волоконно-оптической обратной связью при пилообразной модуляции длины лазерного резонатора пропорционален распределению коэффициента связи прямой и обратной волн вдоль световода.

II. Метод когерентной частотной рефлектометрии при автодинном приеме рассеянного в волоконном световоде излучения позволяет реализовать высокочувствительные рефлектометры и волоконно-оптические датчики, обладающие высоким пространственным разрешением при исключительной простоте оптической схемы.

III. Показано, что диапазон применения метода когерентной частотной рефлектометрии при автодинном приеме излучения ограничивается фазовым шумом лазера и зависит от конструкции и типа лазера. При длине анализируемого волокна в 2 км достигнуто пространственное разрешение равное 15 см.

Практическая ценность. Практическая значимость данной работы заключается в следующем:

- На базе Не-Не лазера разработан и создан макет когерентного волоконно-оптического рефлектометра с частотным зондированием сигнала : с прострвнственным разрешением 0,15 м и динамическим диапазоном 18 ДБ.

- Разработана схема и создан фазовый модулятор, позволяющий свиппировать частоту генерации в лазерном автодине до величины 2 ГТц.

- Разработаны схемы и созданы основные электронные блоки волоконно-оптического рефлектометра с когерентным приемом излучения: блок фотоприемного устройства; блок свиппирования частоты; блок обработки сигнала, согласованный с ПЭВМ.

- Предложена перспективная интерференционная схема когерентного

приема в частотном рефлектометре, позволяющая практически полностью устранить влияние фазовых шумов лазера на аппаратную функцию рефлектометра и тем самым довести длину анализируемых оптических волокон до нескольких километров, а также мультиплексировать до 102 волоконно-оптических датчиков.

Данные результаты использованы в ИРЭ РАН при создании мультиплексных систем волоконно-оптических датчиков.

Апробация работы. Материалы, включенные в диссертацию докладывались на научной сессии Российской научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова, Москва, 1996 г.; на VI научно-технической конференции "Оптические, сотовые и спутниковые сети и системы связи", г.Псков, 1995 г., а также обсуждались на семинарах ИРЭ РАН и МИРЭА.

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа сожержит Н9 страниц текста, 28 рисункаБ. Список цитируемой литературы включает 65" наименований.

Во введении обоснована актуальность диссертационной

работы, сформулированы основные цели и задачи исследования. Кратко изложено содержание диссертации по главам.

В первой главе дан обзор литература, посвященный рефлекто-метрическим методам излучения и контроля параметров волоконно-оптических трактов. Отмечено, что метода измерения параметров оптических волокон по обратно рассеянному сигналу являются наиболее распространенными в настоящее время. В то же время, из этих методов наиболее распространенным является метод рефлекто-

метрии во временной области, требующий для своего осуществления довольно сложной техники.

Рассмотрены и проанализированы работы по когерентной частотной рефлектометрии. Основное внимание в этом анализе уделено методу когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения. Показано, что данный метод существенно проще в реализации по сравнению с методом временной рефлектометрии и, в принципе, может обеспечивать получение достаточно высоких характеристик при измерениях параметров обномодовых оптических волокон. Отмечается, что метод когерентной частотной рефлектометрии позволяет получать высокое пространственное разрешение по длине анализируемого волокна одновременно с избавлением от зоны нечувствительности. В заключении первой главы обсуждены работы, развивающие метод когерентной частотной рефлектометрии применительно к созданию одноволоконных мультиплексных систем волоконно-оптических датчиков, позволяющих мультиплексировать большое число чувствительных элементов ВОД.

Во второй главе диссертации содержится теоретический анализ метода когерентной частотной рефлектометрии. Рассмотрено влияние обрато-рассеянного в световоде света на частоту и амплитуду генерации лазерного автодина с волоконно-оптической обратной связью. В квазистационарном приближении уравнения для изменения интенсивности д1 и частоты генерации лазерного автодина с волоконно-оптической обратной связью имеют вид:

Д1=ГН ^ Ие »(¡, IV) (I)

1'=1ш М (ад +г), (2)

гдч: I - параметр насыщения, который представляет собой интен

сивность генерации, при которой зависящее от интенсивности усиление увеличивается в 2 раза по сравнению с ненасыщенным значением (в Не-Ие лазере, как правило, I >> 10; 10- интенсивность стационарной генерации); твн- скорость потерь, определяемая утечкой излучения через

выходное зеркало резонатора; 7с - скорость затухания моды в резонаторе; шс - резонансная частота лазера;

Ие и 1т - обозначают реальную и мнимую часть, соответственно;

м(ш) - есть Фурье образ импульсного отклика волоконного световода (цепь обратной связи лазера). В терминах теории цепей м(ш) ыоано назвать частотной передаточной функцией волоконного световода. В оптике Ы(ы) есть не что иное, как диагональный элемент матрицы Дшнса волоконного световода. Таким образом из уравнений (I) и (2) видно, что изменения амплитуды и частоты генерации лазера за счет отражений в волоконном световоде определяются передаточной характеристикой последнего, взятого на мгновенной частоте ы=шс+г=шо+г,±+г>, где: и - частота стационарной генерации лазера;

т} - скорость сканирования частоты лазера. В случае одного единственного отражателя, расположенного на расстоянии и от входного торца световода из уравнений (I) и (2) получаем:

д1=

Твн 1нН

- , Сое (т+грг+ут) (3)

[1+«*0>г]1/г

уг=ез1п((и+2р2+у-с), (4)

где: п= -V— ; *0=Ьс ] (5)

н

Таким образом частота биений сигнала автодина пропорциональна времени групповой задержки сиета и, следовательно, расстоянию до отражателя. В этом случае оптическая фаза 2ръ преобразуется в сигнал биений, который после детектирвания фотодиодом можно обработать используя радиотехнические методы демодуляции фазы. Как видно из уравнения (3), фактором, ограничивающим полосу частотной модуляции несущей (ЧШ> в автодинном генераторе, является постоянная времени автодинного сигнала т . Очевидно, что это очень важный параметр, который определяет пространственное разрешение автодинного рефлектометра.

В уравнении (4) мы умножили правую и левую части на -с, чтобы получить безразмерный параметр е=? Этот параметр можно интегрировать как отношение добротностей волоконного и, собственно, лазерного резонаторов. Легко видеть, что этот параметр определяет степень нелинейности лазерас оптической обратной связью: если е«1, то можно пренебречь членом чх в уравнении (3) и отраженный свет вызовет в автодине гармонический сигнал биений с частотой п. В этом случае отраженный сигнал не влияет на частоту генерации. В другом предельном случае (е —>1) имеет место конкуренция между резонаторами и теперь при рассмотрении уравнения интенсивности генерации уже нельзя пренебречь изменением частоты у, вызванным отраженным сигналом.

Далее в главе приводится расчет спектра фототока автодинного сигнала, когда имеется N дискретных отражателей, встороен-ных в волоконный световод при ЧМН лазера по линейному и пилообразному законам.

Приводится выражение для спектра биений лазерного автодина для N отражателей в тракте. Отмечается, что в ЧМН методе имеет место эффект суммирования: сигнал от k-го отражателя содержит суммарную информацию о набегах фазы, происходящее в предшествующих участках световода. Выделение сигналов от различных отрезков световода можно осуществить посредством фильтрации полосовым фильтром двух соседних спектральных линий вместе с боковыми модуляционными составляющими и подачи их на квадратичный детектор. Результирующий сигнал пропорциональный д12 будет содержать компоненты на комбинационных частотах, в том числе на резонансной частоте ■»K"RKRK+1Cosl(nK+1-nK)t+2p(zK+1-zK)(pBlCoBli.t]. Сигнал зависит от фазовой модуляции лишь в том случае, если модулированный отрезок световода расположен между выбранными отражателями.

Минимальное пространственное разрешение в когерентном частотном рефлектометре обратно пропорционально диапазону линейного свиппирования частоты. Этот результат получается, если вместо линейного закона осуществлять частотную модуляцию лазера по пилообразному закону: дш=и)с+1т)Т, где т - период пилообразной модуляции. В этом случае спектр сигнала биений будет состоять из набора дискретных спектральных линий, расположенных на

п=2к/т. Огибающая каждого набора имеет вид Sine функции с цен-

2г г) р„

тральной частотой ап= —у— и полушириной дь= , где дь

выражено в единицах длины в соответствии с уравнением (5). Для He-Ne лазера типичные значения параметров ди и дь составляют: лы=дшс+т)Т=600 мГц и дЬ=15 см. Сигналы от отражателей на расстояниях меньше 15 см будут перекрываться по частоте.

Как известно в световоде всегда существуют внутренние от-

ражатели в виде микроскопических неодкородносгей "вмороаенных" в волокно в процессе его вытяжки, которые приводят к рэлеевско-му рассеянию световой волны, распространяющейся в световоде. Рэлзевское рассеяние описывается случайной гауссовой функцией отражения r(z) с нулевым сродним значением и корреляционной длиной порядка молекулярных размеров. Для непрерывного линейного сканирования частоты спектр сигнала лазерного автодина выразится следующим образом:

G(n)=Ipe^(2ÎPZ)|r(u)slnc[(u"z)fs]z exp[2ip(u-z)]du f е(п-

В этом случае фаза спектральной когаюненты на частоте п соответствует оптической фазе, приобретенной световой волной при распространении ее от лазера до точка z=n=v/2r} и обратно. Таким образом спектральные кошоненты мокно интерпретировать как сигналы, вызванные распологкенными на расстояшш дь один от другого дискретными отражателями и применять описанную вше методику обработки. Это позволяет выполнять измерения фазы световой волны в пределах распределенного чувствительного элемента (волокна).

В заключительной части главы II приведены результаты теоретического расчета влияния фазовых иумов лазера на точность метода когерентной частотной рефлектометрш. При ЧШ лазера с учетом его технических шумов сигнал автодинной модуляции представляет из себя гармоническое колебание с фяуктуирущей фазой. Точность измерения группового запаздывания в световоде пропорциональна ширине спектра этих колебаний, которая определяется спектром фазовых шумов автодинного сигнала. В схеме регистрации эти шумы преобразуются через фазовую чувствительность автодина

в амплитудные шумы генерации и складываются с собственными амплитудными шумами лазера. Таким образом с ростом длины световода растет и погрешность измерения набега фазы в нем, обусловленная фазовыми шумами лазера. Для учета шумов лазера в уравнение автодина вводится случайный источник е, отвечающий за случайные изменения оптической длины лазерного резонатора. Спектр сигнала автодинной модуляции имеет в этом случае вид резонансной кривой с шириной на полувысоте дР=4тсВх2, где в - коэффициент диффузии лазера. Связанная с этим измерением погрешность при определении т методом частотной рефлектометрш составляет лг= Щ1-, или пересчитанная к пространственному разрешению дь=ш,г/Тт), где г) - скорость сканирования частоты лазера.

Существует принципиальное ограничение на пространственное разрешение со, рефлектометра, связанное с конечным диапазоном частоты девиации ею излучения лазера, которое равно дхт1т]=яуСы. Практически такое разрешение можно реализовать только при небольших длинах световодов ь, так как начинает проявляться другая погрешность, обусловленная нелинейностью частотного модулятора. При этом уширение аппаратной функции из-за этой погрешности уже при х=20 м начинает превосходить ширину аппаратной функции. Однако, поскольку отклонение от линейности сканирования частоты генерации не сказывается на периодическом характере псевдогетеродинного сигнала, сами же спектральные компоненты остаются дискретными, фазовые шумы приводят к уширению спектральных компонент. Поскольку это уширение пропорционально ьг, то при больших длинах световода спектральные компоненты сливаются в одно целое, и пространственное разрешение полностью определяется интенсивностью фазовых шумов лазера и равно

дх=4пхг/Тт). Оценки показывают, что этот эффект начнет сказываться уже при длинах световода 1^200 м.

В третьей главе диссертации приведены результаты экспериментальных исследований ряда схем когерентного частотного рефлектометра, созданного на основе Не-Не лазера с автодинным приемом излучения. Поскольку Не-Ме лазеры с перестройкой частоты серийно не выпускаются, то были изготовлены два макета таких лазеров: лазера с внешними зеркалами, образующими резонатор и лазер коаксиальной конструкции с внутренними зеркалами. В процессе исследований выяснилось, что лазер коаксиальной конструкции типа ЛГН-207 значительно превосходит лазер с внешними зеркалами по шумовым характеристикам, поэтому все основные эксперименты проводились на макете рефлектометра на основе лазера типа ЛГН-207. Для осуществления частотной модуляции на трубку серийно выпускаемого Не-Не лазера наклеивались пъезо-керамические кольца. Характерная эффективность модуляции такой конструкции составляла 15 МГц/В и в принципе можно было бы непрерывно перестраивать резонатор внутри всей полосы усиления активной среда вплоть до I ГГц на длине волны генерации 0,65 мкм. Однако, во избежание резких изменений распределения мощности мевду двумя продольными модами, эффективная полоса модуляции не должна превышать мезкмодовое расстояние й1>=дш/2и=600 Гц. Механическая конструкция позволяла без искажений модулировать частоту Не-Ие лазера по пилообразному закону, если частота ног торения пилы была не более I кГц. Экспериментально показан;1. что оптическая бистабильность лазера и нелинейные эф1<екты, связанные с захватом частоты, существенны лишь при коэффициентах отражения в линии, составляющих несколько процентов. При шм;1»?

дованиях рэлеевского рассеяния коэффициент отражения составляет величину много меньшую процента и этим эффектом можно пренебречь.

Далее в главе приведены результаты исследований метода когерентной частотной рефлектометрии с использование автодинно-го детектирования рэлееевского рассеяния света в одномодовом световоде. Спектр сигнала, получаемого при регистрации рассеянного излучения методом когерентной частотной рефлектометрии представляет из себя совокупность дискретных спектральных компонент со случайными амплитудами , среднее значение которых дает погонный коэффициент обратного рассеяния в волоконном световоде. С помощью макета рефлектометра был выполнен ряд экспериментов по детектированию рэлеевского рассеяния в свободном световоде и при подаче на него внешних воздействий. Экспериментально подтверждено, что в соответствии с теорией каждому отрезку исследуемого волокна соответствует определенная спектральная компонента сигнала фототока. При наложении на волокно внешнего воздействия у спектральной компоненты, соответствующей месту воздействия, появляются боковые составляющие, детектируя которые мы получаем набег фазы световой волны в данном отрезке, соответствующий величине воздействия. Экспериментально удалось наблюдать до 100 дискретных спектральных компонент, что в определенной степени позволяет надеяться на возможность одновременного независимого измерения фазовых набегов на 100 участках

волокна. При этом пространственное разрешение составляло »0,7 м

i /?

и фазовая чувствительность 3 мрад/Гц на I м волокна. Эти результаты позволяют сделать вывод, что на основе метода частотной рефлектометрии могут быть созданы новые типы интерферо

метрических датчиков и систем, использующих рэлеевское рассеяние в волокне.

Далее в главе приводятся результаты исследования влияния фазовых шумов лазера на характеристики метода когерентной частотной рефдектометрии. Показано, что фазовые шумы в автодинной схеме начинают искажать аппаратную функцию рефлектометра при длинах волокна от 200 до 1000 м. Применение интерференционной схемы регистрации в когерентном ЧМН рефлектометре позволяет почти полностью устранить влияние фазовых шумов лазера и увеличить длину анализируемых волокон до нескольких километров и в перспективе реализовать рефлектометр с разрешением в несколько см.

В заключении третьей главы описан макет когерентного частотного рефлектометра, созданного на базе Не-Ие лазера. Основные параметры рефлектометра следующие: пространственное разрешение д£=15см, динамический диапазон 18 ДБ. В рефлектометре использована предложенная в данной работе интерференционная схема с фазовым модулятором.

В заключении приведены основные результаты работы:

I. Рассмотрено влияние обратного рэлеевского рассеяния света в оптическом световоде на частоту и амплитуду генерации лазерного автодина. Показано, что при частотной модуляции частоты генерации лазера по пилообразному закону и автодинном приеме сигнал автодинной составляющей (отклонение интенсивности генерации лазера от стационарного состояния), представляет собой сумму гармонических составляющих, частота которых пропорциональна групповому запаздыванию отраженных волн, амплитуда -амплитуде этих волн, фаза определяется фазовой задержкой в световоде. При этом минимальное пространственное разрешение об-

ратно пропорционально диапазону свиппирования частоты лазера, а спектр сигнала состоит из набора дискретных спектральных линий, разнесенных на интервал дп=2тс/т, где т - период частоты свиппирования лазера. Спектр сигнала рэлеевского рассеяния можно интерпретировать как сигналы, вызванные расположенными на расстоянии дь (дг - пространственное разрешение метода) дискретными отражателями и применять для обработки методику, разработанную для дискретных отражателей.

2. Теоретически рассмотрено влияние флуктуации частоты лазера на работу когерентного частотного рефлектометра и показано, что возникающие при этом в системе фазовые шумы являются основным физическим фактором, ограничивающим пространственное разрешение метода и длину анализируемых волоконно-оптических трактов.

3. Экспериментально показано, что оптическая бистабиль-ность лазера и нелинейные эффекты, связанные с захватом частоты начинают проявляться лишь при значениях коэффициента отражения равных нескольким процентам и выше уровня рэлеевского рассеяния.

4. Экспериментально подтверждено, что шумы лазерного автодина, ограничивающие пространственное разрешение и длину тракта в методе когерентной частотной рефлектометрии, в основном вызваны случайными блужданиями частоты лазера вследствие температурных уходов длины резонатора. Предложена интерференционная схема в когерентном частотном рефлектометре, позволящая практически полностью устранить влияние частотных шумов лазера на аппаратную функцию рефлектометра и увеличить длины анализируемых трактов до нескольких километров.

5. Показано, что метод когерентной частоты рефлектометрии позволяет на основе лазерного автодина создать мультиплексные системы волоконно-оптических датчиков, с числом чувствительных элементов до I02. Эти элементы могут обладать высокой чувствительностью, в частности, чувствительность к температуре достигает 10~3+ Ю~л °К.

6. Предложен и экспериментально реализован новый интерфе-рометрический датчик, в котором для обнаружения величины и места внешних воздействий на волоконно-оптический тракт применяется когерентный прием обратной волны в волокне. Фазовая

чувствительность датчика на основе He-Ne лазера составила 1 /р

3 мрад/Гц , при пространственном разрешении -0,7 м.

7. Создан макет когерентного частотного волоконно-оптического рефлектометра с пространственным разрешением 0,15 м и динамическим диапазоном 18 ДБ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

I. В.А.Бирисов, А.Г.Синцов, М.Я.Яковлев. " Проблемы диагностики волоконно-оптического тракта. Метод частотно-модулиро-

*—-

ванного зондирования". Радиотехника I99Q, н 6, с. 106-108.

2. V.A.Birjukov, Y.TiPotapov; "The coherent frequency domain refleotometry teohniquena for multiplex fiber systems". Jnt.Journal on Photonics and Optoeleotronios, 1996, v 3, IN 1.

3. В.А.Бирюков, В.Т.Потапов. "Метод когерентной частотной рефлектометрии и его применение в мультиплексных волоконно-оптических системах", ы Научная сессия, посвященная дню радио, - Тезисы докладов, ч.п, с. 29-30. Российское НТО РХ им. А.С.Попова, Москва 1996.

4. В.А.Бирюков, В.Т.Потапов. А.В.Соколов, Р.Ю.Ешкайтис. "Фазовые вуш в когерентном рефлектометре с частотясяюдулиро-ванным зондированием". - Сб.тезисов УХ Научно-практич. конференции "Оптические сотовые и спутниковые сети я системы связи",- г.Псков, 28-30 августа 19Э§",с.З-11,