549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

1.Метод бриллюэновской рефлектометрии

Внастоящее время метод бриллюэновской рефлектометрии применяется в бриллюэновском оптическом импульсном анализаторе (BOTDA – Brillouin Optical Time Domain Analyizer) и в бриллюэновском оптическом импульсном рефлектометре (BOTDR – Brillouin Optical Time Domain Reflectometer). В BOTDA используется явление вынужденного бриллюэновского рассеяния (SBS – Stimulated Brillouin Scattering), а в BOTDR – явление спонтанного бриллюэновского рассеяния (SPBS – Spontaneous Brillouin Scattering). Как известно, явление SBS может быть использовано для создания волоконно-оптических усилителей с большим коэффициентом усиления и малой мощностью накачки. Для этого необходимо, чтобы оптический сигнал распространялся в волокне навстречу накачке, а ширина линии источника сигнала и источника накачки была меньше ширины линии бриллюэновского усиления (~30...50 МГц). Максимальное усиление достигается, когда частота зондирующего оптического сигнала fc совпадает с частотой стоксовой компоненты (fo – fБ) в спектре бриллюэновского рассеяния. Таким образом, можно найти величину смещения частоты при бриллюэновском рассеянии fБ и рассчитать величину абсолютного натяжения волокна. Распределение натяжения вдоль волокна можно найти, если использовать импульсную накачку. При импульсной накачке усиление сигнала будет происходить только в той области волокна, где в это время находится импульс. Поэтому по зависимости продетектированного сигнала от времени можно найти распределение натяжения вдоль волокна. Оптическая схема BOTDA изображена на рисунке 1. Как показано на рисунке 1, с одной стороны в волокно вводится излучение лазера накачки с частотой fH, а с другой стороны излучение зондирующего лазера с частотой fc.

Рисунок 1 - Оптическая схема бриллюэновского анализатора (BOTDA)

После прохождения через акустооптический модулятор (АОМ) частота излучения накачки становится равной fн + Δf, где f – смещение частоты, создаваемое акустооптическим модулятором. Далее излучение накачки модулируется по амплитуде с помощью электроабсорбционного модулятора (ЕОМ), усиливается с помощью оптического усилителя мощности (EDFA) и вводится в тестируемое волокно. Коэффициент бриллюэновского усиления зависит от состояния поляризации излучения накачки и сигнала. Максимальное усиление достигается, когда эти состояния одинаковы в месте взаимодействия этих волн (на ширине импульса накачки) [2].

2. Метод когерентной OTDR

Одна из возможностей улучшения рабочих параметров оптического рефлектометра, заключается в применении схемы когерентного детектирования, обеспечивающей максимальную чувствительность оптического приѐмника. Применение когерентного детектирования в OTDR (CO – OTDR) обеспечивает преимущество, заключающееся в том, что оптический излучатель и фотоприѐмник используют одно и то же излучение опорного

371

оптического источника (Лазера), что ведѐт к устранению трудностей связанных со стабилизацией частоты излучения источника. Основной принцип когерентной OTDR демонстрируется на рисунке 2 [3].

Оптическое излучение с угловой частотой ω0, разделяется на две части в направленном ответвителе (НО1). Одна часть излучения модулируется и смещается по частоте в акустооптическом модуляторе (АОМ) с последующим вводом внутрь оптического волокна через НО2. Обратно рассеянное оптическое излучение частотой (ω0 + ω) объединяется в НО3 с опорным излучением лазера. Следовательно, оптическое излучение, воздействующее, на детектор оптического приѐмника содержит две составляющие, – опорный сигнал генератора (лазера), описываемый PLO(ω0) и сигнал обратного рассеивания описываемый PRBS(ω0 + ω).

Если векторы напряжѐнности электрических полей обеих компонент параллельны друг другу, то результирующая напряжѐнность электрического поля EV, определяется как сумма обеих компонент

где ELO – амплитуда напряжѐнности электрического поля опорного генератора, ERBS – амплитуда напряжѐнности электрического поля обратно рассеянного излучения.

Рисунок 2 – Упрощѐнная структурная схема когерентного OTDR

3. Корреляционный метод

Одна из возможностей расширения динамического диапазона оптического рефлектометра без увеличения мощности зондирующих импульсов и одновременного сохранения пространственного разрешения на том же уровне, какой был определѐн для традиционной OTDR, заключается в использовании корреляционной OTDR, использующей псевдослучайный сигнал для измерения параметров волокна [4].

Основная идея метода состоит в использовании псевдослучайного сигнала (ПСС) с подходящей автокорреляционной функцией. Если подобрать параметры псевдослучайного сигнала, его автокорреляционная функция может быть аппроксимирована функцией Дирака δ(t) c хорошей точностью.

При одновременном условии, что площадь дельта – импульса равна единице

372

ПСС является биполярным периодическим сигналом. Каждый период содержит серию из N случайно распределѐнных положительных и отрицательных прямоугольных импульсов. Длительность каждого импульса определяется сигналом задающего генератора. Заметим, что псевдослучайный сигнал является детерминированным сигналом, который может быть точно воспроизведѐн, но его корреляционные свойства напоминают свойства настоящего непериодического псевдослучайного сигнала, такого как Гауссов шум. Использование псевдослучайного сигнала для измерения параметров волокна позволяет вводить больше энергии внутрь волокна, чем в обычной OTDR, что важно для расширения динамического диапазона рефлектометра. В то же время этот подход позволяет сохранить пространственное разрешение на том же уровне, как и в традиционной OTDR.

Основной принцип метода может быть объяснѐн, используя упрощѐнную структурную схему корреляционного рефлектометра, изображѐнной на рисунке 3.

Рисунок 3 – Упрощѐнная структурная схема корреляционного оптического рефлектометра, использующего ПСС

Сигнал задающего генератора периода Tt c частотой f синхронизирует генератор псевдослучайной последовательности (ПСП№1), который в свою очередь модулирует излучение лазерного диода оптического передатчика. Импульсы оптического излучения вводятся внутрь измеряемого волокна через волоконно-оптический делитель. Обратно рассеянный свет детектируется оптическим приѐмником и направляется на один из входов коррелятора. Псевдослучайный сигнал с выхода генератора ПСП№2, повторяющий сигнал генератора ПСП№1, но смещѐнный во времени на целое число периодов сигналов синхронизации, которое определяется k·Tt = k/f, где k = 0, 1, 2, 3,…, направляется на второй вход коррелятора.

Временная задержка между двумя сигналами может изменяться линией задержки. Неотъемлемой частью генератора ПСП№2 являются также цепи, которые формируют стартовые и стоповые импульсы в начале или конце периода ПСС отмеченные T. Эти сигналы определяют период времени в течении которого коррелятор работает. Выходной сигнал коррелятора содержит информацию о сигнале обратного рассеивания, приходящего от элементарной секции волокна ∆z = Tt·vg, находящейся на расстоянии z = 0,5·k·Tt·vg от входного торца волокна, где vg – групповая скорость оптического излучения распространяющегося в волокне.

Если f(t) функция, описывающая периодический ПСС с амплитудой А, то в соответствии с определением его автокорреляционная функция ψ(t) определяется выражением

373

При таком определении автокорреляционная функция приобретает размерность мощности, причѐм ψ(0) равно средней мощности периодического сигнала. Поскольку f(t) является периодическим сигналом, то усреднение произведения f(t)·f(t – τ) по бесконечно большому отрезку T должно совпадать с усреднением по периоду T. Выражение (1) можно заменить

M – число импульсов синхронизирующего сигнала на периоде T псевдослучайного сигнала.

Из выражения (6) так же вытекает, очевидное утверждение: периодическому сигналу f(t) соответствует и периодическая автокорреляционная функция ψ(t). Период функции ψ(t) совпадает с периодом T исходного сигнала f(t).

Рисунок 4 иллюстрирует временную зависимость автокорреляционной функции ψ(t) периодического псевдослучайного сигнала. Она представляет собой периодическую серию импульсов похожих на δ(t) – функцию Дирака. Причѐм эта схожесть тем больше, чем короче длительность импульсов синхронизации (2Tt) и выше их амплитуда A [4].

Рисунок 4 – Временная зависимость автокорреляционной функции периодического ПСС

4.Метод частотно – модулированного зондирования

Вметоде оптической рефлектометрии во временной области, оптическое волокно зондировалось узкими импульсами оптического излучения. Пространственное разрешение импульсных рефлектометров может быть улучшено уменьшением длительности зондирующих импульсов и расширением полосы пропускания ФПУ. Что в свою очередь ведѐт к увеличению уровня шума и соответственно к сужению динамического диапазона рефлектометра. Многообещающим методом является метод оптической рефлектометрии в частотной области, который часто называют методом частотно – модулированного зондирования (ЧМЗ) [4].

Основная идея метода OFDR с перестраиваемой частотой может быть объяснена, используя упрощѐнную структурную схему, показанную на рисунке 5.

374

Рисунок 5 – Упрощѐнная структурная схема частотного когерентного рефлектометра

Частота оптического излучения генерируемого высоко когерентным лазерным диодом медленно и линейно изменяется, относительно центральной частоты и вводится внутрь направленного ответвителя (НО). Часть оптического излучения через НО подаѐтся в опорное плечо, которое ограничивается зеркалом. Другая часть оптической мощности поступает на вход тестового плеча, которое соединяется с измеряемым волокном. Временная задержка между сигналами приходящими от отражателя в опорном плече и сигналом обратного рассеивания от произвольного элемента dx, находящегося на расстоянии x0 в тестовом плече определяется из выражения:

где vg - групповая скорость распространения в сердцевине волокна.

Для когерентного детектирования оба сигнала смешиваются на детекторе. В методе OFDR частота зондирующего сигнала изменяется по линейному закону, как показано на рисунке 6.

Рисунок 6 – Изменение частоты зондирующего сигнала по линейному закону

В методе OFDR величина пространственного разрешения Δx определяется точностью измерения частоты сигнала биений ∆Ω, возникающего в процессе регистрации обратно рассеянного и отражѐнного сигналов.

Из выражения (8) видно, что в отличие от метода импульсной рефлектометрии, в методе ЧМЗ для улучшения пространственного разрешения необходимо для точного измерения частоты сигнала биений сужать полосу пропускания в блоке обработки, что в свою очередь снижает уровень шума, расширяя динамический диапазон системы.

375

5. Фотонoсчитающий OTDR (РС – OTDR)

Основная идея этого метода состоит в использовании квантовой природы света и его Пуассоновской статистики, которая в значительной степени начинает проявляться на ультра низких уровнях оптической мощности. Закон Пуассона описывает распределение числа событий, происходящих в процессе испытаний независимо друг от друга, причѐм число испытаний велико, а вероятность появления события в каждом испытании мала. Поскольку вероятность появления события в опыте очень мала, то закон Пуассона называют также законом редких событий.

Дискретная случайная величина X, принимающая счѐтное множество значений {0, 1, 2,…}, подчиняется закону распределения Пуассона, если вероятности еѐ возможных значений задаются выражением

где a = const – параметр закона.

Математическое ожидание и дисперсия случайной величины, распределѐнной по закону Пуассона, равны между собой и равны значению параметра а. То есть M(X) = D(X) = a.

Пусть излучение фотонов от источника с постоянной оптической мощностью P является случайным процессом, который описывается распределением Пуассона и задаѐтся выражением

где n – среднее число фотонов излучѐнных в единицу времени, T – длительность временного интервала, в течение которого фотоны детектируются, а k – число зарегистрированных фотонов.

Выражение (10) даѐт вероятность того, что k фотонов будут зарегистрированы за время T в течение одного измерения. Если оптическое излучение мощностью P является функцией времени, или если n больше не постоянная, тогда простое распределение вероятности Пуассона, описывающее однородный процесс следует заменить сложным распределением, описывающим не однородный процесс. Его распределение вероятности даѐтся

где η – квантовая эффективность детектирования фотона,

Функция n(t) – представляет собой плотность вероятности попадания фотона в измеренную оптическую мощность за время τ, и устанавливает связь с так называемой функцией освещѐнности I(t), характеризующей оптическую мощность света количеством фотонов в соответствии с формулой

Временное разрешение метода определяется двумя факторами:

Периодом времени сигнала τс задающего генератора, используемого для измерения временной задержки.

Фазовым дрожанием (джиттером) τi, переднего фронта отклика регистрируемого импульса соответствующего детектируемому фотону.

376

6.Стандартный оптический рефлектометр

Вбольшинстве моделей OTDR используется модульная конструкция. Она содержит базовый модуль и несколько сменных оптических модулей.

Оптический рефлектометр состоит из лазерного источника света (диода)‚ оптического детектора (фотоприемника)‚ ответвителя‚ дисплея и контроллера (управляющего процессора) (рисунок 7) [1].

Лазер посылает световые импульсы по команде контроллера. При различных условиях измерения можно выбирать различные длительности импульса. Свет проходит через ответвитель и входит в тестируемое волокно. У ответвителя имеется три порта – один для источника света‚ один для тестируемого волокна и один для измерителя. Ответвитель – это устройство‚ позволяющее свету распространяться только в определенных направлениях: от лазерного источника к тестируемому волокну и от тестируемого волокна к детектору. Свет не может идти от источника прямо к измерителю. Таким образом‚ импульсы из источника света направляются в тестируемое волокно‚ а отраженная световая энергия – обратное рассеяние и френелевское отражение – направляется в детектор.

Детектор – это фотоприемник‚ который измеряет уровень мощности света‚ идущего из тестируемого волокна. Он преобразует оптическое излучение в электрические сигналы соответствующего уровня – чем больше мощность оптического излучения‚ тем выше уровень электрических сигналов. Детекторы оптического рефлектометра специально рассчитаны на измерение крайне низких уровней обратного рассеяния световой энергии. В состав измерителя входит и электрический усилитель‚ предназначенный для дальнейшего повышения уровня электрического сигнала. Френелевское отражение в сотни раз сильнее обратного рассеяния. Измерить такую величину прибор не в состоянии – она приводит к его перегрузке и насыщению.

Управляющий процессор (контроллер) подсказывает лазеру‚ когда надо посылать импульс; получает от измерителя данные об уровнях мощности; рассчитывает расстояния до точек рассеяния и отражения в волокне; в нем хранятся отдельные точки измерений; он посылает информацию на дисплей.

Поскольку обратное рассеяние имеет место по всей длине волокна‚ то назад‚ в рефлектометр идет непрерывный поток света. Контроллер через определенные промежутки времени фиксирует уровни‚ которые были определены измерительным устройством‚ и получает точки измерений. Каждая точка измерений характеризуется своим соответственным временем (соотносящим ее с расстоянием от рефлектометра) и уровнем мощности.

Блок дисплея – это экран на электронно-лучевой трубке или на жидких кристаллах‚ на который выводятся точки измерений‚ образующие рефлектограмму волокна (рисунок 8)‚ а также параметры настройки рефлектометра и результаты измерений. Для измерения

377

характеристик оптический рефлектометр использует явления рэлеевского рассеяния и френелевского отражения. Посылая в волокно световой импульс и измеряя время его распространения и интенсивность его отражения от точек‚ находящихся внутри волокна‚ рефлектометр выводит на экран дисплея рефлектограмму «уровень отраженного сигнала в зависимости от расстояния».

Рэлеевское рассеяние. При посылке светового импульса по волокну часть импульса натыкается на имеющиеся в стекле микроскопические неонородности и рассеивается во всех направлениях. Часть световой энергии – около 0‚0001 % – рассеивается назад‚ в направлении‚ противоположном направлению распространения импульса; это называется обратным рассеянием. Рэлеевское рассеяние – это основная причина потерь‚ имеющих место в волокне. На более длинных световых волнах рассеяние меньше‚ чем на более коротких. Так например‚ свет на 1550 нм теряет из-за рэлеевского рассеяния от 0‚2 до 0‚3 дБ на километр (дБ/км)‚ в то время как на 850 нм – от 4‚0 до 6‚0 дБ/км. Имеющие более высокую плотность неоднородности также увеличивают рассеяние и‚ следовательно‚ повышают уровень удельного затухания. Оптический рефлектометр может измерять уровни обратного рассеяния с большой точностью‚ используя эту способность для выявления незначительных изменений характеристик волокна в любой его точке.

Френелевское отражение. Когда свет‚ распространяющийся в каком-нибудь материале (например‚ в оптическом волокне)‚ попадает в материал с другой плотностью (например‚ в воздух)‚ часть световой энергии (до 4 %) отражается назад‚ к источнику света‚ в то время как остальная световая энергия продолжает распространяться дальше. Резкие изменения плотности материала имеют место на концах волокна‚ у обрывов волокна и‚ иногда‚ у оптоволоконных стыков. Количество отраженного света зависит от величины изменения плотности материала (которая характеризуется показателем преломления – более высокий показатель преломления означает большую плотность)‚ а также от того угла‚ под которым свет падает на поверхность раздела между двумя материалами. Это явление называется френелевским отражением. Оно используется в оптическом рефлектометре для точного определения мест обрывов волокна.

Хотя оптический рефлектометр измеряет только уровень обратного рассеяния‚ а не уровень передаваемой световой энергии‚ имеется весьма определенное соотношение между уровнем обратного рассеяния и уровнем переданного импульса. Соотношение между световой энергией обратного рассеяния и переданной световой энергией называется коэффициентом обратного рассеяния. Если – из-за сильного изгиба‚ соединения двух волокон (оптоволоконного стыка) или какого-нибудь дефекта – количество передаваемой световой энергии между точками А и Б резко падает‚ то и соответствующее обратное рассеяние между точками А и Б уменьшится в той же пропорции [1].

Рисунок 8 – Общий вид рефлектограммы

Основными параметрами рассматриваемых приборов являются: максимальная дальность обнаружения неоднородности, минимальное разрешение, позволяющее определить две близлежащие неоднородности волокна, а также точность измерения параметров неоднородностей. Для оценки этих параметров в первую очередь необходимо определить

378

минимальный уровень регистрируемого отраженного сигнала и установить факторы, влияющие на снижение его значения [4].

Литература

1.Иванов Л.Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения/ Л.Б.Иванов – М.: Компания САЙРУС СИСТЕМС, 1999.

2.Листвин, А. В. Рефлектометрия оптических волокон/ А. В. Листвин, В. Н. Листвин.– М.:

ЛЕСАРарт, 2005. – 208 с.

3.РД 45.236-02. Рефлектометры оптические. Технические требования.

4.Листвин А.В., Листвин В.Н., Швырков Д.В. Оптические волокна для линий связи – М.:

ЛЕСАРарт. 2005. – 208 с., ил.

Токарева Ирина Александровна,

аспирант кафедры Линий связи СибГУТИ, (630102, Новосибирск, ул. Кирова, 86), тел.

(383) 2-269-82-53, e-mail: tia@inbox.ru

Overview reflectometric methods of measurement of parameters of optical fibers

This article provides a brief overview of the main methods of measurement of optical fibers, given the advantages and disadvantages, as explained on the practical application of the method of inverse scattering. Special attention is given to the pulse reflectometer.

379