Диссертация: Оптические рефлексометры

В электрической линии наблюдаются только отраженные импульсы, образуемые в местах, где в линии присутствуют скачки волнового сопротивления.

Рассеяние света происходит на флуктуациях показателя преломления кварцевого стекла, застывших при вытяжке волокна. Размер этих неоднородностей (релеевских центров) мал по сравнению с длиной волны, что приводит к рассеиванию свет на них во все стороны, в том числе и назад в моду волокна.

Как правило в конструкциях моделей OTDR используется модульный принцип. Блок – схема OTDR приведена на рисунке 2.1.

В состав  OTDR входит базовый модуль и несколько сменных оптических модулей. Базовый модуль представляет собой специализированное микропоцессорное устройство, предназначенное для обработки сигнала и вывода результирующей информации на дисплей.

В состав оптического модуля входит лазерный диод, фотоприемник, оптический ответвитель и оптический разъем.

Рисунок 2.1 – Блок – схема OTDR

В настоящее время OTDR являются основными измерительными приборами, используемыми для инсталляции и технического обслуживания линий передачи со структурой «точка-точка», т.к. они обеспечивают телекоммуникационным операторам следующие возможности:

-измерение только с одного конца оптического кабеля;

-обнаружение нарушений и определение параметров компонентов ВОЛП по всей длине волокна;

-наглядное представление состояния линии связи.

В связи с этим естественным желанием является перспективное направление использования OTDR и в разветвленных сетях. Однако в этом случае при проведении анализа нескольких каналов результаты измерений становятся слишком сложными для интерпретации, и, чтобы осуществить их расшифровку, необходима особая процедура тестирования [21].

Для упрощения данной процедуры используются методы тестирования многоточечных сетей, основанные на поочередном подключении волокон к OTDR через управляемый коммутатор (оптический переключатель), сводя тестирование многоточечных сетей, к тестированию по схеме «точка-точка». Очевидно, последнее связано с введением дополнительных компонентов в систему контроля, что естественно удорожает ее. Таким образом, следует различать методы:

-одновременного тестирования волокон многоточечных сетей;

-разновременного тестирования волокон многоточечных сетей;

-по свободному («темном») волокну;

-по активному волокну.

Тестирование по пассивным оптическим волокнам основано на тестировании резервного волокна оптического кабеля при длине волны λ_траф оптического луча трафика, независимой от длины волны λ_тест тестирующего оптического излучения. Применение данного метода при своей очевидности и простоте реализации обусловливает необходимость дублирования инфраструктуры контроля гипотетического волокна, отражающего свойства всего кабеля, и, по некоторым данным, позволяет выявить до 90% его нарушений [27].

Одним из способов улучшения рабочих характеристик оптического рефлектометра является применение схемы когерентного приема. Это позволяет получить максимальную чувствительность оптического приемника. Применение когерентного приема в рефлектометрии (CO-ОTDR) имеет такое достоинство, как использование оптическим передатчиком и приемником одного и того же источника опорного сигнала (гетеродина), что позволяет избежать трудности при стабилизации частоты оптического излучения.  К настоящему времени предложено множество различных схем когерентных рефлектометров, использующих два вида разнесения сигналов.

Оптической когерентный рефлектометр (CO-ОTDR) появился в качестве привлекательного метода измерения коэффициента отражения волоконной оптики. CO-ОTDR позволяет получать высокое пространственное разрешение (<10 мкм), и может использоватся при измерениях в интегрально-оптических и биологических структурах. В большинстве систем CO-ОTDR предыдущих  разработок, высокая чувствительность и широкий динамический диапазон достигались посредством применения узкополосного гетеродинного обнаружения пьезоэлектрической модуляции и технологии фиксации усилителя.  Общая схема метода CO-ОTDR представлена на рисунке 2.2.

                Рисунок 2.2 – Общая схема метода CO-ОТDR

В качестве широкополосного источника света используется суперлюминесцентный диод (SLD), который соединен с волоконно-оптическим интерферометром Майкельсона. Одно плечо интерферометра приводит к выборке значений (РС), а другое ведет к опорному зеркалу (М1) [23].

При проведении волоконно-оптических и оптических измерений, образцы могут присоединятся непосредственно к типовому волокну. При измерениях объемных оптических или биологических образцов, в состав системы включается модуль датчика, который позволяет направить луч на образец и принять отраженный сигнал. Чтобы помочь в выравнивании образца, используется лазерный луч. Отраженные лучи света будут обнаружены на фотодетекторе. Они смешиваются только тогда, когда образец и длина эталонного тракта равны пределам длины когерентности источника.

Гетеродинное детектирование реализуется посредством использования прямого сдвига частоты Доплера, возникающего при равномерном скоростном сканировании эталонной длины пути. Значение величины сигнала помех регистрируется в зависимости от положения опорного зеркала и профиля отражательной способности образца. [23]

Такие параметры системы CO-ОТDR, как:

-пространственное разрешение;

-скорость сканирования;

-динамический диапазон.

Могут быть оптимизированы в соответствии со сферой и характером применением.

 Как уже отмечалось ранее, результатом равномерной скорости развертки и полосы пропускания на FWHM мощности сигнала, является Доплеровский сдвиг частоты, который описывается следующими выражениями:

Гц;                                                         (2.1)

;                                                     (2.2)

Оптимальная ширина полосы пропускания () полосового фильтра примерно составляет: . Более широкий диапазон ПП снижает чувствительность, тогда же как, сужение полосы пропускания приводит к уменьшению разрешения.

Примерное соотношение сигнал-шум () полосового фильтра, определяется с помощь следующего выражения:

    ;                                                 (2.3)

 где  детектор квантового выхода;

 сила сигнала выборки;

 постоянная Планка;

 оптическая частота;

 образец отражения;

 эквивалентная шуму, ширина полосы пропускания фильтра.

С помощью выражения (2.3) можно вычислить минимальную разрешающую отражательную способность, при этом полагая, что предел чувствительности составляет .

В целом, метод CO-ОТDR позволяет достигать высокой скорости, чувствительности и точности измерений, путем выполнения гетеродинного детектирования на доплеровское смещение частоты, возникающее в результате высокой скорости сканирования.

Принцип действия CO-ОТDR схож с принципом действия обычного рефлектометра.  В тестируемую линию вводится мощный короткий зондирующий импульс, а временные зависимости мощности рассеянного назад излучения измеряются и анализируются с использованием различных алгоритмов обработки рефлектограмм.

Из-за малых размеров рассеивающих центров (менее 10 нм), по сравнению с длиной волны, рассеивание света на них происходит во все стороны, в том числе и в обратную сторону, в моду волокна. В когерентном рефлектометре осуществляется когерентное сложение рассеянного назад света, на отдельных релеевских центрах. Таким образом, происходит сложение комплексных амплитуд световых волн,  рассеянных на отдельных центрах.

Так как, релеевские центры имеют случайное распределение, фазы рассеянных назад волн тоже случайны и, следовательно, мощность рассеянного назад излучения (рефлектограмма) также описывается случайной функцией. Аргументом  данной функции является временная задержка относительно зондирующего импульса.

В результате малых изменений относительного расположения релеевских центров, происходит изменение разности фаз складывающихся волн, что в свою очередь, приводит к изменению вида рефлектограммы.

Высокая чувствительность CO-ОTDR к внешним механическим и температурным воздействиям определяет перспективность их применения в различных областях науки и техники. Основными их которых, являются следующие:

-мониторинг внешних воздействий на волоконно-оптические линии связи и магистральные трубопроводы;

-измерение вибраций сооружений повышенной ответственности;

-системы защиты от несанкционированного доступа и пожаробезопасности, использующие принцип распределенных измерений механических воздействий и вариаций температуры.

-диагностика в медицине и биологических;

-контроль механических систем в процесс управления и производства;

Несмотря на высокие характеристики и достаточно широкий круг сфер применения, CO-ОTDR по разным причинам, в первую очередь из-за сложности, применяются в основном в лабораторных измерениях.

2.2 Частотно-сдвинутый асимметричный интерферометр Саньяка

Точное измерение длины волокна имеет важное практическое значение в системах оптической связи. Наиболее распространенные оптические техники измерений длины - OTDR и OC-ОDR являются сложными методами, к тому же страдающими или от узкого динамического диапазона, или от низкого разрешения.

Достаточно простым подходом, позволяющим достичь высокого разрешения при большом динамическом диапазоне, является использование элемента изменения частоты в асимметричном интерферометре Саньяка. Идея отличается достаточной простотой, и заключается в том, что световые сигналы различных частот испытывают различные задержки фазы, поскольку они проходят то же самое волокно. Эта разность фаз, несущая информацию об оптической длине волокна, может быть легко измерена, используя помехи [32].

Наиболее привлекательной среди предложенных реализаций интерферометра Саньяка является поляризационная схема (рис. 2.3), требующая минимальных изменений в инфраструктуре детекторов Майкельсона (рис. 2.4) [9].

Рисунок 2.3 – Поляризационная схема интерферометра Саньяка

                               Рисунок 2.4 – Детектор Майкельсона

Обе схемы используют рециркуляцию мощности и сигнала, которая достигается за счет добавления двух дополнительных зеркал (PRM и SRM) в светлый и темный порты соответственно. Это позволяет снизить мощность лазерной накачкии увеличить отклик путем дополнительного накопления сигнала.

После прохождения 2x2 симметричного волоконного ответвителя, лазерный луч разделяется на две части поровну: S1, проходит по часовой стрелке через петлю волокна, в то время как S2, проходит ту же самую петлю волокна против часовой стрелки. Частоты и S1 и S2 смещаются на одинаковую величину, и по их возвращении к волоконному ответвителю, наблюдается стабильный интерференционный сигнал.

Так как S1 и S2 проходят одну и ту же петлю, идеально, то любое колебание дрейфа или поляризации фазы будет уравновешено. На практике, из-за двулучепреломления в петле, S1 и S2 могут испытать различные задержки фазы, и их виды поляризации могут также отличаться после прохождения петли. Сигнал вмешательства может быть описан следующим выражением:

 ;                                                (2.4)

где  относительная фаза между S1 и S2; mÎ [0,1]

 параметр, описывающий видимость интерференционной полосы ().

Примем  длину волны, до и после прохождения петли: l(n) и l'(n)', соответственно, тогда задержки фазы, испытанные S1 и S2, могут быть описаны следующим образом:

;                                     (2.5)

.                             (2.6) где  показатель преломления волокна;

длина испытываемого волокна;

 общая длина соединительного волокна из соединителя к порту А плюс один из порта B;

длина волокна от петли до муфты.

Постоянные , введена, чтобы учитывать разность фаз, обусловленную  двулучепреломлением в петле волокна.

Из выражений (2.4 – 2.6) следует:

 ;                                           (2.7)

где  ; приблизительно равна длине волокна погашения(  м.).

Волокно погашения  необходимо для короткого измерения волокна. При его отсутствии, требуется слишком большой  диапазон сканирования частоты для окончания одного «периода» для петли. При этом, длина волокна может быть вычислена в соответствии с выражением:

 ;                                               (2.8)

где целое число, которое может быть определено, ка число минимумов между  и .

В выражении (2.8) отсутствует неизвестная постоянная , а также отсутствует и параметр. Из этого следует, что система нечувствительна к двулучепреломлению в петле волокна. Разрешение может быть увеличена посредством использования поляризационного контроллера.

Ошибка измерения длины волокна (), при использовании выражения (2.8), обусловлена, главным образом, величиной , которая возникает при определении частот   и . Величину , можно представить в виде следующей суммы: