УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКНА ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ СВЯЗИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2002 года по МПК H04B10/08 G01M11/02 G01R31/11 

Изобретение относится к контролю характеристик волоконно-оптического кабеля, используемого в системах связи, для измерения распределенной температуры и напряжения вдоль оптических волокон.

Известно устройство для измерения характеристик оптического волокна за временной интервал по Бриллюэну (BOTDA), применяемый для измерения распределенных температур или напряжений вдоль одномодового оптического волокна, использующее Бриллюэновское вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), при котором частотный сдвиг отраженного от элемента разрешения сигнала увеличивается пропорционально температуре или напряжению, наведенному в волокне, содержащее два когерентных лазера для создания двух опорных оптических сигналов с частотой накачки W и частотой Стокса, W_ = W- соответствующей частотному сдвигу Стокса в волокне (Hariguchi T. "Nondestructive measurement of optical-fiber tensile strain distribution based on Brilloun spectroscopy", Trans. IEICE, v. J73-B-1, N 2, p. 144-152, Feb. 1990). Недостатком этого устройства является его сложность, поскольку лазеры должны помещаться на обоих концах испытываемого волокна и иметь фиксированную частоту связи между ними.

Наиболее близким по техническому существу является устройство для измерения характеристик волокна оптического кабеля, содержащее малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки w, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, соединенного противоположным концом с оптическим отражателем, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений (EP, заявка 0907073, кл. G 01 R 31/08, 1998). Недостатком этого устройства является низкая точность измерения и возможность работы только для рассеяния по Бриллюэну.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является повышение точности и расширение функциональных возможностей путем использования рассеяния как Бриллюэновского, так и Рамановского.

Предложены два варианта устройства.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения характеристик волокна оптического кабеля связи по первому варианту, содержащем малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки w, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, соединенного противоположным концом с оптическим отражателем, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, выход малокогерентного лазера соединен с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с одним выводом элемента активной среды с эффектом вынужденного комбинационного рассеяния, частота смещения Стокса в которой равна частоте смещения Стокса в исследуемом волокне, второй вывод указанного элемента соединен с выводом основного канала второго направленного ответвителя, вывод проходного плеча которого подключен к первому выводу делителя мощности, соединенного вторым выводом с первым входом оптического сумматора, а входом - через оптический усилитель с выводом ответвительного плеча первого направленного ответвителя, второй вход оптического сумматора соединен с выходом управляемого оптического затвора, вход которого соединен с выводом ответвительного плеча второго направленного ответвителя, выход оптического сумматора подключен к выводу проходного плеча измерительного ответвителя.

В качестве указанного элемента активной среды может быть использована волоконно-оптическая катушка или два дополнительных волокна оптического кабеля, спаянные на противоположном конце.

В качестве отражателя используется активный отражатель на основе третьего направленного ответвителя и второго усилителя.

Во втором варианте устройство для измерения характеристик волокна оптического кабеля, содержащем малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки w, соединенный выходом со входом делителя мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, первый вывод делителя мощности соединен со входом управляемого оптического затвора, выход которого подключен к выводу проходного плеча измерительного направленного ответвиителя, противоположный конец исследуемого волокна соединен с первым выводом второго делителя мощности, соединенного вторым выводом с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с противоположным концом первого дополнительного волокна оптического кабеля, подключенного ближним концом к выводу основного канала второго направленного ответвителя мощности, вывод проходного плеча которого соединен со вторым выводом делителя мощности, а вывод ответвительного плеча - с ближним концом второго дополнительного волокна оптического кабеля, противоположный конец которого через оптический усилитель соединен со входом второго делителя мощности, а вывод ответвительного плеча первого направленного ответвителя соединен с поглотителем.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен первый вариант устройства, в котором в качестве элемента активной среды используется волоконно-оптическая катушка, на фиг. 2 - первый вариант устройства, в котором в качестве элемента активной среды используются два дополнительных волокна оптического кабеля, спаянные на противоположном конце, на фиг. 3 представлен второй вариант устройства.

Оптическая мощность малокогерентного лазера 1, работающего в непрерывном режиме на частоте накачки w_н, поступает на вывод проходного плеча направленного ответвителя 2, являющийся входом регенерационного кольца, в котором регенерируется (возбуждается) обратная волна Стокса с частотой w_н-Ω. Такое кольцо содержит также волоконно-оптическую катушку 3 с длиной оптического волокна (ОВ) L_k, направленный ответвитель 4, делитель мощности 6 и оптический усилитель 5. Вывод основного канала направленного ответвителя 2 присоединяется к одному из выводов волоконно-оптической катушки 3. Другой вывод этой катушки присоединен к выводу основного канала направленного ответвителя 4, вывод проходного плеча которого подключен к первому выводу делителя мощности 6. Второй вывод делителя мощности 6, являющийся выходом регенерационного кольца (кольца регенератора) для волны Стокса, присоединен к первому входу оптического сумматора 9. Вход оптического делителя 6 подключен к выходу оптического усилителя 5, вход которого соединен с выводом ответвительного плеча направленного ответвителя 2.

Вывод ответвительного плеча направленного ответвителя 4 является вторым выходом кольца регенератора для волны накачки и подключен ко входу оптического затвора 7, управляемого процессором 8, выход которого присоединен ко второму входу оптического сумматора 9. Выход оптического сумматора 9 подключен к выводу проходного плеча измерительного направленного ответвителя 10, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу оптического волокна 14-14' оптического кабеля 11, к противоположному концу которого подключен оптический отражатель 12. Вывод направленного плеча измерительного направленного ответвителя 10 подключен ко входу фотоприемного устройства 13, выходной сигнал которого поступает в процессор 8.

Оптическая мощность лазера накачки 1 с частотой w_н через вывод проходного плеча направленного ответвителя 2 (вход регенератора) поступает в волоконно-оптическую катушку 3, являющуюся активной средой, обладающей эффектом (ВКР). За счет эффекта спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) в этой катушке возбуждаются случайные (спонтанные) прямая и обратная волны Стокса с частотами соответственно w_н-Ω_сп и w_н-Ω_со, где Ω_сп, Ω_со- частоты смещения Стокса для прямой и обратной волн Стокса. Вследствие эффекта ВКР часть мощности волны накачки в катушке 3 преобразуется в мощность прямой и обратной волн Стокса, что приводит их усилению, зависящему от длины волоконно-оптической катушки, L_k. При этом обратная волна Стокса за счет направленных ответвителей 2 и 4 получает возможность циркуляции по кольцу регенератора по часовой стрелке, как это показано на фиг. 1, непрерывно подпитываясь от мощности лазера накачки 1.

Условие регенерации (самовозбуждения) обратной волны Стокса выполняется, если коэффициент передачи по мощности в кольце регенератора K₀ больше единицы, т.е.

K₀ = K_ВКР•K_П;
K_ОУ•K_дел > 1;
K_П•K_ОУ•K_дел < 1,
где K_ВКР - коэффициент усиления за счет ВКР;
K_п = exp{-α_п} - коэффициент передачи, связанный с результирующим коэффициентом потерь в регенераторе α_п = α_1HO+α_2HO+α_OB•L_k; α_1HO, α_2HO- соответствующие коэффициенты вносимых потерь со стороны направленных ответвителей 2 и 4; α_OB- удельный коэффициент поттерь в оптическом волокне катушки 3;
K_дел - коэффициент деления мощности делителя 6 по второму выходу;
K_ОУ - коэффициент усиления мощности в оптическом усилителе 5.

Для устранения возможности возбуждения паразитных колебаний в кольцах регенератора должно выполняться дополнительное условие
K_П•K_ОУ•K_дел < 1.

Отработанная мощность лазера накачки с вывода катушки 3 через направленное плечо направленного ответвителя 4 ответвтляется на вход оптического затвора 7, управляемого сигналом процессора 8, и служащего для формирования измерительного импульса накачки. Оптический затвор работает таким образом, что в момент прихода управляющего сигнала из процессора 8 (вывод направленного плеча направленного ответвителя 4), на который поступает непрерывная мощность накачки из катушки 3, на короткий отрезок времени с длительностью τ подключается ко второму входу сумматора 9, в результате чего на этом входе образуется импульсный сигнал накачки с длительностью τ и скважностью Q = T/τ, задаваемыми (определяемыми) процессором 8. При этом сумматор 9 служит для суммирования измерительного импульса волны накачки с непрерывной волной Стокса, поступающей на первый вход этого сумматора со второго вывода делителя мощности 6. Суммарная мощность импульсной волны накачки с оптической частотой w_н и непрерывной волны Стокса с оптической частотой w_н-Ω_со с выхода сумматора 9 через проходное плечо измерительного направленного ответвителя 10 поступает на вход исследуемого OB (14-14').

Непрерывная волна с частотой w_н-Ω_со, отражаясь от отражателя 12, на противоположном конце волокна образует обратную волну Стокса при условии, что частота смещения Стокса для исследуемого волокна 14-14' равна частоте смещения Стокса в катушке 3 генератора. При выполнении этого условия от каждого домена (элемента) разрешения в текущем сечении Z и шириной
ΔZ = v_срτ/2
образуется ВКР элементарный (доменный) эхо-сигнал, который несет информацию не только о величине импульсной мощности накачки в данном сечении, но также (в случае ВКР по Бриллюэну) о температуре или напряжении в этом сечении. Причем v_ср = v_нv_с/v_н + v_ср - средняя скорость между групповыми скоростями волн накачки и Стокса v_н и v_с.

Результирующий эхо-сигнал от всех доменов (элементов) разрешения поступает через направленное плечо измерительного направленного ответвителя 10 на вход фотоприемного устройства, в котором детектируется, усиливается и после преобразования поступает для анализа в процессорное устройство 8.

На фиг. 2 представлена схема рефлектометра, работающего на принципе ВКР, в котором в качестве элемента активной среды с элементом вынужденного комбинационного рассеяния используются два дополнительных волокна 15-15' и 16-16' того же самого исследуемого оптического кабеля 11, спаянные на противоположном конце, а в качестве оптического отражателя 12 на конце исследуемого волокна 14-14' используется активный отражатель, построенный на основе направленного ответвителя 17 и оптического усилителя 18.

Причем ближний конец дополнительного волокна 15-15' присоединен к выводу основного канала ответвителя 4, в ближний конец второго дополнительного волокна 16-16' соединен с выводом основного канала направленного ответвителя 2. Противоположные (вторые) концы дополнительных волокон 15' и 16' соединены друг с другом на противоположном конце кабеля 11. Ближний конец исследуемого волокна подключен к выводу основного направленного ответвителя 17, вывод ответвительного плеча которого присоединен ко входу оптического усилителя 18, а вывод проходного плеча - к выходу оптического усилителя 18.

На фиг. 3 представлен второй вариант устройства, в котором для подачи оптической мощности накачки в кольцо регенератора и на вход оптического затвора 7 используется делитель мощности 6, а в качестве элемента активной среды с ВКР используется дополнительное волокно 15-15' того же самого оптического кабеля 11. Оптический усилитель 5, делитель мощности 19 и направленный ответвитель 2, входящие в кольцо регенератора, располагаются на противоположном конце оптического кабеля 11. Волна Стокса с первого вывода делителя 19 подается непосредственно в противоположный конец исследуемого волокна 14-14', а импульсная волна накачки с выхода оптического затвора 7 подается непосредственно на вывод проходного плеча измерительного направленного ответвителя 10. Второе дополнительное волокно 16-16' используется для подачи регенерируемой волны Стокса с вывода направленного плеча ответвителя 4 на вход оптического усилителя 5, находящихся на разных концах оптического кабеля 11. Отработанная мощность накачки с вывода направленного плеча направленного ответвителя 2 гасится в поглотителе 20.

Причем выход лазера накачки 1 подключен ко входу делителя мощности 6, первый выход которого подключен ко входу оптического затвора 7, а второй - ко входу кольца регенератора, т.е. к выводу проходного плеча направленного ответвителя 4. Выход оптического затвора 7 подключен к выводу проходного плеча измерительного направленного ответвителя 10. Вывод направленного плеча направленного ответвителя 4 присоединен к началу второго дополнительного волокна 16-16' исследуемого ОВ, конец которого присоединен ко входу оптического усилителя 5. Вывод основного канала направленного ответвителя 4 подключен к началу первого дополнительного волокна 15-15', играющего роль ВКР активной среды в регенераторе, конец которого присоединен к выводу основного канала направленного ответвителя 2, вывод направленного плеча которого подключен к поглотителю 20.

Малокогерентный лазер 1 является основным элементом рефлектометрического прибора. В качестве такого лазера может использоваться одномодовый полупроводниковый лазер согласованный с апертурой одномодового волокна, с длиной волны в одном из диапазонов прозрачности оптического волокна с шириной спектральной линии от 40 до 150 МГц, работающий в непрерывном режиме с мощностью 10-20 МВт.

Оптоволоконная катушка 3 используется в качестве активной среды, обладающей эффектом вынужденного комбинационного рассеяния (Рамановского или Бриллюэновского). Длина этой катушки выбирается такой, чтобы коэффициент усиления по мощности волны Стокса за счет эффекта вынужденного комбинационного рассеяния был больше 2 дБ. При мощности лазера накачки 10-20 МВт длина такой катушки равна нескольким километрам, т.е. равна средней строительной длине оптического кабеля.

Волоконно-оптические ответвители 2, 4 в кольцах регенератора обеспечивают разделение волн накачки и обратной волны Стокса после выхода их из катушки 3. Коэффициенты вносимых потерь этих направленных ответвителей не должны быть слишком большими, т.е. не должны быть более 0,2 дБ.

Развязка между их плечами должна быть порядка 50 дБ. Они могут быть сплавными биконическими, либо - устройствами с планарными волноводами.

Делитель мощности 6 служит для ответвления част мощности волны Стокса на выход кольцевого регенератора. В качестве такого делителя может быть использован оптоволоконный Y-разветвитель с величиной вносимых потерь менее 0,2 дБ. Требования к развязке плеч здесь менее жесткие, чем к направленным ответвителям (т.е. величина развязки может составлять 40 дБ).

Оптический усилитель 5, во-первых, служит для компенсации потерь в кольце генератора. С другой стороны, он осуществляет необходимую фильтрацию, обеспечивая при этом генерацию либо Бриллюэновской, либо Рамановской волны Стокса. В качестве такого усилителя может использоваться одномодовый полупроводниковый лазерный усилитель (ПЛУ), либо одномодовый оптоволоконный усилитель на эрбиевом волокне, работающие на соответствующей длине Стоксовой волны с полосой менее 20 нм.

Коэффициент усиления ПЛУ может составлять 6-12 дБ при максимальной мощности 1-2 МВт. Коэффициент усиления оптоволоконных усилителей на эрбиевом волокне может достигать 16-20 дБ при максимальной выходной мощности до 10 МВт.

Оптический затвор 7 может быть изготовлен из любого волоконно-оптического устройства на основе интегральной волоконной оптики, например, на основе интегрально-оптического модулятора света, согласованного с волокном.

В качестве процессора 8 может быть использован системный блок персонального компьютера соответствующей конфигурации, например, на базе Intel Pentium.

Волоконно-оптический сумматор 9 служит для замешивания импульсной волны накачки с волной Стокса на входе исследуемого волокна. Он может быть сплавным биконическим устройством или интегрально-оптическим с планарными волноводами. В качестве такого сумматора может быть использован оптоволоконный направленный ответвитель, плечи которого используются в качестве входов, а основной канал - в качестве выхода оптического сумматора. Вносимые потери не должны превышать 0,2 дБ.

Измерительный направленный ответвитель 10 служит для развязки передающего и приемного каналов рефлектометра. Он может быть изготовлен по той же технологии, что и направленные ответвители 2 и 4. Развязка между каналами должна составлять более 50 дБ. Вносимые потери должны быть менее 0,2 дБ.

Направленный ответвиитель 12 по конструкции и параметрам аналогичен направленным ответвиителям 2, 4 и входит в структуру активного отражателя на конце исследуемого волокна в схеме рефлектометра, представленной на фиг. 1.

Оптический усилитель 14 аналогичен по своей конструкции и параметрам оптическому усилителю 5 и служит для усиления отраженной волны Стокса в исследуемом волокне.

В результате измерений определяется изменение затухания сигнала по длине тестируемого волокна, что происходит из-за наличия неоднородностей в структуре последнего (например, трещин, сколов, их вид, местного сжатия волокна, наличие в нем воздуха и т.д.). Затем по характеру и величине отраженного сигнала (а именно, по величине и спектру отраженной мощности) определяется вид и местоположение упомянутых неоднородностей.

Изобретение относится к контролю характеристик волоконно-оптического кабеля, используемого в системах связи, для измерения распределенной температуры и напряжения вдоль оптических волокон. Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является повышение точности и расширение функциональных возможностей путем использования рассеяния как Бриллюэновского, так и Рамановского. Оптическая мощность малокогерентного лазера, испускающего свет непрерывной волны с частотой накачки, поступает через управляемый оптический затвор на первый вход сумматора и на вход волоконно-оптического кольца, служащего для регенерации обратной волны Стокса за счет Бриллюэновского вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в элементе активной среды, частота смещения Стокса в которой равна частоте смещения Стокса в исследуемом волокне. Суммарная мощность импульсной волны накачки с оптической частоты w_н и непрерывной волны Стокса с оптической частотой w_н-Ω_co с выхода сумматора через проходное плечо измерительного направленного ответвителя поступает на вход исследуемого волокна. Результирующий эхо-сигнал от всех доменов (элементов) разрешения поступает через направленное плечо измерительного направленного ответвителя на вход фотоприемного устройства, в котором детектируется, усиливается и после преобразования поступает для анализа в процессорное устройство. В результате измерений определяется изменение затухания сигнала по длине тестируемого волокна, что происходит из-за наличия неоднородностей в структуре последнего, определяется вид и местоположение упомянутых неоднородностей. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения характеристик волокна оптического кабеля, содержащее малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки w, делитель мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, соединенного противоположным концом с оптическим отражателем, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, отличающееся тем, что выход малокогерентного лазера соединен с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с одним выводом элемента активной среды с эффектом вынужденного комбинационного рассеяния, частота смещения Стокса в которой равна частоте смещения Стокса в исследуемом волокне, второй вывод указанного элемента соединен с выводом основного канала второго направленного ответвителя, вывод проходного плеча которого подключен к первому входу делителя мощности, соединенного вторым выводом с первым входом оптического сумматора, а входом - через оптический усилитель с выводом ответвительного плеча первого направленного ответвителя, второй вход оптического сумматора соединен с выходом управляемого оптического затвора, вход которого соединен с выходом ответвительного плеча второго направленного ответвителя, выход оптического сумматора подключен к выводу проходного плеча измерительного ответвителя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве указанного элемента активной среды используется волокно - оптическая катушка. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве указанного элемента активной среды используются два дополнительных волокна оптического кабеля, спаянные на противоположном конце. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что в качестве оптического отражателя используется активный отражатель на основе третьего направленного ответвителя и второго оптического усилителя. 5. Устройство для измерения характеристик волокна оптического кабеля, содержащее малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки w_н, соединенный выходом со входом делителя мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, отличающееся тем, что первый вывод делителя мощности соединен со входом управляемого оптического затвора, выход которого подключен к выводу проходного плеча измерительного направленного ответвителя, противоположный конец исследуемого волокна соединен с первым выводом второго делителя мощности, соединенного вторым выводом с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с противоположным концом первого дополнительного волокна оптического кабеля, подключенного ближним концом к выводу основного канала второго направленного ответвителя мощности, вывод проходного плеча которого соединен со вторым выводом делителя мощности, а вывод ответвительного плеча - с ближним концом второго дополнительного волокна оптического кабеля, противоположный конец которого через оптический усилитель соединен со входом второго делителя мощности, а вывод ответвительного плеча первого направленного ответвителя соединен с поглотителем.