ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР Российский патент 2013 года по МПК H04B10/00 G01M11/02 

Настоящее изобретение относиться к области электрорадиотехники, а именно к технике подводно-кабельной связи, и может быть использована в подводно-кабельных волоконно-оптических системах связи ВМФ.

Увеличение скорости передачи в оптическом канале до уровня 10 Гбит/с и выше приводит к тому, что одним из основных факторов, ограничивающих работоспособность волоконно-оптических линий передачи (ВОЛП), становиться поляризационная модовая дисперсия (ПМД). Актуальной задачей при этом является локализация проблемных сегментов ВОЛП с повышенным уровнем ПМД с целью последующей модернизации линейно-кабельных сооружений. Для решения подобных задач предлагается использовать поляризационный оптический рефлектометр. Отличительной особенностью этого прибора является измерение линейной вариации длительности зондирующих импульсов.

В настоящее время поляризационная модовая дисперсия оптических волокон (ОВ) является одним из основных факторов, ограничивающих протяженность регенерационных участков ВОЛП и скорость передачи информации в оптическом кабеле. Для оценки максимальной протяженности регенерационного участка L, ограниченного ПМД, может быть использована формула

$$L=\frac{{10}^4}{{\left(B\cdot D_{PMD}\right)}^2}$$

где В - скорость передачи в оптическом канале, Гбит/с;

P_PMD - коэффициент ПМД, $$пс/\sqrt{км}$$ .

С учетом того, что на регенерационных участках действующих ВОЛП могут существовать ОВ с повышенным уровнем ПМД, то протяженность регенерационного участка может быть ограничена даже при скорости передачи 10 Гбит/с.

Величина ПМД на ВОЛП носит случайный характер и зависит не только от качества производства ОВ и ОК, но и от условий прокладки, внешних температурных воздействий в процессе эксплуатации. Исследования на ВОЛП, введенных в эксплуатацию, показали, что основной вклад в результирующее значение ПМД линии передачи, как правило, вносят отдельные участки с повышенным уровнем ПМД, на которых ОК подвергается либо внешним воздействиям, либо из-за включенных модулей компенсации дисперсии и т.п. Отсюда следует актуальность задачи локализации участков ВОЛП, характеризующихся повышенными значениями ПМД ОВ.

Существует ряд способов, методов и устройств измерения ПМД: метод анализа собственных значений матрицы Джонса; метод сферы Пуанкаре; метод фиксированного анализатора (метод сканирования длин волн); интерферометрический способ. Известные устройства представляют собой оптический рефлектометр состоящий из генератора импульсов, оптического поляризатора и блока анализа, при этом рефлектометр подключен к оптическому волокну через поляризатор.

1. Galtarossa A., Menyuk С.R. Polarization Mode Dispersion // Springer Science. - 2005. - 296 p.

2. Rojers A. Polarization in optifl fibers // Artech House. - 2008. - 273 p.

К основным недостаткам перечисленных методов и устройств следует отнести: необходимость размещения источника излучения и анализатора ПМД на двух сторонах тестируемой линии; возможность измерения только суммарного значения ПМД на линии; кроме того, применяемое для этого оборудование не только достаточно дорогое но и, как правило, не всегда удобно для работы в корабельных и полевых условиях.

Целью изобретения является нахождения распределения поляризационной модовой дисперсии вдоль волоконно-оптической линий передачи и локализация проблемных участков.

Поставленная цель достигается тем, что в оптический рефлектометр, состоящий из генератора импульсов, оптического поляризатора и блока анализа, при этом рефлектометр подключен к оптическому волокну через поляризатор, дополнительно введены: лазерный диод, оптический циркулятор и фотоприемное устройство, а генератор импульсов последовательно соединен с оптическим циркулятором оптическим поляризатором, фотоприемным устройством и блоком анализа, причем оптический циркулятор соединен с волоконно-оптическим кабелем, а реализация рефлектометра основывается на определении изменения состояния поляризации оптического излучения по результатам изменений длины биений и длины корреляции оптического волокна.

На Фиг. приведена структурная схема оптического рефлектометра. Она состоит из:

1 - генератора импульсов;

2 - лазерного диода;

3 - оптического циркулятора;

4 - оптического поляризатора;

5 - фотоприемного устройства;

6 - блока анализа;

7 - волоконно-оптического кабеля.

Генератор импульсов 1 формирует последовательность прямоугольных импульсов со средней длительностью 10 или 20 мкс, при этом интервал изменения длительности составляет 100 и 200 нс с шагом 10 и 20 нс, соответственно. Для снижения степени деполяризации излучения при распространении в качестве источника излучения был выбран узкополосный лазерный диод 2 со следующими характеристиками: длина волны - 1550 нм; ширина спектра (по уровню - 20 дБ) - <0,2 нм.

Разделение прямого и обратно-рассеянного потоков осуществляется оптическим циркулятором 3. На входе фотоприемного устройства 5 установлен оптический поляризатор 4 с коэффициентом подавления - 40 дБ. В блоке анализа 6 происходит обработка полученного сигнала в соответствии с разработанным алгоритмом.

В основе алгоритма лежат следующие положения:

- в фиксированных точках x_i рефлектограммы по шкале длительности импульса определяются период и длина биений;

- в области точек x_i определяется среднее значение длины биений по шкале расстояний;

- полученные оценки длины биений (L_в) и среднего значения L сопоставляются для каждой точки x_i, и далее оценивается погрешность измерений.

В результате определяется расстояние L_в по длине ОВ, позволяющее локализовать участки с пониженным значением L_в и, следовательно, с вероятностью повышенного уровня ПМД.

Реализация оптического рефлектометра основывается на определении изменения состояния поляризации оптического излучения по результатам изменений длины биений и длины корреляции ОВ.

Длина биений La обусловливает протяженность ОВ, на которой сдвиг фазы поляризационных компонент составляет 2π, т.е.

$$L_{в}=\frac{2\pi }{\Delta \beta }=\frac{\lambda }{\Delta n}\delta$$ ,

где Δβ - двулучепреломление; Δn - разность показателей преломления.

Длина корреляции L_c описывает случайную связь между двумя поляризационными модами и определяется как расстояние, на котором пространственная корреляция двулучепреломления уменьшается в 1/е² раз.

Значение ПМД ОВ можно выразить через L_в и L_c в виде

$$PM{D}^2=2{\left(\frac{\lambda L_c}{c{L}_{в}}\right)}^2\left(\frac{L}{L_c}+\exp \right)\left(-\frac{L}{L_c}\right)-1)$$ .

где L - протяженность измеряемого участка; λ - длина волны излучения; с - скорость света в вакууме.

Для определения L_c обычно применяют соотношение

$$r_R\left(z\right)=\frac{16{\pi }^2}{3L_{в}^2}\exp \left(-\frac{\left|z\right|}{L_c}\right)$$ .

где r_R(z) - автокорреляционная функция двулучепреломления, рассчитанная по распределению L_в вдоль ОВ.

В оптическом рефлектометре сигнал обратного рассеяния, проходя через поляризатор, испытывает периодические колебания с частотой, кратной L_в.

Мощность потока обратного рассеяния, прошедшая через поляризатор, на ближнем конце при зондировании прямоугольными импульсами можно записать в виде

$$P_p\left(z\right)=P_{zo}\exp \left(-2\alpha z\right)\left[1+\frac{\sin \left(Q\right)}{Q}\cos \left(4\pi z/L_{в}\right)\right]$$ ,

$$Q=\frac{\pi {\upsilon }_s{T}_o}{L_{в}}$$ ,

где P_zo - суммарная мощность потока, рассеянного на ближнем конце и распространяющегося в обратном направлении; υ_g - групповая скорость; Т_о - длительность зондирующего импульса.

Из формулы следует, что: сигнал изменяется вдоль ОВ с периодом, прямо-пропорциональным L_в; относительный размах колебаний прямо пропорционален L_в и обратно пропорционален Т_о.

Таким образом, задачу можно свести к нахождению распределения L_в вдоль ОВ.

Предварительные испытания опытного образца оптического рефлектометра с линейной вариацией длительности импульсов продемонстрировали потенциальные возможности устройства, достоинством которого является оценивание погрешности измерения L_в по различным критериям.

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а именно к технике подводно-кабельной связи, и может быть использовано в подводно-кабельных волоконно-оптических системах связи. За счет определения изменения состояния поляризации оптического излучения по результатам изменений длины биений и длины корреляции оптического волокна обеспечивается нахождение распределения поляризационной модовой дисперсии вдоль волоконно-оптической линий передачи и локализация проблемных участков. 1 ил.

Оптический рефлектометр, содержащий генератор импульсов, источник лазерного излучения, оптический разветвитель (циркулятор), оптический поляризатор, фотоприемное устройство и блок анализа, отличающийся тем, что генератор импульсов последовательно соединен с оптическим циркулятором оптическим поляризатором, фотоприемным устройством и блоком анализа, а оптический циркулятор соединен с волоконно-оптическим кабелем, причем генератор импульсов формирует последовательность прямоугольных импульсов со средней длительностью 10 или 20 мкс, а интервал измерения длительности составляет 100 и 200 нс с шагом 10 и 20 нс соответственно, при этом мощность потока обратного рассеяния, прошедшая через поляризатор, на ближнем конце при зондировании прямоугольными импульсами определяется выражением:
$$P_p\left(z\right)=P_{zo}\exp \left(-2\alpha z\right)\left[1+\frac{\sin \left(Q\right)}{Q}\cos \left(4\pi z/L_{в}\right)\right],$$
$$Q=\frac{\pi {\upsilon }_s{T}_o}{L_{в}},$$
где P_zo - суммарная мощность потока, рассеянного на ближнем конце и распространяющегося в обратном направлении; υ_s - групповая скорость; Т_о - длительность зондирующего импульса; L_в - длина биений.