Способ определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01M11/02 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано прм оценке передаточных характеристик оптического волокна (ОВ), в частности для определения оеличины затухания как функции оптической длины волны, Известны средства (способы и устройства) определения характеристик ОВ, например Способ измерения профиля показателя преломления сердцевины волоконных ciaeTOаодов поавт.св. М- 1430837, кл.О 01 N21/41, согласно которому на испытуемое ОВ, помещенное в иммерсионную жидкость, направляют перпендикулярно его оси лазерный пучок и измеряют угол выхода пучка. Профиль показателя преломления ОВ находят путем расчета по нормированному распределению интенсивности принятого оптического сигнала. Известны также способы определения параметров спектра микроизгибов оптического волокна, которые в наибольшей степени определяют статистические характеристики профиля показателя преломления ОВ, затухание, дисперсионные и другие характеристики О В как оптической линии связи. в процессе изготовления ОВ и оптических кабелей возникают неустранимые технологические микроизгибные деформации, приводящие к изменению основных параметров канализации оптической энергии (затухания, дисперсии). Величина затухания на разных длинах волн, как: известно из теории, определяется коэффициентом межмодовой связи и функцией спектральной плотности микроизгибных деформаций, Микроизгибные потери могут суа1ественно превышать исходные потери в оптическом волокне и составлять величины до 20 дБ/км (Ватутин В.М., Вагин А.И. Волоконно-оптические системы в технике физического эксперимента. Приборы и техника эксперимента Ыг 1, 1989, с. 13), Отсюда возникает необходимость в измерении параметров функции спектральной плотности микроизгибных деформаций. Установлено (см., например, М. Artiglla, G. Сорра, Р, DIvita New analysis of microsending losses in single-mode fisres Electronic letters, 1986, vol. 22, p. 623-625), что спектр микpov1згибoв описывается выражениемФ(ш)А1о Р, где ( л:L - пространственная частота микроизгибов оси ОВ; L пространственный период микроизгибов; , Р параметр, определяющий форму спектрального распределения микроизгибов;А - нормирующий коэффициент, характеризующий величину микроизгибов. В широкополосных линиях связи при большой скорости передачи информации (больше 500 Мбит/с) как правило используют одномодовые ОВ, в которых в отличие от многомодовых ОВ отсутствует межмодовая дисперсия. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ определения параметров микроизгибов одномодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления 1. Способ заключается в том, что ОВ помещают в среду с регулируемым температурным режимом. Затем ОВ возбуждают оптическим излучением на длине Я i и на этой длине волны при различных значениях температуры измеряют коэффициент затухания у 1. Поскольку зависимость затухания сигнала в . ОВ от температуры нелинейна, то для установления зависимости у 1 от температуры требуются измерения затухания не менее, чем при трех значениях температуры. По измеренным при различных температурах Т значениям у 1 строят график температурной зависимости у1 (Т). Затем, используя аналитическое выражение связи микроизгибных потерь с температурой и параметрами спектра микроизгибов (в статье, описывающей способ-прототип, коэффициент затухания, характеризующий микроизгибные потери, обозначен 0(дВ/км), формула 1.26) для данного ОВ путем численного перебора значений параметров спектра подбирают такие их значения р и А, при которых рассчитанная зависимость потерь от температуры совпадаете измеренной. В расчетное выражение зависимости потерь от температуры (формула 1.26, см. описание прототипа) входит и значение радиуса Woi пятна направляемой моды в ближней зоне поля, которое для заданного ступенчатого профиля показателя преломления также рассчитывается. Недостатком способа-прототипа является большое время, требуемое для получения параметров спектра микроизгибов. Часто это неприемлимо, особенно тогда, когда необходимо с помощью параметров спектра определить затухание оптического кабеля в Ш лроком диапазоне частот или в

технологическом цикле производства оптического кабеля, когда требуется оперативное вмешательство в процесс производства по результатам измерения параметров спектра микроизгибов. Большое время определения параметров спектра микроизгибов определяется в основном необходимостью измерения коэффициента затухания сигнала при нескольких температурах из заданного диапазона температур.

Кроме того, способ-прототип имеет и невысокую точность получения параметров спектра микроизгибов. Поскольку получение параметра р, определяющего форму спектрального распределения микроизгибов, растянуто во времени из-за необходимости измерения затухания yi при нескольких температурах, изменение которых требует времени, то точность определения параметра р снижена не только в результате накопления погрешности из-за необходимости измерения различных значений затухания (при различных значениях температуры), но и из-за погрешности установки и измерения самой температуры, при которой производят измерение затухания оптического сигнала. Кроме того, при большом общем времени измерений может проявиться и временная нестабильность устройств измерительной установки (изменение коэффициента передачи приемо-передающего тракта), что также приводит к понижению точности измерения параметров спектра микроизгибов.

Другим недостатком способа-прототипа является неприменимость его к определению параметров спектра микроизгибов оптических кабелей линий связи, поскольку в условиях реальной трассы невозможно получить указанное изменение температуры на всей длине трассы.

Известны и устройства для определения характеристик оптического волокна, определяющих его свойства как оптической линии связи. Смотри, например, Устройство для измерения распределения показателя преломления по сечению сердечника двухслойного световода авт.св. № 1293583, кл. G 01 N21/41 или Устройство для определения потерь в волоконном световоде авт. св. N° 1448323, кл. G 02 В 6/00; патентСША Ns 4187026, кл. G 01 J 3/28, в котором также описано устройство для определения потерь в волоконном световоде.

Но ближе всех по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является устройство для определения параметров спектра микроизгибов

2.

Устройство содержит источник излучения, работающий на длине волны излучения Я 1 исследуемое ОВ, камеру внешних воздействий, в частности, для изменения температурного режима работы ОВ и приемник оптического излучения для измерения выходной оптической мощности на выходе исследуемого ОВ при различных температурах ОБ,

Данное устройство по существу пригодно для определения параметров спектра микроизгибов ОВ по описанному выше способу-прототипу.

Определение параметров спектра микроизгибов ОВ с помощью данного устройства занимает много времени, т.к. требует измерения оптической мощности на выходе ОВ при значительном количестве точек из диапазона температур, в котором исследуются свойства ОВ.

Кроме того, использование данного устройства для определения параметров спектра микроизгибов одномодового ОВ ограничено лишь ступенчатым профилем показателя преломления, для которого получено аналитическое выражение для радиуса пятна направляемой моды в ближней зоне поля, необходимое для определения параметров р и А спектра микроизгибов.

Цель изобретения состоит в сокращении времени получения параметров спектра микроизгибов.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна, который описывается законом

.А(2)-2Р

0(L)

где L - пространственный период микроизгибов, включающем возбуждение ОВ оптическим излучением на длине волны Л 1 измерение на этой длине волны коэффициента затухания у i оптического излучения, определение на этой длине волны радиуса Woi пятна поля моды в ближней зона поля и расчет параметров спектра с использованием полученных значений yi и Woi, дополнительно до или после измерений на длине волны Я i возбуждают ОВ оптическим излучением на длине волны Аа измеряют коэффициент затухания У2 на длине волны Я2.дияметр Woi пятна поля моды в ближней зоне определяют путем измерений, диаметр Wo2 поля моды в ближней зоне на длине волны /2 также

определяют путем измерений, а параметры р и А спектра рассчитывают по формулам 1пП J otn k2Wo2 n fг -.;., - У 2k 1 Woi р . ki Woi k2Wo2 А 2 К 1.2 Kkl.2Woi.2f (kl,2W2oi,2fT (3)

27Г

k2

- волновые числа.

17

индекс 1 в уравнении для А относится к Я индекс 2 - к Я2

Поставленная цель достигается также тем, что в устройство для определения параметров спектра микроизгибов, содержащее источник оптического излучения с рабочей длиной волны Я 1 исследуемое одномодовое ОВ и измеритель выходной оптической мощности, дополнительно введены источник оптического излучения с рабочей волны Я 2 оптический объединитель, первый и второй оптические делители мощности с одинаковыми козффициентами деления, измеритель входной оптической мощности, измеритель радиуса пятна поля моды в ближней зоне, делитель напряжений и индикатор затухания, причем входы оптического объединителя оптически связаны с источниками оптического излучения, а выход оптического объединителя соединен с входом первого делителя оптической мощности, один из выходов которого подключен к входу ОВ, а другой к входу измерителя входной оптической мощности, выход ОВ подключен к входу второго делителя оптической мощности, выходы которого подключены соответственно к измерителю выходной оптической мощности и измерителю радиуса пятна поля моды в ближней зоне, а выходы измерителей входной и выходной оптической мощности подключены к соответствующим входам делителя напряжений, выход которого подключен к индикатору затухания.

Предложенный способ основан на соотношениях для параметров р и А спектра, которые авторы заявки получили в результате анализа 2.

В 2 показано, что величина затухания, вызванная микроизгибными деформациями, может быть представлена в виде (формула (10) в 2Б

Wo - радиус пятна основной моды в поперечном сечении ОВ для оптической длины волны Я j

Ф(й)) - функция спектральной плотности микроизгибов в ОВ.

Используя спектр микроизгибов в форме (1)

-2р

Ф(«)Аш

можно записать

у 0,5 ( Р.

(5)

Рассматривая (5) для двух длин волн ( AI и 2 ), можно получить систему из двух уравнений

у 1 0,5 А ( Р(6)

у 2 ,5 А (k2W2o2)f(7)

решая которую относительно А и р, прихоим к системе уравнений (2) и (3).

Получение значений радиуса Woi поля моды в ближней зоне не расчетным путем, а путем измерений, а также получение путем

измерений значений Wo2 существенно расширяют область применения предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом, который ограничен применимостью к одномодовым ОВ лишь со

ступенчатым профилем показателя преломений, поскольку для ступенчатого профиля получено относительно простое выражение для Wo.

В случае же других видов профиля показателя пр1еломления- процедуры численного определения Wo сложны и требуют значительного времени, даже на больших ЭВМ.

Козффициент затухания у 2 на длине волны Л 2 может быть определен как до,

так и после измерений на длине волны Д 1 важно только, чтобы измерения на обеих длинах волн оптического излучения проводились раздельно. X 0,5 k 2 W о Ф ( где k - волновое число () в оболочке ОВ для длины оптической волны А источника излучения; nd - показатель преломления о оболочВ качестве источников излучения целесообразнее всего использовать лазеры, т.е. источники излучения с узким спектром излучения, а равенство коэффициентов деления оптических делителей должно сохраняться при переходе с А i на А2.

Измеритель радиуса пятна пoлJ в ближней зоне необходим в устройстве, т.к. информация о размерах пятна направляемой моды поля на выходном торце 08 является обязательной для реализации способа (уравнения (2) и (3)).

Наличие в устройстве делителя напряжений, на входы которого подаются напряжения, соответственно пропорциональные входной и выходной оптической мощности, существенно сокращает время и повышает точность определения коэффициентов затухания yi и у2 и в конечном итоге параметров спектра микроизгибов.

Сравнение отличительных признаков заявляемых технических решений с тождественными признаками известных технических решений показало, что предлагаемые решения соответствуют критерию Существенные отличия, т.к. не было выявлено у известных решений признаков или сочетания признаков, тождественных отличительным признакам заявляемых объектов, сообщающих объектам (способу и устройству) такие же свойства.

На чертеже представлена структурная схема устройства для определения параметров спектра микроизгибов.

Устройство содержит два лазера 1 и 2, работающих соответственно на длинах волн оптического излучения Ai и Аа Лазеры подключены к входам оптичеЪкого объединителя 3 и могут поочередно включаться. Выход оптического объединителя 3 подключен к входу первого делителя 4 оптической мощности, один из выходов которого соединен с входом оптического волокна (ОБ) 5, а другой выход подключен к входу измерителя 6 входной оптической мощности. Выход ОВ 5 соединен с входом второго делителя 7 оптической мощности, выходы которого подключены соответственно к измерителю 8 выходной оптической мощности и к измерителю 9 интенсивности излучения в ближней зоне. Выходы измерителей 6 и 8 подключены к входам делителя 10 напряжений, выход которого подключен к индикатору 11, с которого снимается информация о коэффициентах затухания yi и у2 сигнала в ОВ 5.

В качестве лазерных источников 1 и 2 излучения могут быть использованы полупроводниковые инжекционные лазеры или

твердотельные лазеры, например, на аоюмоитриевом гранате, легированном активными ионами неодима. Эти лазеры обеспечивают работу в одномодовом режиме.

Перспективными для реализации предлагаемого устройства могут явиться разрабатываемые новые когерентные параметрические источники излучения на

0 основе новых кристаллических органических материалов, обладающих нелинейными свойствами и имеющих прозрачность в диапазоне длин волн 0,5-2 мкм. Характеристики этих материалов можно тонко подстраивать в требуемом диапазоне длин волн. С использованием такого материала уже создан когерентный параметрический источник излучения с перестройкой в диапазоне длин волн от 0,75 до 1,6 мкм (Электро0 ника, № 10, 1986, с. 16-17 ЗВ.

Использование таких лазеров в заявляемом устройстве целесообразно, поскольку с их помощью можно обеспечить выбор частот для наилучшего согласования оптического тракта.

Оптический объединитель 3 - известное устройство, как и делители 4 и 7 оптической мощности, построенные, например, на основе одномодового направленного ответви0 теля с регулируемым коэффициентом связи (cM.ljc. 18-19). Благодаря указанной регулировке коэффициента связи можно обеспечить максимальную идентичность ответвления оптического излучения к изме5 рителям б и 8 оптической мощности.

В качестве измерителей входной 6 и выходной 8 оптической мощности могут быть использованы известные полупроводниковые фотоприемники, преобразующие оптическую мощность в пропорциональное ей напряжение. Известно, что промышленностью освоены различные фотоприемники и схемы их включения в электрический тракт в широком спектральном диапазоне (см. 1.

5 с. 27-29).

Делитель 10 напряжений может быть выполнен на основе аналоговых интегральных схем (Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.;

0 Радио и Связь, 1985, с. 108-115). напряжение с делителя подается на индикатор 11 (например, стрелочный, отградуированный в единицах затухания).

В качестве измерителя 9 радиуса пятна

5 поля моды в ближней зоне используется без каких-либо изменений регистрирующее устройство измерителя интенсивности излучения в ближней зоне (ГОСТ 26814-86. Кабели оптические. Методы измерения параметров, с. 29, черт. 14 5), представляющее собой сопряженный с выходом ОВ телевизионный микроскоп с монитором (на чертеже внутренняя структура измерителя 9 не раскрыта. Она полностью соответствует блоку 6 в 5). Распределение интенсивности поля по торцу ОВ наблюдается на экране видеомонитора этого регистрирующего устройства и радиус пятна поля моды может быть измерен непосредственно на экране, т.к. масштаб изображения, определенный с помощью тестообъекта, известен.

Предлагаемый способ определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна осуществляют с помощью заявляемого устройства следующим образом.

Включают лазер 1, работающий на длине волны AI. Оптический сигнал через оптически и объединитель 3 поступает на вход первого делителя 4 оптической мощности и в нем разветвляется в соответствии с заданным коэффициентом деления. Основная часть мощности проходит в ОВ 5, а другая ее часть поступает на измеритель 6 входной оптической мощности. В этом измерителе оптическая мощность преобразуется в пропорциональное ей напряжение. Оптическая мощность на выходе ОВ также разветвляется с помощью делителя 7 с таким же коэффициентом деления, как и у делителя А. Часть мощности поступает на вход измерителя 9 радиуса пятна поля моды в ближней зоне, а другая часть поступает на вход измерителя выходной оптической мощности, где преобразуется в пропорциональное ей напряжение.

Сигналы с выходов измерителей 6 и 8 оптической мощности поступают на делитель 10 напряжений, с которого снимается сигнал у 1 у пропорциональный отнощению оптической мощности на входе ОВ к оптической мощности на его выходе, который поступает на индикатор 11.

На экране монитора измерителя 9 измеряют радиус Woi пятна моды на выходном торце ОВ для длины волны Ai.

Затем лазер 1 выключают и включают лазер 2, работающий на длине волны А а .

Аналогично получают значения у 2 и Wo2 на длине волны Я2.

Измеренные значения yi yajWoi и Wo2 используют далее для расчета параметров р и А спектра микроизгибов по формулам (2) и (3).

Технический эффект от предлагаемых средств (способа и устройства) состоит в существенном сокращении времени получения параметров спектра микроизгибов.

В результате оказывается возможным оперативно получить информацию о затухании сигнала в оптическом кабеле в широком диапазоне длин волн. Суть технического эффекта в том, что вместо прямых измерений затухания на каждой частоте из полосы рабочих частот оптического кабеля, что занимало бы много времени и приводило бы в силу этого еще и к снижению точности, измерения затухания проводят лишь на двух частотах, что в совокупности с измерениями на этих частотах размеров пятна направляемой моды в ближнем поле оказывается достаточным для определения параметров р и

5 А спектра микроизгибов, а значение этих параметров спектра позволяет простым расчетом быстро определить затухание у на любой частоте (формула (5)).

Определение параметров р и А спектра

0 микроизгибов по способу-прототипу (методом изменения температуры оптического кабеля) требует слишком много времени, а точность его невысока.

В определенной степени точность предлагаемого способа, реализуемого с помощью предлагаемого устройства, повышена за счет исключения влияния колебаний мощности источника оптического излучения, т.е. при изменениях мощности

0 источника она в одинаковое число раз изменяется как на входе, так и на выходе О В, а измерения мощности на входе и выходе О В производятся одновременно.

Оперативное определение затухания

5 сигнала в оптическом кабеле в широком спектре частот не единственное практическое приложение параметров спектра микроизгибов. Оперативное определение параметров спектра р и А микроизгибов

0 важно в процессе эксплуатации оптического кабеля, чтобы контролировать его передаточные характеристики, как уже существующей линии связи. Кроме этого, возможно важен даже текущий контроль за

5 параметрами спектра микроизгибов в технологическом производстве оптического кабеля, когда возможно вмешательство в технологический режим его изготовления. Само описание спектра микроизгибов в

0 форме (1) предполагает различную степень связи параметров спектра микроизгибоо с параметрами технологического цикла изготовления оптического кабеля, особенно такого технологического цикла, в котором

5 образование микроизгибов является функцией большого числа технологических параметров. Например, технологический цикл скрутки оптических волокон предполагает выбор режима частоты вращения крутильного фонаря, выбор направления вращения, раздельную регулировку натяжения волокон для каждой катушки с волокном, изменение угла скрутки, шага и т.д. Каждый из этих технологических параметров в разной степени влияет на изменение параметров р и А спектра микроизгибов и при установлении этой связи целенаправленное изменение технологических параметров при контроле параметров спектра р и А может быть использовано для корректировки передаточных характеристик оптического кабеля в процессе изготовления. Формула изобретения 1. Способ определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна, включающий возбуждение оптического волокна излучением, измерение коэффициента затухания оптического волокна, определение радиуса пятна поля моды в ближней зоно на выходе оптического волокна и определение параметров р и А спектра. описываемого законом ( L ) А ( 2 л: L ) Р, где L-пространственный период мйкроизгибов, по коэффициенту затухания и радиусу пятна поля моды в ближней зоне на выходе оптического волокна, отличающийся тем, что, с целью сокращения времени определения параметров спектра, оптическое волокно последовательно возбуждают излучением двух длин волн Ai и Я2, измеряют коэффициенты затухания оптического волокна У1И у 2 и радиусы пятна поля моды в ближней зоне Woi и Wo2 на этих длинах волн соответственно, а параметры р и А спектра определяют по формуле I- XI J 01- W02 П f;Г 21П ;ГТ7 ... У 2kiWoi k 1 W 01 k2Wo2 А 2 у 1.2 {ki,2VVoi,2f (ki.2W2oi.2f . 2л: Т2 2. Устройство для определения параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна, содержащее источник оптического излучения с рабочей длиной волны Я 1 и измеритель выходной оптической мощности, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени определения параметров спектра, в него дополнительно введены источник оптического излучения с рабочей длиной волны Я2. оптический объединитель, первый и второй делители оптической мощности с одинаковыми коэффициентами деления мощности, измеритель входной оптической мощности, измеритель радиуса пятна поля моды в ближней зоне, делитель напряжений и индикатор, причем входы оптического объединителя оптически связаны с источниками, оптического излучения, а выход оптического объединителя соединен с входом первого делителя оптической мощности, один выход которого подключен к входному торцу исследуемого оптического волокна, а второй выход подключен к входу измерителя входной мощности, вход второго делителя оптической мощности соединен с выходным торцом исследуемого волокна, первый и второй выходы второго делителя оптической мощности подключены соответственно к входу измерителя выходной мощности и .к измерителю радиуса пятна поля моды 8 ближней зоне, а выходы измерителей входной и выходной оптической мощности подключены к соответствующим входам делителя напряжений, выход которого подключен к индикатору.

Использование: волоконно-оптические линии связи. Сущность изобретения: с помощью лазеров 1 и 2 возбуждают поочередно оптическое волокно 5 на двух различных длинах волн AI и А2. с помощью измерителей 6 и 8 измеряют мощность оптического излучения соответственно на входе и выходе оптического волокна 5. Напряжения, пропорциональные этим мощностям, подают на входы делителя 10, на выходе которого получают сигнал, пропорциональный затуханию yi и у2 оптического сигнала в оптическом волокне на каждой из двух используемых длин волн. Для каждой из длин волн с помощью измерителя 9 измеряют радиусы Woi и Wo2 пятна поля моды на выходе оптического волокна. На основе измеренных значений у i , у2. Woi и Wo2 рассчитывают параметры р и А спектра микроиэгибов. 2 н.з.п.ф-лы, I ил.слсLLJги=^VI со о о ^ ел