Устройство для измерения хроматической дисперсии одномодовых волоконных световодов Советский патент 1992 года по МПК G01N21/41 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля характеристик оптических кабелей.

Известны устройства для измерения хроматической дисперсии одномо овых волоконных световодов (ОВС), в основе которых лежит сравнение фазы синусоидального сигнала, прошедшего через исследуемый ОВС, с фазой опорного сигнала.

Одно из устройств для измерения хроматической дисперсии ОВС содержит опорный генератор синусоидального сигнала, генератор частот, вырабатывающий сигналы с двумя различными модулирующими частотами (fi.fa) и их разностью, светодиод, акустооптический модулятор, монохрома- тор, фотодзтектор и фазометр. Сигналом частоты fi, вырабатываемым генератором частот, модулируется оптическое излучение светодиода. После прохождения по ОВС

со

4 00 4 О

лучение вторично модулируется в акусто-оп- тическом модуляторе, куда от генератора частот подается сигнал с частотой h. Оптический сигнал на выходе акусто-оптическо- го модулятора имеет составляющую с разностной частотой. Сигнал разностной частоты (f i - f2) детектируется фотодиодом и поступает на вход фазометра, где он сравнивается по фазе с сигналом частоты (fi - f2), вырабатываемым генератором частот.

Недостатком этого устройства является низкая точность измерения, т,к. в качестве источника излучения используется светоди- од, а в модуляторе теряется значительная часть энергии сигнала, что приводит к уменьшению отношения сигнал/шум на выходе фотодиода и снижению точности измерения разности фаз. Кроме того, в этом устройстве используется внешний модулятор, что значительно усложняет его конструкцию.

. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для измерения хроматической дисперсии одномодовых волоконных световодов, содержащее опорный генератор синусоидального сигнала, N полупроводниковых лазеров с различными длинами волн, которые оптически связаны с оптическим переключателем, через который сигналы от различных лазеров поступают в исследуемый световод. С выхода исследуемого ОВС сигналы поступают в измерительный лавинный фотодиод и затем усиливаются. В устройстве создан также опорный канал, состоящий из опорного полупроводникового лазера, соединенного с опорным лавинным фотодиодом отрезком опорного волоконного световода, и усилителя. Дисперсия определяется по измерению разности фаз электрических сигналов с выхода измерительного фотодиода и опорного сигнала, с выхода опорного фотодиода.

Недостатком это го устройства является то, что задержка сигнала определяется по измерению фазы высокочастотного сигнала, что приводит к необходимости использования широкополосного приемника, уменьшает отношение сигнал/шум на входе фазометра и существенно снижает точность измерений. Кроме того, создание опорного канала значительно усложняет конструкцию устройства.

Целью изобретения является повышение точности измерения.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения хроматической дисперсии ОВС, содержащее N полупроводниковых лазеров с различными дли.13ми волн, один из которых является опорным, а

остальные оптически связаны с оптическим переключателем, опорный генератор синусоидального сигнала, лавинный фотодиод с усилителем, соединенный с первым входом

фазометра, дополнительно снабжено генератором частот и оптическим соединителем, при этом выход опорного генератора синусоидального сигнала соединен с входом генератора частот, первый выход которого

0 соединен с вторым входом фазометра, второй выход - с опорным полупроводниковым лазером, а третий выход - с остальными N-1 полупроводниковыми лазерами, выход опорного лазера оптически связан с первым

5 входом оптического соединителя, второй вход которого оптически связан с выходом оптического переключателя.

На чертеже изображена структурная схема устройства для измерения хроматиче0 ской дисперсии одномодовых волоконных световодов.

Устройство для измерения хроматической дисперсии ОВС (фиг.1) содержит опорный генератор синусоидального сигнала 1,

5 генератор частот 2,опорный полупроводниковый лазер 3, (N-1) полупроводниковых лазеров 4-6, оптический переключатель 7, оптический соединитель 8, лавинный фотодиод с усилителем 10 и фазометр 11.

0Выход опорного генератора синусоидального сигнала 1 соединен со входом генератора частот 2, первый выход которого соединен с вторым входом фазометра 11, второй выход - с опорным полупроводнико5 вым лазером 3, а третий выход - с остальными N-1 полупроводниковыми лазерами 4-6. Излучение ППЛ 4-6 подается на входы оптического переключателя 7, объединяется вместе с излучением ППЛ 3 в оптическом

0 соединителе 8 и поступает на вход исследуемого световода 9. Выход исследуемого световода 9 соединен со входом лавинного фотодиода с усилителем 10, сигнал с выхода которого подается на первый вход фазомет5 ра 11.

Устройство работает следующим образом. Опорный генератор синусоидального сигнала 1 вырабатывает сигнал, который служит опорным для генератора частот, ко0 торый, в свою очередь, вырабатывает сигналы с частотами fi (второй выход), f2 (третий выход), fi-f2 (первый выход). Сигнал частоты fi модулирует излучение ППЛ 3, а сигнал частоты fa - излучение ППЛ 4-6.

5 Опорный оптический сигнал с выхода ППЛ 3 и измерительный сигнал одного из ППЛ 4-6 с помощью оптического переключателя 7 и оптического соединителя 8 вводятся в исследуемый ОВС 9. Вследствие воздействия хроматической дисперсии каждый сигнал в ОВС 9 испытывает задержку, зависящую от длины волны соответствующего ППЛ.

С выхода исследуемого ОВС 9 измерительный и опорный сигналы поступают на лавинный фотодиод с усилителем 10. Поскольку лавинный фотодиод имеет нелиней- ную зависимость тока от падающей мощности, на нагрузке лавинного фотодиода образуется сигнал разностной частоты f . Этот сигнал усиливается и подается на первый вход фазометра, на второй вход которого подается сигнал с первого выхода генератора частот 2. Фазометр 11 измеряет разность фаз этих низкочастотных сигналов,

С помощью оптического переключателя 7 к исследуемому ОВС 9 через оптический соединитель 8 последовательно подключаются различные ППЛ 4-6, что обеспечивает измерение задержек на различных длинах волн, из которых определяется хроматическая дисперсия.

В реальном устройстве могут быть использованы генератор частот, вырабатывающий сигналы с частотой fi 50,01 МГц, fa 50 МГц и их разность (fi - f2) 10 кГц, ППЛ с длинами волн 1230, 1280, 1310, 1360, 1500 и 1550 нм.

В качестве опорного может быть выбран ППЛ с длиной волны 1310 нм. Для измерения разности фаз может использоваться промышленный прибор Ф1-34.

Покажем, что разность фаз, измеренных фазометром, прямо пропорциональна разности задержек сигналов, распространяющихся по ОВС.

Легко показать, что фаза сигнала низкой частоты пришедшего на второй вход фазометра, равна

Фс - (Wi - Wa)t - Wi n + Wa T2 + (Ф1 - Фг)

Фаза сигнала, пришедшего на первый вход фазометра от генератора частот

Фг (Wi - W2)t + Фго,

где Фго - начальная фаза сигнала генератора частот.

При поочередном подключении измерительных ППЛ, фазометр измеряет разность фаз (Фс - Фг ). Например, для двух разных ППЛ измеренные разности фаз равны

Ф| Л/1П ,;

Ф) Л/1П - Л/2Г,.

Разность измеренных значений прямо пропорциональна разности задержек на длинах волн этих ППЛ.

Ф, - Ф; W2(r, - т}).

f

Таким образом, видно, что при передаче сигнала по ОВС на высокой частоте, измерение разности фаз осуществляется на низ- кой частоте, и при этом разность задержек двух измерительных сигналов с различными длинами волн пропорциональна разности измеренных фаз.

В предложенном устройстве точность измерения хроматической дисперсии ОВС выше, чем в прототипе.

В предложенном устройстве по исследуемому ОВС одновременно распространяются два сигнала вида

Pi(t) Poi{1 + yicos Wi(t - n) + (1)

P2(t) Po2{1 + y2Cos W2(t - r2) + (2)

где Рот и Ро2 - средние мощности сигналов с частотой модуляции fi и f2, соответственно;

Ti - задержка опорного сигнала с частотой модуляции fi (с длиной волны ППЛ 3);

Г2 - задержка измерительного сигнала

с частотой модуляции h (с длиной волны одного из ППЛ 4-6);

Ф1 и Фа - начальные фазы опорного и измерительного сигнала,соответственно;

у и YZ - глубина модуляции опорного и

измерительного сигнала, соответственно;

Wi «2 2;7rf2.

На лавинный фотодиод (ЛФД) приходит

сигнал, который вызывает в цепи нагрузки

ЛФД напряжение

45

U iR /PMR

(3)

где l-ток ЛФД при коэффициенте усиления М;

/- чувствительность ЛФД;

Р - мощность излучения, падающего на ЛФД(Р Р1(1) + Р2М).

Коэффициент усиления ЛФД зависит от напряжения смешения и его можно определить по формуле

1/М 1 - (UCM - U)/Unp)v, (4) где UCM - напряжение смещения ЛФД;

Unp - напряжение пробоя ЛФД;

v - постоянная, зависящая от материаа, ti3 которого изготовлен фотодиод.

ПодсУавив выражение (4) в (3), получим

U{1-(UcM-U) 7/PR (5)

Из формулы (5) видно, что напряжение U нелинейно зависит от падающей мощности Р. Поэтому, если оптический сигнал представляет собой сумму двух синусоидальных сигналов, то в спектре электрического сигнала U на нагрузке R будет присутствовать сигнал с разностной частотой.

Анализ уравнения (5) проводился при условии U « UCM, которое на практике обычно выполняется.

После решения уравнения (5) получим зависимость U от Р

U +

/

+ II +4vM(M-1)/Rp/UCM /2v(M -1)(6)

Для определения амплитуды сигнала с разностной частотой необходимо подставить сумму выражений для мощности (1) и (2) в уравнение (6), выделить под знаком корня переменную составляющую сигнала, провести разложение в ряд по формуле

/1 +х 1 + х/2 - х2/8

и выделить из полученного выражения члены, содержащие сигнал с разностной частотой. В результате несложных преобразований была получена формула для амплитуды сигнала с разностной частотой

Ai 2 V(M - 1)R PoiPo2/UCM Амплитуда сигнала в прототипе равна A2 yMj}RPo

Если UCM 30 В, Ро 0,1 мкВт, М 10, R 10 кОм, rj 0,5 А/Вт, Р 0,1 мкВт, v 2, у 0,5, то отношение амплитуд в предложенном устройстве и в прототипе, равно

А1/А2- 0,003

Видно, что по сравнению с прототипом, в предложенном устройстве имеется проигрыш по амплитуде применяемого сигнала. Однако поскольку точность измерения хроматической дисперсии определяется точностью измерения разности фаз, которая, в

свою очередь, зависит от отношения сигнал/шум на входе фазометра, рассмотрим отношение сигнал/шум в прототипе и в предложенном устройстве.

Известно, что отношение сигнал/шум

на выходе приемника обратно пропорционально полосе пропускания приемника. По- скольку оптический приемник в предложенном устройстве должен быть настроен на низкую частоту fi-f2, а в прототипе - на высокую частоту f2 и если считать, что добротность этих приемников одинакова, то отношение мощностей шумов этих приемников

Si/S2 f2(fi-f2)

Видно, что мощность шума в приемнике предложенного устройства будет в f2/fi-f2 раз меньше мощности шума в приемнике прототипа.

Если, например, h - 50 МГц, fi-f2 10 кГц, то отношение сигнал/шум в предложенном устройстве будет больше отноше- ния сигнал/шум в прототипе в 15 раз

(Ai/Si)/(A2/S2)15

Поэтому в предложенном устройстве по

сравнению с прототипом точность измерения хроматической дисперсии выше. Формула изобретения Устройство для измерения хроматической дисперсии одномодовых волоконных

световодов, содержащее N полупроводниковых лазеров с различными длинами волн, один из которых является опорным, а остальные оптически связаны с оптическим переключателем, опорный генератор синусоидального сигнала, лавинный фотодиод с усилителем, соединенный с первым входом фазометра, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, в устройство дополнительно введены генератор частот и оптический соединитель, при этом выход опорного генератора синусоидального сигнала соединен с входом генератора частот, первый выход которого соединен с вторым входом фазометра, второй выход - с опорным полупроводниковым лазером, а третий выход - с остальными N-1 полупроводниковыми лазерами, выход опорного лазера оптически связан с первым входом оптического соединителя, второй

вход которого оптически связан с выходом оптического переключателя.

Сущность изобретения; устройство содержит опорный генератор синусоидального сигнала, генератор частот, N полупроводниковых лазеров, оптический переключатель и оптический соединитель, фотодетектор и фазометр. Опорный генератор синусоидального сигнала, вырабатывающий сигнал низкой частоты, соединен с генератором частот, который формирует сигнал высокой частоты. На одном из выходов генератора частот образуется сигнал суммарной частоты, который через оптический переключатель поочередно подается на (N-1J полупроводниковых лазеров. Сигнал высокой частоты модулирует излучение первого полупроводникового лазера, опорный оптический сигнал которого и измерительный сигнал одного из (N-1) полупроводниковых лазеров через оптический соединитель вводится в исследуемый одномодовый волоконный световод. С выхода исследуемого световода сигналы поступают на фотодетектор, на выходе которого образуется сигнал разностной частоты, который поступает на один из входов фазометра. На второй вход фазометра подается сигнал низкой частоты, вырабатываемый опорным генератором синусоидального сигнала. Хроматическая дисперсия определяется по измерению разности фаз этих сигналов. 1 ил. (Л С