Методы и средства обеспечения единства измерений поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне Митюрев, Алексей Константинович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1 Анализ, выбор и обоснование методов построения эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений поляризационной модовой дисперсии (ПМД) в оптическом волокне 19

1.1 Требования к метрологическим характеристикам эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений ПМД 19

1.2 Анализ зарубежной эталонной базы для средств измерений ПМД... 21

1.3 Выбор и обоснование метода и средств воспроизведения единицы ПМД

1.3.1 Анализ методов воспроизведения единицы ПМД 24

1.3.2 Анализ методов измерений ПМД

1.3.2.1 Метод на основе фиксированного анализатора 27

1.3.2.2 Поляриметрический метод 31

1.3.2.3 Интерферометрический метод 38

1.3.2.4 Фазовый метод 43

1.3.2.5 Фазовый метод поляризационный 44

1.3.2.6 Метод задержки импульса 47

1.3.2.7 Метод уширения импульса 48

1.3.2.8 Метод поляриметрической рефлектометрии 49

1.3.3 Выбор и обоснование метода и средств измерений ПМД для построения эталонной аппаратуры, а также методов и средств передачи единицы к рабочим средствам измерений ПМД 52

1.4 Выводы к Главе 1 54

ГЛАВА 2 Разработка математической модели процесса преобразования сигнала в системах для измерений ПМД и оптимизация составляющих погрешности измерений ПМД 56

2.1 Постановка задачи 56

2.2 Построение математической модели ГШС интерферометр ической схемы измерений ПМД 57

2.3 Оптимизация составляющих погрешности измерений ПМД интерферометрической схемы

2.4 Построение математической модели 1111С поляриметрической схемы измерений ПМД 72

2.5 Оптимизация составляющих погрешности измерений ПМД поляриметрической схемы 77

2.6 Выводы к Главе 2 84

ГЛАВА 3. Результаты разработки и исследований аппаратуры для измерений ПМД, а также комплекса средств для воспроизведения и передачи единицы ПМД к рабочим средствам измерений ПМД 86

3.1 Постановка задачи 86

3.2 Разработка аппаратуры на основе оптимизированной интерферометрической схемы измерений ПМД 86

3.3 Результаты исследований составляющих погрешности реализованной измерительной аппаратуры на основе оптимизированной интерферометрической схемы 90

3.3.1 ПМД оптических элементов воздушного интерферометра 90

3.3.2 СКО результатов измерений ПМД интерферометрической измерительной аппаратуры 91

3.3.3 Основные метрологические характеристики интерферометрической измерительной аппаратуры

3.4 Разработка аппаратуры на основе оптимизированной поляриметрической схемы измерений ПМД 94

3.5 Результаты исследований составляющих погрешности реализованной поляриметрической измерительной аппаратуры

3.5.1 Экспериментальное определение ДГЗ калибровочного поляризационного элемента 95

3.5.2 Калибровка поляриметра 102

3.5.3 СКО результатов измерений ПМД поляриметрической измерительной аппаратуры 104

3.5.4 Основные метрологические характеристики поляриметрической измерительной аппаратуры

3.6 Результаты разработки и исследования средств воспроизведения и передачи единицы ПМД 106

3.7 Выводы к Главе 3 116

ГЛАВА 4 Результаты разработки и внедрения эталонной аппаратуры для обеспечения единстваизмерений ПМД 118

4.1 Результаты разработки Государственного первичного специального эталона (ГПСЭ) единицы поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне 118

4.2 Результаты разработки Государственной поверочной схемы для средств измерений поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне 122

4.3 Результаты сравнительных метрологических исследований характеристик ГПСЭ единицы ПМД в оптическом волокне и зарубежных средств измерений ПМД 123

4.4 Результаты разработки метрологического комплекса для измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах 125

4.5 Выводы к Главе 4 128

Заключение 129

Список используемых источников

• Выбор и обоснование метода и средств воспроизведения единицы ПМД
• Построение математической модели ГШС интерферометр ической схемы измерений ПМД
• Результаты исследований составляющих погрешности реализованной измерительной аппаратуры на основе оптимизированной интерферометрической схемы
• Результаты сравнительных метрологических исследований характеристик ГПСЭ единицы ПМД в оптическом волокне и зарубежных средств измерений ПМД

Введение к работе

ЦЕЛИ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ Актуальность проблемы

В настоящее время большинство телекоммуникационных компаний стремится увеличить пропускную способность волоконно-оптических систем передачи (ВОСП) в связи с постоянно растущими объёмами передаваемой информации. Одним из основных факторов, влияющих на скорость передачи информации в высокоскоростных ВОСП, являются дисперсионные характеристики оптического волокна (ОВ), в частности - поляризационная модовая дисперсия (ПМД). Под ПМД понимается усреднённая в рабочем спектральном диапазоне дифференциальная групповая временная задержка между ортогонально поляризованными модами излучения в оптическом волокне, возникающими вследствие нарушения концентричности сердцевины оптического волокна, внутренних и внешних механических напряжений, неоднородности материала и т.д. Единицей измерения временной задержки является пикосекунда [пс]. Возникновение данной задержки приводит к уширению оптического импульса, передаваемого по оптическому волокну, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа битовых ошибок и снижению скорости передачи информации. Уширение происходит в двух режимах - слабой и сильной связи мод. Слабая связь мод подразумевает постоянство анизотропных свойств передающей среды и обусловливает деление распространяющегося в ней оптического импульса на две поляризованные моды. Сильная связь мод возникает в среде с хаотично меняющимися двулучепреломляющими свойствами, в результате чего импульс делится на множество поляризованных мод. ПМД является одним из ключевых параметров ВОСП и его оценка необходима как при прокладке, так и при эксплуатации волоконно-оптических линий связи. Следует отметить, что особенно актуальной задача измерений ПМД становится в случае модернизации существующих линий связи с целью увеличения скорости передачи информации.

К настоящему времени соответствующие международные организации (IEC, TIA, ITU) разработали ряд рекомендаций и стандартов по методам измерений данной величины, а в ряде ведущих метрологических институтов мира (NIST -

США, NPL - Великобритания, KRISS - Южная Корея) были созданы эталонные установки для измерений ПМД.

Для измерений ПМД в оптическом волокне в России применяется целый ряд типов средств измерений, и с внедрением систем со спектральным уплотнением их номенклатура и количество быстро увеличивается. Однако поверочная схема для данных средств измерений отсутствует. Имеющаяся во ФГУП «ВНИИОФИ» эталонная база для измерений угла вращения плоскости поляризации излучения и эллипсометрических углов не применима для создания системы метрологического обеспечения измерений ПМД, так как работает в другом спектральном диапазоне, не приспособлена для работы с оптическим волокном и не позволяет проводить измерения разности фаз ортогонально поляризованных мод, превышающей 2п.

Таким образом, задача обеспечения единства и требуемой точности измерений ПМД в стране не решена. Для её решения необходима разработка Государственной поверочной схемы, а также методов и средств измерений, позволяющих обеспечить поверку, калибровку и испытания средств измерений данных классов. Поэтому создание эталонной базы и соответствующей документации с целью метрологического обеспечения измерений ПМД на территории РФ, а также гармонизация нормативно-методических документов с международными нормами и стандартами в области измерений ПМД, являются современными и актуальными задачами. Настоящая работа по созданию методов и средств обеспечения единства измерений ПМД для высокоскоростных ВОСП проводилась в рамках программ «Эталоны России» и ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2011 гг.». Цели и основные задачи диссертации

Целью настоящей работы являются разработка и исследования методов и средств обеспечения единства измерений ПМД. Цель работы определила основные задачи, решаемые в диссертации: - Анализ международных стандартов и методов построения эталонной аппаратуры в области измерений ПМД, выбор и обоснование методов построения эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне.

Разработка математической модели процесса преобразования сигнала при измерениях ПМД на основе выбранных методов. Исследования разработанной модели с целью оптимизации составляющих погрешности при измерениях ПМД выбранными методами.

Разработка и метрологические исследования измерительной аппаратуры на основе оптимизированных схем измерений ПМД. Разработка Государственной поверочной схемы для средств измерений ПМД.

Создание Государственного первичного специального эталона единицы поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне, а также разработка и исследования методов и средств передачи единицы ПМД к рабочим средствам измерений ПМД.

Внедрение разработанной эталонной аппаратуры и методических основ для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне. Разработка и создание методов и средств измерений поляризационной модовой дисперсии в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

1. 1. Разработана математическая модель процесса преобразования сигнала в системах измерений ПМД на основе поляриметрического и интерферометрического методов и проведён анализ составляющих погрешности измерений ПМД.

   2. Предложена и реализована схема измерений ПМД на основе интерферометрического метода с использованием воздушного интерферометра и контроллера состояния поляризации излучения, которая позволяет применить данный метод в решении задачи построения эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне.

   3. Предложена и реализована схема калибровки эталонной поляриметрической измерительной аппаратуры с использованием оптического кристалла и эталонных средств измерений длины волны и средней мощности лазерного излучения из состава Государственного специального эталона единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения в ВОСП (ГЭТ 170-2011), позволяющая с высокой точностью

   определять значение составляющей погрешности, вносимой поляриметром при измерениях ПМД.

   1. 4. Разработана конструкция оптического элемента на основе нормально ориентированных фазовых пластин, позволяющая реализовать меру единицы ПМД для режима сильной связи мод.

      5. Разработаны методы и средства воспроизведения единицы ПМД, позволившие создать Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185-2010, а также разработаны методики поверки и калибровки средств измерений ПМД в оптическом волокне.

      6. Разработан метрологический комплекс для обеспечения единства измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.

      Практическая ценность и использование результатов работы

      1. 6. 1. На основе разработанной эталонной аппаратуры для измерений ПМД построен и утверждён Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185-2010, воспроизводящий и передающий единицу ПМД в оптическом волокне, а также разработана и утверждена Государственная поверочная схема для средств измерений ПМД в оптическом волокне ГОСТ 8.6072012, что позволило решить проблему единства измерений ПМД в стране.

            2. Разработанная эталонная аппаратура для измерений ПМД в ранге рабочих эталонов была использована при проведении испытаний рабочих средств измерений для их включения в Государственный реестр средств измерений, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерений ПМД ведущих зарубежных фирм.

            3. Разработанными средствами для передачи единицы ПМД в оптическом волокне оснащены: ФГУП «ВНИИОФИ», метрологический центр Российской Федерации ФБУ «Новосибирский» ЦСМ и предприятие по производству волоконно- оптического кабеля ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания», что подтверждено соответствующими актами.

            4. Результаты разработки эталонной аппаратуры для измерений ПМД в оптическом волокне позволили создать метрологический комплекс для обеспечения единства измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.

            5. Разработанная математическая модель процесса преобразования сигнала при измерениях ПМД и результаты её исследований используются при создании рабочего эталона единицы ПМД в интересах Метрологической службы Министерства Обороны РФ. Вклад автора:

            При непосредственном участии автора на основе оптимизированных схем измерений ПМД интерферометрическим и поляриметрическим методами создан Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185-2010 и Государственная поверочная схема для средств измерений ПМД в оптическом волокне ГОСТ 8.607-2012, а также комплекс средств передачи единицы ПМД в оптическом волокне к рабочим средствам измерений ПМД. Автором разработаны узлы интерферометра и контроллера состояния поляризации излучения, а также программное обеспечение эталонной измерительной аппаратуры ГЭТ 185-2010. Кроме того, автором разработан комплект методических материалов, включающий в себя методики поверки и калибровки рабочих эталонов единицы ПМД, эталонных мер единицы ПМД, рабочих средств измерений ПМД в оптическом волокне, а также рабочих средств измерений ПМД в наноструктурных фотонно- кристаллических волокнах. Апробация работы

            Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях: «The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments 2009», «IX всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», «Всероссийской конференции по волоконной оптике 2009» и XV, XVI, XVII всероссийских научно-технических конференциях «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». Публикации:

            По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях, 9 статей в журналах «Измерительная техника», «Метрология», «Вестник метролога», «Фотон-Экспресс»,

            «Laser Physics Letters», сборнике трудов «The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments» и 1 патент на изобретение. Структура и объём работы:

            Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений.

            Общий объём составляет 140 страниц печатного текста, в том числе 62 рисунка, 16 таблиц, а также 5 страниц списка литературы и 4 страницы приложений. Основные положения, выносимые на защиту:

            1. 6. 4. 1. Предложенная схема измерений поляризационной модовой дисперсии на основе воздушного двухканального интерферометра Майкельсона и автоматизированного контроллера состояния поляризации излучения позволяет проводить измерения автокорреляционным методом в диапазоне 0,2^150 пс с неисключённой систематической погрешностью, равной 0,005 пс, и среднеквадратическим отклонением результата измерений, равным 0,006+0,0025*А, где А - значение измеряемой величины, в пс.

                     2. Предложенная схема измерений дифференциальной групповой задержки на базе метода фиксированного анализатора с использованием алгоритма восстановления фазы пространственной несущей, применяемого при обработке интерферограмм, позволяет определить дифференциальную групповую задержку, вносимую калибровочным поляризационным элементом номиналом 300 фс, с суммарной погрешностью, равной 1,5 фс.

                     3. Разработанная конструкция меры на основе нормально ориентированных фазовых пластин позволяет воспроизводить автокорреляционным методом единицу поляризационной модовой дисперсии в режиме сильной связи со среднеквадратическим отклонением результата воспроизведения, не превышающим 0,004 пс для значения ПМД 0,23 пс.

                     4. Совмещение двух независимых методов измерений поляризационной модовой дисперсии в сочетании с разработанными мерами указанной единицы для режимов слабой и сильной связи мод позволило создать Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне. Разработанные первичный эталон, Государственная поверочная схема для средств измерений поляризационной модовой дисперсии и методики поверки и калибровки рабочих эталонов и рабочих средств измерений, а также методы и средства для передачи единицы к рабочим средствам измерений позволили решить задачу обеспечения единства и требуемой точности измерений поляризационной модовой дисперсии в стране, в том числе и для наноструктурных фотонно-кристаллических волокон.

                     Выбор и обоснование метода и средств воспроизведения единицы ПМД

                     Поведение ПМД с сильной связью мод в оптическом волокне может быть смоделировано с помощью набора кварцевых пластин, главные оси каждой из которых не коллинеарны с главными осями остальных элементов, вследствие чего собственные поляризационные моды раздваиваются при переходе границы элементов. Эта модель использована для разработки SRM2518. Образец представляет собой набор из 33 +- 35 кварцевых пластин, закреплённых под разным углом друг к другу относительно своих главных осей. Данная волоконно-оптическая система также помещена в корпус с термокулером, который поддерживает заданную температуру. Следует отметить, что SRM2518 пригоден к использованию при калибровке средств измерений ПМД только на основе поляриметрических методов - методах, основанных на измерении параметров вектора Стокса как функции длины волны [4].

                     Для калибровки разработанных образцов NIST располагает двумя установками для измерений ПМД: на основе метода фиксированного анализатора (FA) и на основе поляриметрического метода с анализом сферы Пуанкарэ (PSA). Расширенная неопределённость измерений ДГЗ с помощью поляриметрического метода составляет 3,4 фемтосекунды [фс] для значения ПМД порядка 300 [фс]. Два метода используются для подтверждения достоверности проводимых измерений ПМД образцов, причём основным методом измерений является поляриметрический, тогда как с помощью установки на основе метода FA производятся вспомогательные измерения. Похожее оборудование для метрологического обеспечения измерений ПМД находится в NPL. Лабораторией были разработаны аналогичные NIST средства для калибровки анализаторов ПМД (PMD calibration artefact), с тем отличием, что в качестве эталонного образца ПМД в режиме слабой связи мод используется отрезок волокна с сохранением состояния поляризации. Для калибровки данных образцов NPL использует измерительную установку на основе поляриметрического метода с анализом сферы Пуанкарэ (PSA). Расширенная неопределённость результата измерений данной установки составляет 2% [14,15]. Основные метрологические характеристики образцов NIST и NPL представлены в табл. 3. Таблица 3 - Метрологические характеристики эталонных образцов ПМД NIST и NPL Организация, страна Обозначение Номинальное значение ДГЗ, [пс] Расширенная неопределённость, [пс] NIST, США SRM 2538 0,3 0,004 NPL, Великобритания PMD artifact low mode coupled standard 0,3 0,007 Национальный метрологический институт Швейцарии METAS в настоящее время заканчивает разработку оборудования для метрологического обеспечения измерений ПМД в оптическом волокне. В качестве эталонных образцов сотрудники METAS используют волокно с сохранением состояния поляризации (РМ волокно), в качестве эталонной установки для калибровки образцов используется аппаратура с применением поляриметрического метода на основе анализа собственных матриц Джонса. Информация о неопределённостях и диапазонах значений ПМД образцов отсутствует.

                     Кроме того, эталонная аппаратура для измерений ПМД разработана в Корейском научно-исследовательском институте стандартов (Korea research institute of standards and science, KRISS), о чём свидетельствуют проведённые двусторонние сличения между KRISS и NIST [16]. Были использованы образцы ПМД для режима сильной связи мод на основе волокна с сохранением состояния поляризации. В обоих институтах измерения проводились с помощью измерительных установок на базе поляриметрического метода с применением анализа матриц Джонса (JME analysis). Для каждого образца определялась ПМД в спектральном диапазоне 1520-1600 нм. Максимальная разность результатов измерений NIST и KRISS составила 6 фс. По результатам сличений был сделан вывод о сопоставимости точностных характеристик аппаратуры KRISS с эталонной измерительной установкой NIST.

                     Таким образом, зарубежная эталонная база для средств измерений ПМД представлена в виде прецизионных измерительных установок на основе поляриметрического метода измерений ПМД и эталонных образцов различных оптических материалов, обладающих свойством ПМД. Данные образцы, предварительно откалиброванные при определённой температуре, в свою очередь, позволяют проводить калибровку рабочих средств измерений ПМД.

                     Был проведён анализ возможности воспроизведения единицы ПМД с помощью меры на основе поляризационной линии задержки (см. рис.3). Светодели- Поляризатор ьныи куо ocJi\aj IVJ Источник излучения I V і V 1 Анализатор 1 ПМД . і А і Триппель-призма Рисунок 3 - Поляризационная линия задержки Принцип действия основан на разделении оптического пучка на две ортогонально поляризованные составляющие, пространственно разнесённых друг относительно друга вдоль направления распространения на расстояние, пропорциональное времени задержки Ат. Таким образом, меняя положение триппель призмы с необходимой точностью можно устанавливать требуемое значение временной задержки между данными составляющими на выходе системы.

                     Было установлено, что основным препятствием к применению данного метода воспроизведения единицы ПМД является недостаточная точность абсолютных перемещений сканирующих устройств в широком диапазоне (от 0,05 до 100 мм) при установке требуемой временной задержки, невозможность воспроизведения единицы ПМД в режиме сильной связи мод, а также невозможность применения при калибровке рабочих средств, основанных на частотных методах измерений ПМД.

                     Был проведён анализ возможности воспроизведения единицы ПМД с помощью элементарного средства измерений - набора мер на основе элементов, представляющих собой нормально ориентированную оптическую анизотропную среду. Такими элементами могут выступать оптические кристаллы (фазовые пластины) и РМ волокно. На их основе NIST и NPL разработали стандартные образцы ПМД, функционирующие в ранге рабочих эталонов единицы ПМД [3,4,14,15]. Однако информация о долговременной стабильности анизотропных свойств данных элементов и их комбинаций для случая сильной связи мод отсутствует, что делает их непригодными к использованию в качестве первичного эталона единицы ПМД.

                     Учитывая изложенное и принимая во внимание необходимость гармонизации разрабатываемых нормативно-методических документов с международными нормами и стандартами в области измерений ПМД, в том числе и для проведения международных сличений разрабатываемого эталона, а также опираясь на опыт ведущих зарубежных метрологических институтов целесообразно строить эталонную аппаратуру для воспроизведения единицы ПМД на базе высокоточной измерительной установки с набором образцов ПМД для режимов слабой и сильной связи мод.

                     Построение математической модели ГШС интерферометр ической схемы измерений ПМД

                     В первой главе была обоснована целесообразность построения эталонной базы для обеспечения единств измерений ПМД на основе измерительной аппаратуры с применением поляриметрического и интерферометрического методов измерений ПМД. В данной главе предлагаются варианты структурных схем эталонных СИ, на основе исследования которых формируются математические модели процесса преобразования сигнала при измерениях ПМД. С помощью данных моделей проводятся исследования составляющих погрешности измерений ПМД, присущих выбранным методам, и предлагаются пути их оптимизации.

                     Проведённый анализ методов построения эталонной аппаратуры показал, что основным структурным звеном эталона единицы ПМД является измерительная система. Для количественного определения влияния источников погрешности при измерениях ПМД выбранными методами на основе классических схем были построены математические модели (ММ) процесса преобразования сигнала в измерительных системах, которые описывают их как связные системы сигналов и элементов. ММ служит для описания функционально-преобразующей связности, задаваемой операторами Рп, имеющими вид соответствующих уравнений, между сигналами в системе. Общее выражение для ММП выглядит следующим образом [27,28]: ММоиЛзэс = { S, I, В, Q, G, R, Pb( s Q, G ) }, где (25) S - множество входных сигналов; Е - множество выходных сигналов; В -множество преобразующих элементов; G - множество внутренних параметров; Q - множество внешних параметров; Pb( s Q , G ) - оператор, задающий поведенческую связность сигналов s, поступающих на вход элементов Ь, с выходными сигналами о с учётом внешних и внутренних параметров системы. Реализация подобной модели позволяет численно определить каждый элемент системы как источник погрешности при измерениях ПМД.

                     Классическая схема измерительной установки интерферометрического метода представлена на рис. 20 [5,6]. Поляризатор Анализатор на основе

                     Классическая структурная схема установки для измерений ПМД на основе интерферометрического метода Принцип действия интерферометрической схемы измерений ПМД основан на регистрации интерференционного сигнала широкополосного излучения при изменении длины одного из плеч интерферометра. По наличию боковых автокорреляционных пиков можно судить об изменении фазового соотношения ортогональных составляющих световой волны, прошедшей среду с ПМД. Значение ПМД определяют как временную задержку между боковым и центральным пиками и связывают с перемещением каретки линии задержки следующим соотношением (14). Рассмотрим представленную на рис.20 схему как одномерную линейную активную автоматическую частично когерентную волоконно-оптическую измерительную систему.

                     Выражение для множества преобразующих элементов имеет вид: В = {ЬЬ ...,Ь„},где (26) t i - поляризатор; Ьг - соединительный волоконно-оптический кабель-1; Ь3 -исследуемый объект; Ъ - соединительный волоконно-оптический кабель-2; Ь5 - анализатор; Ь6 - входной ответвитель интерферометра; Ь7 -линия задержки; Ь8 - волокно неподвижного плеча интерферометра; Ь9 - выходной ответвитель интерферометра; Ъю - ФПУ; Ь ц - ЭВМ.

                     Сигнал источника излучения представлен в виде суммы действительных частей комплексных амплитуд монохроматических гармонических электромагнитных волн в частотном диапазоне Аш [29]. E(a?,z,t) = Re{ \ A(co,z)xe 1(0tdco} (27) Волны распространяются вдоль оси z поэтому ненулевыми являются х и у компоненты вектора Емонохроматической волны Е -а cos( y -g (z)), Ey=ay-cos(co-gy(z)),r e gx(z) = k-z-Sx, gy(z) = k-z-Sy

                     В качестве передающей среды между элементами системы используются отрезки одномодового оптического волокна, которые в общем случае обладают свойствами линейного и ЦИОКУЛЯОНОГО двулучепреломления. Значение вносимой относительной задержки между х и у составляющими волны не превышают одной длины волны (или 4 фс) на метр волокна, что было учтено при формировании бюджета неопределённости измерений ПМД данным методом в качестве одной из случайных составляющих.

                     Результаты исследований составляющих погрешности реализованной измерительной аппаратуры на основе оптимизированной интерферометрической схемы

                     Данная составляющая характеризует СКО результатов измерений ПМД поляриметрическим методом и включает в себя все факторы (шумы фотоприёмника поляриметра, вибрацию узлов установки, нестабильность во времени анизотропных свойств оптических элементов схемы), влияющие на СКО результатов измерений А0 поляриметром. Согласно исследованиям ММ при СКО угла наклона в 0,3 выражение для описания данной составляющей имеет вид: Ат = 0,002 хт.

                     С учётом вышеизложенного для уменьшения влияния указанных источников составляющих погрешности при измерениях ДГЗ было предложено: 1) Проводить измерения параметров вектора Стокса для каждого входного углового положения плоскости поляризации излучения 10 раз с последующим усреднением для снижения влияния шумов ФПУ поляриметра на результат измерений ДГЗ. Согласно исследованиям ММ это позволит снизить СКО результатов измерений ПМД до значения Ат = 0,001 хт. 2) Производить точную привязку перестраиваемого источника излучения по длине волны путём включения в состав поляриметрической схемы эталонного средства измерений длины волны лазерного излучения. При использовании эталонных средств измерений длины волны [33] можно контролировать длину волны перестраиваемого лазера с погрешностью 0,002 нм. В этом случае выражение для оценки данной составляющей погрешности примет вид: Ат = 0,0006хт . 3) Осуществить калибровку поляриметра в открытом пучке с использованием кварцевого поляризационного элемента (фазовой пластины), значение ДГЗ которого измерено с высокой точностью с помощью измерительной установки на базе метода фиксированного анализатора (FA). Для реализации приведённых выше соображений была предложена оптимизированная схема (см. рис. 29) измерений ПМД на основе поляриметрического метода с использованием эталонного средства измерений длины волны лазерного излучения из состава Государственного специального эталона единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения в ВОСП (ГЭТ 170-2011).

                     Эталонное средство измерений длины волны Контроллер состояния поляризации Исследуемый объект Лазер перестраиваемый О ЭВМ И Поляриметр

                     Оптимизированная структурная схема измерительной системы на основе поляриметрического метода Кроме того, была предложена схема калибровки поляриметра, приведённая на рис.30. В данной схеме использование открытой оптики позволяет уменьшить влияние анизотропии волоконно-оптических соединительных шнуров. В процессе калибровки необходимо использовать короткий расправленный на всю длину оптический шнур поляриметра для сведения к минимуму влияния его геометрии на состояние поляризации проходящего излучения.

                     Схема калибровки поляриметра Значение фазовой задержки кварцевого калибровочного элемента, относительно которой производится калибровка поляриметра, нужно определить экспериментально. Для этого необходимо собрать схему измерений ПМД для метода фиксированного анализатора (см. рис. 4). В соответствии с данной схемой в процессе измерений определяется зависимость мощности оптического сигнала на выходе анализатора от длины волны. Для уменьшения погрешности измерений длины волны и средней мощности лазерного излучения перестраиваемого источника в схему необходимо включить эталонные средства измерений длины волны и средней мощности из состава ГЭТ 170-2011. Применение указанных средств измерений позволяет получить согласно выражению (1) расчётное значение погрешности измерений ДГЗ калибровочного элемента (с номинальным значением ДГЗ 300 фс) равным 1 фс.

                     Результаты анализа источников составляющих погрешности при измерениях ПМД поляриметрическим методом с учётом предложенных мер по оптимизации процесса измерений приведены в табл. 6.

                     Полученные значения составляющих погрешности удовлетворяют требованиям, предъявленным в Главе 1 к эталонной аппаратуре для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне. Кроме того, как и при рассмотрении интерферометрического метода, здесь также стоит отметить прослеживаемость измерений ПМД к ГПСЭ единицы длины волны оптического излучения для ВОСП ГЭТ 170-2011. Таблица 6 - Источники погрешности поляриметрической схемы измерений

                     Анализ процесса прохождения сигнала и разработанные математические модели классических схем измерений ПМД на основе интерферометрического и поляриметрического методов позволили определить и оценить составляющие погрешности при измерениях ПМД указанными методами и провести их оптимизацию. На основе проведённых теоретических исследований были предложены оптимизированные схемы измерений ПМД. В интерферометрической схеме измерений использование автоматизированного контроллера состояния поляризации и воздушного двухканального интерферометра с применением в опорном канале излучения одночастотного лазера для измерений перемещений каретки линии задержки позволили достигнуть значений НСП и СКО результатов измерений ПМД интерферометрическим методом, равными 0,005 пс. Кроме того, предложена схема измерений ПМД малых значений на основе метода фиксированного анализатора (FA), позволяющая оценить составляющую погрешности, вносимую оптическими элементами воздушного интерферометра. Для поляриметрического метода измерений ПМД предложенная схема калибровки поляриметра позволяет с малой погрешностью (порядка 0,001 пс) оценить связанные с его использованием составляющие погрешности измерений ПМД. Во всех предложенных схемах используются эталонные средства измерений средней мощности и длины волны лазерного излучения из состава Государственного специального эталона единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения в ВОСП (ГЭТ 170-2011), что позволяет уменьшить составляющие погрешности, связанные с измерениями данных величин. В части поляриметрического метода использование ГЭТ 170-2011 позволило сократить связанную с измерениями длины волны составляющую погрешности измерений ПМД с Ат = 0,005 хт до Ат = 0,0006хт . Разработанные схемы позволяют достигнуть достаточных для построения эталонной аппаратуры теоретических значений составляющих пофешности при измерениях ПМД.

                     Результаты сравнительных метрологических исследований характеристик ГПСЭ единицы ПМД в оптическом волокне и зарубежных средств измерений ПМД

                     Перечисленные в Главе 3 результаты проведённых разработок и исследований позволили сформулировать предложения по реализации эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне. Первичный эталон единицы ПМД был реализован в виде эталонной измерительной установки на основе разработанных эталонных средств измерений и мер ПМД, которая предназначена для хранения и воспроизведения единицы ПМД, а также передачи единицы ПМД к РСИ ПМД. Процесс воспроизведения единицы осуществляется методом прямых измерений ПМД меры ПМД с помощью эталонного СИ ПМД.

                     Передачу единицы ПМД от первичного эталона к РСИ ПМД целесообразно осуществлять непосредственно методом сличений при помощи меры ПМД в режиме сильной связи мод и с помощью эталонной меры в режиме слабой связи мод.

                     Передачу единицы ПМД от первичного эталона к эталонной мере проводить методом прямых измерений ПМД эталонной меры с помощью эталонного СИ ПМД. В ходе исследований ГЭТ 185-2010 было установлено, что основным источникам погрешности при передаче единицы ПМД к РЭ ПМД (эталонной мере) являются НСП и СКО результатов измерений на аппаратуре первичного эталона и НСП измерений ПМД эталонной меры вследствие колебаний температуры окружающей среды в диапазоне ±5С.

                     На основании приведённых выше соображений, была предложена поверочная схема для средств измерений ПМД в оптическом волокне (см. приложение 2). Схема имеет классическую трёхзвенную структуру, согласно которой передача единицы ПМД в оптическом волокне от ГПСЭ к РСИ ПМД осуществляется напрямую методом сличений при помощи меры ПМД в случае поверки или калибровки высокоточных РСИ ПМД и с помощью эталонных мер в качестве рабочих эталонов единицы ПМД в оптическом волокне методом прямых измерений в случае остальной части парка РСИ ПМД. Эталонные меры единицы ПМД в оптическом волокне применяют для поверки РСИ в режиме слабой связи мод. Для поверки РСИ в режиме сильной связи мод применяют рабочие эталоны на основе эталонных измерителей ПМД с комплектом мер ПМД в оптическом волокне

                     Для определения сходимости результатов измерений разработанного эталона с результатами измерений эталонной аппаратуры национальных метрологических институтов других стран были проведены сравнения разработанного эталона с высокоточными РСИ ПМД зарубежных производителей, привязанных к национальным эталонам США (NIST) и Великобритании (NPL). В исследованиях принимали участие средства измерений ПМД таких фирм, как EXFO (Канада), JDSU (Германия) и NetTest North America Inc (США). Измерения проводились с помощью меры единицы ПМД в режиме слабой связи мод для диапазона значений ПМД 0.3 пс. На рис. 60 приведены результаты измерений в виде отклонения среднего значения измеряемой величины ПМД для различных средств измерений ПМД от среднего значения ПМД, полученного на аппаратуре эталона. Максимальное значение отклонения не превышает значения погрешности измерений ПМД используемой в сличениях аппаратуры.

                     На рисунке видна хорошая сходимость результатов измерений ПМД применяемой меры, разброс значений относительно референсной точки составляет 0,027 пс, что не превышает значений расширенной неопределённости измерений ПМД аппаратуры В, С и D.

                     Кроме того, были проведены метрологические исследования эталонных мер единицы ПМД в оптическом волокне на базе оптических кристаллов (кварц, исландский шпат). В табл. 15 приведены метрологические характеристики данных мер для NPL, NIST и ВНРШОФИ. По результатам исследований передачи единицы ПМД к эталонной мере ПМД с помощью разработанного ГПСЭ единицы ПМД можно сделать вывод о сопоставимости значений неопределённости воспроизведения единицы ПМД эталонной аппаратуры ФГУП «ВНИИОФИ» и метрологических организаций США и Великобритании.

                     Организация, страна Обозначение Значение ДГЗ, [пс] (номинал) Расширеннаянеопределённость,fncl NIST, США SRM 2538 0,3 0,004 NPL, Великобритания PMD artifact low mode coupled standard 0,3 0,007 ФГУП «ВНИИОФИ», РФ ЭтзЛ0ыи :,а "чі9единицы ПМД со слабой связью мод 0,3 0,008 Результаты разработки метрологического комплекса для измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах

                     Одновременно с решением задачи метрологического обеспечения измерений ПМД в оптическом волокне, опираясь на результаты проведённых в рамках данной задачи исследований и разработок, был создан метрологический комплекс и аттестованные методики его поверки и измерений для обеспечения единства измерений оптических характеристик наноструктурных фотонно-кристаллических волокон (ФКВ) в ранге РСИ для перспективных высокоскоростных информационно-телекоммуникационных систем в части параметра ПМД [44,45]. Актуальность данной работы обусловлена необходимостью оценки качества устройств на основе ФКВ, находящих широкое применение в производстве оптических стандартов частоты, прецизионной спектроскопии, генерации фемтосекундных импульсов и т. д., методы и средства для которой практически отсутствуют. Основными параметрами, подлежащими контролю при производстве таких устройств, являются хроматическая и поляризационная модовая дисперсии и спектральное ослабление.

                     Измерительная аппаратура метрологического комплекса построена на базе поляриметрического метода. Схема построения измерительной аппаратуры представлена на рис. 61. Внешний вид комплекса в части измерений ПМД приведён на рис. 62. Основные метрологические характеристики комплекса в части измерений ПМД в ФКВ приведены в табл. 16.

                     Для обеспечения требуемой точности измерения ПМД (0,01+1% ДГЗ) в широком спектральном диапазоне (от 1300 до 1550 нм) были применены поляриметры с открытой оптической системой, со стандартной неопределённостью измерения угла поворота вектора Стокса не более 0,2. Особенностью разработанной измериіельной системы является комплект юстировочных приспособлений для ввода и вывода излучения из образцов фотонно-кристаллических волокон, так как применение данного типа волокон в большинстве случаев не предполагает оконцовку стандартными волоконно-оптическими разъёмами. Кроме того, сама технология промышленной полировки ФКВ в стандартном разъёме находится в процессе разработки.

                     Похожие диссертации на Методы и средства обеспечения единства измерений поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне

                     Методы и средства обеспечения единства измерений хроматической дисперсии в оптическом волокнеГригорьев, Василий Викторович

                     

                     Разработка и исследование методов и средств обеспечения единства измерений геометрических параметров отклонений формы сложнопрофильных поверхностейГоголев Дмитрий Владимирович

                     

                     Методы и средства интерферометрии высокого разрешения для обеспечения единства измерений геометрических параметров рельефа и шероховатости поверхности в нанометровом диапазонеЗолотаревский Сергей Юрьевич

                     

                     Разработка универсальных динамических методов и средств метрологического обеспечения газоанализаторовАграновский, Семегн Григорьевич

                     Методы и средства метрологического обеспечения измерений параметров теплообмена и теплоносителейЧерепанов Виктор Яковлевич

                     

                     Разработка методов и средств метрологического обеспечения гидроакустических измерений в диапазоне частот от 0,5 до 15 МГцЕняков Александр Михайлович

                     

                     Методы и средства метрологического обеспечения при статистическом управлении качеством процессов в полиграфииКоденцев Дмитрий Александрович

                     

                     Разработка и создание элементов государственной системы обеспечения единства измерений комплексного коэффициента отражения в СВЧ диапазоне Хворостов Борис Александрович

                     

                     Обеспечение единства измерений спектрорадиометрических величин в области вакуумного и ближнего ультрафиолета на основе комплекса эталонных источников излученияАневский Сергей Иосифович

                     

                     Разработка и исследование лазерного интерференционного жидкостного манометра высшей точности с целью повышения уровня обеспечения единства измерений низкого абсолютного давленияСадковская Ирина Владимировна