Введение к работе
Актуальность проблемы. Исследованиям и разработке методов измерения и контроля характеристик оптических волокон и трактов всегда уделялось большое внимание. Одним из наиболее распрос-траненых методов измерения затухания света в оптическом волокне является метод рефлектометрии, который позволяет неразрушающим способом измерять затухание в оптических волокнах имея доступ только с одного конца волокна. Наиболее разработанным методом рефлектометрии, применяемым в данное время в волоконно-оптической связи и научных исследованиях, является метод временной рефлектометрии и, в частности, метод рефлектометрии с когерентным приемом излучения. В настоящее время существует целый ряд приборов - рефлектометров для измерения характеристик как многомодовых так и одномодовых оптических волокон. Обладая высокими характеристиками эти рефлектометры требуют для их реализации довольно сложной измерительной техники: источников света ваносекундной длительности и широкополосных фотоприемных устройств. С другой стороны, значительно более простым и дедовым для реализации является метод когерентной частотной рефлектометрии, позволяющий достигать достаточно высоких характеристик при измерениях параметров одномодовых волокон, однако в этом методе до сих пор остается ряд невыясненных проблем, которые сдерживают развитие и применение метода в волоконной оптике. Представляется поэтому актуальным- исследовать предельные возможности метода когерентной частотной рефлектометрии с автоданным приемом, обусловленные особенностями частотной модуляции
лазера, его шумами, влиянием рэлеевского рассеяния на спектр генерации автодина.
В методе когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом в световод посылается частотно-модулированная световая волна, а обратно рассеянный сигнал сбивается с опорным лучом. Информация о рассеянии и затухании света в световоде переносится при этом в спектр низкочастотных биений фототока. Пространственное разрешение по длине световода определяется величиной девиации частоты источника излучения.
Из источников излучения высоким требованиям к длине когерентности, предъявляемым в методе когерентной частотной рефлектометрии, удовлетворяет Не-Ые лазер. Автодинный эффект В He-Ne лазере изучался рядом авторов и была показана высокая чувствительность автодина к слабым обратно отраженным сигналам.
Однако результаты известных работ по когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения не обеспечивают полноты анализа метода и не дают полного представления о его возможностях.
Целью настоящей работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов, происходящих в Не-Не лазере под воздействием рассеянного в оптическом волокне излучения; изучение влияния фазовых шумов лазера на характеристики волоконно-оптического рефлектометра, установление принципиальных ограничений и возможностей метода когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения.
Научная новизна. На основе исследований, выполненных в диссертационной работе на защиту выносятся следующие положения: I. Показано, что спектр амплитудной модуляции сигнала лазерного
автодина с волоконно-оптической обратной связью при пилообразной модуляции длины лазерного резонатора пропорционален распределению коэффициента связи прямой и обратной волн вдоль световода.
II. Метод когерентной частотной рефлектометрии при автодинном
приеме рассеянного в волоконном световоде излучения позволяет
реализовать высокочувствительные рефлектометры и волоконно-
оптические датчики, обладающие высоким пространственным разре
шением при исключительной простоте оптической схемы.
III. Показано, что диапазон применения метода когерентной час
тотной рефлектометрии при автодинном приеме излучения ограничи
вается фазовым шумом лазера и зависит от конструкции и типа
лазера. При длине анализируемого волокна в 2 км достигнуто про
странственное разрешение равное 15 см.
Практическая ценность. Практическая значимость данной работы заключается в следующем:
На базе He-Ne лазера разработан и создан макет когерентного волоконно-оптического рефлектометра с частотным зондированием сигнала : с прострвнственным разрешением 0,15 м и динамическим диапазоном 18 ДБ.
Разработана схема и создан фазовый модулятор, позволяющий свшшировать частоту генерации в лазерном автодине до величины 2 ГГц.
Разработаны схемы и созданы основные электронные блоки волоконно-оптического рефлектометра с когерентным приемом излучения: блок фотоприемного устройства; блок свиппирования частоты; блок обработки сигнала, согласованный с ПЭВМ.
Предложена перспективная интерференционная схема когерентного
приема в частотном рефлектометре, позволяющая практически полностью устранить влияние фазовых шумов лазера на аппаратную функцию рефлектометра и тем самым довести длину анализируемых оптических волокон до нескольких километров, а также мультиплексировать до I02 волоконно-оптических датчиков.
Данные результаты использованы в ИРЭ РАН при создании мультиплексных систем волоконно-оптических датчиков.
Апробация работы. Материалы, включенные в диссертацию докладывались на научной сессии Российской научно-технического общества радиотехники, электроники и связи им. А.С.Попова, Москва, 1996 г.; на VI научно-технической конференции "Оптические, сотовые и спутниковые сети и системы связи", г.Псков, 1995 г., а также обсуждались на семинарах ИРЭ РАН и МИРЭА.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 5 печатных работах.
