Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обратное рэлеевское рассеяние света в одномодовых оптических волокнах, методы его измерения и анализа 16
1.1. Метод временной рефлектометрии (Optical Time Domain Reflectometry - OTDR) 16
1.2. Метод когерентной частотной рефлектометрии (C-OFDR) 28
Глава 2. Исследование обратного рэлеевского рассеяния в одномодовых оптических волокнах методом когерентной временной рефлектометрии 37
2.1. Теоретический анализ отклика временного рефлектометра при фазовой модуляции света в оптическом волокне 38
2.2. Экспериментальные исследования интерференционных эффектов при обратном рэлеевском рассеянии 43
2.2.1. Определение чувствительности и пространственного разрешения макета распределенного датчика 43
2.2.2. Эксперимент с серийным рефлектометром 46
2.2.3. Распределенный датчик динамических деформаций 48
2.3. Исследование интерференционных эффектов сигналов рэлеевского рассеяния в схеме когерентного рефлектометра с линией задержки 52
2.4. Влияние поляризационных свойств оптического волокна на фазовую чувствительность волоконного
рефлектометра 59
Глава 3. Метод когерентной частотной рефлектометрии .. 72
3.1. Теоретический анализ частотного модулирования лазера с волоконно-оптической обратной связью 73
3.1.1. Генерация лазера при наличии одного дискретного отражателя 73
3.1.2. Генерация лазера при наличии N дискретных отражателей в волокне 79
3.2. Экспериментальные исследования генерации Не-Ые лазера,
оптически связанного с волоконным световодом 82
3.2.1 Модуляционные характеристики Не-№ лазера 83
3.2.2. Бистабильность продольных мод 84
3.2.3. Перекрестные помехи 86
3.3. Мультиплексные волоконно-оптические датчики на основе метода когерентной частотной рефлектометрии 88
3.3.1. Мультиплексный автодинный датчик температуры 88
3.3.2. Факторы, ограничивающие мультиплексирование 91
3.4. Распределенный интерферометрический волоконно-оптический датчик динамических воздействий на основе рэлеевского рассеяния 91
3.5. Распределенная волоконно-оптическая система сигнализации 100
Глава 4. Волоконно-оптические фазовые модуляторы для распределенных вод на основе когерентного частотного рефлектометра 106
4.1. Анализ колебаний составных резонаторов 107
4.2. Экспериментальные исследования волоконно-оптического фазового модулятора 116
Заключение 125
Литература 127
- Метод когерентной частотной рефлектометрии (C-OFDR)
- Экспериментальные исследования интерференционных эффектов при обратном рэлеевском рассеянии
- Генерация лазера при наличии одного дискретного отражателя
- Экспериментальные исследования волоконно-оптического фазового модулятора
Введение к работе
Актуальность работы.
Из существующих в настоящее время методов волоконно-оптичексой рефлектометрии для создания распределенных и мультиплексных систем ВОД в основном используются: метод временной рефлектометрии (Optical Time Domain Reflectometry – OTDR) и метод когерентной частотной рефлектометрии (Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry – COFDR).
Исторически в первых работах метод когерентной частотной рефлектометрии применялся для мультиплексирования ВОД , представляющих собой участки одномодового оптического волокна, расположенные между отражателями с малым коэффициентом отражения (интерферометры Фабри-Перо низкого контраста) и объединенные в общую волоконную линию. При изменении частоты лазера по линейному закону отклик фотоприемника на отраженный сигнал представляет собой суперпозицию гармонических составляющих, частота которых пропорциональна групповому запаздыванию отраженных волн, амплитуда - амплитуде этих волн, а фаза определяется фазовой задержкой излучения в световоде. Расстояние между отражателями в световоде (база интерферометра Фабри-Перо) выбиралось большим, чем пространственное разрешение когерентного частотного рефлектометра, которое определялось частотой девиации линии лазерного излучения. В этом случае с помощью низкочастотного фильтра можно выделять гармонические составляющие в сигнале фотоприемника, соответствующие отражению от каждого отражателя, а измеряя разность фаз в гармонических составляющих, соответствующих отражению от двух соседних отражателей, можно определить фазовую модуляцию световых волн при распространении их на участке световода между отражателями. Таким образом, участки световода между отражателями рассматриваются как чувствительные элементы волоконно-оптического датчика, включенные последовательно в единую волоконную линию. Поскольку в методе когерентной частотной рефлектометрии положение каждого чувствительного элемента в линии кодируется своей частотой, то длины световодов в чувствительных элементах выбираются независимо.
На возможность и необходимость использования сигналов обратно отраженных от релеевских рассеивающих центров для создания распределенных и мультиплексных систем ВОД впервые было указано нами в работе [12]. Там же более подробно описаны особенности метода когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения и предложен ряд схем распределенных ВОД. В ряде последующих работ исследовались различные схемы когерентно-частотных рефлектометров, обеспечивающие более высокую чувствительность и пространственное разрешение и обсуждались пути создания распределенных датчиков на основе метода когерентной частотной рефлектометрии.
Отметим, что главной особенностью метода когерентной частотной рефлектометрии является использование узкополосных источников излучения с максимальной длиной когерентности, спектральная линия которых модулируется по линейному закону. Промодулированное таким образом излучение вводится в одномодовое оптическое волокно, а возникающий в волокне обратно рассеянный сигнал интерферирует на фотоприемнике с опорным сигналом. Таким образом, за счет когерентного приема, значительно повышается чувствительность распределенных ВОД, которая может достигать рекордных значений. Однако полный анализ возможностей данного метода для построения распределенных ВОД, до сих пор отсутствует. Остается также до конца нерешенной проблема перестройки частоты излучения лазера (линейно-частотной модуляции) в широком диапазоне частот, от которого зависит пространственное разрешение метода, проблема создания частотных или фазовых волоконно-оптических модуляторов.
В методе временной рефлектометрии в исследуемый волоконный тракт (или оптическое волокно) посылаются короткие импульсы излучения, а затем регистрируются и анализируются сигналы обратного релеевского рассеяния, возникающие при их распространении в волокне. При этом, в современных рефлектометрах, применяемых при прокладке и контроле ВОЛС, в качестве источника излучения используются достаточно простые типы полупроводниковых лазеров с резонаторами типа Фабри-Перо на основе гетероструктур различных полупроводниковых соединений. Как правило, лазеры такого типа обычно работают в многомодовом режиме, излучая много продольных мод; длина когерентности излучения лазеров лежит в пределах (110) мм. В этом случае даже при длительности импульсов , полуширина импульса и, следовательно, на входе фотоприемника суммируются не амплитуды, а мощности рассеянных обратно волн, т.е. происходит усреднение по спектру излучения лазера и интерференционные эффекты обратно рассеянных волн не наблюдаются. Поэтому, несмотря на то, что современные волоконно-оптические рефлектометры позволяют измерять распределение потерь в оптических волокнах длиной до 200 км при пространственном разрешении порядка 1м, распределенные волоконно-оптические датчики на их основе не представляют существенного практического интереса из-за недостаточной чувствительности рефлектометров. Однако, когда длина когерентности лазерного диода превышает ширину импульса света в волокне, то имеет место эффект когерентного рассеяния света, при этом суммируются амплитуды рассеянных волн и наблюдается эффект интерференции обратно-рассеянного в волокне излучения. В обычной рефлектометрии, при измерении потерь в волоконно-оптической линии связи, этот эффект является источником дополнительных когерентных шумов, и, поэтому он исключается описанным выше путем – выбором низкокогерентного источника и соответствующих длительностей импульсов.
Таким образом, в рефлектометрах, при использовании когерентных источников излучения, сигналы, обусловленные фазовой модуляцией в волокне, проявляются значительно сильнее, чем в рефлектометрах с некогерентным источником, где происходит их усреднение.
Появившиеся в последнее время рефлектометры, в которых используются когерентные импульсные источники излучения получили название когерентных или фазочувствительных рефлектометров, а сам метод измерения – метода когерентной временной рефлектометрии. Сущность метода фазочувствительной рефлектометрии состоит в том, что на фотоприемнике рефлектометра интерферирует свет, рассеянный с отрезка волокна, длина которого равна интервалу разрешения рефлектометра. Если волокно подвергается воздействию, то результат интерференции изменяется от импульса к импульсу. Таким образом, осуществляется фазовая модуляция сигнала, величина которой пропорциональна величине воздействия, которая и регистрируется. По величине запаздывания света строится пространственная развертка по длине волокна, что позволяет определять место воздействия.
Несмотря на то, что данному методу посвящено большое число работ, ряд вопросов до сих пор оставался неисследованным. В частности, неясным остается вопрос о степени когерентности источника излучения. Очевидно, что с одной стороны источник должен быть достаточно когерентным, чтобы можно было уверенно видеть сигнал интерференции. Поэтому в первых работах говорилось, что линия генерации лазера должна быть как можно более узкая. Однако, когда длина когерентности начинает превышать длину импульса рефлектометра, возникает эффект замирания сигнала, который приводит к тому, что на определенных участках волокна интерференционный сигнал пропадает и появляются «темные» места в распределенном датчике. Предложено несколько вариантов борьбы с этим эффектом, однако, проблема до сих пор до конца еще не исследована. Не исследовано также влияние поляризационных свойств оптических волокон на чувствительность фазочувствительного рефлектометра.
Цель работы.
Работа направлена на разработку физических основ новых методов оптических измерений, использующих интерференционные эффекты, возникающие при релеевском рассеянии света в одномодовых оптических волокнах.
С этой целью в работе решались следующие основные задачи:
1. Теоретические и экспериментальные исследования интерференционных эффектов, возникающих при обратном релеевском рассеянии света в одномодовых оптических волокнах.
2. Изучение влияния поляризационных свойств оптических волокон на фазовую чувствительность когерентного рефлектометра и порог чувствительности распределенных волоконно-оптических датчиков.
3. Разработка оптимальных схем распределенных волоконно-оптических датчиков на основе когерентной временной и частотной рефлектометрии и методов детектирования внешних физических воздействий.
Научная новизна.
-
Развиты методы когерентной частотной и когерентной временной рефлектометрии для детектирования оптической фазы сигналов обратного релеевского рассеяния в оптических волокнах. Экспериментально показано, что метод когерентной частотной рефлектометрии позволяет получать более высокую фазовую чувствительность волокна к воздействию и более высокое пространственное разрешение распределенного датчика. Однако, по числу мультиплексируемых чувствительных элементов (датчиков или измерительных каналов) и длине анализируемого волоконного тракта, метод временной когерентной рефлектометрии существенно превосходит метод когерентной частотной рефлектометрии.
-
Впервые методом когерентной частотной рефлектометрии реализовано измерение интерференционных эффектов, возникающих при обратном релеевском рассеянии излучения в одномодовых оптических волокнах, и экспериментально показана возможность создания распределенных волоконно-оптических датчиков внешних воздействий на основе этого метода.
-
Показано, что в схеме распределенного интерферометрического датчика с автодинным приемом излучения при модуляции частоты лазера по линейному закону спектр биений лазерного излучения определяется распределением неоднородностей по длине волокна, а фазы спектральных компонент содержат информацию о набеге фазы обратно отраженного (рассеянного) оптического сигнала.
-
Исследовано влияние поляризационных свойств оптических волокон на фазовую чувствительность когерентного волоконного рефлектометра. Показано, что в схеме рефлектометра с линией задержки, позволяющей исключить эффект замирания сигнала в линии на рефлектограмме проявляются поляризационные шумы (пространственные флуктуации сигнала в масштабе длины поляризационных биений), ограничивающие фазовую чувствительность рефлектометра. Эти шумы существенно подавляются при использовании анизотропного оптического волокна и полихроматического источника излучения, например, суперлюминисцентного светодиода.
-
На основе составного электромеханического резонатора предложен и реализован волоконно-оптический фазовый модулятор, обеспечивающий диапазон перестройки мгновенной частоты световой волны до 20 ГГц, что позволит повысить пространственное разрешение когерентного частотного рефлектометра до 1-2 см.
Научная и практическая значимость работы.
Научная значимость работы определяется перспективами создания новых типов измерительных устройств и систем на основе волоконно-оптических световодов и технологий.
Результаты работы могут быть использованы для создания распределенных и мультиплексных систем волоконно-оптических датчиков физических величин, систем контроля и мониторинга различных объектов в реальном масштабе времени. Результаты главы I использованы для создания когерентного частотного рефлектометра на основе He-Ne лазера, позволяющего с высоким пространственным разрешением (до ~15см) контролировать распределение потерь в объектовых волоконно-оптических линиях связи. Волоконно-оптический фазовый модулятор, описанный в главе II, может быть использован в системах для тестирования волоконно-оптических устройств, измерений АЧХ фотоприемников, измерения дисперсии оптических волокон.
Положения, выносимые на защиту.
-
Результаты анализа методов когерентной частотной и когерентной временной рефлектометрии в части их применения для детектирования фазы сигналов обратного релеевского рассеяния в оптическом волокне и реализации распределенных волоконно-оптических датчиков, показавшие, что при практически равной фазовой чувствительности метод когерентной частотной рефлектометрии обеспечивает получение более высокого пространственного разрешения, а метод когерентной временной рефлектометрии имеет существенные преимущества по длине анализируемого волоконно-оптического тракта, по числу мультиплексируемых чувствительных элементов (датчиков или каналов измерений) и по простате реализации.
-
На основе интерференционных эффектов при рэлеевском рассеянии когерентного излучения в одномодовом оптическом волокне реализован распределенный волоконно-оптический датчик, с индикацией координаты внешнего воздействия на волоконную линию, в котором используется схема детектирования оптической фазы сигналов обратного релеевского рассеяния (фазочувствительный волоконно-оптический рефлектометр), и, таким образом, обеспечивается многократное увеличение чувствительности к слабому возмущению по сравнению с амплитудными датчиками.
-
В схеме когерентного временного рефлектометра с линией задержки фазовая чувствительность метода измерения ограничивается поляризационными шумами (пространственными флуктуациями оптических сигналов в масштабе длины поляризационных биений волокна). Теоретически и экспериментально показано, что эти шумы существенно подавляются при использовании анизотропного волокна и полихроматического источника излучения, например, суперлюминисцентного светодиода.
-
Разработан волоконно-оптический фазовый модулятор, на основе составного электромеханического резонатора, обеспечивающий диапазон перестройки мгновенной частоты линии излучения лазера свыше 20 ГГц.
Личный вклад автора в получение результатов.
Участие в теоретическом исследовании когерентного частотного и когерентного временного рефлектометров.
Определяющий вклад в создание волоконно – оптического фазового модулятора на основе составного резонатора, обеспечивающего диапазон девиации мгновнной частоты лазера до 20 ГГц.
Определяющий вклад в проведение экспериментов по созданию и исследованию схем распределенных волоконно-оптических датчиков, использующих фазовое детектирование сигналов обратного релеевского рассеяния.
Определяющий вклад в теоретические расчеты и проведение экспериментов по влиянию поляризационных свойств оптического волокна на фазовую чувствительность когерентного рефлектометра.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ИРЭ РАН, научных сессиях Общества им. А.С. Попова в 2000, 2002, 2004 и 2008 г., Европейской конференции по Оптическим сетям и связи (Австрия, 2003), Международной конференции по волоконно-оптическим датчикам (Италия, 1993), Международных конференциях ISFOC (Санкт Петербург, 1992, 1993г.), во Всероссийской конференции по волоконной оптике (г. Пермь, 2007).
Публикации.
По теме работы опубликовано 21 работ включая 9 статей в реферируемых журналах, 12 публикаций в сборниках трудов конференций и тематических сборниках, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации.
Метод когерентной частотной рефлектометрии (C-OFDR)
Впервые возможности применения метода когерентной частотной рефлектометрии для детектирования фазовых набегов световых волн в отдельных отрезках волокна и мультиплексирования ВОД были рассмотрены в работах [61-66]. В [65] рассмотрен принцип мультиплексирования ВОД, представляющих собой участки одномодового оптического волокна, расположенные между отражателями с малыми значениями коэффициентов отражения (интерферометры Фабри-Перо низкого контраста) и объединенные в общую волоконную линию. В качестве источника излучения в когерентном частотном рефлектометре применялся Не-Ые лазер, частота излучения которого изменялась по линейному закону; в схеме когерентного рефлектометра применялся автодинный прием излучения. При изменении частоты лазера по линейному закону, отклик фотоприемника на отраженный сигнал представляет собой суперпозицию гармонических составляющих, частота которых пропорциональна групповому запаздыванию отраженных волн, амплитуда - амплитуде этих волн, а фаза определяется фазовой задержкой излучения в световоде. Расстояние между отражателями в световоде (база Фабри-Перо) выбиралось большим, чем пространственное разрешение когерентного частотного рефлектометра, которое определялось частотой девиации линии лазерного излучения, равной 500мГц, и составляло = 20см. В этом случае, с помощью низкочастотного фильтра, можно выделять гармонические составляющие в сигнале фотоприемника, соответствующие отражению от каждого отражателя. Тогда, измеряя разность фаз в гармонических составляющих, соответствующих отражению от двух соседних отражателей, можно определить фазовую задержку световых волн, при распространении их на участке световода между отражателями. Таким образом, участки световода между отражателями рассматриваются как чувствительные элементы волоконно-оптического датчика, включенные последовательно в единую волоконную линию. Поскольку в методе когерентной частотной рефлектометрии положение каждого чувствительного элемента в линии кодируется своей частотой, то длины световодов в чувствительных элементах выбирались независимо. Авторы отмечают, что во избежание перекрестных помех, обусловленных многократными переотражениями в световоде, коэффициенты отражений отражателей должны быть достаточно малыми. Кроме этого, малость коэффициента отражения позволяет увеличивать число чувствительных элементов в линии. В работе использовался автодинный прием излучения, отраженного от чувствительных элементов обратно в лазер. Как показано в [67, 68], при измерении малых отражений с помощью Не-Ые лазера, этот метод позволяет реализовать чувствительность, близкую к квантовому пределу. Помимо этого, применение автодинного приема упрощает оптическую схему рефлектометра и снижает требование к уровню мощности зондирующего излучения. Частотное модулирование Не-№ лазера осуществлялось путем изменения длины резонатора с помощью пьезокерамических пластин, наклеиваемых на лазерную трубку. Используя данную схему, авторы определили динамический диапазон когерентного частотного рефлектометра с автодинным приемом отраженного от торца световода излучения. По их данным динамический диапазон составил 104 по амплитуде, что позволило сделать выводы о том, что в первом приближении амплитудными шумами лазера можно пренебречь. Другое ограничение на динамический диапазон и число отражателей (датчиков) авторы связывают с обратным рэлеевским рассеянием излучения в световоде. Так как из-за конечного пространственного разрешения метода, амплитуда отраженного сигнала определяется не только амплитудными коэффициентами дискретных отражателей, но и суммарной амплитудой волн, отраженных от рэлеевских рассеивающих центров в участке световода, соответствующего интервалу разрешения рефлектометра [69]. Однако возможности использования сигналов обратного рэлеевского рассеяния для создания распределенных ВОД в данной работе не обсуждались, т.к. авторы работали только с сигналами френелевского отражения на границе световод-воздух, которые более чем в 10 превышали сигнал обратного рэлеевского рассеяния в световоде.
На возможность и необходимость использования сигналов обратно отраженных от рэлеевских рассеивающих центров, для создания распределенных и мультиплексных систем ВОД, было впервые указано в работах [3,7,10]. Там же более подробно описаны особенности метода когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения и предложен ряд схем распределенных ВОД. В ряде последующих работ [7073] исследовались различные схемы когерентных-частотных рефлектометров, обеспечивающие более высокую чувствительность и пространственное разрешение, и обсуждались пути создания распределенных датчиков на основе метода когерентной частотной рефлектометрии. Однако полный анализ возможностей данного метода до сих пор отсутствует. Остается также до конца нерешенной проблема перестройки частоты излучения лазера (линейно-частотной модуляции) в широком диапазоне частот, от которого зависит пространственное разрешение метода, проблема создания частотных или фазовых волоконно-оптических модуляторов [74].
В идеальном случае рефлектометрическая система должна иметь пространственное разрешение, достаточное для идентификации близко расположенных друг к другу объектов исследования. Этими объектами могут быть интегрально-оптические компоненты оптических сетей, подлежащих тестированию, либо внешние источники механических возмущений, местонахождение которых должно быть определено с высокой степенью точности, вплоть до одного десятка микрон [75,76]. Во временных рефлектометрах пространственное разрешение и частотная полоса фотоприемного тракта определяются длительностью зондирующего импульса. При этом, чем уже зондирующий импульс, тем шире полоса частот фотоприемника. Это приводит к большим уровням шумов и, таким образом, к ухудшению динамического диапазона измерений временной рефлектометрической системы. В то же время, динамический диапазон частотных рефлектометров, в которых используется линейная частотная модуляция оптического излучения, не зависит от пространственного разрешения системы [77]. Эта особенность частотных рефлектометров дает возможность получить высокое пространственное разрешение без ухудшения динамического диапазона системы. Сочетание метода частотной рефлектометрии со способом когерентного оптического детектирования света (метод когерентной частотной рефлектометрии [70]) дает дополнительный выигрыш по чувствительности, присущий когерентным частотным рефлектометрам. Таким образом, наиболее критическим компонентом когерентных частотных рефлектометров является оптический источник. Длина когерентности оптического излучения ограничивает максимальную длину зондируемой линии, а диапазон девиации оптической частоты (диапазон ЛЧМ) источника излучения определяет пространственное разрешение системы. Следовательно, для реализации преимуществ когерентных частотных рефлектометров необходимы перестраиваемые в широком диапазоне частот когерентные источники оптического излучения с максимально узкой линией излучения.
Экспериментальные исследования интерференционных эффектов при обратном рэлеевском рассеянии
Схема экспериментальной установки для проверки чувствительности прототипа интерференционного датчика приведена на рис.2.1. В качестве источника излучения мы использовали лазер «Lightwave Electronicslll», работающий на длине волны 1520нм в режиме излучения гигантского импульса. Лазер излучал импульсы света шириной 7нс с частотой 2кГц, при этом средняя мощность излучения составляла 10мВт. Для приема сигнала использовался интегратор, который позволял подавать на осциллограф сигнал с фиксированного участка рефлектограммы. Постоянная времени интегратора была ЗОмс.
В эксперименте использовалась линия из одномодового оптического волокна длиной 21м. Флуктуации на рефлектограмме не могут быть объяснены наличием шума, так как флуктуации остаются стабильными в течение нескольких секунд. С другой стороны, флуктуации полностью изменяются в течение нескольких минут, поэтому микроизгибы и изменения в рассеивающих свойствах волокна не могут вызвать подобные флуктуации рефлектограммы. Эти флуктуации можно объяснить с одной стороны, воздействием изменения температуры на ряд интерферометров Фабри-Перо, а с другой - интерференцией рассеянных волн со случайными фазами. Значительная амплитуда флуктуаций на рис.2.За, показывает, что длина когерентности лазера сравнима с пространственным разрешением рефлектометра, и мы имеем возможность детектировать интерференцию между рассеянными волнами.
Чтобы оценить перекрестные помехи системы, мы подали на два модулятора одновременно различные сигналы модуляции и наблюдали, что влияние сигнала одного модулятора на изменение рефлектограммы в месте расположения другого пренебрежимо мало. Таким образом, мы оценили, что перекрестные помехи лучше, чем - 25дБ. Пространственное разрешение системы составило 0,7м, что совпадает с разрешением рефлектометра по выражению (2.11).
Соответствие между удлинением волокна и изменением рефлектограммы представлено на рис.2.4, при этом задержка соответствует положению одного из модуляторов. Согласно теоретическим результатам (2.2), интенсивность изменялась подобно сигналу дву лучевого интерферометра. Фазовая чувствительность, оцененная по уровню шума, составляла 6x10 рад/Гц .
Для демонстрации прототипа системы распределенных интерферометрических датчиков мы использовали серийный рефлектометр ANDO 7140D, работающий на длине волны 1.3 Юнм. Импульс света, продолжительностью 100нс, распространялся в одномодовом волокне длиной 11км. Процесс усреднения при снятии одной кривой занимал 2с. Фазовая модуляция вызывалась нагревом участка волокна длиной 30м, расположенного на расстоянии 6км от ближнего конца волокна. Скорость нагрева составляла 2К/с. После этого производилась цифровая обработка полученной рефлектограммы на персональном компьютере.
Типичные рефлектограммы, полученные нами, представлены на рис.2.56. Кривые имеют существенные различия одна от другой на участке, соответствующем месту нагрева. Такое поведение сигнала свидетельствует о том, что значительная часть флуктуации в рефлектограмме связана с интерференцией световых волн, возникающих при рэлеевском рассеянии. Пространственное разрешение определения зоны нагрева составляло 10м, что совпадает с разрешением рефлектометра. Этот результат подтверждает теоретические предположения и демонстрирует мультиплексирование более чем 1000 чувствительных элементов в прототипе системы интерференционных датчиков.
Распределенный датчик измерения температуры способен детектировать изменение температуры 0.2К/с. Порог чувствительности датчика к изменению оптической фазы был 1.2-10 рад при длине волокна 30м, времени усреднения 2с и стандартной фазовой чувствительности волокна к нагреву 100рад/мС. Низкая фазовая чувствительность объясняется малой длиной когерентности источника излучения рефлектометра. Усреднение сигнала по спектру ведет к значительному уменьшению чувствительности из-за сильной зависимости дополнительного сдвига фаз фо от частоты. Очевидно, что при использовании более когерентного источника света чувствительность датчика будет выше.
Преимущества системы, описанной выше, перед предыдущими распределенными системами датчиков такие же, как и обычные преимущества временной рефлектометрии перед частотной рефлектометрией [75,84,85]. В системах с частотным мультиплексированием может одновременно опрашиваться не более 30 чувствительных элементов, при этом перекрестные помехи не ниже 17дБ [10]. Временное мультиплексирование позволяет достигнуть опроса не менее чем 1000 чувствительных элементов, при этом перекрестные помехи не превосходят - 25дБ. Поэтому система с временным мультиплексированием может служить прототипом реальной системы мультиплексных датчиков. С другой стороны, системы датчиков с частотным мультиплексированием имеют преимущество по чувствительности из-за когерентного приема сигнала. Например, распределенный датчик изменения температуры с частотным мультиплексированием может детектировать темп изменения температуры 0.014К/с [85], что в 10 раз лучше, чем в нашем эксперименте. Этот результат показывает высокий потенциал для улучшения рассматриваемой схемы путем использования более чувствительного фотоприемника и более когерентного источника излучения.
Генерация лазера при наличии одного дискретного отражателя
Поскольку внешним сигналом в рассматриваемой оптической схеме является отраженное лазерное излучение, его можно выразить через поле Е. Предположим, что оптически связанный с лазером световод является стационарной системой. Тогда внешний сигнал можно записать как свертку функции, описывающей излучение лазера Е(/), с импульсным откликом волокна Я(0: Е Л, ф)
Ш А Дальнейший анализ уравнения (3.3) подразумевает разделение комплексной амплитуды на вещественную часть и комплексный фазовый множитель: Е(;) = Л(/)ехр[-/Ф(0]. Кроме того, будем пренебрегать мнимой частью сг, так как, слабый эффект затягивания частоты, вызванный этим членом, можно легко учесть малой коррекцией частоты резонатора а с. После этих замен, получим два базисных уравнения, для анализа влияния волоконно- оптической обратной связи на генерацию лазера.
Предположим, что отклонение интенсивности генерации лазера Л/= А2(0-Ад, обусловленное обратным отражением, мало по сравнению с интенсивностью /0 = а стационарной генерации уединенного лазера.
Физический смысл параметра насыщения 1за1, введенного в этом уравнении, очевиден - это интенсивность генерации, при которой усиление а уменьшается в два раза по сравнению с ненасыщенным значением сг0 (в Не- Ие лазере, как правило /0«/от,).
Сначала получим квазистационарное решение уравнений (3.4) и (3.5), пренебрегая первым членом в (3.4) и заменяя разность фаз в подынтегральном выражении на у&, где у = — - изменение частоты генерации, обусловленное обратной связью. Как мы увидим позже, эта замена эквивалентна предположению, что время изменения амплитуды и частоты генерации меньше, чем время задержки в петле обратной связи, поэтому в правой части уравнения (3.4), вместо Л (7 - , можно использовать А(0. Дальнейшее преобразование уравнений (3.4) и (3.5) с учетом сказанного приводят к следующим выражениям: где М(со) - Фурье-образ импульсного отклика H(t). В терминах теории цепей М(со) можно назвать частотной передаточной функцией цепи обратной связи, хотя в оптике, возможно, удобнее считать М{со) диагональным элементом матрицы Джонса. Таким образом, как амплитуда, так и частота генерации лазера определяются передаточной функцией волоконного световода, взятой на мгновенной частоте генерации со0 + rt + v.
следовательно, расстоянию до отражателя. Тогда оптическая фаза 2уйг преобразуется в сигнал биений, который после детектирования фотодиодом, стоящим за "глухим" зеркалом (рис.3.1), можно обработать, используя радиотехнические методы демодуляции фазы.
Как видно из уравнения (3.8), постоянная т0 времени установления автодинного сигнала является фактором, ограничивающим частотную полосу ЧМН, при использовании автодинного способа детектирования излучения. Очевидно, что это очень важный параметр, поскольку он определяет максимальное число отражателей (или датчиков) в схеме когерентного частотного рефлектометра с автодинным приемом излучения.
Мы преднамеренно умножили обе части уравнения (3.9) на г, чтобы получить безразмерный параметр в = ycrR. Считая световод однопроходным резонатором, этот параметр можно интерпретировать как отношение добротностей волоконного и, собственно, лазерного резонаторов. Легко видеть, что он определяет степень нелинейности лазера с оптической обратной связью: если в«\, то можно пренебречь членом vr в уравнении для интенсивности и отраженный свет вызовет гармонический сигнал биений, как в случае традиционного интерферометрического датчика, использующего метод ЧМН. В другом предельном случае, когда 0— 1, имеет место конкуренция между двумя резонаторами и теперь, при рассмотрении уравнения интенсивности генерации, нельзя пренебречь изменением частоты у, вызванным сигналом отражения.
Нелинейность системы уравнений (3.8) и (3.9) приводит к искажениям гармонического сигнала cos Qt или к появлению спектральных компонент на частотах nQ. На рис.3.2 показаны относительные амплитуды первых трех гармоник в диапазоне 0 9 1, чтобы продемонстрировать, насколько важны нелинейные эффекты, с которыми в свою очередь связана проблема перекрестных помех, обсуждаемая в п. 3.3.
Любопытно отметить интересную особенность автодинного детектирования: сигнал биений пропорционален интенсивности Isal, которая постоянна для данного лазера и не зависит от текущей интенсивности генерации, являющейся функцией тока накачки. Поэтому следует ожидать, что шумовой фактор, связанный с нестабильностями интенсивности, будет подавляться. Кроме того, при I«Isa, (что почти всегда имеет место для Не- Ne лазеров), можно добиться дополнительного усиления отраженного сигнала. «ь а2; а3 (отн. ед.).
Для того, чтобы оценить чувствительность волоконно-оптического датчика, использующего автодинное детектирование, нужно ввести источники амплитудных и фазовых шумов в уравнении (3.4), (3.5) и решить их для заданного в. Однако это достаточно трудоемкая и громоздкая задача, и мы будем ссылаться на результаты, полученные Берштейном [67] в пределе слабой оптической обратной связи: (3-11) где / - интенсивность генерации; й - постоянная Планка; АР - ширина полосы системы; А р - фазовая чувствительность автодина.
По существу, уравнение (3.11) означает, что в датчике, использующем автодинное детектирование, уровень фундаментального шума не сильно отличается от уровня шума традиционных интерферометров, при условии, что можно пренебречь множителем уе/ус. Действительно, этот множитель учитывает потери, обусловленные рассеянием и поглощением на зеркалах резонатора, которые невелики в Не-Ые лазерах.
Экспериментальные исследования волоконно-оптического фазового модулятора
В режиме одномодовой генерации лазера аг=0, В=0, и, на фотоприемник падает амплитудно-модулированная волна, частота модуляции которой периодически меняется от 0 до Птах = фтОт. В моменты времени, для которых справедливо соотношение Г2т1 « 1, наблюдается линейный закон модуляции частоты и огибающая фототока, в этом случае, равна: (4.23)
Выражение (4.22) представляет также практический интерес для задачи определения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) фотоприемных структур: на экране осциллографа в качестве огибающей фототока непосредственно визуализируется частотный отклик фотоприемника.
Для калибровки фазового модулятора более удобен двухмодовый режим генерации лазера ai=a2 и В О. В этом случае фотоприемник регистрирует биения не только вблизи нулевой частоты, но и еще в моменты т, для которых выполняется условие П(т)=Аю.
Теперь проанализируем факторы определяющие диапазон девиации- частоты. Индекс модуляции фазы срт, следовательно, и диапазон девиации мгновенной частоты Г2тах световой волны пропорционален амплитуде деформаций волокна. Пусть Л1 — амплитуда деформации половины витка волокна, N - число витков, тогда: (4.25), где X - длина волны излучения, п — показатель преломления сердцевины волокна. Из общих соображений амплитуда колебаний резонатора, а значит и деформация волокна А1, ограничивается тремя параметрами: - пределом упругости оптического волокна; - мощностью, переданной составному резонатору; - пределом упругости материала резонатора.
Предел упругости волокна достигается лишь при относительных деформациях волокна порядка 1% [74], такие деформации в динамическом режиме можно достичь только в металлических стеклах, либо подвергнутой специальной обработке бериллиевой бронзе.
Что касается последних двух параметров, то как и в случае пьезокерамического модулятора [2] при низких добротностях резонатора основным фактором ограничивающим амплитуду деформаций является мощность, переданная резонатору. Однако, ситуация коренным образом изменяется в случае очень больших добротностей, поскольку легко можно достичь деформации соответствующие пределу упругости. Остановимся подробнее на последнем случае.
Формула (4.26) получена в предположении малости толщины стенки цилиндра с1 по сравнению с радиусом Го. Все наши дальнейшие формулы также будут относиться случаю тонкостенного цилиндра . Физический смысл выражения под знаком корня - удельная упругая энергия, запасенная в единице массы деформированного элемента. Таким образом из (4.28) следует, что величина диапазона девиации мгновенной частоты определяется модулем упругости Е, плотностью р материала модулятора и значением упругого напряжения СУ. В действительности же максимально допустимое упругое напряжение сг ограничено пределом упругости сгупр материала модулятора, т.к. для значений а аупр нарушается условие применимости закона Гука, осциллятор становится нелинейным и система выходит из резонанса.
Известно [92], что величина д/о /рЕ максимальна для цветных сплавов на основе сплавов меди. Причем существует промышленно освоенная технология термической обработки, позволяющая увеличить более чем на порядок величину предела упругости сгупр.
Из последнего выражения видно, что для увеличения диапазона девиации частоты необходимо снизить частоту резонанса Пт и повысить соответственно добротность и переданную резонатору мощность.
Источником излучения в эксперименте является Не-Ые лазер ЛГН-207 (X = 0,63д.т.). По сравнению с серийной модификацией в нашем макете была предусмотрена возможность перестройки частоты резонатора относительно контура усиления, что позволяло осуществлять переключение лазера с двухмодового на одномодовый режим излучения. В качестве интерферометрической схемы была выбрана конфигурация двухлучевого интерферометра (рис. 4.4), в сигнальное плечо которого был внесен фазовый модулятор.
Волоконно-оптический фазовый модулятор состоял из ЗООм одномодового световода, намотанного в 7 слоев, виток к витку (г 1000 витков), на электромеханический составной резонатор, который представлял из себя два упругих цилиндрических элемента из бронзы, приложенных друг к другу вдоль образующей. С помощью пьезокерамических преобразователей возбуждалась основная изгибная мода цилиндрического упругого элемента на частоте 4,9кГц, при этом в ненагруженном режиме, когда количество витков было около 10, добротность модулятора была 1000. На обкладки пьезокерамических преобразователей подавалось однополярное переменное напряжение с амплитудой =150У. Когда лазерный источник находился в двухмодовом режиме генерации на осциллограмме возникали симметричные выбросы (рис. 4.5), описываемые вторым членом в (2.22) и соответствующие частоте А\ = 650МГц межмодовых биений. Расчет девиации мгновенной частоты, создаваемой фазовым модулятором, был такой же, как в [2] и согласно (4.31) дал ЮГГц, что соответствует полному диапазону перестройки частоты источника 20ГГц.
По мере увеличения амплитуды колебаний при ст ступр существенную роль начинает играть ангармонизм возвращающей силы, что сказывается на появлении нелинейной зависимости между частотой резонанса и амплитудой вынуждающей силы, в итоге резонансная кривая становится изогнутой, типичной для нелинейного осциллятора. На рис. 2.6 приведен характерный вид резонансной кривой в режиме колебаний с конечной амплитудой.
Оценка переданной мощности Р из формулы (4.31) соответствующей диапазону девиации мгновенной частоты АУ = ЮГГц дала Р = 12вт. Однако на эксперименте мы не наблюдали нагрев резонатора. Это доказывает справедливость анализа в разделе 4.1, где показано, что добротность резонатора в основном определяется сопротивлением реакции излучения звука колебательной системой в окружающее пространство. По нашему мнению использование термически обработанного материала из бериллиевой бронзы позволит повысить диапазон девиации мгновенной частоты до ЮОГГц (соответственно диапазон перестройки 200ГГц) при числе витков 1000, что сравним с диапазоном перестройки полупроводниковых лазеров. В этом случае методом когерентной частотной рефлектометрии можно получить пространственное разрешение до 10"3м и меньше. Такие датчики могут найти применение при контроле коротких волоконных линий связи между блоками аппаратуры и в интегральной оптике.
