RU2214584C1 - Brillouin optical reflectometer - Google Patents
Brillouin optical reflectometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2214584C1 RU2214584C1 RU2002110303A RU2002110303A RU2214584C1 RU 2214584 C1 RU2214584 C1 RU 2214584C1 RU 2002110303 A RU2002110303 A RU 2002110303A RU 2002110303 A RU2002110303 A RU 2002110303A RU 2214584 C1 RU2214584 C1 RU 2214584C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- input
- output
- generator
- photodetector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники, техники связи и оптоэлектроники и может быть использовано в электротехнической промышленности, промышленности средств связи при производстве оптических волокон и волоконно-оптических кабелей, а также при прокладывании и эксплуатации волоконно-оптических трактов. The invention relates to the field of measurement technology, communication technology and optoelectronics and can be used in the electrical industry, communications industry in the production of optical fibers and fiber optic cables, as well as in the laying and operation of fiber optic paths.
Известно устройство для измерения характеристик оптических волокон, включающее полупроводниковый источник оптического излучения, оптический направленный ответвитель, фотоприемник, смеситель, анализатор спектра, генератор напряжения, частота которого изменяется по пилообразному закону. A device for measuring the characteristics of optical fibers, including a semiconductor source of optical radiation, an optical directional coupler, a photodetector, a mixer, a spectrum analyzer, a voltage generator, the frequency of which varies according to a sawtooth law.
Работа устройства заключается в том, что на вход контролируемого волоконно-оптического тракта направляют оптическое излучение, интенсивность которого промодулирована по пилообразному закону, при этом измеряют параметры оптического сигнала на выходе фотоприемника, установленного на выходе ответвителя таким образом, что этот фотоприемник принимает оптический сигнал обратного рассеяния. Величина отраженной оптической мощности от неоднородностей в оптическом волокне определяется амплитудами спектральных составляющих, образующихся на выходе смесителя в результате смешения исходного модулирующего сигнала от генератора, частота которого изменяется по пилообразному закону, и выходного сигнала фотоприемника. О расстоянии до неоднородности можно судить по величине задержки оптического сигнала. Чем задержка оптического сигнала больше, тем разностная частота, образующаяся при смешении двух сигналов, будет больше. Образующийся спектр отражает расположение и величину неоднородностей в оптическом волокне. Недостатком устройства является мешающее влияние паразитных комбинационных спектральных составляющих, а также спектральных составляющих, образующихся в зонах обращения, в момент обратного хода пилообразного напряжения. Кроме того, устройство регистрирует рэлеевское обратное рассеяние оптических сигналов и не может зарегистрировать бриллюэновское рассеяние, характеризующее напряженное состояние оптического волокна. The operation of the device is that optical radiation is directed to the input of the controlled fiber optic path, the intensity of which is modulated according to a sawtooth law, while measuring the parameters of the optical signal at the output of the photodetector installed at the output of the coupler in such a way that this photodetector receives an optical backscattering signal . The magnitude of the reflected optical power from the inhomogeneities in the optical fiber is determined by the amplitudes of the spectral components formed at the output of the mixer as a result of mixing the initial modulating signal from the generator, the frequency of which changes according to a sawtooth law, and the output signal of the photodetector. The distance to the heterogeneity can be judged by the magnitude of the delay of the optical signal. The longer the delay of the optical signal, the greater the difference frequency that is produced by mixing the two signals will be greater. The resulting spectrum reflects the location and magnitude of the inhomogeneities in the optical fiber. The disadvantage of this device is the interfering effect of parasitic Raman spectral components, as well as spectral components formed in the zones of circulation, at the time of the reverse sawtooth voltage. In addition, the device detects Rayleigh backscattering of optical signals and cannot detect Brillouin scattering, which characterizes the stress state of the optical fiber.
Известен бриллюэновский рефлектометр, позволяющий измерять рефлектограммы, представляющие собой зависимость интенсивности обратного рэлеевского рассеяния от длины оптического волокна для набора длин волн оптического излучения и бриллюэновское рассеяние, наиболее близкое по своей технической сущности к изобретению [1], содержащее:
- полупроводниковый одночастотный источник оптического излучения;
- частотный двигатель, выполняющий одновременно роль импульсного модулятора интенсивности оптического излучения;
- два направленных ответвителя оптического излучения;
- объединитель оптического излучения;
- зеркало;
- фотоприемник;
- устройство выбора и накопления импульсных сигналов, формирующее рефлектограммы;
- спектроанализатор, измеряющий сдвиг оптической частоты;
- устройство обработки, определяющее положение максимума кривой рассеивания для каждой длины волокна, которое и соответствует бриллюэновскому сдвигу частоты.Known Brillouin reflectometer, which allows you to measure reflectograms, which are the dependence of the intensity of the Rayleigh scattering on the length of the optical fiber for a set of wavelengths of optical radiation and Brillouin scattering, the closest in technical essence to the invention [1], containing:
- a semiconductor single-frequency source of optical radiation;
- a frequency motor that simultaneously performs the role of a pulsed modulator of the intensity of optical radiation;
- two directional couplers of optical radiation;
- combiner of optical radiation;
- a mirror;
- photodetector;
- a device for selecting and accumulating pulse signals, forming reflectograms;
- a spectrum analyzer measuring the shift of the optical frequency;
- a processing device that determines the position of the maximum of the scattering curve for each fiber length, which corresponds to the Brillouin frequency shift.
Оптический вход фотоприемника связан с выходом объединителя. На один вход объединителя приходит оптический сигнал от направленного ответвителя, установленного между источником излучения и двигателем частоты лазера. На другой вход сигнал приходит через отклоняющее зеркало от другого направленного ответвителя, установленного между двигателем частоты и контролируемым волокном. The optical input of the photodetector is connected to the output of the combiner. An optical signal from a directional coupler installed between the radiation source and the laser frequency motor arrives at one input of the combiner. At another input, the signal comes through a deflecting mirror from another directional coupler installed between the frequency motor and the controlled fiber.
Устройство позволяет измерять рефлектограммы оптических волокон, а также расстояние до места напряженного состояния оптического волокна, характеризующееся низкой надежностью. Для измерения рефлектограммы используется оптический измерительный сигнал, представляющий собой короткий импульс. Длительность импульса определяет разрешающую способность и точность измерения расстояний. Чем импульс излучения короче, тем выше разрешение и точность измерений. Для измерения мест с натяжением волокна, находящегося в напряженном состоянии, в устройство введен сдвигатель частоты излучения, позволяющий измерять рефлектограммы на различных фиксированных длинах волн оптического излучения. Места расположения напряженного состояния волокна определяются путем сравнительного анализа полученных рефлектограмм. Недостатками устройства являются:
- необходимость использования коротких широкополосных измерительных оптических сигналов, длительность сигналов определяет разрешение и точность измерения рефлектометра;
- невысокий динамический диапазон измерений, так как в цепи прохождения измерительных сигналов два разветвителя и один объединитель.The device allows you to measure traces of optical fibers, as well as the distance to the place of stress state of the optical fiber, characterized by low reliability. To measure the trace, an optical measuring signal is used, which is a short pulse. The pulse duration determines the resolution and accuracy of distance measurements. The shorter the radiation pulse, the higher the resolution and accuracy of the measurements. To measure places with tension of a fiber in tension, a radiation frequency shifter is introduced into the device, which makes it possible to measure reflectograms at various fixed wavelengths of optical radiation. The locations of the stress state of the fiber are determined by a comparative analysis of the received reflectograms. The disadvantages of the device are:
- the need to use short broadband measuring optical signals, the duration of the signals determines the resolution and accuracy of the OTDR measurement;
- low dynamic range of measurements, as in the chain of measurement signals there are two splitters and one combiner.
Предложенное устройство решает задачи упрощения, повышения разрешающей способности и динамического диапазона измерений. The proposed device solves the problem of simplification, increasing resolution and dynamic range of measurements.
Сущность изобретения заключается в том, что в устройство введены узкополосный оптический фильтр, задающий генератор и генератор линейно изменяющегося тока, причем выход задающего генератора подключен к входу генератора линейно изменяющегося тока, а выход генератора линейно изменяющегося тока подключен к входу полупроводникового источника излучения. The essence of the invention lies in the fact that a narrow-band optical filter is introduced into the device, which sets the oscillator and the generator of linearly varying current, the output of the oscillator being connected to the input of the ramp generator, and the output of the ramp generator connected to the input of a semiconductor radiation source.
На фиг.1 изображена структурная схема бриллюэновского рефлектометра. Figure 1 shows the structural diagram of a Brillouin reflectometer.
Устройство состоит из узкополосного оптического фильтра 1, фотоприемника 2, устройства выбора и накопления 3, устройства обработки 4, задающего генератора 5, генератора линейно изменяющегося тока 6, полупроводникового источника оптического излучения 7, направляющего оптическое излучение в измеряемый отрезок оптического волокна через последовательно установленные оптический ответвитель 8 и оптический соединитель 9. The device consists of a narrow-band
Устройство работает следующим образом:
Задающий генератор 5 вырабатывает прямоугольные импульсы напряжения (см. эпюру а на фиг.2), запускающие генератор линейно изменяющегося тока 6, который вырабатывает ток накачки полупроводникового источника излучения. Форма тока, вырабатываемая генератором 6, представлена на фиг.2, эпюра б. Диапазон изменения тока накачки от Imin до Imax. Период следования прямоугольных импульсов должен быть больше либо равен сумме максимально возможной удвоенной задержке оптического сигнала в волокне и длительности прямого хода пилообразного тока. При этом условии отсутствует влияние на результаты измерений зон обращения, возникающих в момент обратного хода пилы. При изменении тока накачки полупроводникового источника излучения изменяется не только оптическая излучаемая мощность, но и длина волны оптического излучения [2].The device operates as follows:
The master oscillator 5 generates rectangular voltage pulses (see diagram a in FIG. 2), triggering a ramp generator 6, which generates a pump current of a semiconductor radiation source. The shape of the current generated by the generator 6 is presented in figure 2, plot b. The range of variation of the pump current is from I min to I max . The rectangular pulse repetition period should be greater than or equal to the sum of the maximum possible doubled delay of the optical signal in the fiber and the duration of the forward path of the sawtooth current. Under this condition, there is no effect on the measurement results of the zones of circulation that occur at the time of the reverse stroke of the saw. When the pump current of a semiconductor radiation source changes, not only the optical radiated power changes, but also the wavelength of the optical radiation [2].
Оптический измерительный сигнал, представляющий собой непрерывное излучение с длиной волны, изменяющейся по пилообразному закону, направляются через последовательно установленные оптический ответвитель 8 и оптический соединитель 9 в контролируемый отрезок оптического волокна (волоконно-оптический тракт). An optical measuring signal, which is a continuous radiation with a wavelength that varies according to a sawtooth law, is routed through a series-mounted optical coupler 8 and an optical connector 9 into a controlled segment of an optical fiber (optical fiber path).
Оптический ответвитель 8 установлен таким образом, что излучения обратного рассеяния из оптического волокна направляется на оптический вход фотоприемника 2 через узкополосный фильтр 1, пропускающий диапазон длин волн Δλ, см. эпюру в на фиг.2. Эпюры оптических сигналов обратного рассеяния, поступающие на вход оптического фильтра, представлены также на эпюре в, фиг.2. Если на некотором участке увеличивается натяжение волокна, внутренние напряжения в волокне растут, в стекле возникают гиперзвуковые волны [1]. Вследствие эффекта Доплера оптическая частота рассеянного сигнала от такого участка волокна будет отличаться от частоты полупроводникового источника оптического излучения и как следствие от частоты рэлеевского рассеяния (см. эпюру в, фиг.2, момент времени T1). В момент времени Т2 сигнал рассеяния от напряженного участка волокна заканчивается и частота оптического сигнала, поступающего на оптический фильтр, возвращается к первоначальному значению. На эпюре г, фиг. 2 представлен сигнал на выходе фотоприемника 2. Сигнал представляет собой совокупность импульсных сигналов, длительность которых зависит от крутизны линейного участка пилы (графика зависимости длины волны оптического излучения λ от времени t) и полосы пропускания оптического фильтра Δλ и может быть определена из выражения:
где Δλ - полоса пропускания оптического фильтра, К - скорость изменения длины волны оптического излучения (крутизна линейного участка пилы).The optical coupler 8 is installed in such a way that the backscattering radiation from the optical fiber is directed to the optical input of the photodetector 2 through a narrow-
where Δλ is the passband of the optical filter, K is the rate of change of the wavelength of the optical radiation (the steepness of the linear section of the saw).
Дальнейшая обработка сигнала (выбор, накопление, усреднение) аналогична обработке сигналов в импульсном рефлектометре и осуществляется в устройстве выбора и накопления 3, засинхронизированным импульсами, вырабатываемыми генератором 5, и в устройстве обработки 4. Further signal processing (selection, accumulation, averaging) is similar to signal processing in a pulse reflectometer and is carried out in a selection and
На фиг. 3, а представлен пример рефлектограммы оптического волокна, имеющего натянутый (напряженный) участок. Вносимых оптических потерь участок не вносит, так как скачков перепада уровня рефлектограммы нет. In FIG. 3a, an example of a reflectogram of an optical fiber having a stretched (stressed) portion is presented. The site does not introduce any optical loss, since there are no jumps in the difference in the level of the trace.
Положительный и отрицательный выбросы на рефлектограмме информируют о частоте колебаний фононов, а следовательно, и о степени ненадежности участка волоконно-оптического тракта. На фиг.3, б изображен пример рефлектограммы волокна, имеющего напряженный участок и неоднородность, вносящую оптические потери δ дБ. В месте локализации неоднородности наблюдается скачок уровня рефлектограммы. Positive and negative spikes on the trace inform about the frequency of phonon vibrations, and therefore about the degree of unreliability of the fiber optic section. Figure 3, b shows an example of the trace of a fiber having a stressed section and heterogeneity, introducing optical loss δ dB. At the site of localization of the heterogeneity, a jump in the level of the trace is observed.
Полоса пропускания оптического фильтра должна быть не менее спектра излучения полупроводникового источника в момент регистрации измерительного сигнала. В качестве полупроводникового источника оптического излучения выберем полупроводниковый источник излучения с брэгговской решеткой типа ПОМ-22 (источники выпускаются серийно фирмой АО "Нолатех"), имеющий следующие характеристики:
- длина волны излучения - 1,3 мкм;
- мощность излучения - 5 мВт;
- ширина спектра излучения - 500 кГц (3•10-6нм);
- быстродействие - 620 МГц.The passband of the optical filter must be at least the emission spectrum of the semiconductor source at the time of recording the measurement signal. As a semiconductor source of optical radiation, we will choose a semiconductor radiation source with a Bragg grating of the POM-22 type (sources are produced commercially by Nolatech JSC), which has the following characteristics:
- radiation wavelength - 1.3 microns;
- radiation power - 5 mW;
- radiation spectrum width - 500 kHz (3 • 10 -6 nm);
- performance - 620 MHz.
Исходя из быстродействия источника излучения, можно сформировать перепады тока накачки длительностью
τmin = 1/fmax, (2)
где fmaх - предельная частота модуляции (620 МГц). Подставляя значение предельной частоты в формулу (2), получим - τmin=1,6 нс. Будем формировать перепад тока накачки длительностью 3 нс. Диапазон перестройки длины волны источника излучения при изменении тока накачки на 0,01% составляет 10 нм. Крутизна линейного участка измерения тока накачки будет равна 3,3 нм/нс. Если выбрать оптический фильтр с полосой пропускания 2 нм (такие фильтры выпускает ГУП "Астрофизика"), то с помощью такого фильтра получим на выходе фотоприемника совокупность импульсов длительностью 0,6 нс. Исходя из времени распространения сигнала в оптическом волокне 5 нс/м, получим разрешение рефлектометра равным 0,1 м. Таким образом, устройство упрощается, в устройстве отсутствуют двигатель частоты, акустооптические модуляторы и другие сложные устройства. Повышается разрешение измерений. Бриллюэновский рефлектометр фирмы ANDO АQ-8602 обеспечивает пространственное разрешение 2 м. Динамический диапазон по сравнению с прототипом увеличивается как минимум на 6 дБ за счет исключения из состава устройства одного ответвителя и одного объединителя.Based on the speed of the radiation source, it is possible to form fluctuations in the pump current duration
τ min = 1 / f max , (2)
where f max is the maximum modulation frequency (620 MHz). Substituting the value of the limiting frequency in the formula (2), we obtain - τ min = 1.6 ns. We will form a difference in the pump current of 3 ns duration. The range of tuning the wavelength of the radiation source with a change in the pump current by 0.01% is 10 nm. The steepness of the linear portion of the pump current measurement will be 3.3 nm / ns. If we choose an optical filter with a passband of 2 nm (such filters are produced by GUP "Astrophysics"), then with the help of such a filter we obtain at the output of the photodetector a set of pulses with a duration of 0.6 ns. Based on the propagation time of the signal in the optical fiber of 5 ns / m, we obtain a reflectometer resolution of 0.1 m. Thus, the device is simplified, the device does not have a frequency motor, acousto-optical modulators and other complex devices. Increases measurement resolution. The ANDO AQ-8602 Brillouin reflectometer of the company provides a spatial resolution of 2 m. The dynamic range in comparison with the prototype increases by at least 6 dB due to the exclusion of one coupler and one combiner from the device.
Использованная литература:
1. Контроль надежности оптических кабелей с помощью бриллюэновской рефлектометрии "Фотон - Экспресс" 14, декабрь, 1998 г. (Статья представлена сервис - центром "Телеком - Комплект - Сервис").References:
1. Reliability control of optical cables using Brillouin reflectometry "Photon - Express" 14, December, 1998 (The article was submitted by the service center "Telecom - Set - Service").
2. В.Н. Легкий и др. Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров. - Томск, Радио и связь, 1990 г. 2. V.N. Light and others. Small-sized pump generators of semiconductor lasers. - Tomsk, Radio and Communications, 1990
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002110303A RU2214584C1 (en) | 2002-04-18 | 2002-04-18 | Brillouin optical reflectometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002110303A RU2214584C1 (en) | 2002-04-18 | 2002-04-18 | Brillouin optical reflectometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2214584C1 true RU2214584C1 (en) | 2003-10-20 |
Family
ID=31989067
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002110303A RU2214584C1 (en) | 2002-04-18 | 2002-04-18 | Brillouin optical reflectometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2214584C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444001C1 (en) * | 2010-11-23 | 2012-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Brillouin reflectometer |
-
2002
- 2002-04-18 RU RU2002110303A patent/RU2214584C1/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Контроль надежности оптических кабелей с помощью бриллюэновской рефлектометрии "Фотон - Эксаресс" 14, декабрь, 1998 г. (статья представлена сервис-центром "Телеком-Комплект-Сервис"). * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2444001C1 (en) * | 2010-11-23 | 2012-02-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ПетроФайбер" | Brillouin reflectometer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5322184B2 (en) | Distributed optical fiber sensor | |
| JP5322162B2 (en) | Distributed fiber optic pressure sensor | |
| JP5021221B2 (en) | Distributed optical fiber sensor | |
| US6700655B2 (en) | Optical fiber characteristic measuring device | |
| US9140624B2 (en) | Systems and methods reducing coherence effect in narrow line-width light sources | |
| JP5213125B2 (en) | Distributed optical fiber sensor | |
| JP4758227B2 (en) | Distributed optical fiber sensor | |
| US6856723B1 (en) | Group velocity dispersion measuring device and group velocity dispersion measuring method | |
| JP5148420B2 (en) | Optical fiber testing equipment | |
| US7208722B2 (en) | Measuring method and measuring apparatus for coherent crosstalk light | |
| RU2444001C1 (en) | Brillouin reflectometer | |
| RU2214584C1 (en) | Brillouin optical reflectometer | |
| JP3408789B2 (en) | Method and apparatus for measuring backscattered light | |
| JP3236661B2 (en) | Optical pulse tester | |
| RU2282142C1 (en) | Fiber-optic deformation sensor | |
| JP2923770B2 (en) | Method and apparatus for measuring return loss in optical fiber components | |
| CA2295780C (en) | Wavelength measuring system | |
| JP5618236B2 (en) | Fiber fuse remote sensing device | |
| JP2002090259A (en) | Semiconductor laser light source device and measuring apparatus for reflection in optical frequency region | |
| JPH05231923A (en) | Method and apparatus of measuring back scattering light | |
| JP2000081374A (en) | Method and device for measuring wavelength dispersion | |
| Wang et al. | Distributed nano-Strain Sensing Based on Random Fiber Grating Array | |
| US20220368098A1 (en) | Dual spectral variable-based optical frequency scanning laser light source and measurement device using the same and object angle-dependent distance measurement device using propagation angle switching for each optical frequency | |
| OGAWA et al. | A new technique for measuring a time-varying optical fiber strain | |
| Kashiwagi et al. | Measurement Range Elongation of Brillouin Fiber Sensor Using Optical Frequency Comb |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120419 |