NO340635B1

NO340635B1 - Deteksjon av forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder

Info

Publication number: NO340635B1
Application number: NO20092814A
Authority: NO
Inventors: Sergey Vladimir Shatalin; Sotiris Emil Kanellopoulos
Original assignee: Fotech Solutions Ltd
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2009-08-07
Publication date: 2017-05-15
Also published as: BRPI0718599A2; JP5273483B2; GB0622207D0; GB2443661B; EP2084505B1; JP2010509580A; RU2464542C2; RU2009121562A; GB2443661A; WO2008056143A1; NO20092814L; BRPI0718599B1; EP2084505A1; US20110199607A1; US8264676B2

Description

Oppfinnelsen vedrører et apparat og en fremgangsmåte for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder. Spesielt, men ikke utelukkende, vedrører oppfinnelsen forbedringer i fasefølsom Optisk Tids-Domene-Reflektometri (OTDR) for deteksjon av en eksternt indusert, tidsvarierende forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en monomodus optisk fiber.

OTDR er en etablert teknikk for analysering av forplantningen av lys i en optisk fiber. I telekommunikasjonsindustrien blir teknikken i stort omfang benyttet for å detektere og lokalisere ødeleggelse av optiske fibre. Mengden av lys som Rayleigh tilbakespres i en optisk fiber som en lyspuls som går langs fiberen, kan detekteres ved bruk av en fotodetektor som er anordnet ved enden av den optiske fiber i hvilken lyspulsen føres. Analysering av et signal som dannes av fotodetektoren og som er representativt for det detekterte, tilbakespredte lys over tid kan tillate bestemmelse av en romlig fordeling av mengden av lys som tilbakespres ved forskjellige punkter langs fiberen. Da mer lys blir enten absorbert eller tilbakespredt ved ødeleggelsessteder eller lignende, kan disse steder bli identifisert fra den bestemte romlige fordeling.

En relatert teknikk, kjent som fasesensitiv OTDR gjenkjenner at når lyspulsen er koherent og forplanter seg i en monomodus optisk fiber, vil komponenter av lyset som Rayleigh tilbakespres fra lyspulsene interferere med hverandre og danner et såkalt tidsmessig flekkmønster ved fotodetektoren. Intensiteten for det tidsmessige flekkmønsteret ved ethvert gitt tidspunkt avhenger av faseforskjellene mellom de forskjellige komponenter av Rayleigh tilbakespredt lys som når frem til fotodetektoren ved dette øyeblikk. Disse komponenter er blitt tilbakespredt fra lyspulsen når den var ved det tilsvarende rommessige sted i fiberen. Følgelig vil den momentare intensitet for det tidsmessige flekkmønsteret avhenge av betingelsene som påvirker fasen til lyset over den rommessige utstrekning av lyspulsen ved dette sted, feks. den lokale brytningsindeksen for fiberen. Enhver lokal variasjon i disse betingelser mellom suksessive lyspulser vil resultere i en forskjell mellom de momentane intensiteter for de tidsmessige flekkmønstre for de respektive lyspulser som svarer til dette sted. En sammenligning av signalene som dannes av fotodetektoren for koherente lyspulser som er overført suksessivt langs fiberen kan derfor tillate forandring i den lokale brytningsindeks, feks. forårsaket av eksterne påvirkninger så som en belastning som utøves på fiberen og som skal detekteres og lokaliseres.

Det er velkjent at for vanlig OTDR vil det tidsmessige flekkmønster som dannes av enhver koherent komponent av lyspulsen utgjøre støy i det ønskede fotodetektorsignal, som, i fravær av ødeleggelse eller lignende, ideelt skulle representere myk rommessig fordeling av tilbakespredt lys. Generelt er lyspulser som benyttes for konvensjonell OTDR derfor temmelig innkoherente, med rommessig bredde større enn rundt 500 GHz. Dette reduserer den relative fordeling av rommessig flekkmønster i forhold til intensiteten for tilbakespredt lys som mottas av fotodetektoren.

På den annen side for fasefølsom OTDR, vil tilbakespredt lys fra hvilken som helst innkoherent komponent av de koherente lyspulser ikke bidra til det rommessige flekkmønsteret og reduserer derfor nivået av det ønskede signal i den ønskede sammenligning mellom fotodetektorsignalet for suksessive lyspulser. Sammenligningen eller "forskjellssignalet" skulle ideelt bare representere forandringer i betingelsene som påvirker fasen over den rommessige utstrekning av lyspulsene ved forskjellige steder langs fiberen, som forårsakes av forandringer i eksterne påvirkninger som opptrer mellom transmisjon av respektive lyspulser. Tilstedeværelsen av forskjeller på grunn av forandring i tilbakespredningen av innkoherent lys er uønsket.

Således er det i en implementering av fasefølsom OTDR som er beskrevet i US

5 194 847 og forbedret i artikkelen "Polarisation Discrimination in a Phase-Sensitive Optical Time-Domapin Reflectometer Intrusion-Sensor System", Juan C. Juarex et al., Optics letters, bind. 30, nr. 24, 15. desember 2005, stipulert at lyspulsene bør være meget koherente. Mer spesifikt fastslår US 5 194 847 at spektralbredden til lyskilden bør være i størrelsesorden 10 kHz og den noe senere artikkel fastslår at spektralbredden for lyskilden bør være mindre enn 3 kHz. Denne snevre spektralbredde er beregnet på å redusere bidraget til fotodetektorsignalene av lys som er tilbakespredt fra den innkoherente komponent av hver lyspuls.

Ett problem med implementering er at billige kilder av meget koherent lys ikke er lett tilgjengelig. Skreddersydde lysbilder er blitt utformet i et forsøk på å imøtekomme kravene i US 5 194 847 og den ovennevnte artikkel, for eks. som beskrevet i artikkelen "Spectrally Stable Er-Fibre Laser for Application in Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry", Kyoo Nam Choi et al., IEEE Photonics Technology Letters, bind 15, nr. 3, mars 2003, men disse har en tendens til å være kostbare. De er også utsatt for frekvensdrift. Hvis frekvensdrift bevirker at frekvensen for lyskilden forandrer seg for meget mellom suksessive lyspulser, kan falske differanser mellom suksessive fotodetektorsignaler bli dannet. Naturligvis vil dette begrense effektiviteten for teknikken.

Et annet problem er at effekten av lyspulser som kan bli innført i den optiske fiber fra koherente lyskilder er begrenset av forskjellige fenomener, spesielt såkalte "ikke-lineære effekter". Spesielt Brillouin spredning bevirker at lys som skal være uelastisk tilbakespredt (feks. omdannet til bakover forplantet lys med en forskjellig bølgelengde i forhold til den for lyspulsen) resulterer i dempning av lyspulsen når den beveger seg langs den optiske fiber. Brillouin spredning opptrer ved alle lyspulseffekter, men over en gitt effektterskel øker den betydelig. I det vesentlige avhenger denne effektterskel av den spektrale bredde for lyspulsen. For en lyspuls med en spektralbredde mindre enn rundt 17 MHz og en bølgelengde rundt 1550 nm som beveger seg i en 10 km lang enkeltmodus optisk fiber fremstilt av silisiumdioksid ville effektterskelen være rundt 5 mW. Dette begrenser derfor effekten for lyspulsen som benyttes i implementeringen beskrevet i US 5 194 847 og den ovennevnte artikkel. Imidlertid skal det forstås at det er et krav for fotodetektoren at den skal motta så mye tilbakespredt lys som mulig for å danne et anvendbart signal. Således vil implementeringene som er beskrevet i US 5 194 847 og ovennevnte artikkel forsøke å imøtekomme disse krav ved å øke varigheten for lyspulsene istedenfor effekten for lyspulsene. I realiteten er i US 5 194 847 lyspulsen beskrevet som å ha en varighet på ca. 100 ns, og i den forbedrede versjon av teknikken som er beskrevet i artikkelen har lyspulsene som er beskrevet en varighet som er 2 us.

Det skal forstås at stedet for en forstyrrelse i forplantningen av lys i optisk fiber bare kan bli bestemt for den rommessige utstrekning av lyspulsene i fiberen, da intensiteten for det tidsmessige flekkmønster ved ethvert gitt øyeblikk utgjør summen av interferensen for lyset som tilbakespres fra hvert rommessig punkt i lyspulsen ved et tilhørende øyeblikk. Den rommessige utstrekning av lyspulsene definerer derfor den maksimalt mulige rommessige oppløsning for teknikken. En lyspuls på 2 us varighet har en rommessig utstrekning på ca. 200 m, som betyr at maksimal mulig rommessig oppløsning ved teknikken som er beskrevet i den ovennevnte artikkel er 20 m. Dette er langt fra ideelt.

En måte å forbedre den rommessige oppløsning uten å øke effekten for lyspulsene, er å benytte lyspulser med kortere varighet, unntatt (? "but")gjennomsnitts fotodetektorsignaler som dannes av lys som tilbakespres fra et antall lyspulser for dannelsen av et sterkere signal og så gjennomføre sammenligningen ved bruk av suksessive slike gjennomsnittsbehandlede signaler. Imidlertid reduserer dette den tidsmessige oppløsning. Med andre ord, det tar lengre tid å identifisere forandringer i de tidsmessige flekkmønstre og følgelig forandringer i ytre påvirkninger på den optiske fiber. Videre blir det umulig å bestemme forandringer som er hurtigere enn varigheten for gjennomsnittstiden. Anvendelser så som deteksjon av akustiske bølger og lignende kan derfor ikke bli realisert.

Foreliggende oppfinnelse har til hensikt å overvinne disse problemer.

I henhold til et første trekk ved foreliggende oppfinnelse er tilveiebrakt et apparat for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder, hvilket apparat omfatter:

en lyskilde for å sende suksessive lyspulser langs bølgelederen,

en fotodetektor for dannelse av signaler som representerer den tidsmessig fordelte intensitet av lys som tilbakespres i bølgelederen når respektive lyspulser føres langs bølgelederen, og

en prosessor for sammenligning av signalene for å identifisere forskjeller i intensiteten til lys som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser

beveger seg langs bølgelederen,

hvor lyspulsene som føres langs bølgelederen har en spektralbredde i størrelsesorden ca 0,1 GHz til 100 GHz.

I henhold til et andre trekk ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder, hvilken fremgangsmåte omfatter: bevirke at en lyskilde sender suksessive lyspulser langs bølgelederen,

dannelse av signaler som representerer den tidsfordelte intensiteten for lys som tilbakespres i bølgelederen når respektive lyspulser føres langs bølgelederen, og

sammenligning av signalene for å identifisere forskjeller i intensiteten for lyset som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres langs bølgelederen,

hvorved lyspulsene som overføres langs bølgelederen har en spektralbredde i størrelsesorden rundt 0,1 GHz til 100 GHz.

Således viser oppfinnelsen at det kan være mer effektivt å gjennomføre fasesensitiv OTDR ved bruk av partielt koherente lyspulser istedenfor meget koherente lyspulser. Sammenligning av signalene representerer intensiteten til lys som tilbakespres fra spesielt koherente lyspulser som tillater god synlighet for forandringer i hastigheten av forandringer av fasen til lys som forplanter seg langs bølgelederen mellom suksessive lyspulser, men i vesentlig grad, tillater at det kan oppnås bedre signal-til-støyforhold (SNR) for det detekterte signal og således tillate bedre rommessig oppløsning og en hurtigere respons enn det som kan oppnås ut fra meget koherente lyspulser.

Av betydning er at den spektrale bredde for lyspulsene som er definert i henhold til oppfinnelsen betyr at den potensielle virkning av Brillouin spredning blir vesentlig redusert i sammenligning med de spektralt smalere optiske pulser som benyttes i den kjente teknikk. Ideelt sett bør den spektrale bredde for lyspulsene være større enn Brillouin Gain båndbredden for den optiske bølgelengde, som er rundt 17 MHz for en silisiumdioksid optisk fiber. I realiteten har lyspulser som sendes langs bølgelederen fortrinnsvis en spektralbredde i størrelsesorden rundt 1 GHz til 10 GHz, eller mer ideelt har lyspulsene som sendes langs bølgelederen en spektralbredde på ca. 7,5 GHz. Dette tillater at lyspulsene har en større effekt enn de som benyttes i den kjente teknikk. Typisk er effekten av lyspulsene i størrelsesorden rundt 0,1 W og 10 W og mer ideelt rundt 2 W. Det tillater også at lyspulsene kan være kortere, feks. ha en rommessig lengde i størrelsesorden rundt 1 m og 100 m, fortrinnsvis i størrelsesorden 1 m og 10 m eller ideelt rundt 1 m.

Hensiktsmessig er spektralbredden til lyspulsene definert ved filtrering av lysutgangen fra lyskilden. Mer spesielt kan apparatet videre omfatte et optisk filter for filtrering av lys før det når fotodetektoren, idet den optiske båndbredde for det optiske filteret er mindre enn spektralbredden til lyskilden. Likeledes kan fremgangsmåten videre omfatte filtrering av lys før det når fotodetektoren ved bruk av et filter med en optisk båndbredde mindre enn spektralbredden til lyskilden. Denne filtrering bør skilles fra vanlig filtrering for å eliminere spontan emisjon eller lignende, som befinner seg utenfor hovedspekteret til lys som sendes ut av en lyskilde. Her er det viktig at hovedspekteret for lys som sendes ut av lyskilden innsnevres. Med andre ord er linjebredden for lyset redusert.

Dette betraktes å være nyttig i seg selv i henhold til et tredje trekk ved foreliggende oppfinnelse hvor det er tilveiebrakt et apparat for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder, hvilket apparat omfatter:

en lyskilde for sending av suksessive lyspulser langs bølgelederen,

en fotodetektor for dannelse av signaler som representerer en tidsmessig fordelt intensitet for lys som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres langs bølgelederen,

en prosessor for sammenligning av signalene for å identifisere forskjellene i intensitet for lys som tilbakespres i bølgelengden når de respektive lyspulser føres langs bølgelederen, og

et optisk filter for filtrering av lyset før det når fotodetektoren, idet den optiske båndbredde for det optiske filter er mindre enn spektralbredden for lyskilden.

Også, i henhold til et fjerde trekk ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder, hvilken fremgangsmåte omfatter: bevirke at en lyskilde sender suksessive lyspulser langs bølgelederen,

dannelse av signaler som representerer den tidsmessig fordelte intensiteten for lyset som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres langs bølgelederen,

sammenligning av signalene for å identifisere forskjeller i intensiteten for lys som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres langs bølgelederen, og

filtrering av lyset før det når fotodetektoren,

idet den optiske båndbredde for filtreringen er mindre enn spektralbredden for lyskilden.

Fortrinnsvis er det optiske filter plassert for å filtrere tilbakespredt lys. Dette er fordelaktig da det tillater at spektralbredden for lys som ledes i den optiske bølgeleder er større enn det for det detekterte tilbakespredte lys. Når spektralbredden er relatert til koherensen, kan filtrering sikre at det detekterte lys er tilstrekkelig koherent til at det tidsmessige flekkmønster kan bli detektert. Samtidig kan lys som føres i bølgelederen være relativt spektralt spredt slik at ikke-lineære effekter i den optiske bølgelengde, så som Brillouin spredning kan bli redusert. Foretrukne utførelser av oppfinnelsen er beskrevet nedenfor i eksempelform, med henvisning til de vedlagte tegninger. Fig. 1 er et skjematisk riss av et partielt koherent Optisk Tidsdomene Reflektometri (OTDR) apparat i henhold til en første foretrukket utførelse av oppfinnelsen, Fig. 2A er et grafisk riss av båndet av bølgelengder for lys som er ført gjennom et annet optisk filter i OTDR-apparatet som er illustrert på fig. 1, Fig. 2B er et grafisk riss av båndet av bølgelengder av lys som er ført gjennom et Fiber Bragg Gitter optisk filter i OTDR-apparatet illustrert på fig. 1, Fig. 3 er et grafisk riss av bølgelengden mot tid til en lyspuls ut fra en DFB laserdiode i det delvis koherente OTDR-apparat, Fig. 4 er et grafisk riss av båndet av bølgelengder av lys som er ført gjennom et Fiber Bragg Gitter optisk filter sammenlignet med bølgelengden til en lyspuls etter at den er ført 1 km langs den optiske fiber til OTDR-apparatet illustrert på fig. 1, Fig. 5 er et grafisk riss av intensiteten av lys som mottas ved en fotodetektor i OTDR-apparatet vist på fig. 1 for lyspulser med forskjellig grad av koherens, Fig. 6 er et grafisk riss av signal-til-støy-forholdet (SNR) til en signalutgang av fotodetektoren til OTDR-apparatet vist på fig. 1 for lyspulser med forskjellig effekt, og Fig. 7 er et skjematisk riss av et delvis koherent Optisk Tidsdomene Reflektorometri (OTDR) apparat i henhold til en andre utførelse av oppfinnelsen. Fig. 1 viser et delvis koherent Optisk Tids Domene Reflektometri (OTDR) apparat 1 i henhold til en første utførelse av foreliggende oppfinnelse med en lyskilde som omfatter en direkte modulert halvleder "Distributed FeedBack" (DFB) laserdiode 2 for overføring av lyspulser langs en monomodus optisk fiber 3. DFB laserdioder er vanlig i optiske bølgelengdedelingsmultipleksede (WDM)

telekommunikasjonsnettverk og, i denne utførelse er DFB laserdioden 2 av typen som typisk benyttes i 2,5 Gbps WDM telekommunikasjoner. En temperaturstabiliseringsenhet som omfatter et Peltier-element 4 er anordnet for å styre temperaturen for DFB laserdioden 2. Når temperaturen for DFB laserdioden 2 forandres så vil også bølgelengden for lyspulsene den overfører bli forandret. Peltierelementet 4 muliggjør en nøyaktig bølgelengdestyring over et område rundt 1-2 nm, slik at bølgelengden for lyspulsene kan innstilles. Hovedsakelig vil bølgelengdene for lyspulsene ligge rundt det som monomodus-optiske fibre 3 er konfigurert for, feks. som definert av det standardiserte ITU (International Telecommunication Union) bølgelengdegitter eller rundt 1550 nm ved utførelsen ifølge oppfinnelsen.

En forsinkelseslinje 5 omfatter en 20 m lang seksjon av monomodusoptisk fiber svarende til den monomodusoptiske fiber 3 som er nevnt ovenfor og er spleiset sammen med utgangen fra DFB laserdioden 2. Forsinkelseslinjen 5 forhindrer tilbakeføring av lys i laserhulrommet til DFB laserdioden 2, hvilke lys skriver seg fra konnektorrefleksjoner eller lignende i løpet av den tid det tar for DFB laserdioden 2 til å sende ut hver lyspuls. Utgangsenden på forsinkelseslinjen 5 er forbundet til en første optisk forsterker 6. Den første optiske forsterker 6, også kjent som en booster, er en Erbium-dopet fiberforsterker fra Erbium-Doped Fibre Amlifier (EDFA) som forsterker lyspulsene med en typisk optisk gevinst mellom 20 og 25 dB. Utgangen fra den første optiske forsterker 6 er forbundet til en første optisk fiber 7. Ved denne utførelse er det første optiske filter 7 et WDM båndpassfilter med en spektralbredde på ca. 75 GHz (0,6 nm) som vist på fig. 2A. Det første optiske filter 7 reduserer bred forsterket spontan emisjon fra den første optiske forsterker 6. Dette omfatter generelt lys ved bølgelengde over og under hovedspekteret for lyspulsutgangen fra DFB-laserdioden 2. Utgangen fra det første optiske filter 7 er forbundet til en optisk kobler 8 for å rette den filtrerte, forsterkede lyspulsutgangen fra det første optiske filteret 7 inn i den optiske fiber 3. Ved denne utførelse er den optiske kobler 8 en 50:50 3 dB smeltet fiberkobler, men ved andre utførelser kan det i stedet bruke en 3-port sirkulator i stedet, med den fordel at tapet kan reduseres fra 3 dB til ca. 1 dB pr. port.

Den optiske kobler 8 er også anordnet slik at lys som Rayleigh tilbakespres fra lyspulsene etter hvert som de føres langs den optiske fiber 3 går ut fra enden av fiberen 3 i hvilken lyspulsene overføres til et forsterkningstrinn. Forsterkningstrinnet omfatter en andre optisk forsterker 9, et andre optisk filter 10 og en tredje optisk forsterker 11 som er forbundet i serie. Den andre og den tredje optiske forsterker 9, 11, også kjent som forfor sterkere, er en EDFA-typen svarende til den første optiske forsterker 6 som er nevnt ovenfor. Hver av dem kan forsterke det Rayleigh tilbakespredte lys som mottas fra den optiske fiber 3 med optisk gevinst mellom ca. 20 og 25 dB, men de har lavere støy enn den første optiske forsterker 6. Det andre optiske filteret 10 svarer til det første optiske filteret 7. Således er det et WDM båndpassfilter med en spektralbredde på ca. 75 GHz (0,6 nm).

Forsterkningstrinnet er forbundet for å føre det forsterkede filtrerte tilbakespredte lys til et Fibre Bragg Gitter (FBG) filter 12 via en 3-port sirkulator 13. FBG-filteret 12 har en spektralbredde på ca. 7,5 GHz (0,06 nm) som vist på fig. 2B. FBG-filteret 12 har en temperaturfølsomhet på ca. 0,0005 nm/°C. Således er det termisk pakket, feks. omgitt av et isolerende hus for å hjelpe til å sikre at temperaturen for FBG-filteret 12, og følgelig båndet av bølgelengder av lys som føres gjennom forblir så konstant som mulig. Temperaturen for DFB-laserdioden 2 kan så bli innstilt ved bruk av Peltier-elementet 4 som er beskrevet ovenfor slik at et valgt bølgelengdeområde av lyspulser som sendes ut av DFB-laserdioden 2 passer til båndet av bølgelengder av lys som passerer gjennom FBG-filteret 12, som diskutert mer detalj ert nedenfor.

Lysutgangen gjennom FBG-filteret 12 er rettet, via 3-portsirkulatoren 13 til en fotodetektor 14. Fotodetektoren 14 er, i denne utførelse, en indiumgalliumarsenid (InGaAs) p-i-n fotodetektor med en elektronisk deteksjonsbåndbredde på ca. 125 MHz og en transimpedansforsterker på ca. 1400 ohm. Når den mottar lys fra FBG-filter 12 danner den et analogt elektronisk signal som er representativt for intensiteten til det mottatte lys. Fotodetektoren 14 er forbundet for å gi ut dette analoge elektroniske signal til et digitaliseringskort 15, som har en lignende analog elektronisk båndbredde som fotodetektoren 14. Digitaliseringskortet 15 omdanner det analoge signalet til et digitalt signal. Den kan også gjennomsnittsbehandle et analogt signal over et gitt antall suksessive lyspulser, hvis dette er krevet, under kontroll av en datamaskin 16, til hvilken digitaliseringskortet 15 også sender det digitale signalet.

Datamaskinen 16 har en prosessor (ikke vist) for bestemmelse, og en skjerm 17 for fremvisning av en representasjon av forskjellene mellom de digitale signaler som mottas fra digitaliseringskortet 15 som representerer den (gjennomsnittsbehandlede) intensitet for lys som mottas av fotodetektoren 14 som et resultat av Rayleigh tilbakespredningen i den optiske fiber 3 av suksessive lyspulser. Skjermen viser vanligvis denne forskjellsinformasjonen grafisk som en differansestørrelse mot avstanden langs den optiske fiber 3. Informasjonen kan også lagres i en egnet hukommelsesinnretning (ikke vist) i datamaskinen 16.

Datamaskinen 16 har også et inngangs-/utgangskort 18 for kommunikasjon med en kontroller eller styringsenhet 19, som styrer en kraftforsyning 20 til DFB-laseren 2, slik at DFB-laseren 2 kan bli direkte modulert. Datamaskinen 16 kan kommandere styringsenheten 19 til å styre utgangen til DFB-laseren 2 slik det kreves. I en typisk situasjon vil styringsenheten 19 modulere kraftforsyning 20 til DFB-laseren 2 slik at DFB-laser 2 sender ut lyspulser med varighet mellom ca. 1 ns og ca. 100 ns. Ved denne utførelse har lyspulsene en varighet rundt 10 ns, som svarer til en rommessig pulslengde på rundt 1 m. Frekvensen med hvilken datamaskinen styrer DFB-laseren 2 for å gjenta lyspulsene, feks. pulsrepetisjonsfrekvens eller moduleringsfrekvens for systemet, bestemmes av tiden det tar for lyspulsen å føres til den borteste ende av den optiske fiber 3 og lyset som Rayleigh tilbakespres fra lyspulsen til å returnere fra den borterste enden av den optiske fiber 3, feks. lysrundgangstid for hele lengden av fiberen 3. Med andre ord, lys som tilbakespres fra hver puls skulle ideelt bli mottatt av fotodetektoren 14 før den neste puls overføres langs fiberen. Ved denne utførelse er den optiske fiber 3 ca. 10 km lang. En egnet pulsrepetisjonsfrekvens er derfor rundt 10 KHz. Denne frekvens bestemmer maksimalhastigheten ved hvilken datamaskinen 16 kan bestemme og fremvise differanseinformasjonen, feks. maksimum målefrekvens for apparatet 1. Enhver gjennomsnittsdannelse som utøves av digitaliseringskortet 15 reduserer målefrekvensen, med målefrekvensen invert proporsjonal til antallet lyspulser over hvilken de analoge signaler blir gjennomsnittsbehandlet av digitaliseringskortet 15. Generelt er målefrekvensen for apparat 1 tilstrekkelig til å tillate deteksjon av akustiske bølger. Følgelig kan apparatet bli benyttet som geofon, hydrofon, akselerometer, seismometer eller lignende.

DFB-laserdioden 2 har en spektralbredde på ca. 1 MHz ved dannelsen av en kontinuerlig sendelse, som betyr at den kan sende ut lys med en tidsmessig koherens på ca. 1 us. Imidlertid, når DFB-laserdioden 2 er direkte modulert, slik den er her, er spektralbredden for lyspulsene betydelig større og den tidsmessige koherens for de utsendte lyspulser er betydelig mindre. Det er en fundamental begrensning at enhver lyspuls med varighet T ikke kan ha en spektralbredde mindre enn l/T eller tidsmessig koherens større enn T. De 10 ns lyspulser som benyttes her har derfor en minimum teoretisk spektralbredde 0,1 GHz (1 pm) og en maksimum teoretisk tidsmessig koherens på 10 ns. Videre vil modulering av den elektriske strømmen som tilføres til DFB-laserdioden 2 resultere i en modulering av tettheten av elektroner i laserhulrommet til dioden 2. Dette på sin side bevirker fluktuasjoner i brytningsindeksen for materialet fra hvilket laserhulrommet til dioden 2 dannes, og som fører til kvitring i frekvensen til utgangslyspulsen. Således kan det med henvisning til fig. 3 ses at bølgelengden til en 1 us lyspulsutgang fra DFB-laserdioden 2 vil variere betydelig over sin varighet. Ved begynnelsen av lyspulsen er det et såkalt blått skifte fra en lengre bølgelengde til en kortere bølgelengde på ca. 0,1 ns, som vist av nedoverhelningen på fig. 3. Mot enden av lyspulsen er det et såkalt rødt skifte fra en kortere bølgelengde til en lengre bølgelengde over ca. 10-100 ns, som vist av den oppoverhellende kurvedel 22 på fig. 3. Det generelle området av frekvenskvitring ligger rundt 20-50 GHz- Denne frekvenskvitring definerer spektralbredden til de optiske pulser og svarer til et område av bølgelengder av lys på ca. 0,16-0,4 nm og en tidsmessig koherens mellom ca. 20 og 50 ps. Mer generelt er den tidsmessige koherens for lyspulser med varighet i området 1-100 ns fremstilt ved direkte modulering av DFB-laserdioden 2, to til tre størrelsesordner kortere enn pulsvarigheten.

Imidlertid vil de optiske filtre 7, 10 og FBG-filteret 12 redusere spektralbredden for lyset mottatt ved fotodetektoren 14. Da FBG-filteret 12 har den smaleste spektralbredde, vil reduksjonen i spektralbredde styres primært av dette filter 12.1 realiteten er de andre optiske filtre 7, 10 bare beregnet på å redusere spontan emisjon fra den første og andre forsterker 6, 9 som nevnt ovenfor. Ser man på fig. 4 kan det lett forstås at båndet av bølgelengder av lys som passerer gjennom FBG-filter 12, vist med linjen 23, er markant snevrere enn hele området av bølgelengder av lys som foreligger i lyspulsen når den føres langs den optiske fiber 3, vist med linjen 24.1 realiteten kan det ved denne utførelse ses at spektralbredden for FBG-filteret 12 er rundt 1/5 av spektralbredden til lyspulsen etter at den er ført ca. 1 km langs den optiske fiber 3 (hvilken spektralbredde er mye av den samme som lyspulsen som sendes ut av DFB-laserdioden 2 og lyset som Rayleigh tilbakespres i den optiske fiber 3).

Mer detaljert viser fig. 3 et optimalt forhold mellom båndet av bølgelengder av lys som passerer gjennom FBG-filter 12, vist som et skravert bånd 25 og området av bølgelengder av lyspulsen som emitteres av DFB-laserdioden 2. Båndet av bølgelengder av lys som passerer gjennom FBG-filter 12 er ideelt relatert til området av bølgelengder av lyspulsen som emitteres av DFB-laserdioden 2 slik at klipping av pulsvarigheten minimaliseres. Med andre ord er de anordnet for å overlappe ved et tidspunkt under pulsvarigheten ved hvilket bølgelengden er relativt konstant. Dette er mot midten av pulsvarigheten, når pulsen også tenderer til å ha maksimal effekt.

Som en konsekvens av reduksjonen av spektralbredden av lys som mottas ved fotodetektoren 14 vil FBG-filteret 12 også øke den tidsmessige koherens for lyset. I denne utførelse har FBG-filteret 12 en spektralbredde på 7,5 GHz (0,06 nm) slik at den tidsmessige koherens for lys som mottas ved fotodetektoren 14 er rundt 100 ps, som er betydelig lengre enn den tidsmessige koherens for lyspulsen når den føres langs den optiske fiber 3. Av viktighet er at koherensen for lyset som når frem til fotodetektoren 14 istedenfor lyset som føres langs den optiske fiber 3, bestemmer mengden av detektert lys som er koherensmessig relatert og kan bidra til det tidsmessige flekkmønster, sammenlignet med mengden av detektert lys som ikke er koherensmessig relatert og derfor bidrar til en reduksjon i synligheten for det tidsmessige flekkmønster. Forholdet mellom disse mengder kan defineres som en synlighetsparameter Vi. Denne synlighetsparameter Vi analyseres statisk i artikkelen "Characteristics and Reduction of Coherent Fading Noise in Rayleigh Backscattering Measurement for Optical Fibres and Components", Shimizu et al., Journal of Lightwave Technology, bind 10, nr. 7, side 982 (1992). Det kan lett forstås at for fullstendig koherent lys vil synlighetsparameteren Vi være 1. Etter hvert som koherensen til lyset reduseres, vil også synlighetsparameteren Vi reduseres. For lys som mottas ved fotodetektoren 14 i denne utførelse av oppfinnelsen er synlighetsparameteren Vi rundt 0,133. Mer generelt, i andre utførelser av oppfinnelsen vil synlighetsparameteren Vi ligge mellom ca. 0,04 og 0,26.

Sannsynlighetstetthetsfunksjonen P( I) for intensiteten av lyset som mottas av fotodetektoren 14 (på grunn av Rayleigh tilbakespredning) kan uttrykkes ved hjelp av synlighetsparameteren Vi i den følgende ligning

Dette er illustrert grafisk på fig. 5 for forskjellige verdier av synlighetsparameteren Vi. Det kan ses at når synlighetsparameteren Vigt 1, vil

sannsynlighetstetthetsfunksjonen P( I) være maksimum ved en normalisert intensitet

på null og avta når den normaliserte intensitet øker fra null til høyere verdier som vist med kurven 26. Når synlighetsparameteren Vi suksessivt har lavere verdi på 0,707, 0,5, 0,316 og 0,133, som vist med kurvene 27, 28, 29 og 30 vil sannsynlighetstetthetsfunksjonen P( I) i økende grad nærme seg og ta formen til en normal fordeling, idet idealkurver er illustrert for amplituder ekvivalente til synlighetsparameteren Vi' s verdier på 0,5, 0,316 og 0,133 med stiplede kurver 31, 32 og 33. Betydningen av dette er at for verdier for synlighetsparameter Vi som foreligger i de beskrevne utførelser av foreliggende oppfinnelse vil området av variasjon i intensitet for lyset mottatt av fotodetektoren 14 begrenses til en normalfordeling og er mindre enn det som vil være tilstede hvis lyset var fullt koherent.

For med godt resultat å detektere det tidsmessige flekkmønsteret og følgelig forskjellene i tidsmessige flekkmønstre som dannes av suksessive lyspulser, er det viktig for variasjonsområdet for lysintensiteten som mottas av fotodetektoren 14 på grunn av det tidsmessige flekkmønster, å være større enn støyen i signalutgangen fra fotodetektoren 14. Kravet er ekvivalent til betingelsen at signal-til-støy-forholdet (SNR) for apparatet 1 er større enn den resiproke verdi av synlighetsparameteren Vi, feks.

Støy skriver seg fra både optisk støy som fremkommer ved de optiske forsterkere 6, 9, 11, osv. og elektrisk støy som introduseres av fotodetektoren 14. Mer spesielt kan SNR etter deteksjon av tilbakespredt lys fotodetektoren 14 bli uttrykt med følgende ligning hvor

hvor Af er den elektroniske deteksjonsbåndbredde for fotodetektoren 14 (125 MHz i denne utførelse), R er en responsivitetsparameter for fotodetektoren 14, G er sammensetningsgevinsten for de to optiske forsterkere 9, 11 i forsterkningstrinnet (har gevinsten Gi, henholdsvis Gi), Ps er den totale signaleffekt som når fotodetektoren 14, NEP er støyekvival enteffekten for fotodetektoren 14, q er den elektroniske ladning, rj er en kvantumeffektivitetsparameter for fotodetektoren 14, Fn er det effektive støytall for de to optiske forsterkerne 9, 11 i forsterkningstrinnet (som har effektive støytall henholdsvis Fni og Fni), h er kvantumkonstanten (eller

Plancks konstant), v er frekvensen for lys som mottas ved fotodetektoren 14, og Avopt er spektralbredden for lyset som mottas ved fotodetektoren 14.

Dette SNR er illustrert grafisk på fig. 6 mot pulsvarigheten for flere forskjellige pulsutsendelseseffekter (dvs. lyseffekten etter forsterkning av den første optiske forsterker 6 eller booster). Mer spesielt er SNR for pulsutsendelseseffekter på 0,1 W, 0,5 W, 1 W og 2 W vist med kurver 34, 35, 36 henholdsvis 37. Det kan utledes at SNR øker med pulsutsendelseseffekten. De illustrerte kurver innbefatter 3 dB tap for den optiske kobler 8 og det antas at hver av forsterkerne 9, 10 i forsterkningstrinnet har et støytall på 5,5 dB. Gevinsten for forsterknerne 9, 10 innstilles for forskjellige pulsutsendelseseffekter for å opprettholde utgangsspenningsnivået fra fotodetektoren 14 nær maksimum inngangsspenningsområde (0,5 V) for digitaliseringskortet 15. Sammensetningsgevinsten som kreves overskred ikke et maksimum på 38 dB for noen av de beregnede kurver. En enkel optisk puls betraktes med ingen signal gj ennomsnittsbehandling.

Det fremgår av fig. 6 at for en utsendelseseffekt på 1 W kan det oppnås en SNR på ca. 15 dB. Logaritmen for den resiproke verdi for synlighetsparameter Vi er ekvivalent til et signalnivå rundt 9 dB, som betyr at SNR for det digitale signal som sendes ut av digitaliseringskortet 15 er ca. 6 dB høyere og det tidsmessige flekkmønster skulle være lett adskillbart fra den forutsagte støy.

Friheten til å bruke optiske pulser med høy utsendelseseffekt for å øke SNR mens det opprettholdes en relativt høy synlighetsparameter Vi er i stor grad tilveiebrakt ved egnet posisjonering eller plassering av FBG-filteret 12. Mer spesifikt er den optiske puls som føres i den optiske fiber 3 relativt spektralt bred, som betyr at virkningen av Brillouin-spredningen er mye mindre enn for en spektralt snevrere optisk puls med samme effekt. Samtidig, når den tidsmessige koherens for det tilbakespredte lys som når fotodetektoren 14 økes av FBG-filter 12 kan det oppnås en relativt høy synlighetsparameter Vi.

Ikke desto mindre er det fremdeles mulig å utforme et effektivt apparat i hvilket spektralbredden og den tidsmessige koherens for den optiske puls som føres i den optiske fiber og det tilbakespredte lys som når fotodetektoren 14 er i det vesentlige det samme. Det henvises til fig. 7 som viser et delvis koherent OTDR-apparat 38 i henhold til en andre utførelse av foreliggende oppfinnelse som omfatter mange tilsvarende komponenter til det delvis koherente OTDR-apparat 1 i henhold til den første utførelse av foreliggende oppfinnelse, og tilsvarende komponenter er gitt samme henvisningstall. Imidlertid er i den andre utførelse sirkulatoren 13 og FBG-filteret 12 anordnet ved stedet for det første optiske filter 7 i den første utførelse. Med andre ord er FBG-filteret 12 plassert mellom utgangen fra DFB-laserdioden 2 og den optiske fiber 3. Dette betyr at FBG-filteret 12 påvirker den spektrale bredde for lyspulsene som føres i den optiske fiber 3, som derved er ca. 7,5 GHz. Dette er fremdeles godt over Brillouin Gain båndbredde for den optiske fiber 3, som er ca. 17 MHz. Ikke desto mindre er det ingen forsterkere for å forsterke det tilbakespredte lys før det når fotodetektoren 14, idet lyspulsene bør ideelt ha lengre varighet for at tilstrekkelig lys blir spredt tilbake fra hver lyspuls for dannelsen av et anvendbart signal ved fotodetektoren 14.1 realiteten har de optiske pulser typisk en rommessig varighet på ca. 50-100 m i denne andre utførelse hvis ingen gjennomsnittsbehandling, som begrenser den rommessige oppløsning for apparatet 38 benyttes.

I ett eksempel på den andre utførelse er fotodetektoren 14 en InGaAs p-i-n fotodetektor med en tretrinns transimpedansforsterker, så som modell 2053 fra New Focus, med en elektronisk båndbredde på 700 kHz, en spenningsresponsivitet 1,89 x IO<6>VAV og en NEP på 0,34 pW/rtHz. For lyspulser med varighet 500 ns (50 m) som sendes ut til den optiske fiber 3 med 500 mW vil den forutsatte SNR være ca. 35 dB. Logaritmen for resiprositeten av synlighetsparameteren Vi er ekvivalent til et signalnivå rundt 18 dB, som betyr at SNR er ca. 17 dB høyere og det tidsmessige flekkmønster skulle være lett adskillbart fra den forventede støy.

I et annet eksempel på den andre utførelse er fotodetektoren 14 en InGaAs "skred"

(avalanche) fotodiode med en integrert hybrid forforsterker, så som modell C30662E fra Perkin Eimer, med en elektronisk båndbredde på 50 MHz, en spenningsresponsivitet 3,4 x 10<5>VAV og en NEP på 0,13 pW/rtHz. Hvis den elektroniske båndbredde begrenses til 700 kHz av et lavpassfilter vil den forventede SNR være ca. 40 dB. Igjen, idet logaritmen av den resiproke synlighetsparameter Vi er ekvivalent til et signalnivå rundt 18 dB, vil SNR være ca. 22 dB høyere og det tidsmessige flekkmønster bør være lett adskillbart fra den forventede støy.

De beskrevne utførelser av oppfinnelsen er bare eksempler på hvordan oppfinnelsen kan implementeres.

Claims

1. Fasesensitivt optisk tids-domene-reflektometerapparat anordnet for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder (3), hvilket apparat omfatter: en lyskilde (2) for sending av suksessive lyspulser gjennom bølgelederen og en fotodetektor (14) for dannelse av signaler som representerer den tidsmessig fordelte flekkmønsterintensitet for lyset som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres gjennom bølgelederen,karakterisert vedat apparatet videre omfatter en prosessor (16) for sammenligning av signalene for å identifisere forskjeller i intensitet til lys som er tilbakespredt i bølgelederen når de respektive lyspulser føres i bølgelederen og hvor lyspulsene som sendes langs bølgelederen har en spektralbredde i størrelsesorden ca. 0,1 GHz til 100 GHz.

2. Apparat ifølge krav 1, hvor lyspulsene som sendes i bølgelederen (3) har en spektralbredde i størrelsesorden ca. 1 GHz til 10 GHz.

3. Apparat ifølge krav 1 eller 2, hvor lyspulsene som sendes i bølgelederen har en spektralbredde på ca. 7,5 GHz.

4. Apparat ifølge ett eller flere av de foranstående krav, hvor den rommessige lengde for lyspulsene er i størrelsesorden rundt 1 m og 100 m.

5. Apparat ifølge et av de foranstående krav, hvor den rommessige lengde for lyspulsene er i størrelsesorden rundt 1 m og 10 m.

6. Apparat ifølge et av de foranstående krav, hvor den rommessige lengde for lyspulsene er rundt 1 m.

7. Apparat ifølge et av de foranstående krav, hvor effekten av lyspulsen er i størrelsesorden rundt 0,1 W og 10 W.

8. Apparat ifølge et av de foranstående krav, hvor effekten av lyspulsen er 2 W.

9. Apparat ifølge et av de foranstående krav, hvor fotodetektoren har en elektronisk båndbredde på rundt 125 MHz.

10. Apparat ifølge et av de foranstående krav, videre omfattende et optisk filter (12) for filtrering av lys før det når fotodetektoren, idet den optiske båndbredde for det optiske filter er mindre enn spektralbredden for lyskilden.

11. Apparat ifølge krav 10, hvor den optiske båndbredden til det optiske filteret (12) er i størrelsesorden 0,1 GHz til 100 GHz.

12. Apparat ifølge krav 10 eller 11, hvor det optiske filteret er posisjonert for å filtrere det tilbakespredte lyset.

13. Fasesensitivt optisk tids-domene-reflektometerapparat for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder (3), hvilket apparat omfatter: en lyskilde (2) konfigurert for sending av suksessive lyspulser langs bølgelederen, en fotodetektor (14) konfigurert for dannelse av signaler som representerer den tidsmessig fordelte intensitet for lys som tilbakespres i bølgelederen etter hvert som de respektive lyspulser føres i bølgelederen,karakterisert vedat apparatet videre omfatter: en prosessor (16) konfigurert for sammenligning av signalene for å identifisere forskjeller i intensiteten til lyset som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres i bølgelederen, og et optisk filter (12) konfigurert for filtrering av det tilbakespredte lyset før det når fotodetektoren, idet den optiske båndbredden for det optiske filter (12) er mindre enn den spektrale bredde for lyskilden og er i størrelse rundt 0,1 GHz til 100 GHz.

14. Apparat ifølge krav 1, hvor lyspulsene som sendes i bølgelederen (3) har en spektralbredde i størrelsesorden ca. 1 GHz til 10 GHz.

15. Apparat ifølge krav 1 eller 2, hvor lyspulsene som sendes i bølgelederen har en spektralbredde på ca. 7,5 GHz.

16. Fremgangsmåte for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder (3) ved bruk av fasesensitivt optisk tids-domene-reflektometri, hvilken fremgangsmåte omfatter: bringe en lyskilde (2) til å sende suksessive lyspulser i bølgelederen (3), dannelse av signaler som representerer den tidsmessig fordelte flekkmønsterintensitet for lys som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres i bølgelederen, og sammenligning av signalene for å identifisere forskjeller i intensiteten for lys som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres i bølgelederen (3),karakterisert vedat lyspulsene som sendes i bølgelederen har en spektralbredde i størrelsesorden ca 0,1 GHz til 100 GHz.

17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, hvor lyspulsene som sendes i bølgelederen har en spektralbredde i størrelsesorden ca. 1 GHz til 10 GHz.

18. Fremgangsmåte for deteksjon av en forstyrrelse i fasen til lys som forplanter seg i en optisk bølgeleder ved bruk av fasesensitivt optisk tids-domene-reflektometri, hvilken fremgangsmåte omfatter: bevirke en lyskilde (2) til å sende suksessive lyspulser i bølgelederen (3), ved bruk av en fotodetektor, dannelsen av signaler som representerer den tidsmessige fordelte flekkmønsterintensiteten for lys som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres i bølgelederen, og sammenligning av signalene for å identifisere forskjeller i intensiteten til lys som tilbakespres i bølgelederen når de respektive lyspulser føres i bølgelederen,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter: filtrering av lys før det når fotodetektoren, idet den optiske båndbredde for filtreringen er mindre enn den spektrale bredde for lyskilden og i størrelsesorden rundt 0,1 GHz til 100 GHz.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 18, hvor den optiske båndbredde for filtreringen er i størrelsesorden ca 1 GHz til 10 GHz.

20. Deteksjon av akustiske bølger ved å benytte fremgangsmåten ifølge et av kravene 16 til 19.