RU1780075C - Способ определени параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Использование: волоконно-оптические линии св зи. Сущность изобретени : с помощью лазеров 1 и 2 возбуждают поочередно оптическое волокно 5 на двух различных длинах волн AI и А2. с помощью измерителей 6 и 8 измер ют мощность оптического излучени  соответственно на входе и выходе оптического волокна 5. Напр жени , пропорциональные этим мощност м, подают на входы делител  10, на выходе которого получают сигнал, пропорциональный затуханию yi и у2 оптического сигнала в оптическом волокне на каждой из двух используемых длин волн. Дл  каждой из длин волн с помощью измерител  9 измер ют радиусы Woi и Wo2 п тна пол  моды на выходе оптического волокна. На основе измеренных значений у i , у2. Woi и Wo2 рассчитывают параметры р и А спектра микроиэгибов. 2 н.з.п.ф-лы, I ил.слсLLJги=^VI со о о ^ ел

Description

Изобретение относитс  к технической физике и может быть использовано прм оценке передаточных характеристик оптического волокна (ОВ), в частности дл  определени  оеличины затухани  как функции оптической длины волны, Известны средства (способы и устройства ) определени  характеристик ОВ, например Способ измерени  профил  показател  преломлени  сердцевины волоконных ciaeTOаодов поавт.св. М- 1430837, кл.О 01 N21/41, согласно которому на испытуемое ОВ, помещенное в иммерсионную жидкость, направл ют перпендикул рно его оси лазерный пучок и измер ют угол выхода пучка. Профиль показател  преломлени  ОВ наход т путем расчета по нормированному распределению интенсивности прин того оптического сигнала. Известны также способы определени  параметров спектра микроизгибов оптического волокна, которые в наибольшей степени определ ют статистические характеристики профил  показател  преломлени  ОВ, затухание, дисперсионные и другие характеристики О В как оптической линии св зи. в процессе изготовлени  ОВ и оптических кабелей возникают неустранимые технологические микроизгибные деформации, привод щие к изменению основных параметров канализации оптической энергии (затухани , дисперсии). Величина затухани  на разных длинах волн, как: известно из теории , определ етс  коэффициентом межмодовой св зи и функцией спектральной плотности микроизгибных деформаций, Микроизгибные потери могут суа1ественно превышать исходные потери в оптическом волокне и составл ть величины до 20 дБ/км (Ватутин В.М., Вагин А.И. Волоконно-оптические системы в технике физического эксперимента . Приборы и техника эксперимента Ыг 1, 1989, с. 13), Отсюда возникает необходимость в измерении параметров функции спектральной плотности микроизгибных деформаций. Установлено (см., например, М. Artiglla, G. Сорра, Р, DIvita New analysis of microsending losses in single-mode fisres Electronic letters, 1986, vol. 22, p. 623-625), что спектр микpov1згибoв описываетс  выражением Ф(ш)А1о Р, где ( л:L - пространственна  частота микроизгибов оси ОВ; L пространственный период микроизгибов; , Р параметр, определ ющий форму спектрального распределени  микроизгибов; А - нормирующий коэффициент, характеризующий величину микроизгибов. В широкополосных лини х св зи при большой скорости передачи информации ( больше 500 Мбит/с) как правило используют одномодовые ОВ, в которых в отличие от многомодовых ОВ отсутствует межмодова  дисперси . Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к за вл емому способу  вл етс  способ определени  параметров микроизгибов одномодового ОВ со ступенчатым профилем показател  преломлени  1. Способ заключаетс  в том, что ОВ помещают в среду с регулируемым температурным режимом. Затем ОВ возбуждают оптическим излучением на длине Я i и на этой длине волны при различных значени х температуры измер ют коэффициент затухани  у 1. Поскольку зависимость затухани  сигнала в . ОВ от температуры нелинейна, то дл  установлени  зависимости у 1 от температуры требуютс  измерени  затухани  не менее, чем при трех значени х температуры. По измеренным при различных температурах Т значени м у 1 стро т график температурной зависимости у1 (Т). Затем, использу  аналитическое выражение св зи микроизгибных потерь с температурой и параметрами спектра микроизгибов (в статье, описывающей способ-прототип , коэффициент затухани , характеризующий микроизгибные потери, обозначен 0(дВ/км), формула 1.26) дл  данного ОВ путем численного перебора значений параметров спектра подбирают такие их значени  р и А, при которых рассчитанна  зависимость потерь от температуры совпадаете измеренной. В расчетное выражение зависимости потерь от температуры (формула 1.26, см. описание прототипа) входит и значение радиуса Woi п тна направл емой моды в ближней зоне пол , которое дл  заданного ступенчатого профил  показател  преломлени  также рассчитываетс . Недостатком способа-прототипа  вл етс  большое врем , требуемое дл  получени  параметров спектра микроизгибов. Часто это неприемлимо, особенно тогда, когда необходимо с помощью параметров спектра определить затухание оптического кабел  в Ш лроком диапазоне частот или в

технологическом цикле производства оптического кабел , когда требуетс  оперативное вмешательство в процесс производства по результатам измерени  параметров спектра микроизгибов. Большое врем  определени  параметров спектра микроизгибов определ етс  в основном необходимостью измерени  коэффициента затухани  сигнала при нескольких температурах из заданного диапазона температур.

Кроме того, способ-прототип имеет и невысокую точность получени  параметров спектра микроизгибов. Поскольку получение параметра р, определ ющего форму спектрального распределени  микроизгибов , раст нуто во времени из-за необходимости измерени  затухани  yi при нескольких температурах, изменение которых требует времени, то точность определени  параметра р снижена не только в результате накоплени  погрешности из-за необходимости измерени  различных значений затухани  (при различных значени х температуры), но и из-за погрешности установки и измерени  самой температуры, при которой производ т измерение затухани  оптического сигнала. Кроме того, при большом общем времени измерений может про витьс  и временна  нестабильность устройств измерительной установки (изменение коэффициента передачи приемо-передающего тракта), что также приводит к понижению точности измерени  параметров спектра микроизгибов.

Другим недостатком способа-прототипа  вл етс  неприменимость его к определению параметров спектра микроизгибов оптических кабелей линий св зи, поскольку в услови х реальной трассы невозможно получить указанное изменение температуры на всей длине трассы.

Известны и устройства дл  определени  характеристик оптического волокна, определ ющих его свойства как оптической линии св зи. Смотри, например, Устройство дл  измерени  распределени  показател  преломлени  по сечению сердечника двухслойного световода авт.св. № 1293583, кл. G 01 N21/41 или Устройство дл  определени  потерь в волоконном световоде авт. св. N° 1448323, кл. G 02 В 6/00; патентСША Ns 4187026, кл. G 01 J 3/28, в котором также описано устройство дл  определени  потерь в волоконном световоде.

Но ближе всех по технической сущности и достигаемому результату к за вл емому устройству  вл етс  устройство дл  определени  параметров спектра микроизгибов

2.

Устройство содержит источник излучени , работающий на длине волны излучени  Я 1 исследуемое ОВ, камеру внешних воздействий , в частности, дл  изменени  температурного режима работы ОВ и приемник оптического излучени  дл  измерени  выходной оптической мощности на выходе исследуемого ОВ при различных температурах ОБ,

Данное устройство по существу пригодно дл  определени  параметров спектра микроизгибов ОВ по описанному выше способу-прототипу .

Определение параметров спектра микроизгибов ОВ с помощью данного устройства занимает много времени, т.к. требует измерени  оптической мощности на выходе ОВ при значительном количестве точек из диапазона температур, в котором исследуютс  свойства ОВ.

Кроме того, использование данного устройства дл  определени  параметров спектра микроизгибов одномодового ОВ ограничено лишь ступенчатым профилем показател  преломлени , дл  которого получено аналитическое выражение дл  радиуса п тна направл емой моды в ближней зоне пол , необходимое дл  определени  параметров р и А спектра микроизгибов.

Цель изобретени  состоит в сокращении времени получени  параметров спектра микроизгибов.

Поставленна  цель достигаетс  тем, что в способе определени  параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна, который описываетс  законом

.А(2)-2Р

0(L)

где L - пространственный период микроизгибов , включающем возбуждение ОВ оптическим излучением на длине волны Л 1 измерение на этой длине волны коэффициента затухани  у i оптического излучени , определение на этой длине волны радиуса Woi п тна пол  моды в ближней зона пол  и расчет параметров спектра с использованием полученных значений yi и Woi, дополнительно до или после измерений на длине волны Я i возбуждают ОВ оптическим излучением на длине волны Аа измер ют коэффициент затухани  У2 на длине волны Я2.ди метр Woi п тна пол  моды в ближней зоне определ ют путем измерений, диаметр Wo2 пол  моды в ближней зоне на длине волны /2 также

определ ют путем измерений, а параметры р и А спектра рассчитывают по формулам 1пП J otn k2Wo2 n fг -.;., - У 2k 1 Woi р . ki Woi k2Wo2 А 2 К 1.2 Kkl.2Woi.2f (kl,2W2oi,2fT (3)

27Г

k2

- волновые числа.

17

индекс 1 в уравнении дл  А относитс  к Я индекс 2 - к Я2

Поставленна  цель достигаетс  также тем, что в устройство дл  определени  параметров спектра микроизгибов, содержащее источник оптического излучени  с рабочей длиной волны Я 1 исследуемое одномодовое ОВ и измеритель выходной оптической мощности, дополнительно введены источник оптического излучени  с рабочей волны Я 2 оптический объединитель, первый и второй оптические делители мощности с одинаковыми козффициентами делени , измеритель входной оптической мощности, измеритель радиуса п тна пол  моды в ближней зоне, делитель напр жений и индикатор затухани , причем входы оптического объединител  оптически св заны с источниками оптического излучени , а выход оптического объединител  соединен с входом первого делител  оптической мощности , один из выходов которого подключен к входу ОВ, а другой к входу измерител  входной оптической мощности, выход ОВ подключен к входу второго делител  оптической мощности, выходы которого подключены соответственно к измерителю выходной оптической мощности и измерителю радиуса п тна пол  моды в ближней зоне, а выходы измерителей входной и выходной оптической мощности подключены к соответствующим входам делител  напр жений , выход которого подключен к индикатору затухани .

Предложенный способ основан на соотношени х дл  параметров р и А спектра, которые авторы за вки получили в результате анализа 2.

В 2 показано, что величина затухани , вызванна  микроизгибными деформаци ми , может быть представлена в виде (формула (10) в 2Б

Wo - радиус п тна основной моды в поперечном сечении ОВ дл  оптической длины волны Я j

Ф(й)) - функци  спектральной плотности микроизгибов в ОВ.

Использу  спектр микроизгибов в форме (1)

-2р

Ф(«)Аш

можно записать

у 0,5 ( Р.

(5)

Рассматрива  (5) дл  двух длин волн ( AI и 2 ), можно получить систему из двух уравнений

у 1 0,5 А ( Р(6)

у 2 ,5 А (k2W2o2)f(7)

реша  которую относительно А и р, прихоим к системе уравнений (2) и (3).

Получение значений радиуса Woi пол  моды в ближней зоне не расчетным путем, а путем измерений, а также получение путем

измерений значений Wo2 существенно расшир ют область применени  предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом, который ограничен применимостью к одномодовым ОВ лишь со

ступенчатым профилем показател  преломений , поскольку дл  ступенчатого профил  получено относительно простое выражение дл  Wo.

В случае же других видов профил  показател  пр1еломлени - процедуры численного определени  Wo сложны и требуют значительного времени, даже на больших ЭВМ.

Козффициент затухани  у 2 на длине волны Л 2 может быть определен как до,

так и после измерений на длине волны Д 1 важно только, чтобы измерени  на обеих длинах волн оптического излучени  проводились раздельно. X 0,5 k 2 W о Ф ( где k - волновое число () в оболочке ОВ дл  длины оптической волны А источника излучени ; nd - показатель преломлени  о оболочВ качестве источников излучени  целесообразнее всего использовать лазеры, т.е. источники излучени  с узким спектром излучени , а равенство коэффициентов делени  оптических делителей должно сохран тьс  при переходе с А i на А2.

Измеритель радиуса п тна пoлJ в ближней зоне необходим в устройстве, т.к. информаци  о размерах п тна направл емой моды пол  на выходном торце 08  вл етс  об зательной дл  реализации способа (уравнени  (2) и (3)).

Наличие в устройстве делител  напр жений , на входы которого подаютс  напр жени , соответственно пропорциональные входной и выходной оптической мощности, существенно сокращает врем  и повышает точность определени  коэффициентов затухани  yi и у2 и в конечном итоге параметров спектра микроизгибов.

Сравнение отличительных признаков за вл емых технических решений с тождественными признаками известных технических решений показало, что предлагаемые решени  соответствуют критерию Существенные отличи , т.к. не было вы влено у известных решений признаков или сочетани  признаков, тождественных отличительным признакам за вл емых объектов, сообщающих объектам (способу и устройству ) такие же свойства.

На чертеже представлена структурна  схема устройства дл  определени  параметров спектра микроизгибов.

Устройство содержит два лазера 1 и 2, работающих соответственно на длинах волн оптического излучени  Ai и Аа Лазеры подключены к входам оптичеЪкого объединител  3 и могут поочередно включатьс . Выход оптического объединител  3 подключен к входу первого делител  4 оптической мощности, один из выходов которого соединен с входом оптического волокна (ОБ) 5, а другой выход подключен к входу измерител  6 входной оптической мощности. Выход ОВ 5 соединен с входом второго делител  7 оптической мощности, выходы которого подключены соответственно к измерителю 8 выходной оптической мощности и к измерителю 9 интенсивности излучени  в ближней зоне. Выходы измерителей 6 и 8 подключены к входам делител  10 напр жений , выход которого подключен к индикатору 11, с которого снимаетс  информаци  о коэффициентах затухани  yi и у2 сигнала в ОВ 5.

В качестве лазерных источников 1 и 2 излучени  могут быть использованы полупроводниковые инжекционные лазеры или

твердотельные лазеры, например, на аоюмоитриевом гранате, легированном активными ионами неодима. Эти лазеры обеспечивают работу в одномодовом режиме.

Перспективными дл  реализации предлагаемого устройства могут  витьс  разрабатываемые новые когерентные параметрические источники излучени  на

0 основе новых кристаллических органических материалов, обладающих нелинейными свойствами и имеющих прозрачность в диапазоне длин волн 0,5-2 мкм. Характеристики этих материалов можно тонко подстраивать в требуемом диапазоне длин волн. С использованием такого материала уже создан когерентный параметрический источник излучени  с перестройкой в диапазоне длин волн от 0,75 до 1,6 мкм (Электро0 ника, № 10, 1986, с. 16-17 ЗВ.

Использование таких лазеров в за вл емом устройстве целесообразно, поскольку с их помощью можно обеспечить выбор частот дл  наилучшего согласовани  оптического тракта.

Оптический объединитель 3 - известное устройство, как и делители 4 и 7 оптической мощности, построенные, например, на основе одномодового направленного ответви0 тел  с регулируемым коэффициентом св зи (cM.ljc. 18-19). Благодар  указанной регулировке коэффициента св зи можно обеспечить максимальную идентичность ответвлени  оптического излучени  к изме5 рител м б и 8 оптической мощности.

В качестве измерителей входной 6 и выходной 8 оптической мощности могут быть использованы известные полупроводниковые фотоприемники, преобразующие оптическую мощность в пропорциональное ей напр жение. Известно, что промышленностью освоены различные фотоприемники и схемы их включени  в электрический тракт в широком спектральном диапазоне (см. 1.

5 с. 27-29).

Делитель 10 напр жений может быть выполнен на основе аналоговых интегральных схем (Алексенко А.Г. и др. Применение прецизионных аналоговых микросхем. М.;

0 Радио и Св зь, 1985, с. 108-115). напр жение с делител  подаетс  на индикатор 11 (например, стрелочный, отградуированный в единицах затухани ).

В качестве измерител  9 радиуса п тна

5 пол  моды в ближней зоне используетс  без каких-либо изменений регистрирующее устройство измерител  интенсивности излучени  в ближней зоне (ГОСТ 26814-86. Кабели оптические. Методы измерени  параметров , с. 29, черт. 14 5), представл ющее собой сопр женный с выходом ОВ телевизионный микроскоп с монитором (на чертеже внутренн   структура измерител  9 не раскрыта. Она полностью соответствует блоку 6 в 5). Распределение интенсивности пол  по торцу ОВ наблюдаетс  на экране видеомонитора этого регистрирующего устройства и радиус п тна пол  моды может быть измерен непосредственно на экране, т.к. масштаб изображени , определенный с помощью тестообъекта, известен.

Предлагаемый способ определени  параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна осуществл ют с помощью за вл емого устройства следующим образом.

Включают лазер 1, работающий на длине волны AI. Оптический сигнал через оптически и объединитель 3 поступает на вход первого делител  4 оптической мощности и в нем разветвл етс  в соответствии с заданным коэффициентом делени . Основна  часть мощности проходит в ОВ 5, а друга  ее часть поступает на измеритель 6 входной оптической мощности. В этом измерителе оптическа  мощность преобразуетс  в пропорциональное ей напр жение. Оптическа  мощность на выходе ОВ также разветвл етс  с помощью делител  7 с таким же коэффициентом делени , как и у делител  А. Часть мощности поступает на вход измерител  9 радиуса п тна пол  моды в ближней зоне, а друга  часть поступает на вход измерител  выходной оптической мощности, где преобразуетс  в пропорциональное ей напр жение .

Сигналы с выходов измерителей 6 и 8 оптической мощности поступают на делитель 10 напр жений, с которого снимаетс  сигнал у 1 у пропорциональный отнощению оптической мощности на входе ОВ к оптической мощности на его выходе, который поступает на индикатор 11.

На экране монитора измерител  9 измер ют радиус Woi п тна моды на выходном торце ОВ дл  длины волны Ai.

Затем лазер 1 выключают и включают лазер 2, работающий на длине волны А а .

Аналогично получают значени  у 2 и Wo2 на длине волны Я2.

Измеренные значени  yi yajWoi и Wo2 используют далее дл  расчета параметров р и А спектра микроизгибов по формулам (2) и (3).

Технический эффект от предлагаемых средств (способа и устройства) состоит в существенном сокращении времени получени  параметров спектра микроизгибов.

В результате оказываетс  возможным оперативно получить информацию о затухании сигнала в оптическом кабеле в широком диапазоне длин волн. Суть технического эффекта в том, что вместо пр мых измерений затухани  на каждой частоте из полосы рабочих частот оптического кабел , что занимало бы много времени и приводило бы в силу этого еще и к снижению точности, измерени  затухани  провод т лишь на двух частотах, что в совокупности с измерени ми на этих частотах размеров п тна направл емой моды в ближнем поле оказываетс  достаточным дл  определени  параметров р и

5 А спектра микроизгибов, а значение этих параметров спектра позвол ет простым расчетом быстро определить затухание у на любой частоте (формула (5)).

Определение параметров р и А спектра

0 микроизгибов по способу-прототипу (методом изменени  температуры оптического кабел ) требует слишком много времени, а точность его невысока.

В определенной степени точность предлагаемого способа, реализуемого с помощью предлагаемого устройства, повышена за счет исключени  вли ни  колебаний мощности источника оптического излучени , т.е. при изменени х мощности

0 источника она в одинаковое число раз измен етс  как на входе, так и на выходе О В, а измерени  мощности на входе и выходе О В производ тс  одновременно.

Оперативное определение затухани 

5 сигнала в оптическом кабеле в широком спектре частот не единственное практическое приложение параметров спектра микроизгибов . Оперативное определение параметров спектра р и А микроизгибов

0 важно в процессе эксплуатации оптического кабел , чтобы контролировать его передаточные характеристики, как уже существующей линии св зи. Кроме этого, возможно важен даже текущий контроль за

5 параметрами спектра микроизгибов в технологическом производстве оптического кабел , когда возможно вмешательство в технологический режим его изготовлени . Само описание спектра микроизгибов в

0 форме (1) предполагает различную степень св зи параметров спектра микроизгибоо с параметрами технологического цикла изготовлени  оптического кабел , особенно такого технологического цикла, в котором

Claims (2)

1. 5 образование микроизгибов  вл етс  функцией большого числа технологических параметров . Например, технологический цикл скрутки оптических волокон предполагает выбор режима частоты вращени  крутильного фонар , выбор направлени  вращени , раздельную регулировку нат жени  волокон дл  каждой катушки с волокном, изменение угла скрутки, шага и т.д. Каждый из этих технологических параметров в разной степени вли ет на изменение параметров р и А спектра микроизгибов и при установлении этой св зи целенаправленное изменение технологических параметров при контроле параметров спектра р и А может быть использовано дл  корректировки передаточных характеристик оптического кабел  в процессе изготовлени . Формула изобретени  1. Способ определени  параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна, включающий возбуждение оптического волокна излучением, измерение коэффициента затухани  оптического волокна, определение радиуса п тна пол  моды в ближней зоно на выходе оптического волокна и определение параметров р и А спектра. описываемого законом ( L ) А ( 2 л: L ) Р, где L-пространственный период мйкроизгибов, по коэффициенту затухани  и радиусу п тна пол  моды в ближней зоне на выходе оптического волокна, отличающийс  тем, что, с целью сокращени  времени определени  параметров спектра, оптическое волокно последовательно возбуждают излучением двух длин волн Ai и Я2, измер ют коэффициенты затухани  оптического волокна У1И у 2 и радиусы п тна пол  моды в ближней зоне Woi и Wo2 на этих длинах волн соответственно, а параметры р и А спектра определ ют по формуле I- XI J 01- W02 П f;Г 21П ;ГТ7 ... У 2kiWoi k 1 W 01 k2Wo2 А 2 у 1.2 {ki,2VVoi,2f (ki.2W2oi.2f . 2л: Т2
2. 2. Устройство дл  определени  параметров спектра микроизгибов одномодового оптического волокна, содержащее источник оптического излучени  с рабочей длиной волны Я 1 и измеритель выходной оптической мощности, отличающеес  тем, что, с целью сокращени  времени определени  параметров спектра, в него дополнительно введены источник оптического излучени  с рабочей длиной волны Я2. оптический объединитель, первый и второй делители оптической мощности с одинаковыми коэффициентами делени  мощности, измеритель входной оптической мощности, измеритель радиуса п тна пол  моды в ближней зоне, делитель напр жений и индикатор, причем входы оптического объединител  оптически св заны с источниками , оптического излучени , а выход оптического объединител  соединен с входом первого делител  оптической мощности , один выход которого подключен к входному торцу исследуемого оптического волокна, а второй выход подключен к входу измерител  входной мощности, вход второго делител  оптической мощности соединен с выходным торцом исследуемого волокна, первый и второй выходы второго делител  оптической мощности подключены соответственно к входу измерител  выходной мощности и .к измерителю радиуса п тна пол  моды 8 ближней зоне, а выходы измерителей входной и выходной оптической мощности подключены к соответствующим входам делител  напр жений, выход которого подключен к индикатору.