RU1784879C - Устройство дл измерени хроматической дисперсии одномодовых волоконных световодов - Google Patents

Abstract

Сущность изобретени ; устройство содержит опорный генератор синусоидального сигнала, генератор частот, N полупроводниковых лазеров, оптический переключатель и оптический соединитель, фотодетектор и фазометр. Опорный генератор синусоидального сигнала, вырабатывающий сигнал низкой частоты, соединен с генератором частот, который формирует сигнал высокой частоты. На одном из выходов генератора частот образуетс  сигнал суммарной частоты, который через оптический переключатель поочередно подаетс  на (N-1J полупроводниковых лазеров. Сигнал высокой частоты модулирует излучение первого полупроводникового лазера, опорный оптический сигнал которого и измерительный сигнал одного из (N-1) полупроводниковых лазеров через оптический соединитель вводитс  в исследуемый одномодовый волоконный световод. С выхода исследуемого световода сигналы поступают на фотодетектор, на выходе которого образуетс  сигнал разностной частоты, который поступает на один из входов фазометра . На второй вход фазометра подаетс  сигнал низкой частоты, вырабатываемый опорным генератором синусоидального сигнала . Хроматическа  дисперси  определ етс  по измерению разности фаз этих сигналов. 1 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  к области измерительной техники и может быть использовано дл  контрол  характеристик оптических кабелей.

Известны устройства дл  измерени  хроматической дисперсии одномо овых волоконных световодов (ОВС), в основе которых лежит сравнение фазы синусоидального сигнала, прошедшего через исследуемый ОВС, с фазой опорного сигнала.

Одно из устройств дл  измерени  хроматической дисперсии ОВС содержит опорный генератор синусоидального сигнала, генератор частот, вырабатывающий сигналы с двум  различными модулирующими частотами (fi.fa) и их разностью, светодиод, акустооптический модул тор, монохрома- тор, фотодзтектор и фазометр. Сигналом частоты fi, вырабатываемым генератором частот, модулируетс  оптическое излучение светодиода. После прохождени  по ОВС

со

4 00 4 О

лучение вторично модулируетс  в акусто-оп- тическом модул торе, куда от генератора частот подаетс  сигнал с частотой h. Оптический сигнал на выходе акусто-оптическо- го модул тора имеет составл ющую с разностной частотой. Сигнал разностной частоты (f i - f2) детектируетс  фотодиодом и поступает на вход фазометра, где он сравниваетс  по фазе с сигналом частоты (fi - f2), вырабатываемым генератором частот.

Недостатком этого устройства  вл етс  низка  точность измерени , т,к. в качестве источника излучени  используетс  светоди- од, а в модул торе тер етс  значительна  часть энергии сигнала, что приводит к уменьшению отношени  сигнал/шум на выходе фотодиода и снижению точности измерени  разности фаз. Кроме того, в этом устройстве используетс  внешний модул тор , что значительно усложн ет его конструкцию .

. Наиболее близким техническим решением , выбранным в качестве прототипа,  вл етс  устройство дл  измерени  хроматической дисперсии одномодовых волоконных световодов, содержащее опорный генератор синусоидального сигнала, N полупроводниковых лазеров с различными длинами волн, которые оптически св заны с оптическим переключателем, через который сигналы от различных лазеров поступают в исследуемый световод. С выхода исследуемого ОВС сигналы поступают в измерительный лавинный фотодиод и затем усиливаютс . В устройстве создан также опорный канал, состо щий из опорного полупроводникового лазера, соединенного с опорным лавинным фотодиодом отрезком опорного волоконного световода, и усилител . Дисперси  определ етс  по измерению разности фаз электрических сигналов с выхода измерительного фотодиода и опорного сигнала, с выхода опорного фотодиода.

Недостатком это го устройства  вл етс  то, что задержка сигнала определ етс  по измерению фазы высокочастотного сигнала , что приводит к необходимости использовани  широкополосного приемника, уменьшает отношение сигнал/шум на входе фазометра и существенно снижает точность измерений. Кроме того, создание опорного канала значительно усложн ет конструкцию устройства.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени .

Указанна  цель достигаетс  тем, что устройство дл  измерени  хроматической дисперсии ОВС, содержащее N полупроводниковых лазеров с различными дли.13ми волн, один из которых  вл етс  опорным, а

остальные оптически св заны с оптическим переключателем, опорный генератор синусоидального сигнала, лавинный фотодиод с усилителем, соединенный с первым входом

фазометра, дополнительно снабжено генератором частот и оптическим соединителем, при этом выход опорного генератора синусоидального сигнала соединен с входом генератора частот, первый выход которого

0 соединен с вторым входом фазометра, второй выход - с опорным полупроводниковым лазером, а третий выход - с остальными N-1 полупроводниковыми лазерами, выход опорного лазера оптически св зан с первым

5 входом оптического соединител , второй вход которого оптически св зан с выходом оптического переключател .

На чертеже изображена структурна  схема устройства дл  измерени  хроматиче0 ской дисперсии одномодовых волоконных световодов.

Устройство дл  измерени  хроматической дисперсии ОВС (фиг.1) содержит опорный генератор синусоидального сигнала 1,

5 генератор частот 2,опорный полупроводниковый лазер 3, (N-1) полупроводниковых лазеров 4-6, оптический переключатель 7, оптический соединитель 8, лавинный фотодиод с усилителем 10 и фазометр 11.

0Выход опорного генератора синусоидального сигнала 1 соединен со входом генератора частот 2, первый выход которого соединен с вторым входом фазометра 11, второй выход - с опорным полупроводнико5 вым лазером 3, а третий выход - с остальными N-1 полупроводниковыми лазерами 4-6. Излучение ППЛ 4-6 подаетс  на входы оптического переключател  7, объедин етс  вместе с излучением ППЛ 3 в оптическом

0 соединителе 8 и поступает на вход исследуемого световода 9. Выход исследуемого световода 9 соединен со входом лавинного фотодиода с усилителем 10, сигнал с выхода которого подаетс  на первый вход фазомет5 ра 11.

Устройство работает следующим образом . Опорный генератор синусоидального сигнала 1 вырабатывает сигнал, который служит опорным дл  генератора частот, ко0 торый, в свою очередь, вырабатывает сигналы с частотами fi (второй выход), f2 (третий выход), fi-f2 (первый выход). Сигнал частоты fi модулирует излучение ППЛ 3, а сигнал частоты fa - излучение ППЛ 4-6.

5 Опорный оптический сигнал с выхода ППЛ 3 и измерительный сигнал одного из ППЛ 4-6 с помощью оптического переключател  7 и оптического соединител  8 ввод тс  в исследуемый ОВС 9. Вследствие воздействи  хроматической дисперсии каждый сигнал в ОВС 9 испытывает задержку, завис щую от длины волны соответствующего ППЛ.

С выхода исследуемого ОВС 9 измерительный и опорный сигналы поступают на лавинный фотодиод с усилителем 10. Поскольку лавинный фотодиод имеет нелиней- ную зависимость тока от падающей мощности, на нагрузке лавинного фотодиода образуетс  сигнал разностной частоты f . Этот сигнал усиливаетс  и подаетс  на первый вход фазометра, на второй вход которого подаетс  сигнал с первого выхода генератора частот 2. Фазометр 11 измер ет разность фаз этих низкочастотных сигналов ,

С помощью оптического переключател  7 к исследуемому ОВС 9 через оптический соединитель 8 последовательно подключаютс  различные ППЛ 4-6, что обеспечивает измерение задержек на различных длинах волн, из которых определ етс  хроматическа  дисперси .

В реальном устройстве могут быть использованы генератор частот, вырабатывающий сигналы с частотой fi 50,01 МГц, fa 50 МГц и их разность (fi - f2) 10 кГц, ППЛ с длинами волн 1230, 1280, 1310, 1360, 1500 и 1550 нм.

В качестве опорного может быть выбран ППЛ с длиной волны 1310 нм. Дл  измерени  разности фаз может использоватьс  промышленный прибор Ф1-34.

Покажем, что разность фаз, измеренных фазометром, пр мо пропорциональна разности задержек сигналов, распростран ющихс  по ОВС.

Легко показать, что фаза сигнала низкой частоты пришедшего на второй вход фазометра, равна

Фс - (Wi - Wa)t - Wi n + Wa T2 + (Ф1 - Фг)

Фаза сигнала, пришедшего на первый вход фазометра от генератора частот

Фг (Wi - W2)t + Фго,

где Фго - начальна  фаза сигнала генератора частот.

При поочередном подключении измерительных ППЛ, фазометр измер ет разность фаз (Фс - Фг ). Например, дл  двух разных ППЛ измеренные разности фаз равны

Ф| Л/1П ,;

Ф) Л/1П - Л/2Г,.

Разность измеренных значений пр мо пропорциональна разности задержек на длинах волн этих ППЛ.

Ф, - Ф; W2(r, - т}).

f

Таким образом, видно, что при передаче сигнала по ОВС на высокой частоте, измерение разности фаз осуществл етс  на низ- кой частоте, и при этом разность задержек двух измерительных сигналов с различными длинами волн пропорциональна разности измеренных фаз.

В предложенном устройстве точность измерени  хроматической дисперсии ОВС выше, чем в прототипе.

В предложенном устройстве по исследуемому ОВС одновременно распростран ютс  два сигнала вида

Pi(t) Poi{1 + yicos Wi(t - n) + (1)

P2(t) Po2{1 + y2Cos W2(t - r2) + (2)

где Рот и Ро2 - средние мощности сигналов с частотой модул ции fi и f2, соответственно;

Ti - задержка опорного сигнала с частотой модул ции fi (с длиной волны ППЛ 3);

Г2 - задержка измерительного сигнала

с частотой модул ции h (с длиной волны одного из ППЛ 4-6);

Ф1 и Фа - начальные фазы опорного и измерительного сигнала,соответственно;

у и YZ - глубина модул ции опорного и

измерительного сигнала, соответственно;

Wi «2 2;7rf2.

На лавинный фотодиод (ЛФД) приходит

сигнал, который вызывает в цепи нагрузки

ЛФД напр жение

45

U iR /PMR

(3)

где l-ток ЛФД при коэффициенте усилени  М;

/- чувствительность ЛФД;

Р - мощность излучени , падающего на ЛФД(Р Р1(1) + Р2М).

Коэффициент усилени  ЛФД зависит от напр жени  смешени  и его можно определить по формуле

1/М 1 - (UCM - U)/Unp)v, (4) где UCM - напр жение смещени  ЛФД;

Unp - напр жение пробо  ЛФД;

v - посто нна , завис ща  от материаа, ti3 которого изготовлен фотодиод.

ПодсУавив выражение (4) в (3), получим

U{1-(UcM-U) 7/PR (5)

Из формулы (5) видно, что напр жение U нелинейно зависит от падающей мощности Р. Поэтому, если оптический сигнал представл ет собой сумму двух синусоидальных сигналов, то в спектре электрического сигнала U на нагрузке R будет присутствовать сигнал с разностной частотой .

Анализ уравнени  (5) проводилс  при условии U « UCM, которое на практике обычно выполн етс .

После решени  уравнени  (5) получим зависимость U от Р

U +

/

+ II +4vM(M-1)/Rp/UCM /2v(M -1)(6)

Дл  определени  амплитуды сигнала с разностной частотой необходимо подставить сумму выражений дл  мощности (1) и (2) в уравнение (6), выделить под знаком корн  переменную составл ющую сигнала, провести разложение в р д по формуле

/1 +х 1 + х/2 - х2/8

и выделить из полученного выражени  члены , содержащие сигнал с разностной частотой . В результате несложных преобразований была получена формула дл  амплитуды сигнала с разностной частотой

Ai 2 V(M - 1)R PoiPo2/UCM Амплитуда сигнала в прототипе равна A2 yMj}RPo

Если UCM 30 В, Ро 0,1 мкВт, М 10, R 10 кОм, rj 0,5 А/Вт, Р 0,1 мкВт, v 2, у 0,5, то отношение амплитуд в предложенном устройстве и в прототипе, равно

А1/А2- 0,003

Видно, что по сравнению с прототипом, в предложенном устройстве имеетс  проигрыш по амплитуде примен емого сигнала. Однако поскольку точность измерени  хроматической дисперсии определ етс  точностью измерени  разности фаз, котора , в

свою очередь, зависит от отношени  сигнал/шум на входе фазометра, рассмотрим отношение сигнал/шум в прототипе и в предложенном устройстве.

Известно, что отношение сигнал/шум

на выходе приемника обратно пропорционально полосе пропускани  приемника. По- скольку оптический приемник в предложенном устройстве должен быть настроен на низкую частоту fi-f2, а в прототипе - на высокую частоту f2 и если считать, что добротность этих приемников одинакова , то отношение мощностей шумов этих приемников

Si/S2 f2(fi-f2)

Видно, что мощность шума в приемнике предложенного устройства будет в f2/fi-f2 раз меньше мощности шума в приемнике прототипа.

Если, например, h - 50 МГц, fi-f2 10 кГц, то отношение сигнал/шум в предложенном устройстве будет больше отноше- ни  сигнал/шум в прототипе в 15 раз

(Ai/Si)/(A2/S2)15

Поэтому в предложенном устройстве по

Claims (1)

1. сравнению с прототипом точность измерени  хроматической дисперсии выше. Формула изобретени  Устройство дл  измерени  хроматической дисперсии одномодовых волоконных

   световодов, содержащее N полупроводниковых лазеров с различными длинами волн, один из которых  вл етс  опорным, а остальные оптически св заны с оптическим переключателем, опорный генератор синусоидального сигнала, лавинный фотодиод с усилителем, соединенный с первым входом фазометра, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности измерений, в устройство дополнительно введены генератор частот и оптический соединитель, при этом выход опорного генератора синусоидального сигнала соединен с входом генератора частот, первый выход которого соединен с вторым входом фазометра, второй выход - с опорным полупроводниковым лазером, а третий выход - с остальными N-1 полупроводниковыми лазерами, выход опорного лазера оптически св зан с первым входом оптического соединител , второй

   вход которого оптически св зан с выходом оптического переключател .