RU2229693C2

RU2229693C2 - Reflectometer to measure distribution of voltage and temperature in fiber light guides

Info

Publication number: RU2229693C2
Application number: RU2001119242/28A
Authority: RU
Inventors: О.Е. Наний (RU); О.Е. Наний
Original assignee: Наний Олег Евгеньевич; ЗАО "Оптиктелеком Комплект"
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2004-05-27

Abstract

FIELD: measurement technology, measurement of distribution of voltages and temperatures in fiber-optical communication lines. SUBSTANCE: reflectometer includes pulse source of luminous radiation, unit for input of luminous radiation into tested fiber light guide, coupler, discriminator and system analyzing scattered radiation. Discriminator comes in the form of resonance amplifier based on stimulated Brillouin scattering. Values of voltage and temperature in fiber-optical communication line are computed by measured values of selectively amplified backward scattering on frequency of Brillouin component. Short light pulse directed into tested fiber-optical communication line is formed in modulation unit from radiation with narrow spectral band by continuous laser. With propagation of light pulse in tested line portion of radiation is scattered backwards, hits detector and is analyzed. EFFECT: enhanced measurement precision and simplified design of reflectometer. 15 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике для волоконно-оптических систем передачи информации, а именно к устройствам для измерения пространственного распределения напряжений и температуры в волоконных световодах.The invention relates to measuring equipment for fiber-optic information transmission systems, and in particular to devices for measuring the spatial distribution of stresses and temperatures in optical fibers.

Известны устройства для измерения пространственного распределения напряжений и температуры в волоконных световодах, в которых величина напряжений или изменение температуры определяются по соотношению амплитуды компонент сигнала обратного рассеяния от светового импульса, распространяющегося вдоль исследуемого волоконного световода. Основным недостатком этих устройств являются малая чувствительность и точность измерений, связанные с незначительной точностью определения малых изменений амплитуды слабых рассеянных сигналов. Кроме того, на изменение амплитуды рассеянного сигнала влияют одновременно два фактора: изменение температуры и изменение механических напряжений. Поэтому для извлечения информации о распределении напряжений необходимо поддерживать постоянство температуры во всем тестируемом световоде и, наоборот, для извлечения информации о распределении температуры необходимо обеспечить постоянство механических напряжений в волоконном световоде [1, 2].Known devices for measuring the spatial distribution of stresses and temperatures in optical fibers, in which the magnitude of the stresses or temperature changes are determined by the ratio of the amplitude of the components of the backscattering signal from the light pulse propagating along the studied optical fiber. The main disadvantage of these devices is the low sensitivity and accuracy of measurements associated with the insignificant accuracy of determining small changes in the amplitude of weak scattered signals. In addition, two factors simultaneously affect the change in the amplitude of the scattered signal: a change in temperature and a change in mechanical stresses. Therefore, to extract information about the distribution of stresses, it is necessary to maintain a constant temperature throughout the tested fiber and, conversely, to extract information about the temperature distribution, it is necessary to ensure the constancy of mechanical stresses in the fiber [1, 2].

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство [3], в котором величина изменения температуры или напряжение в волоконном световоде определяются по величине сигнала, возникающего на частотном дискриминаторе. При проведении нескольких серий измерений с различной настройкой частотного дискриминатора удается получить информацию как об амплитуде рассеянного излучения, так и о величине частотного сдвига. По этим данным определяется распределение температуры и напряжений в волоконных световодах. Основной недостаток аналога связан с большой величиной сдвига частоты при рассеянии Мандельштама-Бриллюэна. При длине волны света 1,55 мкм сдвиг частоты составляет 11 ГГц, что затрудняет проведение измерений величины частотного сдвига компоненты Мандельштама-Бриллюэна, составляющего величину порядка 100 МГц. Поэтому частотный дискриминатор выполнен в виде гетеродинного дискриминатора, в котором рассеянное излучение смешивается с опорным сигналом, формируемым сложной системой многократного последовательного сдвига частоты выходного излучения лазера.Closest to the proposed device is a device [3], in which the magnitude of the temperature change or voltage in the fiber is determined by the magnitude of the signal that occurs on the frequency discriminator. When conducting several series of measurements with different settings of the frequency discriminator, it is possible to obtain information both about the amplitude of the scattered radiation and about the magnitude of the frequency shift. Based on these data, the distribution of temperature and stresses in the optical fibers is determined. The main disadvantage of the analogue is associated with the large frequency shift during Mandelstam-Brillouin scattering. At a light wavelength of 1.55 μm, the frequency shift is 11 GHz, which makes it difficult to measure the magnitude of the frequency shift of the Mandelstam-Brillouin component, which is about 100 MHz. Therefore, the frequency discriminator is made in the form of a heterodyne discriminator, in which the scattered radiation is mixed with a reference signal generated by a complex system of multiple sequential frequency shift of the output laser radiation.

Целью изобретения является повышение точности измерений и снижение требований к электронным компонентам системы. Это достигается за счет того, что дискриминатор выполнен в виде резонансного усилителя на основе вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ усилителя) [4, стр. 385-391]. ВРМБ усилитель обладает узкой полосой усиления, что обеспечивает хорошую дискриминацию усиливаемого излучения по частоте. Отсутствие же системы гетеродинирования и электронного резонансного приемника существенно упрощает конструкцию устройства и повышает его надежность.The aim of the invention is to improve the accuracy of measurements and reduce the requirements for electronic components of the system. This is achieved due to the fact that the discriminator is made in the form of a resonant amplifier based on stimulated Mandelstam-Brillouin scattering (SBS amplifier) [4, p. 385-391]. The SBS amplifier has a narrow gain band, which provides good discrimination of the amplified radiation in frequency. The absence of a heterodyning system and an electronic resonance receiver greatly simplifies the design of the device and increases its reliability.

Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION

Работа патентуемого устройства поясняется чертежом.The operation of the patented device is illustrated in the drawing.

Устройство состоит из лазера (1), модулятора-формирователя световых импульсов (2), устройства ввода (3) излучения в тестируемый волоконный световод (7), ответвителя для вывода рассеянного излучения (4), ВРМБ усилителя (5) и блока (6) обработки и анализа рассеянного излучения.The device consists of a laser (1), a light pulse modulator-shaper (2), an input device (3) of radiation into the fiber optic under test (7), a coupler for scattered radiation output (4), an SBS amplifier (5), and a unit (6) processing and analysis of scattered radiation.

Физическим явлением, лежащим в основе патентуемого рефлектометра, является рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (РМБ) - это явление рассеяние света на адиабатических флуктуациях плотности конденсированных сред, сопровождающееся изменением частоты. В спектре рассеянного назад в волоконном световоде монохроматического света наряду с компонентой, совпадающей по частоте с частотой возбуждающего излучения, наблюдаются дискретные, расположенные симметрично относительно частоты возбуждающего света, спектральные компоненты, называемые компонентами Мандельштама-Бриллюэна (компонентами тонкой структуры линии Рэлея) или сателлитами. Адиабатические флуктуации плотности можно представить как результат интерференции упругих волн различной частоты со случайными фазами и амплитудами, распространяющихся в среде по всевозможным направлениям. Данные волны называются дебаевскими. Плоская световая волна, распространяющаяся в такой среде, дифрагирует во всех направлениях на этих упругих волнах, модулирующих диэлектрическую проницаемость среды. Каждая из упругих волн создает периодическую решетку, на которой происходит дифракция света аналогично дифракции света на ультразвуке. Максимум интенсивности света, рассеянного на упругой волне с длиной волны А, наблюдается в направлении θ, отвечающем условию Вульфа-Брэгта:

где n - показатель преломления, λ - длина волны света в вакууме. Каждой упругой волне, распространяющейся в некотором направлении со скоростью ν, соответствует волна той же частоты, бегущая навстречу. Следовательно, в среде образуются стоячие упругие волны. Изменение плотности этих волн во времени с частотой

вызывает модуляцию рассеянного света. Поэтому в рассеянном свете появятся дискретные компоненты - сателлиты. Их частоты равны: ω₀+Δω - стоксова компонента, ω₀-Δω - антистоксова, где Δω=Ω.The physical phenomenon underlying the patented reflectometer is Mandelstam-Brillouin scattering. Mandelstam-Brillouin scattering (RMB) is the phenomenon of light scattering by adiabatic fluctuations in the density of condensed matter, accompanied by a change in frequency. In the spectrum of monochromatic light scattered backwards in a fiber, along with a component that coincides in frequency with the frequency of the exciting radiation, there are discrete spectral components located symmetrically with respect to the frequency of the exciting light, called Mandelstam-Brillouin components (components of the fine structure of the Rayleigh line) or satellites. Adiabatic density fluctuations can be represented as the result of interference of elastic waves of different frequencies with random phases and amplitudes propagating in the medium in all possible directions. These waves are called Debye waves. A plane light wave propagating in such a medium diffracts in all directions on these elastic waves modulating the dielectric constant of the medium. Each of the elastic waves creates a periodic lattice, on which the diffraction of light occurs similarly to the diffraction of light by ultrasound. The maximum intensity of light scattered by an elastic wave with a wavelength A is observed in the θ direction corresponding to the Wulf – Bragg condition:

where n is the refractive index, λ is the wavelength of light in vacuum. Each elastic wave propagating in a certain direction with a velocity ν corresponds to a wave of the same frequency traveling towards one another. Consequently, standing elastic waves form in the medium. The change in the density of these waves in time with frequency

causes scattered light modulation. Therefore, discrete components — satellites — will appear in the scattered light. Their frequencies are equal: ω ₀ + Δω is the Stokes component, ω ₀ -Δω is anti-Stokes, where Δω = Ω.

Величина относительного изменения частоты сателлитов:The value of the relative change in the frequency of the satellites:

где с - скорость света в вакууме.where c is the speed of light in vacuum.

Несмещенная компонента света с частотой ω₀ обусловлена рассеянием на неоднородностях среды. Смещенные компоненты с частотами ω₀ ± Δω - рассеянием на ультразвуковых волнах. Величина частотного сдвига и амплитуда компонент Мандельштама-Бриллюэна зависят от натяжения световода и от температуры. Именно это и используется в патентуемом устройстве для измерения величины натяжения и температуры.The unbiased component of light with frequency ω ₀ is due to scattering by the inhomogeneities of the medium. Displaced components with frequencies ω ₀ ± Δω - scattering by ultrasonic waves. The magnitude of the frequency shift and the amplitude of the Mandelstam-Brillouin components depend on the fiber tension and temperature. This is exactly what is used in the patented device for measuring the magnitude of tension and temperature.

Мощность обеих компонент Мандельштамма-Бриллюэна в рассеянном назад излучении мала и составляет примерно 2% мощности центральной несмещенной по частоте компоненты, слабо чувствительной к натяжению и температуре. Чтобы выделить полезный сигнал в патентуемом устройстве используется дискриминатор на основе ВРМБ усилителя, обладающего резонансным усилением на частоте стоксовой (или антистоксовой) компоненты. Для накачки ВРМБ усилителя, работающего на частоте стоксовой компоненты, можно использовать излучение задающего лазера. Увеличение коэффициента усиления может быть получено за счет предварительного усиления светового излучения, используемого для накачки ВРМБ усилителя.The power of both Mandelstamm-Brillouin components in backscattered radiation is small and amounts to approximately 2% of the power of the central unshifted component in frequency, which is weakly sensitive to tension and temperature. To highlight a useful signal in a patented device, a discriminator based on the SBS amplifier is used, which has resonant amplification at the frequency of the Stokes (or anti-Stokes) component. To pump the SBS of the amplifier operating at the frequency of the Stokes component, the radiation of the master laser can be used. An increase in the gain can be obtained by pre-amplification of the light radiation used to pump the SBS amplifier.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Излучение лазера (1) поступает на модулятор-формирователь световых импульсов (2). В модуляторе-формирователе (2) световых импульсов формируется последовательность световых импульсов с регулируемой длительностью и периодом следования. Сформированная последовательность импульсов через устройство ввода (3) попадает в тестируемый волоконный световод (7). Рассеянное назад излучение тестируемого волоконного световода через ответвитель (4) для вывода рассеянного излучения направляется на ВРМБ усилитель (5). Усиленное излучение поступает в блок (6) анализа. В блоке (6) анализа осуществляется измерение амплитуды усиленного в ВРМБ усилителе излучения. Поскольку при ВРМБ усилении центр полосы усиления смещен относительно частоты накачки на величину сдвига Мандельштама-Бриллюэна в сторону низких частот, то при частоте накачки, близкой частоте задающего лазера, будет усиливаться стоксова компонента излучения, рассеянного в тестируемом волоконном световоде. Дискриминирующие свойства ВРМБ усилителя основаны на сильной зависимости коэффициента усиления сигнала обратного рассеяния от частоты. Такая зависимость коэффициента усиления от частоты приводит к тому, что смещение частоты стоксовой компоненты рассеянного излучения после усиления в ВРМБ усилителе превращается в изменение амплитуды усиленного излучения. Блок обработки осуществляет прием сигнала, измерение его амплитуды и пересчитывает вариации амплитуды сигнала в величину смещения частоты. По величине сдвига частоты рассчитывается величина натяжения волоконного световода так же, как и в прототипе.Laser radiation (1) is fed to the light pulse modulator-shaper (2). In the modulator-shaper (2) of light pulses, a sequence of light pulses with an adjustable duration and a repetition period is formed. The generated train of pulses through the input device (3) enters the fiber under test (7). The backscattered radiation of the fiber under test is sent through the coupler (4) to the SBS amplifier to output the scattered radiation (5). Amplified radiation enters the analysis unit (6). In block (6) of the analysis, the amplitude of the radiation amplifier amplified in the SBS is measured. Since the center of the gain band during SBS amplification is shifted relative to the pump frequency by the Mandelstam-Brillouin shift toward lower frequencies, then at the pump frequency close to the frequency of the master laser, the Stokes component of the radiation scattered in the fiber under test will be amplified. The discriminating properties of the SBS amplifier are based on the strong frequency dependence of the backscattering signal gain. Such a dependence of the gain on frequency leads to the fact that the frequency shift of the Stokes component of the scattered radiation after amplification in the SBS amplifier turns into a change in the amplitude of the amplified radiation. The processing unit receives the signal, measures its amplitude and recalculates the amplitude variations of the signal in the magnitude of the frequency offset. The magnitude of the frequency shift is calculated the magnitude of the tension of the optical fiber in the same way as in the prototype.

Более точные результаты, однако, дает другая схема измерений и обработки результатов измерений. В этом случае в блоке накачки ВРМБ усилителя осуществляется перестройка частоты излучения накачки. При этом происходит перестройка полосы усиления ВРМБ усилителя. Это позволяет последовательно проводить измерения амплитуды сигнала биений на различных частотах Δω₀. Таким образом, определяется спектр бриллюэновского рассеяния, в частности амплитуда компоненты Мандельштама-Бриллюэна и ее частотный сдвиг в каждой точке волокна. По этим двум параметрам определяются величина натяжения и температура волоконного световода.More accurate results, however, are provided by another scheme of measurements and processing of measurement results. In this case, in the pump block of the SBS amplifier, the frequency of the pump radiation is tuned. In this case, the gain band of the SBS amplifier is tuned. This allows you to consistently measure the amplitude of the beat signal at different frequencies Δω ₀ . Thus, the Brillouin scattering spectrum is determined, in particular, the amplitude of the Mandelstam-Brillouin component and its frequency shift at each fiber point. These two parameters determine the magnitude of the tension and the temperature of the fiber.

Если импульсный источник светового излучения выполнен в виде последовательно расположенных непрерывного задающего лазера и внешнего модулятора-формирователя импульсов, то излучение задающего лазера может непосредственно использоваться для накачки ВРМБ усилителя. Для смещения частоты накачки может использоваться электрооптическое или акустооптическое устройство.If the pulsed source of light radiation is made in the form of a sequentially located continuous master laser and an external pulse shaper modulator, then the radiation from the master laser can be directly used to pump the SBS amplifier. To offset the pump frequency, an electro-optical or acousto-optical device can be used.

Использование одночастотного полупроводникового лазера с распределенной обратной связью или лазера с распределенным брэгговским отражателем позволяет стабилизировать частоту лазера и повысить точность измерений. Использование одночастотного полупроводникового лазера с вертикальным резонатором позволяет уменьшить размеры устройства. Использование в качестве непрерывного задающего лазера одночастотного твердотельного кольцевого лазера позволяет не только увеличить точность измерений, но и увеличить дальность за счет повышения выходной мощности. Использование одночастотного твердотельного кольцевого лазера с акустооптическим невзаимным элементом и выводом излучения лазера через дифракционный максимум этого элемента существенно уменьшает влияние обратного рассеяния на стабильность работы кольцевого лазера и тем самым повышает точность измерений. Аналогичный результат достигается при использовании в качестве импульсного источника светового излучения лазера, работающего в режиме синхронизации мод.The use of a single-frequency semiconductor laser with distributed feedback or a laser with a distributed Bragg reflector makes it possible to stabilize the laser frequency and increase the accuracy of measurements. The use of a single-frequency vertical-cavity semiconductor laser reduces the size of the device. The use of a single-frequency solid-state ring laser as a continuous master laser allows not only to increase the accuracy of measurements, but also to increase the range by increasing the output power. The use of a single-frequency solid-state ring laser with an acousto-optic nonreciprocal element and the output of laser radiation through the diffraction maximum of this element significantly reduces the effect of backscattering on the stability of the ring laser and thereby increases the accuracy of measurements. A similar result is achieved when a laser operating in the mode synchronization mode is used as a pulsed light source.

Повысить стабильность работы резонансного ВРМБ усилителя можно осуществляя его накачку излучением непрерывного одночастотного лазера.To increase the stability of the resonant SBS amplifier, it can be pumped by radiation from a cw single-frequency laser.

Для повышения скорости измерений накачка резонансного ВРМБ усилителя может осуществляться излучением перестраиваемого по частоте лазера.To increase the measurement speed, the resonant SBS amplifier can be pumped by radiation from a frequency-tunable laser.

Для упрощения конструкции накачка резонансного ВРМБ усилителя может осуществляться излучением непрерывного задающего лазера, которое для повышения коэффициента усиления может быть предварительно усилено.To simplify the design, the pump of a resonant SBS amplifier can be pumped by a cw laser, which can be pre-amplified to increase the gain.

Возможность реализацииPossibility of implementation

Возможность реализации патентуемого устройства определяется возможностью реализации его основных элементов: задающего лазера (1), модулятора-формирователя (2) световых импульсов, устройства (3) ввода излучения в тестируемое волокно, ответвителя (4) для вывода рассеянного излучения, ВРМБ усилителя (5), блока (6) анализа.The feasibility of the patented device is determined by the feasibility of its main elements: a master laser (1), a light pulse modulator (2), a device for inputting radiation into the fiber under test, a coupler (4) for scattered radiation output, an SBS amplifier (5) block (6) analysis.

В качестве основного задающего лазера могут быть использованы непрерывные полупроводниковые лазеры со стабилизацией частоты или твердотельные чип-лазеры. Необходимая для работы патентуемого устройства выходная мощность порядка нескольких единиц или десятков мВт и спектральная полоса менее 100 МГц вполне достижимы и не являются уникальными [5, 6]. Ответвители и модулятор-формирователь световых импульсов являются стандартными элементами интегральной оптики. Для работы ВРМБ усилителя необходимо излучение непрерывного лазера с мощностью порядка нескольких десятков или сотен мВт и со спектральной полосой менее 100 МГц [7]. Блок анализа представляет собой устройство, позволяющее записывать серию рефлектограмм, получаемых при различных значениях длины волны накачки, и проводить их сравнение. В качестве такого блока может, в частности, использоваться блок анализа, аналогичный использовавшемуся в прототипе.As the main master laser, cw semiconductor lasers with frequency stabilization or solid-state chip lasers can be used. The output power necessary for the operation of the patented device of the order of several units or tens of mW and a spectral band of less than 100 MHz are quite achievable and not unique [5, 6]. Taps and light pulse modulator-shaper are standard elements of integrated optics. For the operation of the SBS amplifier, it is necessary to emit a cw laser with a power of the order of several tens or hundreds of mW and with a spectral band of less than 100 MHz [7]. The analysis unit is a device that allows you to record a series of reflectograms obtained at various values of the pump wavelength, and to compare them. As such a block, in particular, an analysis block similar to that used in the prototype can be used.

ЛитератураLiterature

1. Р.С.Wait and T.P.Newson, Opt. Commun. v.122, p.141, 1996.1. R.C. Wait and T. P. Newson, Opt. Commun. v. 122, p. 141, 1996.

2. T.A.Parker et al., IEEE Photonics Technol. Lett. v.9, p.979, 1997.2. T.A. Parker et al., IEEE Photonics Technol. Lett. v. 9, p. 979, 1997.

3. T.Kurashima et al., in Proceedings of IOOFC-ECOC'97, v.1, p.119-121, 1997.3. T. Kurashima et al., In Proceedings of IOOFC-ECOC'97, v. 1, p. 119-121, 1997.

4. G.P.Agrawal. Fiber - optic communication systems. NY, A Wiley-Interscience publication, 1997.4. G.P. Agrawal. Fiber - optic communication systems. NY, A Wiley-Interscience publication, 1997.

5. Л.С.Корниенко, О.Е.Наний. Физика лазеров, Часть 1, издание 2, М.: Изд-во Московского университета, 1996, Часть 2, М.: Изд-во Московского университета, 1995.5. L.S. Kornienko, O.E. Naniy. Laser Physics, Part 1, Edition 2, Moscow: Moscow University Press, 1996, Part 2, Moscow: Moscow University Press, 1995.

6. Н.В.Кравцов, О.Е.Наний. Квантовая электроника, т.20, в.4, с.322, 1993.6. N.V. Kravtsov, O.E. Naniy. Quantum Electronics, vol. 20, v. 4, p. 322, 1993.

7. Г.Агравал. Нелинейная волоконная оптика. М.: Мир, 1996.7. G. Agraval. Nonlinear fiber optics. M .: Mir, 1996.

Claims

1. A reflectometer for measuring the distribution of voltage or temperature in optical fibers, containing a pulsed light source, a device for inputting radiation into the fiber under test, a coupler, a discriminator, and a scattered radiation analysis system, characterized in that the discriminator is made in the form of a resonant amplifier based on stimulated scattering Mandelstam - Brillouin (SBS amplifier).

2. The device according to claim 1, characterized in that the pulsed light source is made in the form of sequentially arranged continuous master laser and an external modulator - pulse shaper.

3. The device according to claim 2, characterized in that the continuous master laser is made in the form of a single-frequency semiconductor laser with distributed feedback.

4. The device according to claim 2, characterized in that the continuous master laser is made in the form of a single-frequency semiconductor laser with a distributed Bragg reflector.

5. The device according to claim 2, characterized in that the continuous master laser is made in the form of a single-frequency semiconductor laser with a vertical resonator.

6. The device according to claim 2, characterized in that the continuous master laser is made in the form of a single-frequency solid-state ring laser.

7. The device according to claim 6, characterized in that the single-frequency solid-state ring laser contains an acousto-optic nonreciprocal element and the laser radiation is output through the diffraction maximum of this element.

8. The device according to claim 1, characterized in that the pulsed light source is made in the form of a laser operating in the mode synchronization mode.

9. The device according to claims 1 to 8, characterized in that the resonant SBS amplifier is pumped by a single-frequency continuous-wave laser.

10. The device according to claims 1 to 8, characterized in that the resonant SBS amplifier is pumped by radiation from a frequency-tunable laser.

11. The device according to claims 2-7, characterized in that the resonant SBS amplifier is pumped by radiation from a continuous master laser.

12. The device according to claim 11, characterized in that the resonant SBS amplifier is pumped by amplified radiation from a continuous master laser.

13. The device according to claims 1-12, characterized in that a block for changing the frequency of the pump radiation of the SBS amplifier is introduced, which is electrically connected to the scattered radiation analysis system.

14. The device according to item 13, wherein the unit for changing the frequency of the pump radiation is made in the form of an acousto-optic modulator on a traveling acoustic wave.

15. The device according to item 13, wherein the unit for changing the frequency of the pump radiation is made in the form of an electro-optical modulator.