волоконно-оптическое устройство для передачи и регистрации одиночных электрических импульсов субнано-пикосекундного диапазона

Формула изобретения

Волоконно-оптическое устройство для передачи и регистрации одиночных электрических импульсов субнано-пикосекундного диапазона, содержащее в составе оптического передатчика лазерный модуль (ЛМ), электрооптический модулятор (ЭОМ) и коммутатор, оптический выход ЛМ соединен с оптическим входом ЭОМ, оптический информационный выход которого соединен через информационную оптическую линию с оптическим входом фотоприемника (ФПМ), электрический выход которого соединен с аналоговым входом оцифровщика, цифровой информационный выход которого соединен с входом ПК, электрический информационный вход ЭОМ соединен с выходом коммутатора, первый вход которого через аттенюатор соединен с информационным входом устройства, второй и третий входы - с выходами амплитудной и временной калибровки калибратора соответственно, отличающееся тем, что лазерный модуль выполнен регулируемым по длине волны в окрестности точки нулевой дисперсии стандартного одномодового волокна и расположен с приемной стороны устройства, входы управления регулируемого лазерного модуля соединены с первой группой управляющих выходов ПК, калибратор выполнен в виде генератора с дополнительным выходом сигнала нулевой дисперсии, соединенным с соответствующим входом коммутатора, с передающей стороны устройства введен блок управления, информационные входы которого соединены со второй группой управляющих выходов ПК через дополнительную линию связи, состоящую из последовательно соединенных цифрового лазерного модуля, оптического волокна и цифрового фотоприемного модуля, выходы блока управления подключены к управляющим входам аттенюатора, коммутатора и калибратора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к быстродействующей электронной технике и может быть использовано при регистрации одиночных электрических импульсов нано - пикосекундного временного диапазона, источник которых отстоит от места регистрации на расстоянии в несколько километров.

В ряде случаев источник сигнала регистрируемого процесса и регистрирующая аппаратура, например осциллографический (ОР) или электронно-оптический регистратор (ЭОР), должны быть разнесены в пространстве на расстояние до нескольких километров. В этом случае устройство состоит из передающей части, в которой расположены все необходимые блоки для передачи в длинную линию регистрируемого сигнала, непосредственно длинной линии заданной длины, приемной части, где расположены блоки, необходимые для приема и обработки информации. При длинах до нескольких километров использование коаксиальных кабельных линий передачи для регистрации сигналов субнано-пикосекундного диапазона практически исключено из-за высокого затухания сигнала в радиочастотном кабеле, причем затухание растет с частотой, а следовательно, пикосекундные фронты исследуемого сигнала не смогут быть зарегистрированы.

Полоса пропускания лучших кабельных линий составляет до 5 МГц/км, лучших многомодовых (градиентных) волоконных световодов уже до 500 МГц/км. В одномодовых волоконных световодах удалось устранить полностью или частично основные виды дисперсии: межмодовую, внутримодовую (материальную и волноводную дисперсии). Например, стандартное одномодовое волокно, называемое волокно SFSM - (standard fiber single mode), имеет нулевую хроматическую дисперсию на длине волны 1,31 мкм, затухание не более 0,3 дБ/км [1], а ВОЛП на основе одного SFSM волокна обеспечивает передачу цифровой информации (на 10 каналах шириной 50 ГГц) с потоком информации 111 Гбит/с на расстояния свыше 2000 км [2].

Регистрация формы одиночных импульсных сигналов, по сравнению с передачей и приемом цифрового потока требует существенно более высокой (в 3-5 раз) полосы пропускания сигнального тракта измерительного канала, так как тракт передачи исследуемого сигнала, начиная от первичного преобразователя до регистрирующего прибора, должен передавать весь спектр регистрируемого сигнала. Известно [3], что для регистрации импульса с временем нарастания Тн, с динамической погрешностью не более полной погрешности ОР или ЭОР, время нарастания канала регистрации (без ОР или ЭОР) должно быть не более Тк 0,25·Тн. Таким образом, например, для регистрации импульса с временем нарастания 100 пс с динамической погрешностью не более полной погрешности ОР или ЭОР, необходимо иметь канал регистрации (с длиной линии передачи до нескольких километров), имеющий полное время нарастания ПХ не более 25 пс. Это, в свою очередь, накладывает жесткие требования по широкополосности или быстродействию ко всем элементам измерительного канала.

Известно волоконно-оптическое устройство для передачи и регистрации [4] одиночных электрических импульсов субнано - пикосекундного диапазона, содержащее в составе оптического передатчика лазерный модуль (ЛМ), электро-оптический модулятор (ЭОМ) и коммутатор, оптический выход ЛМ соединен с оптическим входом ЭОМ, оптический информационный выход которого соединен через информационную оптическую линию с оптическим входом фотоприемника (ФПМ), электрический выход которого соединен с аналоговым входом оцифровщика (АЦП и ОЗУ), цифровой информационный выход которого соединен с входным портом ПК, электрический информационный вход ЭОМ соединен с выходом коммутатора, первый вход которого через аттенюатор соединен с информационным входом устройства, второй и третий входы - с выходами амплитудной и временной калибровки калибратора соответственно.

Анализ быстродействия современной элементной базы, используемой для реализации измерительной системы, показывает, что наибольший вклад в увеличение времени нарастания измеряемого импульса от источника до аналого-цифрового регистратора вносит волоконно - оптическая линия передачи ВОЛП, что связано с наличием хроматической (материальной и волноводной) дисперсии в стандартном одномодовом волокне.

Известны теоретически обоснованные устройства и способы снижения дисперсии в волокне [5-15]. В [5, стр. 112-114] показано, что при наличии волокна с увеличенным параметром V (сердцевина волокна легирована GeO₂ и окружена отражательным слоем с пониженным показателем преломления), можно снизить опасность возникновения высших мод, которые приводят к резкому возрастанию дисперсии. Этому посвящен патент [6], где рассматривается система передачи с W-образным волокном вышеописанной структуры.

Другой подход описан в [7], где рассмотрен метод компенсации влияния групповой дисперсии (применимый в основном для многомодовых волокон, имеющих межмодовую дисперсию) за счет частотного сдвига, обусловленного нелинейным изменением показателя преломления волокна. При этом образуется, так называемый, солитон, свойство которого заключается в том, что групповая дисперсия уравновешивается нелинейным изменением показателя преломления. Данный метод требует повышения оптической мощности до единиц Ватт, чтобы проявились нелинейные эффекты, что исключает использование современных ПЛМ, мощности которых рассчитаны только на линейное прохождение света в волокнах (до 10 мВт). В последнее время появились сообщения об использовании солитонного режима передачи оптических импульсов и для одномодовых волокон, с целью компенсации хроматической дисперсии, причем для создания требуемого уровня оптической мощности применяются оптические усилители EDFA [8]. Данный метод компенсации дисперсии применим для передачи цифрового потока данных.

Известны способы [9-15], основанные на построении линии с регулируемой (а в идеале с нулевой) дисперсией за счет сочетания в линии нескольких волокон с различными дисперсионными свойствами и различной длины.

Приведенные способы основаны на применении специальных, например W-образных волокон со смещенной (DSF), компенсирующей (DCF), обратной (RDF) или смещенной ненулевой (NZDSF) дисперсиями, или комбинаций специальных и обычных волокон, поэтому для рассматриваемого в заявке применения, заключающегося в использовании только стандартных (SF) оптических волокон, не описанные способы не решают проблему минимизации дисперсии на конкретной длине волны используемого в ВОЛП ПЛМ (длина волны которого может иметь значительное смещение от точки «нулевой дисперсии»). В рассмотренном выше примере, ПЛМ с прямой модуляцией ДМПО131-23 имеет длину волны в диапазоне ₁=1280-1350 нм, а стандартное (SF) одномодовое волокно имеет точку «нулевой» дисперсии: ₀=1314±10 нм.

Поскольку распределения ₁ и ₀ случайны и некореллированы, то различие указанных длин волн может составить от 46 нм до минус 44 нм, что приводит к значительному разбросу коэффициента хроматической дисперсии D, а значит быстродействие (время нарастания) ВОЛП будет изменяться в широких пределах, так как согласно указанной в [5, 10] формуле:

где - tнар волс (пс) - время нарастания ВОЛП за счет дисперсии, (нм)- ширина спектра ЛМ, D (пс/нм*км) - коэффициент хроматической дисперсии, L - длина ВОЛП, км. Следовательно, коэффициент D определяет время нарастания ВОЛП и так как в точке «0» дисперсии он равен 0, то и время нарастания ВОЛП за счет дисперсии будет минимизировано.

Наиболее близким техническим решением к данному предложению является волоконно-оптическое устройство [4].

Недостатками устройства [4] являются: ограниченная полоса пропускания и большая погрешность регистрации исследуемого сигнала. Это обусловлено наличием хроматической (материальной и волноводной) дисперсии в стандартном одномодовом волокне.

Техническим результатом данного предложения является расширение полосы пропускания устройства при снижении погрешности измерения регистрируемого сигнала в условиях удаленности источника регистрируемых импульсов от регистрирующей аппаратуры.

Технический результат в волоконно-оптическом устройстве для передачи и регистрации одиночных электрических импульсов субнано - пикосекундного диапазона, содержащем в составе оптического передатчика: лазерный модуль (ЛМ), электро-оптический модулятор (ЭОМ) и коммутатор, оптический выход ЛМ соединен с оптическим входом ЭОМ, оптический информационный выход которого соединен через информационную оптическую линию с оптическим входом фотоприемника (ФПМ), электрический выход которого соединен с аналоговым входом оцифровщика (АЦП и ОЗУ), цифровой информационный выход которого соединен со входом ПК, электрический информационный вход ЭОМ соединен с выходом коммутатора, первый вход которого через аттенюатор соединен с информационным входом устройства, второй и третий входы - с выходами амплитудной и временной калибровки калибратора соответственно, достигается тем, что лазерный модуль выполнен регулируемым по длине волны в окрестности точки нулевой дисперсии стандартного одномодового волокна и расположен с приемной стороны устройства, входы управления лазерного модуля соединены с первой группой управляющих выходов ПК, калибратор выполнен в виде генератора с дополнительным выходом сигнала нулевой дисперсии, соединенным с соответствующим входом коммутатора, с передающей стороны устройства введен блок управления, информационные входы которого соединены со второй группой управляющих выходов ПК посредством дополнительной линии связи, состоящей из последовательно соединенных цифрового лазерного модуля, оптического волокна и цифрового фотоприемного модуля, выходы блока управления подключены к управляющим входам аттенюатора, коммутатора и калибратора.

Существо предлагаемого технического решения заключается в обеспечении нулевой (минимальной дисперсии) в стандартном одномодовом волокне, что достигается аппаратно-программными средствами, реализующими минимум ширины на полувысоте (или времени нарастания) калибровочного импульса, воздействием на ток подогрева и ток накачки регулируемого лазерного модуля. Таким образом, существо предложения заключается в предварительной настройке лазерного модуля на длину волны, соответствующей нулевой дисперсии, что достигается аппаратно- программными средствами. При этом согласно формуле (1) обеспечивается наименьшее время нарастания ВОЛП, а следовательно, время нарастания всего тракта прохождения исследуемого сигнала снижается не менее чем в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом. Кроме того, предлагаемая система калибровок позволяет снизить линейные и нелинейные искажения исследуемого сигнала путем цифрового восстановления в ПК по заранее установленной программе, тем самым снизить погрешность регистрации до уровня погрешности калибраторов, то есть до 1-2%.

Критерием попадания в точку «0» дисперсии является минимальная ширина на полувысоте (или минимальное время нарастания) калибровочного импульса, зарегистрированного оцифровщиком. Предварительные калибровки волоконно-оптического устройства, амплитудная и временная, осуществляемые через тот же тракт, в котором проходит и исследуемый сигнал, снижают погрешности регистрации исследуемого сигнала и упрощают оцифровщик, в котором становятся не нужными внутренние калибраторы.

Блок - схема предлагаемого устройства представлена на чертеже.

Принятые обозначения:

Оптические волокна 1, 2, 3 стандартного одномодового волокна, размещенные в волоконно - оптическом кабеле (ВОК) 4, персональный компьютер (ПК) 5, электро-оптический модулятор (ЭОМ) 6, фотоприемный модуль 7, оцифровщик 8, управляемый аттенюатор 9, коммутатор 10, блок управления 11, калибратор 12, цифровой лазерный модуль 13, цифровой фотоприемный модуль 14, регулируемый лазерный модуль (РЛМ) 15.

В качестве управляемого аттенюатора 9 может быть использован аттенюатор типа UVD50SC (диапазон рабочих частот 0-50 ГГц) фирмы Centellax, на входе которого установлено устройство защиты от перегрузок типа СРВ, или СЭ203 разработки НИИИТ, в качестве сверхширокополосного электронно-оптического модулятора 6 может быть использован ЭОМ типа АМ-40 фирмы Laser 2000 (www.laser2000.com), в качестве фотоприемного модуля 7 - фотоприемник типа ФДМШ40-12 фирмы «Дилаз», в качестве регулируемого лазерного модуля 15 может быть использован лазер семейства dfTune фирмы TOpticka (www.toptica.com), РЛМ 15 имеет входы управления током подогрева и током накачки, изменение управляющего воздействия на которых, приводит к изменению длины волны излучения в качестве коммутатора 10 - коммутатор 2.242.191 (1×4) НИПИ Кварц. Собственно оптический кабель 4 требуемой длины может быть реализован на 3-х жилах любого SFSM одномодового волокна по стандарту ITU G.652.B, например в составе волоконно-оптического кабеля (ВОК) типа ОЗКГМ-1-10-0,22 (10 SFSM жил) ЗАО «Москабель-Фужикура». Калибратор 12 представляет собой блок из модулей, управляемых сигналами с БУ 11. Выход «дисперсия 0» обеспечен модулем типа TMG, выпускаемым НПО «Трим», Россия, С-Петербург. Модуль амплитудной калибровки и блок управления реализуются на современной элементной базе методами формальной логики. Модуль временной калибровки (СВЧ-генератор на заданную частоту) выполнен НПП «Исток». Цифровые модули ВОЛС 13, 14 - это стандартный комплект цифровых приемо-передатчиков средней скорости, который выпускается многими изготовителями, например ИРЭ - «Полюс». В ПК 5 заложена программа управления ИС и программа, реализующая анализ ширины на полувысоте эквивалента калибровочного импульса и выработки соответствующих управляющих сигналов на управляющие входы ПЛМ 15, регулирующие ток подогрева и ток накачки лазера, что приводит к изменению в необходимых пределах длины волны генерируемого оптического излучения.

Измерительный цикл начинается с калибровки РЛМ 15 на длину волны, совпадающую с точкой «0» дисперсии волокна 1 ВОК 4. Критерием является получение минимального значения ширины на полувысоте эквивалента калибровочного импульса, зарегистрированного оцифровщиком 8 и обработанного ПК 5. Минимальное значение ширины на полувысоте эквивалента калибровочного импульса соответствует длине волны РЛМ 15, при которой достигается минимальная дисперсия, т.е. «дисперсия 0». Калибровочный импульс подается с выхода «дисперсия 0» калибратора 12 через открытое плечо коммутатора 10, на вход модуляции ЭОМ 6 и модулирует излучение РЛМ 15. Световой эквивалент калибровочного импульса, пройдя через волокно 3 ВОК 4 заданной длины, на фотоприемнике 7 преобразовывается в электрический аналог и преобразуется оцифровщиком 8 в цифровой массив. Полученный цифровой массив выборок запоминают и обрабатывают в ПК 5 по заложенной заранее программе вычисления и поиска минимума ШПВ эквивалента калибровочного импульса.

Калибровка проводится циклически, изменением длины волны ПЛМ 15, сначала грубо с помощью термической перестройки, что означает анализ величины цифрового эквивалента калибровочного импульса в ПК 5 и подачу на управляющий вход РЛМ 15 соответствующего сигнала, регулирующего его длину волны путем изменения тока подогрева. При получении минимально возможного значения ширины на полувысоте эквивалента калибровочного импульса проводят плавную регулировку длины волны РЛМ 15 по тому же алгоритму: после анализа значения ширины на полувысоте цифрового эквивалента калибровочного импульса в ПК 5, последний вырабатывает соответствующий управляющий сигнал, воздействующий на ток накачки РЛМ 15. Операция повторяется циклически до получения в программе вычисления и поиска минимума ШПВ минимального значения ширины на полувысоте эквивалента калибровочного импульса.

В результате длина волны РЛМ 15 совпадает с точкой «0» дисперсии волокна ВОЛП, а следовательно, дисперсионная составляющая времени нарастания ИС будет стремиться к нулю, а предлагаемое устройство обеспечивает наибольшую широкополосность при регистрации одиночного электрического импульса. После установки на РЛМ 15 длины волны, соответствующей длине волны в точке «0» дисперсии, производится рабочий пуск РЛМ 15 на установленной длине волны. Управляющая программа ПК 5 формирует команды, которые производят переключение коммутатора 5 в режим амплитудной и временной калибровки сигналами с соответствующих выходов калибратора 6. Управляющие команды формируются программой управления, заложенной в ПК 5, и передаются с ПК через дополнительный канал управления ИС, состоящий из цифрового лазерного модуля 7, волокна 2 ВОК 4, цифрового ФПМ модуля 14, и попадают на вход блока управления 11, три выхода которого управляют, соответственно, коэффициентом ослабления управляемого аттенюатора 9, коммутатором 10 и калибратором 12. Эквиваленты сигналов амплитудной (уровни напряжения) и временной (калибрационные метки времени) калибровок проходят через тот же электро-оптический тракт, что и исследуемый сигнал, и регистрируются оцифровщиком 8 и ПК 5, цифровые значения эквивалентов запоминаются и будут учтены при восстановлении измеряемого одиночного электрического импульса, путем обработки по заранее заложенной в ПК 5 программе. Далее, через дополнительный канал управления, производят установку коэффициента деления управляемого аттенюатора 9, коммутатор 10 переключается в режим пропускания регистрируемого сигнала. Происходит пуск регистрируемого сигнала, который, проходя через управляемый аттенюатор 9 и открытое плечо коммутатора 10, попадает на вход модуляции ЭОМ 6 и модулирует квази-непрерывное световое излучение РЛМ 15. Световой эквивалент регистрируемого сигнала по волокну 3 ВОК 4 попадает на ФПМ 7, преобразуется в электрический аналог, который регистрируется оцифровщиком 8 и передается в ПК. Оцифрованный эквивалент регистрируемого сигнала вместе с оцифрованными сигналами амплитудной и временной калибровок обрабатываются по заранее заложенной программе с помощью ПК 5, где и происходит восстановление формы измеряемого одиночного импульса. Программные средства ПК 5 обеспечивают определение искомых параметров измеряемых одиночных импульсов.

Таким образом, в предлагаемом устройстве система калибровки «0» дисперсии обеспечивает наименьшее время нарастания ВОЛП, а следовательно, время нарастания всего тракта прохождения регистрируемого сигнала снижается не менее чем в 1,5-2 раза по сравнению с прототипом. Кроме того, в предлагаемом устройстве система калибровок позволяет снизить линейные и нелинейные искажения регистрируемого сигнала путем цифрового восстановления в ПК 5 по заранее установленной программе, тем самым снизить погрешность регистрации до уровня погрешности калибраторов, то есть до 1-2%.

Литература

1. А.Г.Свинцов. 30 лет ВОЛС - эволюция оптического волокна. Ж. Фотон-экспресс, №3, июль 2003 г., стр.19-22.

2. Кай Чанг, Уильям Флегал. Широкодиапазонные оптико-волоконные системы типа Full Spektrun на основе AllWave® волокна сегодня и завтра. Фотон-экспресс, №3 (59) 2007 г., стр.26.

3. ГОСТ 23158-78. Осциллографы электронно-лучевые универсальные, методы испытания.

4. М.В.Демьянович и др. Волоконно-оптические устройства передачи информации, стр.127, 139. В кн. «Диагностика однократного импульсного излучения». М. ИЗДАТ, 1999 г. - прототип.

5. М.М.Бутусов и др. Волоконно-оптические системы передачи информации М. Радио и связь, 1992 г.

6. Араи Синити и др. Оптическое волокно с низкой дисперсией и оптическая система передачи с использованием оптического волокна с низкой дисперсией. РФ, заявка №2001131734/28, 2003.11.20. Класс Н04В 10/12

7. Хаэсгава, Кодома. Передача сигналов оптическими солитонами в оптическом волокне. Труды Института инженеров по радиоэлектронике, пер. с англ. М. 1981 г. т. №69, №9.

8. Н.Слепов О свете медленном и быстром. Ж. Фотоника, №1, 2007 г., стр.24.

9. Уайлдмен, Джордж Ф. (US) Симметричные волоконно-оптические кабель и система с регулируемой дисперсией. №97102038, 1999.03.10, класс Н04В 10/12.

10. Шеховцева В.А. Методы компенсации хроматической дисперсии Фотон-экспресс, №1 (57) 2007 г., стр.24-27.

11. Пат. США №7, 068, 943. Devices and methods for dynamic dispersion compensation - устройства и методы динамической дисперсионной компенсации.

12. Пат. США №7, 039, 269. Optical transmission line and optical transmission system utilizing same - Оптическая линия передачи и система оптической передачи, ее использующая.

13. Пат. США №5, 361, 319. Dispersion compensating devices and systems - Компенсирующие дисперсию устройства и системы.

14. Пат. США №6, 807, 351. L-band dispersion compensating fiber and transmission system including same - Волокно, компенсирующее дисперсию в L-полосе и передающая система, это использующая.

15. Пат. США №6, 993, 228. Dispersion compensated optical fiber transmission system and module including micro-structured optical fiber - Оптическая волоконная система с скомпенсированной дисперсией и модуль, включающий микроструктурированное оптическое волокно.