обнаружение нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе

Формула изобретения

1. Устройство фазочувствительного оптического рефлектометра во временной области, выполненное с возможностью обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе, причем устройство содержит:

источник света, предназначенный для посылки последовательных световых импульсов по волноводу;

фотодетектор, предназначенный для генерирования сигналов, характеризующих распределенную по времени интенсивность света в спекл-структуре, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу; и

процессор, предназначенный для сравнения упомянутых сигналов для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу,

причем световые импульсы, посылаемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно порядка 0,1 - 100 ГГц.

2. Устройство по п.1, в котором световые импульсы, посылаемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно порядка 1 - 10 ГГц.

3. Устройство по п.1, в котором световые импульсы, посылаемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно 7,5 ГГц.

4. Устройство по п.1, в котором пространственная длина световых импульсов составляет приблизительно порядка 1 м и 100 м.

5. Устройство по п.1, в котором пространственная длина световых импульсов составляет приблизительно порядка 1 м и 10 м.

6. Устройство по п.1, в котором пространственная длина световых импульсов составляет приблизительно 1 м.

7. Устройство по п.1, в котором мощность световых импульсов составляет приблизительно порядка 0,1 Вт и 10 Вт.

8. Устройство по п.1, в котором мощность световых импульсов составляет приблизительно 2 Вт.

9. Устройство по п.1, в котором фотодетектор имеет ширину полосы электронного обнаружения, составляющую приблизительно 125 МГц.

10. Устройство по п.1, дополнительно содержащее оптический фильтр, предназначенный для фильтрации света перед тем, как он достигнет фотодетектора, причем ширина оптической полосы пропускания оптического фильтра меньше ширины спектра источника света.

11. Устройство по п.10, в котором ширина оптической полосы пропускания оптического фильтра составляет приблизительно порядка 0,1 - 100 ГГц.

12. Устройство по п.10, в котором ширина оптической полосы пропускания оптического фильтра составляет приблизительно порядка 1 - 10 ГГц.

13. Устройство по п.10, в котором ширина оптической полосы пропускания оптического фильтра составляет приблизительно порядка 7,5 ГГц.

14. Способ по п.10, в котором оптический фильтр размещен таким образом, чтобы осуществлять фильтрацию обратно рассеянного света.

15. Устройство фазочувствительного оптического рефлектометра во временной области, выполненное с возможностью обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе, причем устройство содержит:

источник света, предназначенный для посылки последовательных световых импульсов по волноводу;

фотодетектор, предназначенный для генерирования сигналов, характеризующих распределенную по времени интенсивность света в спекл-структуре, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу;

процессор, предназначенный для сравнения упомянутых сигналов для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу; и

оптический фильтр, предназначенный для фильтрации обратно рассеиваемого света перед тем, как он достигнет фотодетектора,

причем ширина оптической полосы пропускания оптического фильтра меньше ширины спектра источника света и составляет приблизительно порядка 0,1 - 100 ГГц.

16. Устройство по п.15, в котором ширина оптической полосы пропускания оптического фильтра составляет приблизительно порядка 1 - 10 ГГц.

17. Устройство по п.15, в котором ширина оптической полосы пропускания оптического фильтра составляет приблизительно порядка 7,5 ГГц.

18. Способ обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе, посредством фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной области, причем способ содержит этапы, на которых:

побуждают источник света посылать последовательные световые импульсы по волноводу;

генерируют сигналы, характеризующие распределенную по времени интенсивность света в спекл-структуре, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу; и

сравнивают упомянутые сигналы для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу,

причем световые импульсы, посылаемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно порядка 0,1 - 100 ГГц.

19. Способ по п.18, в котором световые импульсы, посылаемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно порядка 1 - 10 ГГц.

20. Способ по п.18, в котором световые импульсы, посылаемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно 7,5 ГГц.

21. Способ по п.18, в котором пространственная длина световых импульсов составляет приблизительно порядка 1 м и 100 м.

22. Способ по п.18, в котором пространственная длина световых импульсов составляет приблизительно порядка 1 м и 10 м.

23. Способ по п.18, в котором пространственная длина световых импульсов составляет приблизительно 1 м.

24. Способ по п.18, в котором мощность световых импульсов составляет приблизительно порядка 0,1 Вт и 10 Вт.

25. Способ по п.18, в котором мощность световых импульсов составляет приблизительно 2 Вт.

26. Способ по п.18, в котором сигналы генерируют при помощи фотодетектора, имеющего ширину полосы электронного обнаружения, составляющую приблизительно 125 МГц.

27. Способ по п.18, содержащий этап, на котором осуществляют фильтрацию света перед генерацией упомянутых сигналов, причем ширина оптической полосы пропускания при фильтрации меньше ширины спектра источника света.

28. Способ по п.27, в котором ширина оптической полосы пропускания при фильтрации составляет приблизительно порядка 0,1 - 100 ГГц.

29. Способ по п.27, в котором ширина оптической полосы пропускания при фильтрации составляет приблизительно порядка 1 - 10 ГГц.

30. Способ по п.27, в котором ширина оптической полосы пропускания при фильтрации составляет приблизительно порядка 7,5 ГГц.

31. Способ по п.27, в котором фильтрацию выполняют для обратно рассеянного света.

32. Способ по любому из пп.18-31, используемый для обнаружения акустических волн.

33. Способ обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе посредством фазочувствительной оптической рефлектометрии во временной области, причем способ содержит этапы, на которых:

побуждают источник света посылать последовательные световые импульсы по волноводу;

используя фотодетектор, генерируют сигналы, характеризующие распределенную по времени интенсивность света в спекл-структуре, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу;

сравнивают упомянутые сигналы для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответствующих световых импульсов по этому волноводу; и

фильтруют обратно рассеиваемый свет перед тем, как он достигнет фотодетектора,

причем ширина оптической полосы пропускания при фильтрации меньше ширины спектра источника света и составляет приблизительно порядка 0,1 - 100 ГГц.

34. Способ по п.33, в котором ширина оптической полосы пропускания при фильтрации составляет приблизительно порядка 1 - 10 ГГц.

35. Способ по п.33, в котором ширина оптической полосы пропускания при фильтрации составляет приблизительно порядка 7,5 ГГц.

36. Способ по п.33, в котором фильтрацию выполняют для обратно рассеянного света.

37. Способ по любому из пп.33-36, используемый для обнаружения акустических волн.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к устройству и способу для обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе. В частности, но не исключительно, оно относится к усовершенствованию технологии фазочувствительной OTDR (Optical Time-Domain Reflectometry - Рефлектометрия во временной области для оптоволоконных линий), предназначенной для обнаружения вызванного внешними факторами изменяющегося во времени нарушения фазы света, распространяющегося в мономодовом оптическом волокне.

Уровень техники

OTDR - это сложившаяся технология для анализа распространения света в оптическом волокне. В телекоммуникационной отрасли данная технология широко используется для обнаружения и определения места повреждения оптических волокон. Количество света, рассеянного в результате обратного релеевского рассеяния в оптическом волокне при прохождении светового импульса по этому волокну, может быть обнаружено с использованием фотодетектора, размещенного на конце упомянутого оптического волокна, в которое передан световой импульс. Анализ сигнала, сгенерированного фотодетектором, который характеризует обнаруженный обратно рассеянный свет, как функции времени может сделать возможным определение пространственного распределения этого количества света, обратно рассеянного в различных точках вдоль волокна. Так как больше света поглощается или обратно рассеивается в местах повреждения и т.п., то эти места могут быть идентифицированы на основе определенного таким образом пространственного распределения.

Соответствующая технология, известная как фазочувствительная OTDR, использует тот факт, что если световой импульс является когерентным и распространяется в мономодовом оптическом волокне, составляющие света от светового импульса, которые рассеяны в результате обратного релеевского рассеяния, интерферируют друг с другом, в результате чего возникает так называемая временная спекл-структура на фотодетекторе. Интенсивность временной спекл-структуры в любой конкретный момент времени зависит от фазовых различий между разными составляющими света, рассеянного в результате обратного релеевского рассеяния, поступающими на фотодетектор в этот момент. Эти составляющие выделились в результате обратного рассеяния из светового импульса, когда он находился в соответствующем пространственном положении в волокне. Следовательно, мгновенная интенсивность временной спекл-структуры зависит от условий, влияющих на фазу света, имеющуюся в этом месте в пределах диапазона пространственной протяженности светового импульса, т.е. локального показателя преломления волокна. Любая локальная перемена этих условий для последовательных световых импульсов приведет к различию в мгновенных интенсивностях временных спекл-структур данных световых импульсов в соответствии с этим местом. Сравнение сигналов, сгенерированных фотодетектором для когерентных световых импульсов, передаваемых последовательно по волокну, таким образом, позволяет обнаружить и определить место изменений в локальном показателе преломления, например, вызванных внешними воздействиями, такими как деформирование волокна.

Хорошо известно из уровня техники, в случае традиционной технологии OTDR, временная спекл-структура, созданная любой когерентной составляющей светового импульса, образует шум в требуемом сигнале фотодетектора, который при отсутствии повреждения или тому подобного в идеале должен демонстрировать гладкое пространственное распределение обратно рассеянного света. Поэтому в общем случае световые импульсы, используемые для традиционной технологии OTDR, в известной степени некогерентны, имея значения ширины спектра, превышающие приблизительно 500 ГГц. Это уменьшает относительный вклад временной спекл-структуры в интенсивность обратно рассеянного света, принятого на фотодетекторе.

С другой стороны, в случае технологии фазочувствительной OTDR, обратно рассеянный свет от любой некогерентной составляющей когерентных световых импульсов не вносит свой вклад во временную спекл-структуру и, следовательно, снижает уровень желаемого сигнала при требуемом сравнении сигналов фотодетектора для последовательных световых импульсов. Сравнение или "разностный сигнал" в идеале должен просто характеризовать изменения в условиях, влияющих на фазу световых импульсов в пределах их пространственной протяженности в различных местах волокна, которые обусловлены изменениями во внешних воздействиях, возникающих в промежутках между передачей этих световых импульсов. Существование различий из-за изменений в обратном рассеянии некогерентного светового излучения является нежелательным.

Таким образом, в варианте реализации на практике технологии фазочувствительной OTDR, который описан в документе US 5194847, а его усовершенствованная версия описана в статье "Polarization Discrimination in a Phase-Sensitive Optical Time-Domain Reflectometer Intrusion-Sensor System" ("Поляризационная селекция в системе с датчиком обнаружения вмешательства на основе фазочувствительного рефлектометра во временной области для оптоволоконных линий"), Juan C. Juarez et al (Хуан К. Хуарез и др.), Optics Letters, Vol. 30, No. 24, 15 декабря 2005 г., оговорено условие, что световые импульсы должны быть в высокой степени когерентными. Если говорить более конкретно, в документе US 5194847 указывается, что ширина спектра источника света должна быть порядка 10 кГц, а в более поздней статье указывается, что ширина спектра источника света должна быть менее 3 кГц. Предполагается, что эта небольшая ширина спектра должна уменьшить влияние на сигналы фотодетектора обратно рассеянного света от некогерентной составляющей каждого светового импульса.

Одной из проблем, связанных с этим вариантом реализации на практике, являются трудности в обеспечении дешевых источников света с высокой степенью когерентности. С целью удовлетворить требованиям к когерентности, предъявляемым в документе US 5194847 и упомянутой выше статье, были разработаны специальные источники света, например, описанные в статье "Spectrally Stable Er-Fiber Laser for Application in Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry" ("Спектрально стабильный волоконный лазер на основе эрбия для применения в фазочувствительной рефлектометрии во временной области для оптоволоконных линий") Kyoo Nam Choi et al (Киу Нам Чой и др.), IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 15, No. 3, 3 марта 2003 г., но они, как правило, являются очень дорогими. Кроме того, они подвержены смещению частоты. Если смещение частоты приводит к слишком сильному изменению частоты источника света для последовательных световых импульсов, то могут возникать ложные различия между последовательными сигналами фотодетектора. Естественно, это ограничивает эффективность данной технологии.

Другой проблемой является то, что мощность световых импульсов, которые могут быть поданы в оптическое волокно от когерентных источников света, ограничена за счет различных явлений, в особенности, так называемых "нелинейных эффектов". В частности, рассеяние Бриллюэна вызывает неупругое обратное рассеяние света (например, преобразование в свет, распространяющийся в обратном направлении, который имеет длину волны, отличающуюся от длины волны светового импульса), что приводит к ослаблению светового импульса по мере его прохождения по оптическому волокну. Рассеяние Бриллюэна происходит при всех мощностях светового импульса, но при превышении некоторого порогового значения мощности оно значительным образом увеличивается. Важно то, что это пороговое значение мощности зависит от ширины спектра светового импульса. Для светового импульса с шириной спектра менее чем приблизительно 17 МГц и длиной волны приблизительно 1550 нм, проходящего через одномодовое оптическое волокно из диоксида кремния длиной 10 км, пороговое значение мощности составляет приблизительно 5 мВт. В связи с этим ограничивается мощность световых импульсов, используемых в том варианте реализации на практике, который описан в документе US 5194847 и указанной выше статье. Однако очевидно, что для генерирования полезного сигнала требуется, чтобы фотодетектор принимал как можно больше обратно рассеянного света. Следовательно, в вариантах реализации на практике, описанных в документе US 5194847 и указанной выше статье, эту потребность стремятся удовлетворить за счет увеличения длительности световых импульсов, а не их мощности. В самом деле, в документе US 5194847 указано, что световые импульсы имеют длительность приблизительно 100 нс, а согласно усовершенствованной версии этой технологии, описанной в упомянутой статье, световые импульсы имеют длительность 2 мкс.

Понятно, что определение в оптическом волокне места с нарушением в распространении света может относиться только к пространственной протяженности светового импульса в волокне, так как интенсивность временной спекл-структуры в любой конкретный момент времени представляет собой суммарную интерференцию обратно рассеянного света для каждой пространственной точки светового импульса в соответствующий момент. Таким образом, пространственная протяженность световых импульсов задает максимально возможное пространственное разрешение для этой технологии. Световой импульс длительностью 2 мкс имеет пространственную протяженность, составляющую приблизительно 200 м, это означает, что максимально возможное пространственное разрешение для технологии, описанной в указанной выше статье, составляет 200 м. Это далеко от идеала.

Одним из путей улучшения пространственного разрешения без увеличения мощности световых импульсов является использование световых импульсов меньшей длительности, но с усреднением сигналов фотодетектора, сгенерированных обратно рассеянным светом от ряда световых импульсов, чтобы получить более сильный сигнал, и последующим сравнением с применением таких усредненных сигналов, следующих друг за другом. Однако это уменьшает временное разрешение. Другими словами, больше времени занимает идентификация изменений во временных спекл-структурах и, следовательно, изменений во внешних воздействиях, оказываемых на оптическое волокно. Более того, становится невозможным проанализировать изменения, которые происходят за срок меньше длительности времени усреднения. Поэтому нельзя реализовать такие варианты, как обнаружение акустических волн и т.д.

Настоящее изобретение создано исходя из стремления устранить эти проблемы.

Сущность изобретения

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается устройство для обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе, и это устройство содержит:

- источник света, предназначенный для посылки последовательных световых импульсов по волноводу;

- фотодетектор, предназначенный для генерирования сигналов, характеризующих распределенную по времени интенсивность света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу; и

- процессор, предназначенный для сравнения упомянутых сигналов для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу,

причем световые импульсы, передаваемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно порядка 0,1 ГГц - 100 ГГц.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе, и это способ содержит следующие этапы:

- вызывают посылку источником света последовательных световых импульсов по волноводу;

- генерируют сигналы, характеризующие распределенную по времени интенсивность света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу; и

- сравнивают упомянутые сигналы для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу,

причем световые импульсы, передаваемые по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно порядка 0,1 ГГц - 100 ГГц.

Таким образом, согласно данному изобретению признается тот факт, что было бы более эффективным выполнять фазочувствительную OTDR, используя частично когерентные световые импульсы вместо световых импульсов с высокой степенью когерентности. Сравнение сигналов, характеризующих интенсивность обратно рассеянного света от частично когерентных световых импульсов, делает возможной хорошую распознаваемость вариаций в скорости изменения фазы света, распространяющегося по волноводу, для последовательных световых импульсов, но, самое главное, позволяет достичь лучшего отношения "сигнал/шум" (SNR) для обнаруженного сигнала и, таким образом, позволяет улучшить пространственное разрешение и ускорить ответную реакцию по сравнению тем, что можно получить от световых импульсов с высокой степенью когерентности.

Важно отметить, что ширина спектра световых импульсов, задаваемая настоящим изобретением, означает значительное уменьшение возможных эффектов рассеяния Бриллюэна по сравнению с оптическими импульсами более узкого спектра, используемых согласно известному уровню техники. В идеале ширина спектра световых импульсов должна превышать полосу пропускания усиления Бриллюэна для оптического волновода, которая составляет приблизительно 17 МГц для оптического волокна из диоксида кремния. В действительности световые импульсы, посланные по волноводу, в предпочтительном случае имеют ширину спектра приблизительно порядка 1 ГГц - 10 ГГц, в более близком к идеалу случае световые импульсы, посланные по волноводу, имеют ширину спектра приблизительно 7,5 ГГц. Это дает возможность световым импульсам иметь более высокую мощность по сравнению с теми, которые используются согласно известному уровню техники. Как правило, мощность световых импульсов составляет приблизительно порядка 0,1 Вт и 10 Вт или в более близком к идеалу случае - приблизительно 2 Вт. Это, кроме того, позволяет использовать более короткие световые импульсы, например, имеющие длину приблизительно порядка 1 м и 100 м, предпочтительно - приблизительно порядка 1 м и 10 м, или в более близком к идеалу случае - приблизительно 1 м.

Целесообразно задавать ширину спектра световых импульсов путем фильтрации света на выходе, создаваемого источником света. Если говорить более конкретно, упомянутое устройство может дополнительно содержать оптический фильтр, предназначенный для фильтрации света перед тем, как он достигнет фотодетектора, причем ширина полосы пропускания оптического фильтра меньше ширины спектра источника света. Аналогичным образом, упомянутый способ может дополнительно содержать этап фильтрации света перед тем, как он достигнет фотодетектора, с использованием оптического фильтра, ширина полосы пропускания которого меньше ширины спектра источника света. Эту фильтрацию необходимо отличать от традиционной фильтрации с целью устранения самопроизвольного испускания или явлений подобного рода, при которых излучение выходит за пределы основного спектра света, испускаемого источником света. При этом важно отметить, что основной спектр света, испускаемого источником света, сужается. Другими словами, уменьшается ширина спектральной линии света.

Это, по своей сути, можно считать элементом новизны, и, согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предлагается устройство для обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе, и это устройство содержит:

- источник света, предназначенный для посылки последовательных световых импульсов по волноводу;

- фотодетектор, предназначенный для генерирования сигналов, характеризующих распределенную по времени интенсивность света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу;

- процессор, предназначенный для сравнения упомянутых сигналов для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу; и

- оптический фильтр, предназначенный для фильтрации света перед тем, как он достигнет фотодетектора,

причем ширина полосы пропускания оптического фильтра меньше ширины спектра источника света.

Кроме того, согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предлагается способ обнаружения нарушения фазы света, распространяющегося в оптическом волноводе, и этот способ содержит следующие этапы:

- вызывают посылку источником света последовательных световых импульсов по волноводу;

- генерируют сигналы, характеризующие распределенную по времени интенсивность света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу;

- сравнивают упомянутые сигналы для идентификации различия в интенсивности света, обратно рассеиваемого в волноводе при прохождении соответственных световых импульсов по этому волноводу; и

- фильтруют свет перед тем, как он достигнет фотодетектора,

причем ширина полосы пропускания при фильтрации меньше ширины спектра источника света.

В предпочтительном случае оптический фильтр устанавливают, чтобы фильтровать обратно рассеянный свет. Это удобно, так как делает возможным, чтобы ширина спектра света, проходящего по оптическому волноводу, превышала ширину спектра обнаруженного обратно рассеянного света. Так как ширина спектра имеет отношение к когерентности, фильтрация может гарантировать, что обнаруженный свет является достаточно когерентным для того, чтобы можно было обнаружить временную спекл-структуру. В то же время, свет, проходящий по волноводу, может иметь относительно большой спектр, в результате чего можно уменьшить нелинейные эффекты в оптическом волноводе, такие как рассеяние Бриллюэна.

Ниже только в качестве примера и со ссылкой на сопровождающие чертежи описаны предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 представляет собой схематичное представление устройства, используемого при рефлектометрии во временной области для оптоволоконных линий (OTDR), для светового излучения с частичной когерентностью, согласно первому предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения;

фиг.2А представляет собой графическое представление полосы длин волн света, пропущенного другим оптическим фильтром, входящим в состав OTDR-устройства, изображенного на фиг.1;

фиг.2В представляет собой графическое представление полосы длин волн света, пропущенного волоконным оптическим фильтром на основе дифракционной решетки Брэгга (FBG), входящим в состав OTDR-устройства, изображенного на фиг.1;

фиг.3 представляет собой графическое представление зависимости длины волны светового импульса, создаваемого лазерным диодом с распределенной обратной связью (DFB, Distributed FeedBack), входящим в состав OTDR-устройства для светового излучения с частичной когерентностью, в зависимости от времени;

фиг.4 представляет собой графическое представление полосы длин волн света, пропущенного волоконным оптическим фильтром на основе дифракционной решетки Брэгга, по сравнению с длинами волн светового импульса после того, как он прошел 1 км по оптическому волокну OTDR-устройства, изображенного на фиг.1;

фиг.5 представляет собой графическое представление интенсивности света, принятого фотодетектором OTDR-устройства, показанного на фиг.1, для световых импульсов, имеющих разную степень когерентности;

фиг.6 представляет собой графическое представление отношения "сигнал/шум" (SNR) для сигнала, создаваемого фотодетектором OTDR-устройства, показанного на фиг.1, для световых импульсов, имеющих разную мощность; и

фиг.7 представляет собой схематичное изображение устройства, используемого при рефлектометрии во временной области для оптоволоконных линий (OTDR), для светового излучения с частичной когерентностью, согласно второму предпочтительному варианту реализации настоящего изобретения.

Подробное описание предпочтительных вариантов реализации

Как видно из фиг.1, устройство 1, используемое при рефлектометрии во временной области для оптоволоконных линий (OTDR), для светового излучения с частичной когерентностью, согласно первому варианту реализации настоящего изобретения, имеет источник света, содержащий полупроводниковый лазерный диод 2 с распределенной обратной связью (DFB) и прямой модуляцией, который предназначен для передачи световых импульсов по мономодовому оптическому волокну 3. Лазерные диоды с распределенной обратной связью общеизвестны в волоконно-оптических телекоммуникационных сетях с мультиплексированием по длине волны (WDM), и, в этом варианте реализации настоящего изобретения, лазерный диод 2 с распределенной обратной связью относится к тому типу, который обычно используют в сетях WDM со скоростью передачи данных 2,5 Гбит/с. Для контроля температуры лазерного диода 2 с распределенной обратной связью предусмотрен блок стабилизации температуры, содержащий элемент 4 Пельтье. При изменении температуры лазерного диода 2 с распределенной обратной связью изменяется и длина волны световых импульсов, которые он передает. Элемент 4 Пельтье обеспечивает точный контроль длины волны в диапазоне приблизительно 1-2 нм, в результате чего можно регулировать длину волны световых импульсов. Как правило, длина волны световых импульсов приближенно соответствует той, на которую рассчитано мономодовое оптическое волокно 3, например, как определено стандартизированной сеткой длин волн ITU (Международный союз электросвязи), либо приблизительно 1550 нм в этом варианте реализации настоящего изобретения.

С выходом лазерного диода 2 с распределенной обратной связью соединена линия 5 задержки, содержащая 20-метровый участок мономодового оптического волокна, аналогичного упомянутому выше мономодовому оптическому волокну 3. Линия 5 задержки предотвращает оптическую обратную связь с резонатором лазерного диода 2 с распределенной обратной связью, возникающую из-за отражений в соединительных элементах и т.п., на время, которое требуется лазерному диоду 2 с распределенной обратной связью для вывода каждого из световых импульсов. Выходной конец линии 5 задержки соединен с первым оптическим усилителем 6. Первый оптический усилитель 6, также известный как бустер, представляет собой волоконный усилитель, легированный эрбием (EDFA), который усиливает световые импульсы обычно с коэффициентом оптического усиления в диапазоне приблизительно 20-25 дБ. Выход первого оптического усилителя 6 соединен с первым оптическим фильтром 7. В этом варианте реализации настоящего изобретения первый оптический фильтр 7 представляет собой полосовой WDM-фильтр, имеющий ширину спектра приблизительно 75 ГГц (0,6 нм), как показано на фиг.2А. Первый оптический фильтр 7 уменьшает усиленное самопроизвольное испускание в широком диапазоне, возникающее после первого оптического усилителя 6. В общем случае оно содержит свет с длинами волн выше и ниже основного спектра световых импульсов, создаваемых лазерным диодом 2 с распределенной обратной связью. Выход первого оптического фильтра 7 соединен с оптической развязкой 8, предназначенной для направления усиленных и фильтрованных световых импульсов, выводимых первым оптическим фильтром 7, в оптическое волокно. В этом варианте реализации настоящего изобретения оптическая развязка 8 представляет собой сплавную оптоволоконную развязку с коэффициентом 3 дБ и делением 50/50, но в других вариантах реализации настоящего изобретения вместо этого может быть использован 3-портовый циркулятор с выигрышем при снижении потерь от 3 дБ до приблизительно 1 дБ на порт.

Оптическая развязка 8, кроме того, размещена таким образом, чтобы свет, рассеянный в результате обратного релеевского рассеяния, от световых импульсов при их прохождении по оптическому волокну 3 выходил с того конца волокна 3, с которого световые импульсы поступают на ступень усиления. Ступень усиления содержит второй оптический усилитель 9, второй оптический фильтр 10 и третий оптический усилитель 11, которые соединены последовательно. Второй и третий оптические усилители 9 и 11, также известные как предварительные усилители, представляют собой EDFA-усилители, аналогичные первому оптическому усилителю 6, который упомянут выше. Каждый из них может усиливать свет, рассеянный в результате обратного релеевского рассеяния, поступивший из оптического волокна 3, с коэффициентом оптического усиления приблизительно в диапазоне 20-25 дБ, но они создают меньший шум по сравнению с первым оптическим усилителем 6. Второй оптический фильтр 10 аналогичен первому оптическому фильтру 7. Таким образом, он представляет собой полосовой WDM-фильтр, имеющий ширину спектра приблизительно 75 ГГц (0,6 нм).

Ступень усиления для вывода фильтрованного и усиленного обратно рассеянного света соединена с волоконным оптическим фильтром 12 на основе дифракционной решетки Брэгга (FBG) через 3-портовый циркулятор 13. FBG-фильтр 12 имеет ширину спектра приблизительно 7,5 ГГц (0,06 нм), как показано на фиг.2В. FBG-фильтр 12 обладает температурной чувствительностью, составляющей приблизительно 0,0005 нм/°С. Поэтому он имеет тепловую внешнюю защиту, например заключен в изолирующий корпус, чтобы способствовать сохранению температуры этого фильтра 12 и, следовательно, полосы длин волн света, которую он пропускает, на постоянном уровне, насколько это возможно. Тогда температуру лазерного диода 2 с распределенной обратной связью можно регулировать, используя описанный выше элемент 4 Пельтье, таким образом, чтобы выбранный диапазон длин волн световых импульсов, испускаемых этим лазерным диодом 2, совпадал с полосой длин волн света, пропускаемого FBG-фильтром 12, что более подробно рассмотрено ниже.

Свет, поступающий из FBG-фильтра 12, направляют через 3-портовый циркулятор 13 в фотодетектор 14. Фотодетектор 14 в этом варианте реализации настоящего изобретения представляет собой p-i-n-фотодетектор из арсенида индия-галлия (InGaAs) с шириной полосы электронного обнаружения, составляющей приблизительно 125 МГц, и усилителем напряжения, управляемым током, который имеет характеристику приблизительно 1400 Ом. Когда этот фотодетектор принимает свет от FBG-фильтра 12, он генерирует аналоговый электронный сигнал, характеризующий интенсивность принятого света. Для вывода этого аналогового электронного сигнала фотодетектор 14 соединен с платой 15 аналого-цифрового преобразования, которая имеет сходную с фотодетектором 14 ширину полосы аналогового электронного сигнала. Плата 15 аналого-цифрового преобразования превращает аналоговый сигнал в цифровой. Если требуется, она также может усреднять аналоговый сигнал для заданного количества последовательных световых импульсов под управлением компьютера 16, в который эта плата 15 аналого-цифрового преобразования, кроме того, выводит цифровой сигнал.

Компьютер 16 имеет процессор (не показан) для определения полученного представления различий между цифровыми сигналами, принятыми от платы 15 аналого-цифрового преобразования, которые характеризуют (усредненную) интенсивность светового излучения, принятого фотодетектором 14 в результате обратного релеевского рассеяния в оптическом волокне 3 от последовательных световых импульсов, а также имеет монитор 17 для отображения упомянутого представления. Монитор обычно отображает эту информацию о различиях в графическом виде как величину различий в зависимости от расстояния в оптическом волокне 3. Эта информация также может быть сохранена в подходящем запоминающем устройстве (не показано) компьютера 16.

Кроме того, компьютер 16 имеет плату 18 ввода/вывода, предназначенную для обмена информацией с контроллером 19, который управляет поступлением 20 энергии (источником энергии) в лазерный диод 2 с распределенной обратной связью таким образом, что этот лазерный диод может работать с прямой модуляцией. Компьютер 16 может выдавать контроллеру 19 команду на управление выходным сигналом лазерного диода 2 с распределенной обратной связью необходимым образом. В типичной ситуации контроллер 19 модулирует поступление 20 энергии в лазерный диод 2 с распределенной обратной связью таким образом, что этот лазерный диод выводит световые импульсы, имеющие длительность в диапазоне от приблизительно 1 нс до приблизительно 100 нс. В этом варианте реализации настоящего изобретения световые импульсы имеют длительность приблизительно 10 нс, что соответствует длине импульса приблизительно 1 м. Частота, с которой компьютер осуществляет управление лазерным диодом 2 с распределенной обратной связью, чтобы обеспечить повторение световых импульсов, например, частота повторения импульса или частота модуляции в системе, определяется временем, которое необходимо световому импульсу для прохождения к дальнему концу оптического волокна 3 и свету, рассеянному в результате обратного релеевского рассеяния, от светового импульса для возврата от дальнего конца оптического волокна 3, например, временем двойного прохода света по всей длине волокна 3. Другими словами, обратно рассеянный свет от каждого импульса в идеале должен быть принят фотодетектором 14 до передачи следующего импульса по волокну 3. В этом варианте реализации настоящего изобретения оптическое волокно 3 имеет длину приблизительно 10 км. Поэтому подходящая частота повторения импульсов составляет приблизительно 10 кГц. Эта частота задает максимальную скорость, с которой компьютер 16 может определить и отобразить информацию о различиях, например максимальную частоту измерений для устройства 1. Любое усреднение, выполняемое платой 15 аналого-цифрового преобразования, снижает частоту измерений, причем частота измерений обратно пропорциональна числу световых импульсов, по которым аналоговые сигналы усредняются упомянутой платой 15. В целом частота измерений в устройстве 1 является достаточной, чтобы сделать возможным обнаружение акустических волн. Следовательно, данное устройство может применяться как геофон, гидрофон, акселерометр, сейсмометр или тому подобное.

Лазерный диод 2 с распределенной обратной связью имеет ширину спектра приблизительно 1 МГц при генерации непрерывного выходного сигнала, это означает, что он может создавать на выходе световое излучение, имеющее временную когерентность приблизительно 1 мкс. Однако если лазерный диод 2 с распределенной обратной связью работает с прямой модуляцией, как в данном случае, то ширина спектра световых импульсов значительно больше, а временная когерентность испускаемых световых импульсов значительно меньше. Существует фундаментальное ограничение, заключающееся в том, что любой световой импульс длительности Т не может иметь ширину спектра менее 1/Т или временную когерентность, превышающую Т. Таким образом, используемые здесь световые импульсы длительностью 10 нс имеют минимальную теоретическую ширину спектра 0,1 ГГц (1 пм) и максимальную теоретическую временную когерентность 10 нс. Более того, модуляция электрического тока, подаваемого в лазерный диод 2 с распределенной обратной связью, приводит к модуляции плотности электронов в резонаторе этого диода 2. Это, в свою очередь, вызывает флуктуации в показателе преломления материала, из которого изготовлен резонатор диода 2, приводя к пульсации частоты выходного светового импульса. Поэтому, если обратиться к фиг.3, можно увидеть, что длина волны светового импульса длительностью 1 мкс, создаваемого лазерным диодом 2 с распределенной обратной связью, значительно варьируется в пределах его длительности. В начале светового импульса имеет место так называемое "синее" смещение от более длинной длины волны к более короткой длине волны в течение приблизительно 0,1 нс, как показано участком 21 с наклоном вниз на фиг.3. Ближе к концу светового импульса имеет место так называемое красное смещение от более короткой длины волны к более длинной длине волны в течение приблизительно от 10 до 100 нс, как показано участком 22 с наклоном вверх на фиг.3. Весь диапазон частотной пульсации составляет приблизительно 20-50 ГГц. Эта частотная пульсация задает ширину спектра оптических импульсов и соответствует диапазону длин волн света, составляющему приблизительно 0,16-0,4 нм, и временной когерентности приблизительно между 20 и 50 пс. В более общем смысле, временная когерентность световых импульсов с длительностью в диапазоне 1-100 нс, созданных при прямой модуляции лазерного диода 2 с распределенной обратной связью, на два-три числовых порядка меньше длительности импульса.

Однако оптические фильтры 7, 10 и FBG-фильтр 12 уменьшают ширину спектра света, принятого в фотодетекторе 14. Так как FBG-фильтр 12 имеет самую малую ширину спектра, уменьшение ширины спектра обусловлено, главным образом, этим фильтром 12. В действительности другие оптические фильтры 7, 10 предназначены всего лишь для уменьшения самопроизвольного испускания первым и вторым усилителями 6, 9, как упомянуто выше. Если взглянуть на фиг.4, можно легко понять, что полоса длин волн света, пропускаемого FBG-фильтром 12, показанная линией 23, значительно уже полного диапазона длин волн света, присутствующего в световом импульсе при его прохождении по оптическому волокну 3, который показан линией 24. В самом деле, в этом варианте реализации настоящего изобретения можно видеть, что ширина спектра FBG-фильтра 12 составляет приблизительно одну пятую от ширины спектра светового импульса после того, как он прошел приблизительно 1 км по оптическому волокну 3 (эта ширина спектра почти та же, что и у светового импульса, испускаемого лазерным диодом 2 с распределенной обратной связью, и у света, рассеянного в результате обратного релеевского рассеяния в оптическом волокне 3).

Если говорить более подробно, на фиг.3 показано оптимальное отношение между полосой длин волн света, пропущенного FBG-фильтром 12, которая показана штриховой полосой 25, и диапазоном длин волн светового импульса, испускаемого лазерным диодом 2 с распределенной обратной связью. В идеале полоса длин волн света, пропущенного FBG-фильтром 12, связана с диапазоном длин волн светового импульса, испускаемого лазерным диодом 2 с распределенной обратной связью, таким образом, чтобы обрезание длительности импульса было минимальным. Другими словами, они могут быть расположены таким образом, чтобы перекрываться в то время в периоде длительности импульса, когда длина волны является относительно постоянной. Это ближе к середине упомянутого периода, когда импульс, кроме того, обычно имеет максимальную мощность.

Как следствие уменьшения ширины спектра света, принятого в фотодетекторе 14, FBG-фильтр 12 также увеличивает временную когерентность света. В этом варианте реализации настоящего изобретения FBG-фильтр 12 имеет ширину спектра 7,5 ГГц (0,06 нм), поэтому временная когерентность света, принятого в фотодетекторе 14, составляет приблизительно 100 пс, что значительно продолжительнее, чем временная когерентность светового импульса при его прохождении по оптическому волокну 3. Важно отметить, что когерентность света, поступающего в фотодетектор 14, а не света, проходящего по оптическому волокну 3, определяет количество обнаруженного света, который имеет когерентную связь и может вносить свой вклад во временную спекл-структуру, если сравнивать его с количеством обнаруженного света, который не имеет когерентной связи и, таким образом, способствует уменьшению видимости временной спекл-структуры. Отношение этих количеств может быть определено как параметр V_I видимости. Этот параметр V_I видимости проанализирован статистически в статье "Characteristics and Reduction of Coherent Fading Noise in Rayleigh Backscattering Measurement for Optical Fibres and Components" ("Характеристики и уменьшение шума когерентного затухания при измерении обратного релеевского рассеяния для оптических волокон и компонентов"), Shimizu et al (Шимидзу и др.), Journal of Lightwave Technology, Vol. 10, No. 7, p. 982 (1992). Легко можно понять, что для полностью когерентного света параметр V_I видимости равен 1. При уменьшении когерентности света уменьшается и параметр V_I видимости. Для света, принятого фотодетектором 14, в этом варианте реализации настоящего изобретения параметр V_I видимости составляет приблизительно 0,133. В общем плане, в других вариантах реализации настоящего изобретения параметр V_I видимости находится приблизительно в диапазоне 0,04-0,26.

Функция плотности вероятности P(I) для интенсивности света, принятого фотодетектором 14 (из-за обратного релеевского рассеяния), может быть выражена при помощи параметра V_I видимости следующим уравнением:

Графически это представлено на фиг.5 для различных значений параметра V_I видимости. Можно видеть, что если параметр V_I видимости равен 1, то значение функции плотности вероятности P(I) является максимальным при нормализованной интенсивности, равной нулю, и уменьшается при увеличении нормализованной интенсивности от нуля до более высоких значений, как показано наклонной линией 26. Когда параметр V_I видимости принимает следующие друг за другом более низкие значения 0,707, 0,5, 0,316 и 0,133, как показано наклонными участками 27, 28, 29 и 30, соответственно, значение функции плотности вероятности P(I) все сильнее приближается к нормальному распределению, идеальные кривые которого изображены для амплитуд, соответствующих значениям параметра V_I видимости 0,5, 0,316 и 0,133, пунктирными линиями 31, 32 и 33. Смысл этого состоит в том, что для значений параметра V_I видимости, имеющихся в описанных вариантах реализации настоящего изобретения, диапазон вариаций в интенсивности света, принятого в фотодетекторе 14, ограничивается нормальным распределением и меньше того, который мог бы присутствовать, если свет был бы полностью когерентным.

Чтобы успешным образом обнаружить временную спекл-структуру и, следовательно, различия во временной спекл-структуре, созданные последовательными световыми импульсами, важно, чтобы диапазон вариаций интенсивности света, принятого фотодетектором 14 из-за временной спекл-структуры, превышал шум в сигнале, выводимом фотодетектором 14. Это требование равнозначно условию, чтобы отношение "сигнал/шум" (SNR) устройства 1 превышало величину, обратную параметру V _I видимости, например:

Шум является результатом как оптического шума, вносимого оптическими усилителями 6, 9, 11 и т.д., так и электрического шума, вводимого фотодетектором 14. Если говорить более конкретно, отношение SNR после обнаружения обратно рассеянного света фотодетектором 14 может быть выражено следующим уравнением:

где

и

,

в котором f - ширина полосы электронного обнаружения для фотодетектора 14 (125 МГц в этом варианте реализации настоящего изобретения), R - параметр чувствительности для фотодетектора 14, G - совокупный коэффициент усиления для двух оптических усилителей 9, 11 ступени усиления (имеющих, соответственно, коэффициент усиления G₁ и G₂), P _s - общая мощность сигнала, приходящая в фотодетектор 14, NEP - мощность, эквивалентная шуму, для детектора 14, q - заряд электрона, - параметр квантового выхода для фотодетектора 14, F_n - эффективный коэффициент шума для двух оптических усилителей 9, 11 ступени усиления (имеющих эффективные коэффициенты шума F_n1 и F_n2 , соответственно), h - квантовая постоянная (или постоянная Планка), - частота света, принятого в фотодетекторе 14, и _opt - ширина спектра света, принятого в фотодетекторе 14.

Это отношение SNR графически представлено на фиг.6 как зависимость от длительности импульса для нескольких различных мощностей подачи импульсов (т.е. мощности света после усиления первым оптическим усилителем 6 или бустером). Если говорить более конкретно, отношение SNR для мощностей подачи импульсов 0,1 Вт, 0,5 Вт, 1 Вт и 2 Вт показано кривыми 34, 35, 36 и 37, соответственно. Можно видеть, что отношение SNR растет вместе с мощностью подачи импульса. Изображенные кривые учитывают потерю 3 дБ в оптической развязке 8 и подразумевают, что каждый из усилителей 9, 11 ступени усиления имеет коэффициент шума 5,5 дБ. Коэффициент усиления усилителей 9, 11 регулируют для различных мощностей подачи импульса, чтобы сохранить выходное напряжение фотодетектора 14 на уровне, близком к диапазону максимального входного напряжения (0,5 В) платы 15 аналогово-цифрового преобразователя. Совокупный коэффициент усиления, который требуется, не превышал максимума в 38 дБ для любой из рассчитанных кривых. Рассматривается одиночный оптический импульс, без усреднения сигнала.

Из фиг.6 можно видеть, что при мощности подачи 1 Вт может быть достигнуто отношение SNR приблизительно 15 дБ. Логарифм от величины, обратной параметру V_I видимости, эквивалентен уровню сигнала приблизительно 9 дБ, что означает, что отношение SNR цифрового сигнала, выводимого платой 15 аналогово-цифрового преобразователя, приблизительно на 6 дБ выше, и временная спекл-структура должна быть легко отличима от прогнозируемого шума.

Свободная возможность использовать оптические импульсы, имеющие высокую мощность подачи, для увеличения отношения SNR при одновременном сохранении относительно высокого значения параметра V _I видимости обеспечивается в значительной степени за счет подходящего позиционирования FBG-фильтра 12. Если говорить более конкретно, оптический импульс, проходящий по оптическому волокну 3, имеет относительно широкий спектр, что означает, что эффекты от рассеяния Бриллюэна гораздо меньше, чем для любого оптического импульса с более узким спектром и той же мощностью. В то же время, так как временная когерентность обратно рассеянного света, поступающего в фотодетектор 14, увеличивается FBG-фильтром 12, можно сохранить параметр V_I видимости на относительно высоком уровне.

Тем не менее, по-прежнему остается возможность создать действующее устройство, в котором ширина спектра и временная когерентность у оптического импульса, проходящего по оптическому волокну 3, и у обратно рассеянного света, поступающего в фотодетектор 14, фактически одинаковы. Как видно из фиг.7, OTDR-устройство 38 для рефлектометрии с использованием частично когерентного света, соответствующее второму варианту реализации настоящего изобретения, содержит множество компонентов, аналогичных компонентам OTDR-устройства 1 для рефлектометрии с использованием частично когерентного света, соответствующего первому варианту реализации настоящего изобретения, и эти аналогичные компоненты обозначены теми же ссылочными номерами. Однако в этом втором варианте реализации настоящего изобретения циркулятор 13 и FBG-фильтр 12 размещены в том месте, где в первом варианте реализации настоящего изобретения находится первый оптический фильтр 7. Другими словами, FBG-фильтр 12 расположен между выходом лазерного диода 2 с распределенной обратной связью и оптическим волокном 3. Это означает, что FBG-фильтр 12 оказывает влияние на ширину спектра световых импульсов, проходящих по оптическому волокну 3, которая, таким образом, составляет приблизительно 7,5 ГГц. Это по-прежнему существенно выше полосы пропускания усиления Бриллюэна для оптического волокна 3, которая составляет приблизительно 17 МГц. Тем не менее, так как нет усилителей, чтобы усилить обратно рассеянный свет до того, как он поступает в фотодетектор 14, то световые импульсы в идеале должны быть большей длительности, чтобы обратно рассеянного света от каждого светового импульса было достаточно для получения полезного сигнала в фотодетекторе 14. В действительности оптические импульсы в этом втором варианте реализации настоящего изобретения, как правило, имеют пространственную длительность, составляющую приблизительно 50-100 м, если не используется усреднение, что ограничивает пространственное разрешение устройства 38.

В одной из версий второго варианта реализации настоящего изобретения фотодетектор 14 представляет собой p-i-n-фотодетектор из арсенида индия-галлия (InGaAs) c усилителем напряжения, управляемым током, который содержит три ступени, например, модель 2053 от компании New Focus, имеющая ширину полосы электронного обнаружения 700 кГц, чувствительность по напряжению, составляющую 1,89×10⁶ В/Вт, и NEP, составляющий 0,34 пВт/Гц^½ (rtHz, root-Hertz - квадратный корень из Герц). Для световых импульсов длительностью 500 нс (50 м), поданных в оптическое волокно 3 с мощностью 500 мВт, прогнозируемое отношение SNR составляет приблизительно 35 дБ. Логарифм от величины, обратной параметру V_I видимости, эквивалентен уровню сигнала приблизительно 18 дБ, что означает, что отношение SNR приблизительно на 17 дБ выше, и временная спекл-структура должна быть легко отличима от прогнозируемого шума.

В другой версии второго варианта реализации настоящего изобретения фотодетектор 14 представляет собой лавинный фотодиод из арсенида индия-галлия (InGaAs) c встроенным гибридным предусилителем, например, модель С30662Е от компании Perkin Elmer, имеющая ширину полосы электронного обнаружения 50 МГц, чувствительность по напряжению, составляющую 3,4×10 ⁵ В/Вт, и NEP, составляющий 0,13 пВт/Гц^½ . Если ширину полосы электронного обнаружения ограничивают до 700 кГц при помощи фильтра низких частот, то прогнозируемое отношение SNR составляет приблизительно 40 дБ. И снова, так как логарифм от величины, обратной параметру V_I видимости, эквивалентен уровню сигнала приблизительно 18 дБ, то отношение SNR приблизительно на 22 дБ выше, и временная спекл-структура должна быть легко отличима от прогнозируемого шума.

Описанные варианты реализации настоящего изобретения являются всего лишь примерами того, как это изобретение может быть реализовано на практике. Специалистам, обладающим профессионализмом и знаниями в данной области техники, будут очевидны модификации, вариации и изменения для описанных вариантов реализации настоящего изобретения. Эти модификации, вариации и изменения могут быть сделаны без выхода за пределы сущности и объема настоящего изобретения, которые определены пунктами приложенной формулы изобретения и их эквивалентами.