|
|
Реализация метода фазового сдвига для измерения времени распространения сигнала в оптическом волокне ⇐ ПредыдущаяСтр 10 из 10 Авторы: В.И. Бобров, М.Л. Гринштейн, А.А. Марьенков, к.т.н. Время распространения излучения в оптическом волокне или его изменение при каких-либо условиях является величиной, по которой определяется ряд важных характеристик оптических волокон (ОВ) или оптических кабелей (ОК). Так, например, при измерении хроматической дисперсии измеряют задержки сигналов с различными длинами волн. При механических и температурных испытаниях ОВ и ОК по изменению задержки судят об их качестве. Одним из основных методов измерения времени распространения оптического сигнала в ОВ является метод фазового сдвига. Стандартами МЭК и МСЭ он рекомендован для использования при измерении хроматической дисперсии и удлинения ОВ и ОК [1-3]. Различные устройства, предназначенные для измерении хроматической дисперсии методом фазового сдвига описаны в [4-7]. Типичные схемы реализации этого метода приведены на рисунке 1. В простейшей схеме (рис.1а) оптический передатчик ОПд, в состав которого входят источник излучения (лазерный диод или светодиод), схема управления его током накачки и схема поддержания температуры, модулируется синусоидальным сигналом электрического генератора с частотой f. Оптический сигнал ОПд проходит через исследуемое ОВ и поступает на оптический приемник ОПр. Фаза выходного сигнала ОПр сравнивается с помощью фазометра с фазой сигнала генератора, который выполняет роль опорного сигнала. Напряжение сигнала на выходе ОПр UОПр можно записать в виде:
где U0 - среднее значение напряжения, m - глубина модуляции,
где
Величина При использовании схемы рисунка 1а предполагается, что величина t' (задержка сигнала в аппаратуре) неизменна в процессе измерений. Часто это условие не выполняется с должной точностью, например, вследствие флуктуаций температуры, мощности и (или) длины волны источника излучения. Тогда используется другой способ организации опорного канала, как, например, на рисунке 1б. Здесь сигнал с выхода ОПд разделяется с помощью оптического разветвителя ОР на два. Один как и раньше подается на исследуемое ОВ и измерительный оптический приемник ИОПр, а другой - через опорное ОВ на второй, опорный оптический приемник ООПр. Задержка в исследуемом ОВ определяется по разности фаз выходных сигналов ИОПр и ООПр. В такой схеме изменение фазы сигнала ОПд или неконтролируемое изменение температуры окружающей среды вызовут одинаковые фазовые сдвиги в опорном и измерительном сигналах, и это не приведет к погрешности измерения задержки в исследуемом ОВ. При измерении хроматической дисперсии необходимо определить задержку сигналов в ОВ в широком диапазоне длин волн. Для этого могут использоваться несколько лазерных диодов с различными длинами волн как показано на рисунке 3а. Сигналы от лазерных диодов через оптический коммутатор по очереди поступают на вход ОВ. В устройстве измеряется фаза и задержка каждого сигнала, а затем рассчитываются параметры хроматической дисперсии. В других случаях в качестве источника излучения применяется светодиод с широким спектром, из которого с помощью монохроматора выделяются узкие участки. Во всех подобных схемах опорный канал может организовываться различным образом. Для достижения высокой точности измерения времени распространения сигналов в ОВ в современных устройствах частота модуляции выбирается достаточно высокой - 100 МГц и более, вплоть до нескольких гигагерц [7]. Это приводит к необходимости использования широкополосных оптических приемников, имеющих относительно высокий уровень шума. Отношение сигнал/шум является одним из основных источников погрешности измерения фазы. Для его увеличения можно применять резонансную нагрузку фотодиода и (или) полосовые фильтры в последующих каскадах ОПр. Однако при этом ухудшается фазовая стабильность устройства в целом, так как незначительное изменение резонансной частоты будет приводить к фазовому сдвигу сигнала. В работе [8] для уменьшения полосы пропускания ОПр и следовательно уменьшения его шумов использовалось две ступени модуляции: сигнал, вышедший из исследуемого ОВ дополнительно модулировался акустооптическим модулятором с частотой, близкой к частоте генератора. Сигнал на выходе акустооптического модулятора имел составляющую с разностной частотой, содержащую информацию о фазе исходного высокочастотного сигнала. Это позволило использовать НЧ усилитель с низким уровнем шума и НЧ фазометр с высоким разрешением. Кроме погрешности, вызываемой шумом, результат измерения фазы сигнала может зависеть от его амплитуды (амплитудно-фазовая конверсия) и наличия гармоник высших порядков в его спектре. Первый фактор особенно сказывается при измерении хроматической дисперсии, когда ОВ имеет разное затухание на разных длинах волн и выровнять амплитуды сигналов не представляется возможным. Ограничения на величину нелинейных искажений налагают довольно жесткие требования на линейность ОПд (в частности на ватт-амперную характеристику лазерных диодов) либо на глубину модуляции сигнала. В настоящей работе описан способ построения устройства и обработки сигналов для реализации метода фазового сдвига, позволяющий снизить влияние указанных выше факторов на погрешность измерения фазы. Структурная схема устройства изображена на рисунке 2. Оно содержит следующие основные блоки: - ОПд, в котором находится лазерный диод, схема управления его током накачки и схема температурной стабилизации;
Устройство работает следующим образом. ОПд генерирует оптический синусоидальный сигнал с частотой f1 генератора Г1. Оптический разветвитель ОР делит его на два сигнала, которые через исследуемое и опорное ОВ поступают на лавинные фотодиоды ЛФД 1 и ЛФД2. Напряжение смещения лавинных фотодиодов модулируется сигналом генератора Г2 с частотой f2, близкой к частоте f1:
Коэффициент усиления ЛФД 1 и ЛФД2 зависит от напряжения смещения, поэтому при его модуляции лавинный фотодиод выполняет роль смесителя сигналов и в спектре его выходного тока будут присутствовать комбинации частот f1 и f2, в том числе сигнал с разностной частотой
где Таким образом, использование лавинного фотодиода в качестве смесителя сигналов дает возможность применить низкочастотный оптический приемник и существенно увеличить отношение сигнал/шум. При этом в отличии от [8] отсутствует дополнительный внешний оптический модулятор и, тем самым, упрощается схема устройства. Для того, чтобы уменьшить влияние амплитудно-фазовой конверсии и гармоник высших порядков на результат измерения разности фаз Описанный способ реализации метода фазового сдвига был использован при разработке прибора для измерения хроматической дисперсии ИД-2-1 и прибора для измерения удлинения ОВ ИД-2-3. В приборе ИД-2-1 были установлены семь лазерных диодов с длинами волн от 1260 нм до 1590 нм, их излучение вводилось в исследуемое ОВ с помощью одномодового оптического разветвителя, в процессе измерений на них по очереди подавался высокочастотный модулирующий сигнал. Прибор ИД-2-3 предназначен для измерения удлинения (укорочения) ОВ и ОК при их механических и температурных испытаниях, в нем установлен ЛД с длиной волны 1550 нм. В этих приборах частота кварцевых генераторов Г1 и Г2 была выбрана 150 МГц, а разностная частота В результате испытаний приборов определено, что погрешность измерения времени распространения излучения в исследуемом ОВ не превышает 5 пс на интервале, равном половине периода модулирующего сигнала. При введении дополнительного затухания в измерительный канал, где установлено исследуемое ОВ, от 0 до 10 дБ и от 10 до 20 дБ погрешность увеличивалась не более, чем на 2 пс и 5 пс соответственно. Временная нестабильность показаний приборов (параметр, особенно важный при длительных механических и температурных испытаниях ОВ и ОК) не превышает 5 пс/час. Литература 1. IEC 60793-1-2 (1995). Optical fibres. Part 1: Generic specifications - Section 2: Measuring methods for dimensions.
  Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...  Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...  Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...  ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
- задержка сигнала в исследуемом ОВ, t' - задержка сигнала в ОПд, ОПр и соединительных ОВ, 
- начальная фаза. Измеренное фазометром значение разности фаз равно
- фазы сигналов ОПр и генератора соответственно. Поэтому задержка сигнала в исследуемом ОВ
зависит только от параметров передающей и приемной части устройства и может быть определена с помощью короткого ОВ с известной длиной и показателем преломления.
. Этот сигнал выделяется на нагрузке фотодиодов и затем усиливается усилителями У1 и У2. Поскольку фаза оптического высокочастотного сигнала, прошедшего через исследуемое или опорное ОВ, переносится непосредственно в фазу низкочастотных сигналов, то разность фаз 
между выходами низкочастотных усилителей У1 и У2
- задержки сигналов в исследуемом и опорном ОВ соответственно, 
- дополнительная разность фаз, обусловленная неидентичностью лавинных фотодиодов и усилителей (значения 
определяются при калибровке устройства на коротком ОВ).