Реализация метода фазового сдвига для измерения времени распространения сигнала в оптическом волокне

Авторы: В.И. Бобров, М.Л. Гринштейн, А.А. Марьенков, к.т.н.
г.Минск , Институт Информационных Технологий.

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, - задержка сигнала в исследуемом ОВ, t' - задержка сигнала в ОПд, ОПр и соединительных ОВ, - начальная фаза. Измеренное фазометром значение разности фаз равно

где - фазы сигналов ОПр и генератора соответственно. Поэтому задержка сигнала в исследуемом ОВ

Схема метода фазового сдвига

Величина зависит только от параметров передающей и приемной части устройства и может быть определена с помощью короткого ОВ с известной длиной и показателем преломления.

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;
- генератор Г1, формирующий синусоидальный сигнал для модуляции лазерного диода;
- оптический разветвитель ОР;
- два оптических приемника, каждый из которых содержит лавинный фотодиод (ЛФД1 и ЛФД2), и усилители низкой частоты (У1 и У2);
- генератор Г2, формирующий синусоидальный сигнал для модуляции напряжения смещения лавинных фотодиодов;
- аналого-цифровой преобразователь АЦП и, предназначенный для обработки сигналов, поступающих с АЦП.

Структурная схема устройства для измерения задержки сигнала в ОВ

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 . 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

где - 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).

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 в описываемом устройстве используется цифровая обработка сигналов с помощью преобразования Фурье. Сигналы с выхода усилителей поступают на АЦП, преобразуются в цифровую форму, и процессор осуществляет расчет их фаз. Каждый сигнал считывается в течение большого числа периодов, по этому массиву точек определяется точное значение частоты для данного измерительного интервала (это значительно уменьшает составляющую погрешности, вызванную относительной нестабильностью частот генераторов Г1 и Г2), а затем рассчитываются коэффициенты ряда Фурье для основной гармоники и ее фаза. Теоретически результат расчета фазы не зависит от амплитуды сигнала на входе АЦП и наличия в нем гармоник частоты С другой стороны, применение низкочастотных высококачественных, и в то же время относительно недорогих, интегральных схем усилителей и АЦП с высоким разрешением и линейностью обеспечивает минимальные дополнительные искажения сигналов в приемной части устройства.

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 = 2,2 кГц. Для приема оптических сигналов использовались Ge - ЛФД с рабочим напряжением смещения около 32 В, амплитуда модулирующего напряжения составляла 0,5…1,5 В. 16-ти разрядный АЦП позволял осуществлять отсчеты принимаемых сигналов с частотой 48 кГц, массив данных составлял 12 тысяч точек.

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.
2. IEC 60793-1-4 (1995). Optical fibres. Part 1: Generic specifications - Section 4: Measuring methods for transmission and optical characteristics.
3. ITU-T Recommendations G.650 (03/93). Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibres.
4. Costa B., Puleo M., Vezzoli E. Phase-shift technique for the measurement of chromatic dispersion in single-mode optical fibres using LEDs // Electronics Letters.-1983. -v.19, N25/26.-P.1074-1076.
5. Tanaka S., Kitayama Y. Measurement accuracy of chromatic dispersion by the modulation phase technique // Journal of Lightwave Technology.-1984.-v.LT-2, N6.-P.1040-1044.
6. Hatton W.H., Nishimura M. New field measurement system for single-mode fibre dispersion utilizing wavelength division multiplexing technique // Electronics Letters.-1985. -v.21, N23.-P.1072-1073.
7. Mechels S.E., Schlager J.B., Franzen D.L. Accurate zero-dispersion wavelength measurements dispersion in single-mode fibers: two frequency-domain methods. - LEOS 8th Annual Meeting.-Oct.-Nov.,1995.-Paper OFPW2.2.- P.75-76.
8. Thevenaz L., Pellaux J.-P. Modulation frequency- shift technique for dispersion measurement in optical fibres using LEDs // Electronics Letters.-1987. -v.23, N20.-P.1078-1079.

Нужен кабель? Оформи заявку бесплатно
Информация по заявке
Актуальность
Город
Текст по заявке
или прикрепите файл
Прикрепить файл
Контактные данные
Организация
E-mail
Телефон
Контактное лицо
Комментарий
Отраслевая Служба Заказов от RusCable.Ru
– это оперативный бесплатный сервис для покупателей КПП.

Стоит только заполнить форму слева и в течение нескольких минут Вашу заявку увидит около сотни компаний-поставщиков. Те организации, которые могут ответить указанным Вами требованиям, напрямую свяжутся с Вами.

Остались вопросы? Задайте их операторам Службы Заказов
тел.: 8 (495) 229 33 36
или e-mail: zakaz@kab.ru


Работайте быстро и без посредников, работайте с RusCable.Ru!