Устройство для определения дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДИСПЕРСИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОМОДОВЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Автор Поляков Александр Владимирович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство для определения дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов, содержащее модулятор тока, инжекционный лазер, волоконный световод,селектор мод, фотоприемник, частотомер, отличающееся тем, что в него введены формирователь импульса, блок регенерации, пороговое устройство, зондирующий световод,ЭВМ-или микропроцессор.(56) 1. Гауэр Дж. Оптические системы связи. - М. Радио и связь, 1989. - 501 с. 2. Григорьянц В.В., Ильин Ю.Б., Константинов В.Н, Прокофьев В.А. Параметрическая стабильность автомодуляционных колебаний в кольцевой системе лазер - волоконнооптическая линия задержки // Квантовая электроника. - 1986. - Т. 13. -12. - С. 24082413 (прототип). 3. Адамс М. Введение в теорию оптических волноводов / Под ред. И.А. Сисякана. М. Мир, 1984. - 512 с. 44002008.06.30 Предлагаемая полезная модель относится к волоконно-оптическим измерительным системам рециркуляционного типа и может быть использована в устройствах для определения межмодовой дисперсии, оптической полосы пропускания волокна, значения профиля показателя преломления, распределения показателя преломления по пространственной координате и числа распространяющихся пространственных мод в многомодовых волоконных световодах (ВС). При определении временной дисперсии на рабочих длинах волн, как правило, используют импульсную модуляцию выходной мощности источника излучения и в этом случае общую дисперсию оценивают по зависимости уширения оптического импульса от длины волокна 1. Необходимая точность измерений для данного метода достигается при длинах ВС не менее нескольких километров. Для измерения временной дисперсии коротких(менее 1 км) оптических волокон обычно используется метод челночных импульсов,представляющий собой модифицированный импульсный метод. В этом случае на каждом конце ВС помещают полупрозрачные зеркала и после многократных отражений регистрируют уширение светового импульса. Однако для ВС длиной сотни метров и менее данный метод не совсем пригоден, поскольку для того, чтобы не ухудшить точность измерений,необходимо увеличивать число проходов оптического импульса вдоль ВС. В результате за счет потерь мощности при отражении от зеркал уровень сигнала значительно уменьшается и регистрировать его становится затруднительно. Для измерения дисперсионных свойств коротких многомодовых ВС (длиной десятки и сотни метров) перспективным представляется переход к частотному представлению измеряемой величины. Как известно, в многомодовых ВС любой короткий оптический импульс, введенный в волокно, состоит из ряда лучей (пространственных мод), распространяющихся вдоль оптической оси и по траекториям, наклоненным к ней под различными углами, начиная от нулевого и до некоторого критического кр, когда еще возможно полное внутреннее отражение на границе раздела сердцевина-оболочка. Таким образом, распространяющиеся под различными углами лучи будут преодолевать ВС длинойза различное время и, введенные в волокно одновременно, на выходе окажутся разделенными во времени. В результате световой импульс, содержащий лучи под всеми возможными углами, на выходе ВС окажется размытым во времени. Это уширение светового импульса при его распространении по волокну известно как межмодовая (многолучевая) временная дисперсия ВС. Величина этого уширения определяется суперпозицией лучей, выходящих из ВС под различными углами и попадающих на приемную площадку фотодетектора. Если теперь световым лучам, распространяющимся вдоль оптической оси ВС и под углом к ней, поставить в соответствие определенные значения частоты некоторого периодического процесса, то по разности частот можно определить величину межмодовой дисперсии многомодовых ВС. Известно волоконно-оптическое устройство, где для определения межмодовой дисперсии ВС длиной менее 1 км предлагается использовать оптоэлектронный рециркуляционный автогенератор с волоконно-оптической линией задержки (АГ ВОЛЗ) в цепи обратной связи 2. Данное устройство представляет собой систему, содержащую модулятор тока, инжекционный лазер, волоконный световод, селектор мод, фотоприемник, частотомер. В процессе развития радиочастотных автоколебаний проявляется нелинейность амплитудных характеристик модулятора или ватт-амперной характеристики лазерного диода,что приводит к установлению стационарных колебаний. Идея измерения заключается в наличии в системе селектора пространственных мод ВС и регистрации изменения частоты автомодуляционных колебаний при сканировании по этим пространственным модам в результате смещения фотоприемника. Из величины полученного изменения частоты и оценивается значение межмодовой дисперсии. Важным преимуществом такого способа определения дисперсионных свойств ВС является замена измерений малых приращений 2 44002008.06.30 длительностей световых импульсов на измерения частотных сдвигов, что осуществляется достаточно просто и с высокой точностью. Недостатком этой системы является невысокая точность измерений. В числе причин, вызывающих увеличение погрешности измерений, следует отметить затягивающее действие центральной частоты резонансного усилителя на частоту колебаний волоконно-оптического генератора, дрейф фазового набега в селективном широкополосном усилителе, наличие субгармонических бифуркаций. Поскольку в ВС под разными углами распространяется несколько сотен мод, а приемная площадка фотоприемника является достаточно большой, в устройстве не достигается достаточная модовая селективность. В результате, погрешность измерений составляет более 10 . Кроме того, следует отметить, что работа устройства-прототипа ориентирована на ВС длиной более 100 м. Использование в АГ волокон длиной десятки метров приводит к необходимости перестройки или замене селективного усилителя. При коротких ВС на стабильности частоты автомодуляционных колебаний существенно сказывается влияние эффектов, происходящих в процессе функционирования оптоэлектронных компонентов системы. Все это приводит к увеличению погрешности измерений в два раза и более. Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение точности измерений за счет устранения источников погрешности, повышения стабильности частоты рециркуляции и повышение степени селективности пространственных мод ВС. Поставленная задача достигается тем, что в устройство для определения дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов, содержащее модулятор тока,инжекционный лазер, волоконный световод, селектор мод, фотоприемник, частотомер, по предлагаемому техническому решению введены формирователь импульса, блок регенерации, пороговое устройство, зондирующий световод, ЭВМ-или микропроцессор. На фиг. 1 представлена функциональная схема волоконно-оптического измерительного устройства рециркуляционного типа. На фиг. 2 поясняется принцип проведения измерений. На фиг. 3 - зависимость частоты рециркуляции измерительного устройства от величины относительного смещения торцов измеряемого и зондирующего волоконных световодов. Устройство для определения дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов содержит модулятор тока 1, инжекционный лазер 2, измеряемый волоконный световод 3, селектор мод 4, фотоприемник 5, частотомер 6. В него введены формирователь импульса 7, блок регенерации 8, зондирующий световод 9, пороговое устройство 10, ЭВМ-и/или микропроцессор 11. Устройство работает следующим образом (фиг. 1). Формирователь импульса 7 генерирует начальный импульс и запускает процесс циркуляции. Блок регенерации 8 по сигналу с формирователя импульсов 7 или порогового устройства 10 формирует стандартный по амплитуде, длительности и форме импульс. Данный импульс после усиления модулятором тока 1 поступает на инжекционный лазер 2. Для уменьшения задержки между импульсом тока накачки и излучением инжекционного лазера 2 последний смещается в предпороговую область источником постоянного тока. Импульс излучения инжекционного лазера 2 вводится в измеряемый волоконный световод 3 с помощью соединительных муфт и распространяется в ВС в виде набора пространственных мод. Далее эти пространственные моды разделяются селектором мод 4 и выбранная мода попадает в зондирующий световод 9 и затем на фотоприемник 5. Сигнал с фотоприемника 5 поступает на пороговое устройство 10, на выходе которого в момент пересечения сигналом порогового уровня формируется импульс, управляющий блоком 3 44002008.06.30 регенерации 8. Таким образом, цикл рециркуляции замыкается. Частота рециркуляции регистрируется частотомером 6 и обрабатывается микропроцессором 11. На каждом цикле рециркуляции осуществляется так называемая 2-регенерация (-), т.е. проводится восстановление информационного импульса по форме, амплитуде и длительности, что позволяет поддерживать процесс рециркуляции неограниченно долго. Принцип измерения заключается в следующем. Измеряемый отрезок многомодового волокна жестко закреплен. Один конец короткого (1 м) зондирующего ВС смещается в радиальном направлении относительно оптической оси с помощью микрометрического юстировочного устройства, а другой конец соединен с фотоприемником. Воздушный промежуток между торцами ВС являлся селектором пространственных мод (фиг. 2). При совпадении оптических осей ВС частота рециркуляции максимальна, поскольку на приемный блок попадают быстрые лучи, распространяющиеся вдоль оптической оси. В результате относительного смещения волокон происходит пространственная селекция мод ВС и наблюдается уменьшение частоты рециркуляции, поскольку период циркуляции определяется уже более медленными модами, распространяющимися под углом к оптической оси. Поскольку диаметр сердцевины зондирующего ВС является достаточно небольшим(для одномодового ВС 29 мкм), это обеспечивает повышенную селективность мод. Величина относительного смещения определяется критическим углом кр, под которым лучи выходят из ВС, который связан со значением числовой апертуры ВСследующим выражением где 0 и 1 - коэффициенты преломления на оси сердцевины и в оболочке ВС соответственно. Из (1) и фиг. 2 получаем выражение для расчета величины относительного смещения волокон 1 В полосковом многомодовом инжекционном лазере, использующемся в качестве источника излучения, угол расходимости излучения на уровне половинной интенсивности в плоскости - перехода составлял примерно 15, а в плоскости, перпендикулярной - переходу, - примерно 30. Как следует из формулы (1), для волокна с числовой апертурой 0,2 максимальный угол, под которым излучение вводится в ВС, составляет 11,5. Таким образом, в ВС все пространственные моды возбуждаются равновероятно. Среднеквадратическое значение межмодовой дисперсии м, обусловленное разницей времени задержки между модами, распространяющимися вдоль оси волокна и по траекториям, наклонным к ней, в приближении гауссовой формы импульса и при предположении,что межмодовая дисперсия вызывает уширение импульса также приблизительно по гауссовому закону, вычисляется по формуле где длина ВСизмеряется в километрах,0 и 1 - частоты рециркуляции при соосном расположении измеряемого и зондирующего ВС и при смещении зондирующего ВС на угол кр соответственно. 4 44002008.06.30 Зная величину м, можно оценить оптическую полосу пропускания волокна . Для градиентных многомодовых волокон среднеквадратическая межмодовая дисперсия м для данной длины волны излучения связана со значением профиля показателя преломленияследующим соотношением 2012 1 2222 22 20 Спектральная зависимость показателя преломления сердцевины ВС 0 с высокой точностью описывается известной трехчленной дисперсионной формулой Селмейера где коэффициентыи 1 для различных типов легирования ВС приведены в 3. Подставляя в формулу (4) полученное значение м и решая обратную задачу, можно найти величину . Знание величины -профиля дает возможность в многомодовых градиентных ВС рассчитать распределение показателя преломления по пространственной координате, траекторию распространения лучей в волокне, число пространственных мод. На фиг. 3 приведены результаты исследования отрезка многомодового градиентного ВС длиной 50 м с известным значением м, имеющего коэффициент преломления на оси 01,475, коэффициент преломления оболочки 11,4614, числовую апертуру 0,2 и диаметр центральной жилы 150 мкм. Данный ВС возбуждается оптическим импульсом длительностью 3 нс на полувысоте, сформированным многомодовым полупроводниковым инжекционным лазером с длиной волны излучения 0,825 мкм. Согласно (2), при воздушном зазоре между торцами волокон 150 мкм, для того чтобы пространственные моды, выходящие из исследуемого ВС под критическим углом, попадали на оптическую ось короткого отрезка зондирующего ВС, необходимо сместить его на 30 мкм относительно оптической оси. Сравнение результатов измерений и расчетов с известными паспортными данными показывают, что погрешность определения величины м не превышает 2 . Таким образом, предлагается устройство для определения дисперсионных характеристик многомодовых волоконных световодов длиной начиная с десятков метров и более рециркуляционным способом. Точность данного метода и минимальные длины исследуемых ВС ограничиваются стабильностью частоты рециркуляции. Погрешность измерений не превышает 2 . Зная м, можно оценить оптическую полосу пропускания волокна ,рассчитать -профиль для данного отрезка градиентного ВС, а также получить распределение показателя преломления по пространственной координате, траекторию распространения оптического луча по ВС, число распространяющихся в ВС пространственных мод. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.