УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКНА ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ СВЯЗИ

Полезная модель относится к контролю характеристик волоконно-оптического кабеля, используемого в системах связи, для измерения распределенной температуры и напряжения вдоль оптических волокон.
Известно устройство для измерения характеристик волокна оптического кабеля связи содержащее малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки w, делитель мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, соединенного противоположным концом с оптическим отражателем, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, причем выход малокогерентного лазера соединен с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с одним выводом элемента активной среды с эффектом вынужденного комбинационного рассеяния, частота смещения Стокса в которой равна частоте смещения Стокса в исследуемом волокне, второй вывод указанного элемента соединен с выводом основного канала второго направленного ответвителя, вывод проходного плеча которого подключен к первому входу делителя мощности, соединенного вторым выводом с первым входом оптического сумматора, а входом - через оптический усилитель с выводом ответвительного плеча первого направленного ответвителя, второй вход оптического сумматора соединен с выходом управляемого оптического затвора, вход которого соединен с выходом ответвительного плеча второго направленного ответвителя, выход оптического сумматора подключен к выводу проходного плеча измерительного ответвителя (см. патент РФ №2179374 МПК 7НВ 10/08 от 10 02.2002).
Известное техническое решение наиболее близкое по своей сущности к предлагаемому устройству и принято за прототип.
Недостатком этого устройства является недостаточная чувствительность фотоприемника, что ограничивает длину измеряемого волоконно-оптического световода.
Задача полезной модели является повышение достоверности определения характеристик оптического кабеля связи.
Техническим результатом, обеспечиваемым полезной модели, является повышение точности измерения характеристик волокна оптического кабеля связи.
Задача решается, а технический результат достигается за счет того, что Устройство для измерения характеристик волокна оптического кабеля связи с оптическим отражателем на противоположном его конце, содержащее малокогерентный лазер, испускающий свет непрерывной волны с частотой накачки w, делитель мощности, измерительный направленный ответвитель, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу исследуемого волокна оптического кабеля, соединенного противоположным концом с оптическим отражателем, вывод ответвительного плеча измерительного направленного ответвителя соединен со входом фотоприемного устройства, подключенного выходом ко входу процессора, обрабатывающего результаты измерений, причем выход малокогерентного лазера соединен с выводом проходного плеча первого направленного ответвителя, вывод основного канала которого соединен с одним выводом элемента активной среды с эффектом вынужденного комбинационного рассеяния, частота смещения Стокса в которой равна частоте смещения Стокса в исследуемом волокне, второй вывод указанного элемента соединен с выводом основного канала второго направленного ответвителя, вывод проходного плеча которого подключен к первому входу делителя мощности, соединенного вторым выводом с первым входом оптического сумматора, а входом - через оптический усилитель с выводом ответвительного плеча первого направленного ответвителя, второй вход оптического сумматора соединен с выходом управляемого оптического затвора, вход которого соединен с выходом ответвительного плеча второго направленного ответвителя, выход оптического сумматора подключен к выводу проходного плеча измерительного ответвителя, причем дополнительно введен оптический усилитель фотоприемного устройства, вход которого соединен с выходом направленного ответвителя, а выход - с фотоприемным устройством.
Кроме того оптический усилитель фотоприемного устройства имеет оптический фильтр.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где представлена схема предложенного устройства.
На чертеже приняты следующие обозначения:
1 - малокогерентный лазер;
2 - проходное плечо направленного ответвителя;
3 - волоконно-оптическая катушка;
4 - направленный ответвитель;
5 - оптический усилитель;
6 - делитель мощности;
7 - оптический затвор;
8 - процессор;
9 - оптический сумматор;
10 - направленный ответвитель;
11 - оптический кабель;
12 - оптический отражатель;
13 - фотоприемное устройство;
14 - оптическое волокно;
15 - оптический усилитель фотоприемного устройства.
Оптический усилитель фотоприемного устройства 15 имеет оптический фильтр (на чертеже не показан).
н
н
k
Оптическая мощность малокогерентного лазера 1, работающего в непрерывном режиме на частоте накачки W, поступает на вывод проходного плеча направленного ответвителя 2, являющийся входом регенерационного кольца, в котором регенерируется (возбуждается) обратная волна Стокса с частотой W-.Ω Такое кольцо содержит также волоконно-оптическую катушку 3 с длиной оптического волокна (OB) L, направленный ответвитель 4, делитель мощности 6 и оптический усилитель 5. Вывод основного канала направленного ответвителя 2 присоединяется к одному из выводов волоконно-оптической катушки 3. Другой вывод этой катушки присоединен к выводу основного канала направленного ответвителя 4, вывод проходного плеча которого подключен к первому выводу делителя мощности 6. Второй вывод делителя мощности 6, являющийся выходом регенерационного кольца (кольца регенератора) для волны Стокса, присоединен к первому входу оптического сумматора 9. Вход оптического делителя 6 подключен к выходу оптического усилителя 5, вход которого соединен с выводом ответвительного плеча направленного ответвителя 2.
Вывод ответвительного плеча направленного ответвителя 4 является вторым выходом кольца регенератора для волны накачки и подключен к входу оптического затвора 7, управляемого процессором 8, выход которого присоединен ко второму входу оптического сумматора 9. Выход оптического сумматора 9 подключен к выводу проходного плеча измерительного направленного ответвителя 10, вывод основного канала которого присоединен к ближнему концу оптического волокна 14-14′ оптического кабеля 11, к противоположному концу которого подключен оптический отражатель 12. Вывод направленного плеча измерительного направленного ответвителя 10 через оптический усилитель фотоприемного устройства 15, подключен к входу фотоприемного устройства 13, выходной сигнал которого поступает в процессор 8.
н
н
сп
н
со
сп
со
k
Оптическая мощность лазера накачки 1 с частотой W через вывод проходного плеча направленного ответвителя 2 (вход регенератора) поступает в волоконно-оптическую катушку 3, являющуюся активной средой, обладающей эффектом (ВКР). За счет эффекта спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) в этой катушке возбуждаются случайные (спонтанные) прямая и обратная волны Стокса с частотами соответственно W-Ω и W-Ω, где Ω, Ω - частоты смещения Стокса для прямой и обратной волн Стокса. Вследствие эффекта ВКР часть мощности волны накачки в катушке 3 преобразуется в мощность прямой и обратной волн Стокса, что приводит их усилению, зависящему от длины волоконно-оптической катушки, L. При этом обратная волна Стокса за счет направленных ответвителей 2 и 4 получает возможность циркуляции по кольцу регенератора по часовой стрелке, как это показано чертеже, непрерывно подпитываясь от мощности лазера накачки 1.
0
Условие регенерации (самовозбуждения) обратной волны Стокса выполняется, если коэффициент передачи по мощности в кольце регенератора K больше единицы, т.е.
0
ВКР
П
▪
K=K K;
ОУ
дeл
▪
K K>1;
П
ОУ
дел
▪
▪
K K K<1,
ВКР
где K - коэффициент усиления за счет ВКР;
п
п
K=ехр{-α} - коэффициент передачи, связанный с результирующим коэффициентом потерь в регенераторе
п
1HО
2HО
ОB
k
1НО
2НO
▪
α=α+α+α L; α, α - соответствующие коэффициенты вносимых потерь со стороны направленных ответвителей 2 и 4;
ОВ
α - удельный коэффициент поттерь в оптическом волокне катушки 3;
дел
K - коэффициент деления мощности делителя 6 по второму выходу;
ОУ
K - коэффициент усиления мощности в оптическом усилителе 5.
Для устранения возможности возбуждения паразитных колебаний в кольцах регенератора должно выполняться дополнительное условие
П
ОУ
дел
▪
▪
K K K<1.
τ
τ
τ
н
н
со
Отработанная мощность лазера накачки с вывода катушки 3 через направленное плечо направленного ответвителя 4 ответвтляется на вход оптического затвора 7, управляемого сигналом процессора 8, и служащего для формирования измерительного импульса накачки. Оптический затвор работает таким образом, что в момент прихода управляющего сигнала из процессора 8 (вывод направленного плеча направленного ответвителя 4), на который поступает непрерывная мощность накачки из катушки 3, на короткий отрезок времени с длительностью подключается ко второму входу сумматора 9, в результате чего на этом входе образуется импульсный сигнал накачки с длительностью и скважностью Q=Т/, задаваемыми (определяемыми) процессором 8. При этом сумматор 9 служит для суммирования измерительного импульса волны накачки с непрерывной волной Стокса, поступающей на первый вход этого сумматора со второго вывода делителя мощности 6. Суммарная мощность импульсной волны накачки с оптической частотой W и непрерывной волны Стокса с оптической частотой W-Ω с выхода сумматора 9 через проходное плечо измерительного направленного ответвителя 10 поступает на вход исследуемого ОВ (14-14′).
н
со
Непрерывная волна с частотой W-Ω, отражаясь от отражателя 12, на противоположном конце волокна образует обратную волну Стокса при условии, что частота смещения Стокса для исследуемого волокна 14-14′ равна частоте смещения Стокса в катушке 3 генератора. При выполнении этого условия от каждого домена (элемента) разрешения в текущем сечении Z и шириной
cpτ
2
ΔZ=v/
cp
н
с
н
cp
н
c
образуется ВКР элементарный (доменный) эхо-сигнал, который несет информацию не только о величине импульсной мощности накачки в данном сечении, но также (в случае ВКР по Бриллюэну) о температуре или напряжении в этом сечении. Причем v=vv/v+v - средняя скорость между групповыми скоростями волн накачки и Стокса v и v.
Результирующий эхо-сигнал от всех доменов (элементов) разрешения поступает через направленное плечо измерительного направленного ответвителя 10, а затем через оптический усилитель фотоприемного устройства 15 на вход фотоприемного устройства 13, в котором детектируется, усиливается и после преобразования поступает для анализа в процессорное устройство 8.
Применение предложенного устройства повышает достоверность определения характеристик оптического кабеля связи и обеспечивает повышение точности измерения.