Методы контроля передаточных характеристик волоконных световодов

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ ПЕРЕДАТОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ A.B. Ландорф, Д.В. Соловьев, В.Н. Фролков Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ю.А. Гатчин

Описаны экспериментальные установки для исследования передаточных характеристик волоконных световодов, проанализирована дисперсия импульсов.

Введение

Технология оптоволоконных сред передачи является новой, быстро развивающейся и перспективной, а измерения в этой области - наиболее важными. Актуальность работы обусловлена тем, что современный этап развития общества характеризуется интенсивным внедрением микроэлектроники практически во все сферы человеческой деятельности, таких как вычислительная техника, телевидение, связь и т.д. и т.п.

Дисперсия является одной из самых важных характеристик волоконных световодов. Чтобы охарактеризовать световод более полно, желательно, во-первых, получить значение дисперсии в условиях предполагаемого использования волоконного световода, чтобы иметь возможность приступить к разработке системы; во-вторых, получить полное представление о распространении импульса света в световоде. Однако в случае многомодовых световодов со слабым смешением мод упражнение вообще имеет довольно ограниченную ценность, поскольку изменение условий возбуждения, скрутка или натяжение волоконного световода будут изменять результат [1].

Типы дисперсии

Дисперсия возникает по двум причинам:

• некогерентность источников излучения и появление спектра ДХ;

• существование большого количества мод N.

Дисперсия, вызванная первой причиной, называется хроматической (частотной). Она, в свою очередь, делится на материальную дисперсию и волноводную (внутримо-довую/ Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды. Она характеризуется зависимостью коэффициента распространения моды от длины волны:

У = ¥1

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны:

n =

Модовая дисперсия обусловлена наличием большого количества мод, время распространения которых различно:

t = уз

Дисперсионные свойства тракта передачи зависят также от источника излучения. При лазерных источниках благодаря узкой полосе излучаемых частот дисперсия сказывается мало. В некогерентных передатчиках - излучающих светодиодах полоса излучения существенно шире, и дисперсия проявится довольно значительно [2].

Для изучения дисперсии импульсов в волоконных световодах разработано несколько различных методов. Рассмотрим преимущества и недостатки каждого из них.

Импульсный метод измерения дисперсии

Для изучения дисперсии импульсов в волоконных световодах разработано несколько различных методов. Наиболее прямой состоит в том, что в световод вводят ко-

роткий импульс света, регистрируют во времени мощность, излучаемую из дальнего конца световода, и непосредственно получают уширение или искажение импульса. Таким образом, чтобы точно измерить уширение импульса, оно должно быть порядка 0,5-1 пс, и в случае малой дисперсии исследуемый световод должен иметь значительную длину [5].

Наиболее просто сравнение провести для гауссовой формы лазерного импульса: Рвых

где 2520 - полная средняя квадратическая ширина входного импульса.

Если использовать в качестве источника света тонкопленочный лазер, изготовленный из пленки 1иОаЛ3Р толщиной 1 мкм, размещенной между многослойными диэлектрическими зеркалами в виде единой структуры, можно создать высокоскоростную систему измерения дисперсии одномодовых световодов малой (30 м) длины с полосой 8,5 ГГц. Схема установки, использованная в [7], показана на рис. 1. Лазер возбуждался импульсом света от лазера на гранате с неодимом с синхронизацией мод, работающего в режиме модуляции добротности. Для облегчения теплового режима полупроводникового лазера с помощью управляемого электрооптического затвора обеспечивалось выделение одного импульса из цуга импульсов, генерируемых лазером накачки.

Рис. 1. Схема измерительной установки стонкопленочным полупроводниковым лазером [7]: 1 - схема выделения оптического импульса; 2 - ослабитель; 3 - пленка !пОаД3Р; 4 - волоконный световод: 5, 10, 11 - фотоприемники; 6 - осциллограф; 7 - аналого-цифровой преобразователь; 8 - ЭВМ; 9 - монохроматор

Выделенные импульсы имели амплитуду 1 кВт, длительность порядка 100 пс и частоту повторения 1 кГц, Длительность импульса тонкопленочного лазера при малых уровнях накачки (10-30 Вт) оказалась меньше, чем разрешающая способность установки (< 10 пс), что связано с малой инерционностью установления поля в ультракоротком резонаторе (< 1 пс). Перестройка длины волны в широких пределах (170 нм) осуществлялась путем изменения длины резонатора, при этом соседние резонансы не попадали в пределы линии усиления, поскольку расстояние в длинах волн между соседними резо-нансами равно

Д1 = 12/2пЬр,

где п - показатель преломления материала, Ьр - длина резонатора.

Использование лазера на гранате с неодимом с модулированной добротностью (X = 10,6 мкм) мощностью 10 кВт для накачки волоконного комбинационного лазера (Ь = 100 м) позволяет получить достаточную пиковую мощность для исследования дисперсии световодов в широкой области длин волн от 1,1 до 1,7 мкм [8]. Схема установки, используемая для прямых измерений дисперсии одномодовых волоконных световодов малой длины, показана на рис. 2. Она собрана на базе параметрического генератора света с синхронной накачкой цугами сверхкоротких импульсов излучения второй гармоники непрерывно накачиваемого лазера на гранате с неодимом, работающего в режиме модуляции добротности и активной синхронизации мод.

Рис. 2. Схема установки для измерения дисперсии одномодовых волоконных световодов импульсным методом [8]: 1 - АИГ: М-лазер; 2 - генератор второй гармоники; 3 - параметрический генератор света; 4 - волоконный световод;

5 - монохроматор МДР-23; 6 - кристалл ЫТа03: 7 - диафрагма; 8 - ФЭУ;

9 - стробирующий интегратор РДР-162; 10 - самописец; 11 - призма переменной линии задержки; 12 - фотоприемник типа ЛФД-2

Существует еще один тип установок контроля дисперсии волоконных световодов, использующих излучение газоразрядных лазеров. Чрезвычайно высокая монохроматичность и стабильность параметров излучения, малая расходимость и одномодовый характер излучения делают эти лазеры перспективными для измерений одномодовых и маломодовых волоконных световодов, а также при изучении дисперсионных свойств отдельных мод в многомодовых световодах.

В нашей стране разработан источник импульсного излучения на базе гелий-неонового лазера (X = 1,15 мкм) с вынужденной синхронизацией мод [9]. Схема установки показана на рис. 3. Параметры лазера: длительность импульсов 0,5 не, частота повторения 83,6 МГц, амплитуда 40 мВт, расходимость лазерного пучка 5'.

Экспериментально показана возможность анализа широкого класса волоконных световодов, имеющих полосу пропускания вплоть до 2 ГГц и вполне удовлетворяющих практические нужды на сегодняшний день.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки измерения дисперсии многомодовых волоконных световодов на основе Не-Ые -лазера (1,15 мкм) с синхронизацией продольных мод [9]: 1 - лазер с внутренним акустооптическим модулятором; 2 - фотоприемник типа ЛФД-2; 3 - телевизионная установка типа МТУ-1; 4 - генератор радиодиапазона; 5 - стробоскопический осциллограф; 6 - графопостроитель Н-306

Возможно также расширение диапазона генерируемых лазером длин волн в пределах 1,08-1,52 мкм за счет последовательного возбуждения линий 25- 2р неона в дисперсионном резонаторе, поскольку условия возбуждения для девяти линий из указанного диапазона, включая и линию 25 2 - 2р4 ( X = 1,15 мкм), близки друг к другу.

Частотный метод измерения дисперсии

В отличие от импульсного, частотный метод не требует сложной математической обработки, которая вносит дополнительные погрешности в конечный результат. Однако в практической реализации он сложнее, поскольку оказываются необходимыми измерения глубины модуляции интенсивности излучения и соответствующего сдвига фаз в широком диапазоне изменения частоты модуляции [6]. Комплексная передаточная функция волоконного световода О(ю) может быть представлена в виде

С

где ф(ю) - фазовый угол, который обычно изменяется в пределах 2% на длине 1 км. Если измерение модуля передаточной функции не представляет принципиальных сложностей, то измерение этого фазового угла, его зависимости от частоты модуляции является непростой задачей, поскольку он должен быть измерен на фоне большого фазового угла, линейно зависящего от временной задержки или длины световода: ю^0=юпЬ/с. Для Ь = 1 км, п = 1,5 при изменении частоты от 0 до 1 ГГц значение ю возрастает от 0 до 2л-5000 рад. По этой причине, а также в связи с необходимостью обеспечения модуляции интенсивности в широкой полосе (вплоть до 1-10 ГГц) частотный метод пока не находит широкого распространения. Поскольку одномодовые световоды являются системами, для которых амплитудные и фазовые характеристики связаны преобразованием Гильберта (при условии, что обратная ширина полосы световода много больше времени когерентности источника света и максимальная частота модуляции много меньше, чем частота оптической несущей), то измерение одной из них позволяет расчетным путем получить другую. В экспериментальном плане линейный фазовый набег можно компенсировать путем включения в схему опорного одномодового световода одинаковой длины с исследуемым многомодовым [3].

Механические характеристики волоконного световода

Для оценки механической надежности волоконного световода необходима информация о дефектности образца и о параметрах деградации, определяющих скорости роста дефектов. Теоретической основой испытаний служит феноменологическая теория деградации прочности хрупких тел.

Согласно этой теории, скорость медленного роста трещины, характеризуемой глубиной а и геометрическим параметром У (У«1), растягиваемой напряжением о, описывается выражением

ёа / Л = А  К? ,

где

К = о-У  а1/2,

А и п - параметры деградации, зависящие только от материала образца и среды испытания. Условием разрушения считается достижение факторам интенсивности К1 для наибольшей трещины критического значения К1С, являющегося константой материала (для кварца К\с= 0,789 Нм"3 2). Увеличение размера трещины, растягиваемой напряжением а в течение времени I, описывается уравнением

0

где

2/в = А  у2 -

= К1с • У-  а-1/2

- инертная прочность, 511, - начальное и конечное значение 51 [4].

Методы измерения затухания

В волоконно-оптических кабелях, по-видимому, неизбежно будут появляться обрывы после или во время его прокладки, могут также возникать другие дефекты, например соединения с высокими потерями. [5].

В методе (рис. 4) используется простая система обнаружения эхо-импульсов. Короткий мощный импульс излучения лазера из ОаЛБ вводится в световод, а отраженный сигнал после делителя пучка регистрируется лавинным фотодиодом и стробирующим осциллографом. Регистрируется также интенсивный импульс от входного торца световода.

Рис. 4. Схема установки для обнаружения обрывов световода импульсным

эхо-локатором

В первом приближении, если показатель преломления сердцевины равен п1, а скорость света - с/п1, то дефект, удаленный на расстояние Ь, будет зарегистрирован через время задержки 2Ьп1/с секунд.

Параметром ОВ, определяющим его пропускную способность и область применения, является полоса пропускания, которая связана с дисперсией. При этом, если для многомодовых ОВ полоса пропускания может определяться по частной и импульсной характеристике передачи, в одномодовых ОВ она определяется на основе измерений дисперсии. Ниже рассмотрим измерение полосы пропускания многомодовых ОВ частотным и импульсным методами [7].

В частотном методе полосу пропускания ОВ получают путем прямого измерения амплитудного значения мощности оптического сигнала на выходе волокна в зависимости от частоты излучения.

В импульсном методе полосу пропускания ОВ определяют путем сравнения входного и выходного импульсов испытуемого ОВ, для чего выполняют последовательную регистрацию импульса оптического излучения на выходе ОВ и на выходе его короткого отрезка, полученного при обрыве кабеля со стороны входа, принимая форму последнего за форму входного импульса.

Измерение полосы пропускания импульсным методом

При измерении полосы пропускания важным фактором, определяющим точность измерений, является способ ввода излучения в ОВ, который должен обеспечивать либо полное возбуждение волокна, либо ограниченное возбуждение с использованием фильтра мод. Измерения проводятся согласно схеме на рис. 5 в следующей последовательности:

• осуществляется центровка ввода-вывода;

• проводится регистрация импульса на выходе волокна;

волокно обрывается на расстоянии около 2 мот источника излучения; выходной конец волокна центруется, и регистрация импульса на его выходе повторяется вновь [9].

Рис. 5. Измерение полосы пропускания импульсным методом

Если импульсы на входе и выходе ОВ имеют гауссовскую форму, то полосу пропускания определяют на основании измерения длительности импульсов согласно выражению

А/ = 440 / Л 2 - тет2 ,

где те1ит вх - длительности импульса на входе и выходе ОВ на уровне половинной амплитуды.

Измерение полосы пропускания частотным методом

Измерение полосы пропускания частотным методом осуществляют на основе схемы на рис. 6, используя АМ генератор оптического излучения и измеритель оптической мощности. Частотные характеристики источника и приемника излучения при этом должны быть согласованы.

Генератор Источник Устройство ввода излучения =—= Калиброавнный Измеритель оптической мощности

АМ сигналов излучения приемник излучения

Рис. 6. Измерение полосы пропускания частотным методом

Процедура измерений включает пошаговое измерение частоты модулирующего сигнала с соответствующим измерением уровня выходного сигнала. В результате получаем зависимость мощности на выходе ОВ от частоты модуляции. Коэффициент ши-рокополосности рассчитывается по формуле

А/ = А/ь /Ь ,

где А/Ь - максимально значение частоты в МГц на уровне -3 дБ по мощности; Ь - длина волокна, км; g - эмпирический коэффициент, значение которого лежит в пределах 0,5<в<1,0.

Заключение

Разработанные методы и автоматизированная аппаратура могут быть использованы предприятиями оптического направления, а также в различных областях науки и практики для расширения возможностей оптико-физических исследований, контроля и измерений. Из сравнения представленных выше методов можно сделать вывод, что при

измерении полосы пропускания более простым и быстрым является импульсный метод, хотя более надежным и достоверным нужно считать частотный метод.

Литература

1 Мидвинтер Дж. Э. Волоконные световоды для передачи информации. М.: Радио и связь, 1983. С. 189-203.

2 Гроднев ИИ. и др. Оптические кабели: конструкции, характеристики, производство и применение. М., 1991. С. 53-57.

3 Тучкин В.В. Методы измерения параметров волоконных световодов. // Обзоры по электронной технике. Сер. 11. Лазерная техника и оптоэлектроника. 1987. В. 1(1248). С. 10-36.

4 Александров И.В., Жаботинский М.Е., Фельд С.Я., Шушпанов О.Е. Оптимизация барабанных зажимов при статических и динамических испытаниях волоконных световодов. М., 1989. С. 3-5.

5 Бабкина Т.В., Григорянц В.В. Смирнов В.Б. Методы измерения и расчет дисперсионных свойств многомодовых волоконных световодов. // Квантовая электроника. 1984. Т.11. №10. С. 1899-1939.

6 Stone J., Cohen L.G. Tunable InGaAsp Lasers for Spectral Measurement of Hight Bandwidth Fibers. // LEEE Trans. MTT. 1982. Vol. 30. №4. P.357-359.

7 Дианов E.M., Карасик А.Я., Мамышев В.П. Прямые измерения дисперсии одномо-довых волоконных световодов в области 1,15-1,4 мкм. // Квантовая электроника. 1984. Т. 10. №9. С. 518-521.

8 Лобачев М.И., Мельников Л.А., Рабинович Э.М., Синичкин Ю.П., Тучин В.В. Стохастические явления в газовом лазере с активной синхронизацией мод. / Всесоюзная конференция по когерентной и нелинейной оптике. М, 1985. С. 306-307.

9 Costa B., Cordo B. Fiber Characterization. / Optical Fibre Communication. 1980. Part.1. Ch. 3. P.145-307.