Устройство для измерения длины оптического волокна фазовым методом

Полезная модель относится к технике оптической связи, конкретно к области измерительной техники для оптических систем передачи информации, и может быть использована при комплексных измерениях характеристик линейного тракта высокоскоростных DWDM магистралей.
В настоящее время для измерения длины оптического волокна используют различные установки/приборы, принцип действия которых может отличаться. Наиболее точные из них основаны на рефлектометрии, основной принцип которой состоит в том, чтобы регистрировать рассеянный в обратном направлении свет по отношению к зондирующему излучению.
Известен метод измерения длины оптического волокна, он же аналог, описанный в патенте КНР CH105584887 (A) «Online measurement device and method for optical fiber length», МПК B65H 59/38, опубликованный 16.11.2018 г. Установка содержит фиксированную перемычку, устройство измерения крутящего момента, оптоволоконную катушку, механизм подъёма оптоволоконной катушки, панель управления, устройство проверки микроструктуры, основание. Установка может быть реализована для измерения длины волокна, скорости и натяжения намотки в процессе намотки оптического волокна. Разновидность метода измерения длины волокон в режиме реального времени отличается тем, что измеренная угловая скорость вращения ω и измеренный крутящий момент M передаются в систему управления, и система управления согласно вычислительным методам определяет длину намотанного оптического волокна.
Недостатками данного способа является невысокая точность измерения длины оптического волокна. В случае интерферометрических измерений необходимо знать длины протяженных волокон с точностью до миллиметров, что невозможно достичь, пользуясь данным способом измерения длины.
Известен метод реализации фазового сдвига для измерения времени распространения сигнала в оптическом волокне, описанный в статье «Реализация метода фазового сдвига для измерения времени распространения сигнала в оптическом волоке», опубликованная 05.07.2010 г. в первом отраслевом электронном СМИ ЭЛ № ФС77-70160 «RusCable.ru Энергетика. Электроника. Связь». Система для измерения длины оптических волокон содержит следующие основные блоки: оптический передатчик, в котором находится лазерный диод, схема управления его током накачки и схема температурной стабилизации, первый генератор, формирующий синусоидальный сигнал для модуляции лазерного диода, оптический разветвитель, два оптических приемника, каждый из которых содержит лавинный фотодиод и усилитель низкой частоты, второй генератор, формирующий синусоидальный сигнал для модуляции напряжения смещения лавинных фотодиодов и аналого-цифровой преобразователь.
Недостатками данного метода является использование модулирующего сигнала, пришедшего с задающего генератора, с более низкой частотой, чем рекомендуется для более точного определения длины оптических волокон.
Наиболее близким техническим решением к полезной модели (прототипом) является установка, используемая для измерения длины оптических волокон фазовым методом, который реализуется с помощью применения фазометра, требующим наличия эталонного сигнала, и волокна для калибровки фазы. Метод описан в ГОСТ Р МЭК 60793-1-22-2012 Оптические волокна - часть 1-22: «Методы измерений и проведение испытаний. Измерение длины».
Установка содержит источник света, оптику или гибкие выводы волокна, волокно для калибровки фазы, испытуемое волокно, детектор, усилитель, фазометр, генератор сигналов и компьютер. Измерение длины оптических волокон происходит следующим образом:
1) в случае если не используются гибкие выводы волокна (пигтейлы), один конец волокна для калибровки фазы соединяется с источником света, а другой конец соединяют с системой обнаружения;
2) в случае если гибкие выводы волокна (пигтейлы) используются на обоих концах, то их соединяют друг с другом для выполнения измерения эталонной фазы вместо использования отдельного волокна для калибровки фазы.
Далее в зависимости от того, используют или нет гибкие выводы волокна, фазу испытуемого волокна измеряют одним из двух следующих методов:
1) если гибкие выводы волокна не используются, выход волокна для калибровки фазы отсоединяют от системы обнаружения и соединяют его с одним концом испытуемого волокна. Другой конец испытуемого волокна соединяют с системой обнаружения;
2) если гибкие выходы волокна используются вместо волокна для калибровки фазы, пигтейлы отсоединяются друг от друга и соединяются со свободными концами испытуемого волокна.
Далее, излучение попадает в фазометр, где происходит вычисление фазы, возникшей из-за добавления в используемую схему испытуемого волокна, а далее высчитывается его длина.
Недостатком прототипа является необходимость производить работы по присоединению/отсоединению испытуемого волокна и использования волокна для калибровки фазы, что может повлечь за собой появление дополнительных потерь на соединениях, например, пигтейлов, следствием чего является паразитный набег фазы на частичках пыли, оставшихся в местах соединения.
Техническим результатом полезной модели является отсутствие необходимости производить работы по присоединению/отсоединению испытуемого волокна и использования волокна для калибровки фазы. Это, как следствие, позволяет производить высокоточное измерение длины протяженного оптического волокна фазовым методом с предельной точностью до единиц миллиметров.
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения длины оптического волокна фазовым методом, содержащее лазер подсветки, генератор и первый фотодетектор, способный регистрировать лазерное излучение с длиной волны 1550 нм, содержит электрооптический модулятор, пятидесятипроцентный оптический делитель, второй фотодетектор, способный регистрировать лазерное излучение с длиной волны 1550 нм, и осциллограф, при этом лазер подсветки соединен с оптическим входом электрооптического модулятора, а генератор электрически соединен с высокочастотным входом электрооптического модулятора, выход электрооптического модулятора оптически соединен с входом пятидесятипроцентного оптического делителя, один выход пятидесятипроцентного оптического делителя оптически соединен с первым фотодетектором, а второй выход пятидесятипроцентного оптического делителя оптически соединен с входом циркулятора, также устройство содержит волоконное зеркало, причем второй выход циркулятора соединен с входом второго фотодетектора, при этом выходы обоих фотодетектором соединены с осциллографом, при этом циркулятор и волоконное зеркало уложены в кассету, при этом лазер подсветки, электрооптический модулятор, генератор, пятидесятипроцентный оптический делитель, кассета, фотодетекторы, осциллограф установлены и закреплены свинчиванием на оптическом столе.
При данном методе измерений используют изменение фазового сдвига в оптическом волокне при увеличении частоты до заранее установленной частоты модуляции .
Сущность полезной модели поясняется на фиг. 1, 2.
На фиг. 1 показана схема проведения измерений и расположения оборудования.
На фиг. 2 представлена схема, поясняющая процедуру определения значения фазы сигнала (фазового угла) . Измерение фазы заключается в измерении смещения начала отсчета периода сигнала U относительно начала отсчета времени.
В таблице приведены экспериментальные результаты по измерению различных длин оптического волокна.
Принятые обозначения (фиг. 1): 1 - лазер подсветки, 2 - электрооптический модулятор (ЭОМ), 3 - генератор, 4 - пятидесятипроцентный оптический делитель, 5 - циркулятор, 6 - измеряемое волокно, 7 - волоконное зеркало, 8 - фотодетекторы, 9 - осциллограф, 10 - оптический стол.
Устройство для измерения длины оптического волокна фазовым методом содержит (фиг. 1) последовательно оптически соединенные следующие элементы: лазер 1 подсветки, ЭОМ 2, пятидесятипроцентный оптический делитель 4, один выход которого соединен с входом первого фотодетектора 8, а второй выход делителя 4 соединен с входом циркулятора 5, также устройство содержит волоконное зеркало 7, а второй выход циркулятора 5 соединен с входом второго фотодетектора 8. При этом циркулятор 5 и волоконное зеркало 7 уложены в кассету (на фиг.1 не показана). Выходы обоих фотодетекторов 8 соединены с входами осциллографа 9, а генератор 3 электрически соединен с высокочастотным входом ЭОМ 2. Компоненты устройства: лазер 1 подсветки, ЭОМ 2, генератор 3, пятидесятипроцентный оптический делитель 4, кассета, фотодетекторы 8, осциллограф 9 установлены и закреплены свинчиванием на оптическом столе 10, при этом фотодетекторы 8 способны регистрировать лазерное излучение с длиной волны 1550 нм. Фотодетекторы 8 в общем случае могут быть разными.
Устройство работает следующим образом (фиг. 1).
Между первым выходом циркулятора 5 и волоконным зеркалом 7 подсоединяют измеряемое волокно 6.  Измеряемое волокно 6, например, может представлять из себя катушку волокна. Циркулятор 5, измеряемое волокно 6, волоконное зеркало 7 уложены в кассету. Лазерное излучение, генерируемое лазером 1 подсветки, с длиной волны 1550 нм модулируется внешним ЭОМ 2 на заданной генератором 3 частоте и делится пополам на пятидесятипроцентном оптическом делителе 4. Излучение с одного канала делителя 4 регистрируется напрямую фотодетектором 8, а излучение со второго канала вводится в линию задержки (MDL), содержащее циркулятор 5, измеряемое волокно 6 и оптическое зеркало 7, где происходил набег фазы излучения по сравнению с первым каналом, далее излучение направляется на второй фотодетектор 8. В случаи отсутствия измеряемого волокна 6, сигналы с обоих каналов совпадают на экране осциллографа 9, то есть, оба канала согласованы по фазе. В этом случае получаемый набег фазы будет обусловлен длиной подсоединяемого измеряемого волокна 6. Выход с обоих каналов осуществляется на осциллограф 9, где наблюдается два синусоидальных сигнала (по одному с каждого канала), отстоящих друг от друга на фазовое расстояние Δϕ. Компоненты устройства: лазер 1 подсветки, ЭОМ 2, генератор 3, пятидесятипроцентный оптический делитель 4, кассета, фотодетекторы 8, осциллограф 9, установлены и закреплены на оптическом столе 10 свинчиванием, для того, чтобы избежать вибраций каждого компонента устройства, что необходимо для достижения заданной точности. Далее производился подсчет набега фазы между двумя синусоидальными сигналами, с помощью которого вычислялась длина измеряемого оптического волокна 6.
Устройство может применяться к длинам волокна в диапазоне от 1 м до единиц километров, например, к катушкам волокна, для многомодовых оптических волокон с диаметром сердцевины 50 мкм и диаметром оболочки 125 мкм и до десятков километров длины, например, к катушкам волокна, для одномодовых оптических волокон со стеклянной сердцевиной при мощности зондирующего излучения 13 дБм.
Следует отметить, что линия задержки (MDL) реализована таким образом, что длина измеряемого волокна 6, присоединённого к ней, удваивается. Линия задержки (MDL) представляет из себя последовательно соединенные циркулятор 5, измеряемое волокно 6 и волоконное зеркало 7. Излучение проходит через измеряемое волокно 6, отражается от волоконного зеркала 7, совершает второй проход через измеряемое волокно 6 и выходит через выход линии задержки. Таким образом, набег фазы, регистрируемый осциллографом 9, удваивается, что эквивалентно удвоению длины измеряемого волокна 6, что дает возможность более удобного измерения коротких отрезков оптического волокна.
В таблице представлены экспериментальные результаты по измерению различных длин оптического волокна. Использовались отрезки измеряемого волокна 6 длиной близкой к их условным обозначениям (1 м, 4 м и 8 м). Вследствие двойного прохода лазерного излучения через измеряемые волокна 6 внутри линии задержки, в таблице приведены удвоенные длины измеряемых волокон 6. Как видно по представленным в таблице результатам, достигается предельная точность измерения длины оптических волокон предложенным способом, равная 1 мм.
В качестве лазера 1 подсветки обычно используют лазерный диод. Центральная длина волны и модулированная выходная фаза должны быть стабильными в течение времени измерения при возникающих токах смещения, частоте модуляции и температурном диапазоне диода. Полная ширина спектра на полувысоте не должна превышать 30 нм. При необходимости это достигается за счет использования монохроматора или оптического фильтра.
Выбор частоты модуляции определяется максимальной длиной волокна 6, которое должно быть измерено, и требуемой точностью измерения. Чтобы избежать неопределенности, вызываемой 2π фазовыми сдвигами, при наличии более одного полного цикла модуляции в измеряемом волокне 6 необходимо начать с низкой частоты и считать число полных циклов при медленном увеличении частоты. Важно, чтобы число 2π фазовых сдвигов было точно подсчитано. Использование более высокой частоты обычно дает более точное измерение длины. Для заданной длины L волокна (в метрах) максимальная начальная частота  (в герцах) определяется уравнением
, (1),
где С - скорость света в вакууме, м/с; N - групповой показатель преломления.
Если начальная частота уже была выбрана, тогда максимальную длину волокна 6, которая может быть измерена, можно рассчитать перестановкой составляющих уравнения (1).
min
Наибольшая выбранная частота, соответствующий фазовый шум на этой частоте и неопределенность самой частоты модуляции будут определять разрешающую способность измерительной системы. Для минимально измеримого фазового изменения (полный фазовый угол) Δϕ в радианах минимально разрешаемая длина L в отсутствие фазового шума и неопределенности частоты определяется уравнением
(2)
где максимальная частота модуляции.
Значение Δϕ зависит от используемой частоты модуляции. Для заданной разрешающей способности и длины волокна требуемая максимальная частота может быть определена перестановкой составляющих уравнения (2).
Начиная с частоты модуляции , увеличивают частоту до достижения , со скоростью, достаточной для однозначного определения числа  возникающих 2π фазовых сдвигов. Измеряют фазовый угол  на выходе волокна при .
Измерение фазы заключается в измерении смещения начала отсчета периода сигнала U относительно начала отсчета времени. На фиг. 2 представлена схема, поясняющая процедуру определения значения фазы сигнала (фазового угла) .
Рассчитывают начальный фазовый угол и полный фазовый угол (фазовое изменение) следующим образом:
, (3.1)
, (3.2)
где ΔT - сдвиг периода отсчета измеряемого сигнала относительно начала отсчета, максимальная частота модуляции, m - целое число фазовых сдвигов, равных 2π.
Так как величина m является непогрешимой величиной, а погрешностью величины  используемого генератора Г7М-20А/4 можно пренебречь в силу ее малости, то погрешность фазового изменения δ(Δϕ) определяется формулой:
, (4)
где Δτ - погрешность сдвига периода отсчета измеряемого сигнала относительно начала отсчета, которая выражается следующей формулой:
, (5)
оп
d
дж
где Т - погрешность опорного генератора осциллографа, F - частота дискретизации осциллографа, Т - время собственного джиттера осциллографа.
Длину L измеряемого волокна 6 рассчитывают следующим образом:
, (6)
где L - в метрах; фазовый угол (фазовое изменение) между двумя сигналами в радианах, C - в метрах в секунду,  - в герцах, N - групповой показатель преломления.
Погрешность измерения длины оптического волокна вычислялась по следующей формуле:
ΔL =, (7)
где  - погрешность группового показателя преломления.
В случае, когда групповой показатель преломления N неизвестен, используется измеряемое волокно 6 заранее известной длины L и используют следующую формулу для определения группового показателя преломления N:
N  (8)
Погрешность группового показатель преломления ΔN определялась следующей формулой:
ΔN =, (9)
где С - скорость света в вакууме, максимальная частота модуляции, L - заранее известная длина измеряемого волокна 6, ΔL - погрешность заранее известной длины измеряемого волокна 6, Δϕ - полный фазовый угол (фазовое изменение) между двумя каналами, δ(Δϕ) - погрешность полного фазового угла (фазового изменения) между двумя сигналами.
Для всех экспериментов каждой серии приборная погрешность измерения длины оптического волокна, обусловленная неточностью определения осциллографом времени ΔT и с учетом «погрешности» оператора, составила 1 мм.
Как можно заметить, в формуле (6) для расчета длины измеряемого волокна 6 используется групповой показатель преломления N, поэтому для более точных измерений рекомендуется проводить измерения длин однородных измеряемых волокон 6.
Стоит отметить, что с ростом длины измеряемого волокна 6 погрешность измерения его длины, обусловленная флуктуациями температуры, растет и составляет ~ 0,0045-0,005% на строительную длину, а с увеличением показателя преломления погрешность измерений уменьшается.
Для проверки работоспособности предлагаемого технического решения была собрана схема, где в качестве лазера 1 подсветки, например, можно использовать лазер, работающий на длине волны 1550 нм и мощностью 100 мВт, в качестве ЭОМ 2, например, можно использовать ЭОМ MXAN-LN-10 фирмы iXblue, в качестве генератора 3, например, можно использовать генератор Г7М-20А/4 с диапазоном частот генерируемых сигналов в 20 ГГц фирмы Микран, в качестве делителя 4, например, можно использовать делитель 10202А-50-АРС фирмы Thorlabs, в качестве циркулятора 5, например, можно использовать циркулятор OLCIR-I-3-CL-500-90-FA фирмы OPTO-LINK, в качестве волоконного зеркала 7, например, можно использовать волоконное зеркало P5-1550PMR-P01-1 фирмы Thorlabs, в качестве фотодиодов 8, например, можно фотоприемник 1474-А фирмы Newport, в качестве осциллографа 9, например, можно использовать осциллограф с полосой пропускания более 12 ГГц, в качестве оптического стола 10, например, можно оптический стол фирмы Standa.
Таким образом, достигается технический результат, который проявляется в отсутствии необходимости производить работы по присоединению/отсоединению испытуемого волокна и использования волокна для калибровки фазы. Это, как следствие, позволяет производить высокоточное измерение длины протяженного оптического волокна фазовым методом с предельной точностью до единиц миллиметров.