Способ симплексной передачи данных по оптическому волокну кабельной линии
METHOD OF SIMPLEX DATE TRANSMISSION OVER AN OPTICAL FIBER OF A CABLE LINE

Изобретение относится к технике связи, в частности к способам передачи информации по линиям связи, а именно к низкоскоростной передаче данных по оптическим волокнам кабельных линий.
Известно устройство [1] измерения спектров акустических сигналов, наводимых в оптическом волокне на участках волоконно-оптической кабельной линии, заключающийся в том, что в распределенном датчике акустических и вибрационных воздействий, содержащем чувствительный элемент в виде волоконно-оптического кабеля и оптически соединенный с ним через оптический интерфейс когерентный фазочувствительный оптический рефлектометр, содержащий оптически соединенные с интерфейсом источник периодической последовательности оптических импульсов и приемник рассеянного излучения с фотодетектором, предназначенный для преобразования рассеянного оптического излучения в электрический сигнал, подаваемый в блок обработки, причем источник периодической последовательности оптических импульсов и блок обработки электрически соединены с блоком управления и синхронизации, а источник периодической последовательности оптических импульсов и/или приемник рассеянного излучения выполнен многоканальным с числом каналов не менее двух и с возможностью регистрации рефлектограмм, формирующихся в каждом из каналов, приемник рассеянного излучения содержит неравноплечный интерферометр Маха-Цендера или Майкельсона с фарадеевскими зеркалами, при этом интерферометр имеет два выходных канала: синфазный и противофазный, каждый из которых соединен с фотодетектором, а блок управления и синхронизации выполнен с возможностью обеспечения разделения и независимой обработки синфазного и противофазного каналов, или интерферометр имеет три выходных канала: синфазный и со сдвигами фазы +120 градусов и -120 градусов, каждый из которых соединен с фотодетектором, а блок управления и синхронизации выполнен с возможностью обеспечения разделения и независимой обработки трех выходных каналов, или интерферометр имеет четыре выходных канала со сдвигами фазы 0 градусов,+90 градусов, -90 градусов и 180 градусов, каждый из которых соединен с фотодетектором, а блок управления и синхронизации выполнен с возможностью обеспечения разделения и независимой обработки четырех выходных каналов, или в длинном плече интерферометра содержится фазовый модулятор. Однако, данное устройство не предназначено для передачи данных.
Известны способы построения волоконно-оптических сенсоров, в том числе и сенсоров вибро-акустических сигналов, базирующиеся на принципах работы волоконного интерферометра Маха-Цендера [2-5], заключающиеся в том, что в одно плечо интерферометра Маха-Цендера включают рабочее оптическое волокно, в другое опорное оптическое волокно, на вход интерферометра подают когерентное оптическое излучение лазера, а на приемник комбинацию оптического излучения, поступающего с выходов рабочего и опорного оптических волокон.  Но, во-первых, данные способы не предназначены для передачи данных. А кроме того, их реализация требует использования двух оптических волокон.
От этого недостатка свободны способы построения волоконно-оптических сенсоров на маломодовых оптических волокнах [6], заключающиеся в том, что на входе двумодового оптического волокна с сохранением поляризации, которое поддерживает две пространственные направляемые моды, источником когерентного оптического излучения возбуждают эти две пространственные направляемые моды, на выходе этого оптического волокна эти две моды подают на квадратичный детектор и оценивают параметры внешнего воздействия по изменению параметров биений на выходе детектора. Данный способ не предназначен для передачи данных и, как следствие, не оптимизирован для этой цели.
Известен способ передачи или воспроизведения звукового сигнала [7], заключающийся в том, что оптическое излучение от когерентного источника оптического излучения вводят в оптическое волокно волоконно-оптического кабеля, на дальнем конце это оптическое волокно подключают  это волокно к устройству, обеспечивающему отражение оптического излучения и передачу его в волокне в обратном направлении, воздействуют через волоконно-оптический кабель на оптическое волокно на локальном участке кабельной линии вибро-акустическим сигналом от передатчика, расположенного на некотором расстоянии от волоконно-оптического кабеля, в результате чего дважды модулируют по фазе распространяющееся в оптическом волокне оптическое излучение вибро-акустическим сигналом, как при распространении в прямом направлении, так и в обратном, принимают этот дважды модулированный по фазе с задержкой более 75 мкс сигнал фазочувствительным когерентным приемником, с помощью которого выделяют звуковой сигнал передатчика. К недостаткам способа следует отнести высокие требования к чувствительности приемника, поскольку энергетический потенциал системы передачи вследствие распространения оптического излучения по волокну в прямом и обратном направлении, а также дополнительных потерь на отражение, уменьшается. Кроме того, передатчик не может быть расположен на расстоянии менее 1 км от ближнего конца кабельной линии. Все это, в итоге, ограничивает область применения способа.
Наиболее близким к заявляемому является способ симплексной передачи данных по оптическому волокну кабельной линии [8], заключающийся в том, что оптическое излучение от источника когерентного оптического излучения вводят в оптическое волокно волоконно-оптического кабеля, воздействуют через волоконно-оптический кабель на оптическое волокно на локальном участке кабельной линии вибро-акустическим сигналом от передатчика, расположенного на некотором расстоянии от волоконно-оптического кабеля, в результате чего модулируют по фазе распространяющееся в оптическом волокне оптическое излучение вибро-акустическим сигналом,  и принимают модулированное оптическое излучение фазочувствительным когерентным приемником, с помощью которого выделяют передаваемый сигнал, при этом оптическое излучение от источника когерентного оптического излучения перед вводом в оптическое волокно модулируют по фазе сигналом с постоянным периодом, а распространяющийся по оптическому волокну сигнал принимают фазочувствительным когерентным приемником на дальнем конце  кабельной линии. Реализация данного способа сложна, поскольку требует применения модуляции фазы на передаче и фазочувствительного когерентного приема. При этом система крайне чувствительна к нестабильности частоты модуляции фазы сигналом с постоянным периодом на входе, что существенно ограничивает область применения способа.
Сущностью предполагаемого изобретения является расширение области применения.
Эта сущность достигается тем, что, согласно способу симплексной передачи данных по оптическому волокну кабельной линии, заключающемуся в том, что оптическое излучение от источника когерентного оптического излучения вводят в оптическое волокно волоконно-оптического кабеля, воздействуют через волоконно-оптический кабель на оптическое волокно на локальном участке кабельной линии вибро-акустическим сигналом от передатчика, расположенного на некотором расстоянии от волоконно-оптического кабеля, в результате чего модулируют по фазе распространяющееся в оптическом волокне оптическое излучение вибро-акустическим сигналом, при этом используют двумодовое оптическое волокно, на выходе оптического волокна среднее время задержки между двумя пространственными направляемыми модами, которые поддерживает двумодовое оптическое волокно, устанавливают в выбранном диапазоне, после чего подают обе эти моды на вход квадратичного детектора, на выходе которого выделяют полезный сигнал, причем диапазон изменений среднего времени задержки между двумя пространственными направляемыми модами, которые поддерживает двумодовое оптическое волокно, выбирают предварительно, варьируя среднее время задержки между этими модами на выходе двумодового оптического волокна, как диапазон изменений среднего времени  задержки между этими модами на выходе двумодового оптического волокна, в котором отношение сигнал/помеха превышает заданный порог.
На чертеже представлена структурная схема устройства для реализации заявляемого способа. Устройство содержит волоконно-оптический кабель 1 с двумодовым оптическим волокном 2, источник когерентного оптического излучения 3, оптический разветвитель 4, модовый мультиплексор 5, оптическая линия модовой задержки 6, квадратичный детектор 7, фильтр 8 и формирующий вибро-акустический сигнал звуковых частот передатчик 9. Причем выход источника когерентного оптического излучения 3 соединен со входом оптического разветвителя 4, каждый из выходов которого соединен с одним из входов первого модового мультиплексора 5, а к выходу первого модового мультиплексора 5 на ближнем конце волоконно-оптического кабеля 1 подключено двумодовое оптическое волокно 2 волоконно-оптического кабеля 1. На дальнем конце волоконно-оптического кабеля двумодовое оптическое волокно 2 подключено ко входу оптической линии модовой задержки 6, выход которой подключен ко входу квадратичного детектора 7. Выход квадратичного детектора 7 соединен со входом фильтра 8. При этом формирующий низкочастотный вибро-акустический сигнал передатчик 9 размещен на некотором расстоянии от волоконно-оптического кабеля 1 на локальном участке в пределах длины волоконно-оптического кабеля 1.
Способ осуществляется следующим образом. Оптическое излучение от источника когерентного оптического излучения 3 через первый оптический разветвитель 4 и первый модовый мультиплексор 5 поступает на вход двумодового оптического волокна 2 волоконно-оптического кабеля 1 и возбуждает в нем две пространственные направляемые моды, которые это оптическое волокно поддерживает. Эти моды распространяются по двумодовому оптическому волокну 2 к дальнему концу волоконно-оптического кабеля 1. На локальном участке в пределах длины волоконно-оптического кабеля 1, где на некотором расстоянии от волоконно-оптического кабеля 1 размещен формирующий низкоскоростной вибро-акустический сигнал передатчик 11, оптическое излучение при прохождении этого локального участка модулируется под действием вибро-акустического сигнала по фазе. Каждая из мод характеризуется собственными параметрами. В частности, как постоянные распространения мод, так и изменения постоянных распространения из-за виброакустических воздействий, у разных пространственных направляющих мод оптического волокна не одинаковы. Как следствие оптические сигналы первой и второй моды, распространяющиеся в двумодовом оптическом волокне 2 на дальнем конце волоконно-оптического кабеля 1 отличаются по фазе на величину, которая в первом приближении пропорциональна сумме фазового сдвига, обусловленного разностью постоянных распространения мод двумодового оптического волокна 2 при отсутствии внешних воздействий, который равен  , где  - разность постоянных распространения мод,  - длина двумодового оптического волокна 2 в волоконно-оптическом кабеле 1, и фазового сдвига  , обусловленного разной степенью изменений постоянных распространения мод из-за виброакустических воздействий. Для такого сигнала существует область изменений фазового сдвига, для которой отношение сигнал/помеха на приеме будет наилучшим. Следует отметить, что из-за нерегулярности оптического волокна 2, в том числе и обусловленными его изгибами из-за избыточной длины в кабеле 1, имеет место связь между модами. Причем на локальном участке кабельной линии, на котором воздействуют вибро-акустическим сигналом передатчика 9, в результате вибро-акустических воздействий межмодовые связи также изменяются. Эти изменения могут как улучшить, так и ухудшить качество приема, и существенно влияют на оценки фазового сдвига, при которых отношение сигнал/помеха на приеме будет приемлемым. При этом, необходимо также учитывать влияние поляризационных характеристик и допусков на характеристики элементов схемы. Фазовый сдвиг прямо пропорционален среднему значению времени задержки между модами на дальнем конце волоконно-оптического кабеля 1. Чтобы установить необходимое среднее значение фазового сдвига между оптическими сигналами первой и второй моды на входе квадратичного детектора 9, поступающие из двумодового оптического волокна 2 моды на дальнем конце волоконно-оптического кабеля 1 пропускают через оптическую линию модовой задержки 6 на вход квадратичного детектора 7 со средним временем задержки и, соответственно, средним значением фазового сдвига между оптическими сигналами мод, которые определяются суммой среднего задержки между модами в двумодовом оптическом волокне 2 на длине волоконно-оптического кабеля 1 и в оптической линии задержки 6. В квадратичном детекторе 7 оптический сигнал преобразуется в электрический, поступающий на вход фильтра 8, на выходе которого и выделяется полезный сигнал. Параметры оптической линии задержки 6 установлены предварительно при настройке так, чтобы отношение сигнал/помеха превышало заданный порог. Изменения модовой задержки в оптической линии модовой задержки могут быть произведены за счет механического растяжения некоторой длины двумодового оптического волокна, либо за счет изменения температуры некоторой длины двумодового оптического волокна в элементе Пельтье.
В отличие от известного способа, которым является прототип, в предлагаемом способе нет потребности в гетеродине для когерентного приема и модуляции фазы оптического излучения на входе. Как следствие исключено влияние нестабильности частоты модуляции фазы сигналом с постоянным периодом на входе, а также нестабильности и погрешности настройки частоты гетеродина. В результате повышается качество приема по сравнению с прототипом. При этом реализация предлагаемого способа проще по сравнению с прототипом. Все это расширяет область применения способа.
ЛИТЕРАТУРА
1. RU 2532562
2. Teixeira J.G.V., Leite I.T., Silva S., Frazao O. Advanced Fiber-Optic Acoustic Sensors, Photonic Sensors, v.4(3), 198–208 (2014).
3.  Bucaro J.A., Dardy H.D., Carome E.F. Optical fiber acoustic sensor, Applied Optics,  v.16(7), 1761-1762 (1977).
4. US 5381492
5. US 20120224182
6. Kim B.Y., Blake J.N., Huang S.Y., Shaw H.J. Use of highly elliptical core fibers for two-mode fiber devices, Optics Letters,  v.12(9) 729 - 731 (1987).
7. US 20090103928
8. RU 2671855C1.