ОПТОВОЛОКОННАЯ ЛИНИЯ С РЕГУЛИРУЕМОЙ ЗАДЕРЖКОЙ

1
Регулируемая задержка для оптоволоконной линии с нерегулируемым участком оптического кабеля
Полезная модель относится к области оптоволоконной техники и может быть использована для регулирования задержки в оптоволоконных линиях с нерегулируемым участком оптического кабеля.
Оптоволоконные линии служат для передачи оптических сигналов на удаленные расстояния. В частности, оптоволоконные линии могут использоваться для передачи высокоточных сигналов, например сигналов частоты и времени. При передаче такого типа сигналов по оптоволоконной линии существует проблема недетерминированной задержки, возникающей из-за изменения длины линии в результате воздействия внешних дестабилизирующих температурных факторов, приводящая к неконтролируемому искажению получаемой информации.
Одним из направлений решения этой проблемы является направление, в основу которого положено постоянное измерение задержки и передача текущих данных о ней по отдельной линии связи для последующего ее учета на приемной стороне, см., например, патент [1] - RU 2547662 (C1), G04C 10/02, опубл. 10.04.2015.
Другим направлением в решении проблемы недетерминированной задержки, возникающей из-за изменения длины оптоволоконной линии в результате воздействия внешних дестабилизирующих температурных факторов, является регулирование самой задержки с целью ее стабилизации. В условиях стабильной задержки уже не требуется передача текущих данных о ней на приемную сторону, эта задержка является тарируемым параметром, характеризующим оптоволоконную линию.
К данному типу оптоволоконных линий с регулируемой задержкой относится, например, оптоволоконная линия с дискретно регулируемой задержкой, входящая во входной тракт устройства для приема кодированных последовательностей, представленного в патенте [2] - RU 2273961 (C1), H04L 27/26, опубл. 10.04.2006. Устройство, служащее для регулирования задержки в этой линии, выполнено в виде многоотводной линии задержки, с помощью которой можно дискретно изменять значение задержки путем выбора определенного отвода. Недостатком такого решения является дискретный 2
характер регулирования задержки и вытекающие из этого ограничения по точности регулирования.
Известна оптоволоконная линия, в которой обеспечивается плавный характер регулирования задержки, представленная в патенте [3] - RU 2384955 (C1), H04J 14/08, Н04В 10/12, опубл. 20.04.2009. Эта оптоволоконная линия с регулируемой задержкой [3, фиг. 3, 4] имеет нерегулируемый участок и участок с регулируемой задержкой. Нерегулируемый участок представляет собой отрезок оптического кабеля фиксированной длины. Задержка оптического сигнала на этом участке пропорциональна длине кабеля, изменение задержки зависит от изменения температуры окружающей среды, влияющей на изменение длины кабеля. Регулируемый участок реализован в виде механического устройства, содержащего размещенные в цилиндрической оправке неподвижный и подвижный отрезки оптоволокна, зазор между которыми определяет величину задержки. Регулировка зазора и, соответственно, задержки осуществляется путем перемещения подвижного отрезка оптоволокна в продольном направлении с помощью винтовой тяги. Однако диапазон регулировки задержки в такой линии имеет естественные ограничения, связанные с линейным характером перемещения подвижного отрезка оптоволокна. В силу этого данное решение не позволяет осуществлять компенсацию больших по величине изменений задержек, возникающих в протяженных оптоволоконных линиях, работающих при значительных изменениях температуры окружающей среды, оно применимо лишь для сравнительно коротких линий и небольших изменений температуры. Другим недостатком такого решения являются оптические потери, обусловленные наличием зазора между отрезками оптоволокна на участке с регулируемой задержкой. Это приводит к необходимости установки в этом зазоре коллимирующей и фокусирующей линз, а также преобразователя диаметра поля моды, что усложняет реализацию.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является разработка нового по конструкции устройства регулируемой задержки для оптоволоконной линии с нерегулируемым участком оптического кабеля, обеспечивающего возможность компенсации изменений задержек, возникающих из-за изменений температуры окружающей среды, в том числе в условиях большой протяженности линии.
Сущность полезной модели заключается в том, что регулируемая задержка для оптоволоконной линии с нерегулируемым участком оптического кабеля включает отрезок 3
оптоволокна фиксированной длины, располагающийся внутри терморегулируемого блока в намотанном на катушку виде, каркас которой выполнен таким образом, что обеспечивается возможность беспрепятственно изменения длины оптоволокна во всем диапазоне изменения температуры терморегулируемого блока, причем это оптоволокно имеет больший коэффициент температурного расширения по сравнению с оптическим кабелем нерегулируемого участка оптоволоконной линии.
Сущность полезной модели и ее осуществимость поясняются схематическим чертежом, где представлена оптоволоконная линия, имеющая нерегулируемый участок оптического кабеля и состыкованное с ним устройство, осуществляющее регулирование задержки (далее - регулируемая задержка).
1
2
Нерегулируемый участок рассматриваемой линии представляет собой отрезок оптического кабеля 1 фиксированной длины L. Конструкция регулируемой задержки включает отрезок оптоволокна 2 фиксированной длины L. Оптоволокно 2 располагается внутри терморегулируемого блока 3, управляющий вход которого является входом регулирования задержки. Терморегулируемый блок 3 содержит исполнительный элемент 4, осуществляющий изменение температуры внутри блока 3 под действием управляющего сигнала, поступающего на его управляющий вход. В случае небольшого диапазона регулирования терморегулируемый блок 3 может быть выполнен в виде термостата, вход управления температурой которого образует управляющий вход терморегулируемого блока 3. В случае необходимости иметь увеличенный диапазон регулирования, например, охватывающий положительные и отрицательные значения температуры, терморегулируемый блок 3 может быть выполнен в виде термокамеры с нагревательными и охлаждающими элементами, вход управления температурой которых образует вход терморегулируемого блока 3.
Располагающееся внутри терморегулируемого блока 3 оптоволокно 2 намотано на катушку 5, особенность конструкции которой состоит в том, что ее каркас выполнен таким образом, что обеспечивается возможность беспрепятственного изменения длины оптоволокна 2 во всем диапазоне изменения температуры терморегулируемого блока 3. Например, каркас катушки 5 может быть выполнен в виде подпружиненных сегментов, способных перемещаться в радиальном направлении в соответствующих направляющих под действием изменения натяжения оптоволокна 2 (в рамках настоящей заявки конкретное выполнение катушки 5 не рассматривается, поскольку не относится к сущности полезной модели).
4
В рассматриваемом примере катушка 5 с оптоволокном 2 размещается в отдельном корпусе 6, снабженном оптическими соединителями (коннекторами) 7 и 8, предназначенными, соответственно, для соединения концов оптоволокна 2 с оптическим кабелем 1 нерегулируемого участка оптоволоконной линии и периферийным кабелем 9, служащим для подключения потребителя к оптоволоконной линии. Конструктивно корпус 6 с катушкой 5 оптоволокна 2 может быть выполнен, например, аналогично известной конструкции четырехсотметровой волоконно-оптической линии задержки, описанной в статье [4] - В.А. Кузнецов, В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев. Волоконно-оптические линии задержки [Электронный ресурс]; http://www.cps-rt.ru/volokno_optics/, где рассмотрен пример выполнения катушки оптоволокна в защитном корпусе с размерами в плане 96×124 мм.
Регулируемая задержка рассмотренной конструкции обеспечивает возможность компенсации изменений задержек, возникающих в оптоволоконной линии из-за изменений температуры окружающей среды, в том числе в условиях большой протяженности линии. Обеспечивается эта возможность за счет того, что изменение задержки, происходящее в оптическом кабеле 1 в результате изменения его длины при изменении температуры окружающей среды, может быть скомпенсировано противоположным по знаку изменением задержки в оптоволокне 2, осуществляемым за счет изменения его длины под действием регулируемого изменения температуры в терморегулируемом блоке 3.
2
1
1
2
1
2
1
2
2
Для выполнения этого длина L оптоволокна 2 в общем случае должна выбираться с учетом длины L оптического кабеля 1, значений коэффициентов k и k температурного расширения светопроводящих сред оптического кабеля 1 и оптоволокна 2, а также коэффициентов n и n преломления светопроводящих сред оптического кабеля 1 и оптоволокна 2. В наиболее распространенном для практики случае, когда коэффициенты n и n близки, выбор длины L оптоволокна 2 может осуществляться на основе следующего выражения:
1
2
где: k, k - коэффициенты температурного расширения светопроводящих сред оптического кабеля 1 и оптоволокна 2 соответственно;
1
ΔT - величина диапазона изменения температуры окружающей среды, воздействующей на оптический кабель 1;
5
2
ΔT - величина диапазона изменения температуры в терморегулируемом блоке 3, воздействующей на оптоволокно 2.
1
2
1
2
2
1
Из этого выражения видно, что если коэффициенты k и k оптического кабеля 1 и оптоволокна 2 близки, то должны быть близки и их длины L и L. В реальных условиях длинной оптоволоконной линии это может быть нереализуемо. Поэтому в условиях большой протяженности линии для обеспечения возможности компенсации изменений задержек, возникающих из-за изменений температуры окружающей среды, предложено использовать оптоволокно 2 с большим коэффициентом температурного расширения, чем у оптического кабеля 1, то есть k>k.
2
1
Например, в качестве оптоволокна 2 можно выбрать оптоволокно, изготовленное из полиметилметакриата. По показателю преломления и, следовательно, скорости распространения света в нем это оптоволокно практически не отличается от оптических кабелей, используемых для передачи сигналов на большие расстояния, светопроводящая среда которых выполнена на основе кварца. При этом температурный коэффициент линейного расширения у такого волокна на два порядка выше, чем у кварца, что позволяет при прочих равных условиях иметь длину L⋅оптоволокна 2 в сто раз меньше, чем длина L оптического кабеля 1. Так, если длина оптического кабеля 1 находится в пределах нескольких десятков километров, то длина оптоволокна 2 может находиться в пределах нескольких сотен метров, что соответствует длинам оптоволокна в реальных, изготавливаемых промышленностью, волоконно-оптических линиях задержки, аналогичных описанной в [4].
Работа по регулировке задержки в оптоволоконной линии происходит следующим образом.
0
i
0
i
0
Вначале осуществляют тарировку линии с цель определения номинального значения τ задержки, возникающей в линии при номинальных температурных условиях, воздействующих на оптический кабель 1 и оптоволокно 2. Например, для оптического кабеля 1 это может быть центральная температура диапазона эксплуатации оптического кабеля 1, а для оптоволокна 2 это может быть центральная температура диапазона регулирования в терморегулируемом блоке 3. Далее в процессе эксплуатации осуществляют периодическую проверку соответствия величины текущей задержки τ номинальному значению τ. В случае отклонения текущего значения задержки τ от номинального значения τ изменяют температуру в терморегулируемом блоке 3 путем изменения сигнала, поступающего на его управляющий вход, добиваясь уменьшения отклонения 6
до нулевого значения. Измерение величины текущей задержки в оптоволоконной линии может осуществляться любым из известных методов измерения задержки в оптоволоконной линии, в том числе путем пропускания пилотсигнала через линию в прямом и обратном направлении с измерением интервала времени между его подачей и обратным приемом, как это описано, например, в [1]. Регулирование задержки может осуществляться в ручном или автоматическом режиме (вопросы построения автоматической системы регулирования задержки в рамках данной заявки не рассматриваются как не относящиеся к сущности полезной модели).
Рассмотренное показывает, что полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в разработке нового по конструкции устройства регулируемой задержки для оптоволоконной линии с нерегулируемым участком оптического кабеля, обеспечивающего возможность компенсации изменений задержек, возникающих из-за изменений температуры окружающей среды, в том числе в условиях большой протяженности линии.
Источники информации
1. RU 2547662 (C1), G04C 10/02, опубл. 10.04.2015.
2. RU 2273961 (C1), H04L 27/26, опубл. 10.04.2006.
3. RU 2384955 (C1), H04J 14/08, Н04В 10/12, опубл. 20.04.2009.
4. В.А. Кузнецов, В.Н. Цуканов, М.Я. Яковлев. Волоконно-оптические линии задержки [Электронный ресурс]; http://www.cps-rt.ru/volokno_optics/.