УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ЗАДЕРЖКИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА В СРЕДЕ
DEVICE FOR MEASURING THE OPTICAL SIGNAL PROPAGATION DELAY IN THE MEDIUM

Изобретение относится к области волоконно-оптических измерительных приборов и может быть использовано для поверки и калибровки высокоточных средств измерения - оптических систем, диагностики, включающих длинные волоконные линии на центральную длину волны 1550 нм.
В указанной области для получения истинных значений измеряемых величин регистрируемая первичная экспериментальная информация подлежит корректировке во временной области с учетом задержек распространения сигнала в используемых оптических трактах, при этом актуальной задачей является обеспечение точности определения длины волоконных линий.
В общем случае указанные данные получают с помощью специализированных оптических приборов - рефлектометров (например, рефлектометр Yokogawa AQ7270, рефлектометр LUNA OBR 4600). Принцип работы рефлектометра следующий. Оптический импульс вводится в тестируемую линию, где распространяется и ослабляется в соответствии с коэффициентом затухания волокна. Обратно рассеянное излучение попадает на фотодетектор, где преобразуется в электрический сигнал, усиливается и обрабатывается. Анализ искаженных принятых импульсов позволяет определить длину волоконно-оптической линии, время распространения сигнала в ней и другие характеристики.
Однако известные системы рефлектометров имеют ограниченные метрологические характеристики и либо не обеспечивают требуемую точность для измерения длин волоконных линий (Yokogawa AQ7270), либо не применимы для волоконных линий протяженностью более 2000 м (LUNA OBR 4600).
Известно устройство измерения длинного оптического волновода по обратно рассеянному свезу по заявке на изобретение JPH 02140640 (публик. 30.05.1990). Устройство включает источник света, излучение которого разделяют на две части с помощью оптического ответвителя, одну из которых направляют на волновод, подлежащий измерению, а другую, являющуюся опорным излучением, направляют на объектив. Измеряют обратно рассеянный свет, генерируемый в разных точках оптического волновода. Устройство включает средство управления длиной оптического пути. Детектор и блок обработки сигналов предусмотрены в качестве средства обработки сигнала для получения распределения интенсивности обратно рассеянного света из волновода, подлежащего измерению по выходному свету светоделителя. Положение полного отражающего зеркала устанавливается таким образом, что, когда опорный свет отражается от него, длина его оптического пути равна длине оптического пути отраженного света на конце измеряемого волновода. Измеряемый диапазон может быть значительно расширен за счет использования большого количества отражающих средств.
Недостатком данного аналога является сложность исполнения, необходимость внесения значительных изменений в конструкцию измерительных систем.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство измерения задержки распространения оптического сигнала в среде для воспроизведения единицы длины при разработке эталонов больших длин но патенту RU2698699 (публик. 29.08.2019). обеспечивающее способ поверки и калибровки высокоточных средств измерения. Данное устройство выполнено на основе интерферометра Майкельсона. Для этого излучение лазера через коллиматор направляется в неравноплечий интерферометр Майкельсона с длинным измерительным и опорным коротким плечом. В качестве источника излучения использован фемтосекундный лазер. В опорном плече интерферометра устанавливается модулятор, который осуществляет сканирование некоторой области сигнала интерферирующих пучков за счет изменения разности хода волн интерферометра. Пространственный период интерференции задается частотой повторений импульсов фемтосекундного лазера. Модулятор представляет собой выполненное в едином узле устройство, состоящее из опорного отражателя и устройства, осуществляющего возвратно-поступательное движение этого отражателя с частотой 1÷3 Гц и амплитудой порядка 1 мм. За счет этого движения осуществляется сканирование некоторой области вокруг экстремумов интерференции, а на аппаратуре приема возникает последовательность импульсов с частотой, кратной частоте модуляции. Эта последовательность импульсов в дальнейшем используется для настройки на экстремум интерференции. Также в модуляторе предусмотрено устройство, формирующее импульс синхронизации сигнала, которое во время работы модулятора формирует прямоугольный импульс в средней точке хода модулятора. Демодулирование сигналов, пришедших с измерительного плеча и опорного плеча, осуществляется в устройстве приема интерференционного сигнала. Критерием настройки на экстремум интерференции служит исчезновение в спектре демодулированного сигнала первой гармоники сигнала модуляции. В спектре этого сигнала остается только вторая гармоника сигнала модуляции. Расстояние между двумя соседними экстремумами определяет единицу измерительного масштаба, которая соответствует частоте повторения импульсов лазера. Настройка на экстремум интерференции позволяет воспроизводить длину между разными экстремумами интерференции, что может быть использовано при разработке эталонов больших длин.
Недостатком ближайшего аналога является то, что для измерения с помощью него задержки распространения оптического сигнала в волоконных линиях необходима существенная доработка конструкции.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение повышенной точности измерений задержки распространения оптического сигнала в длинных волоконных линиях (протяженностью более 2000 м).
Указанный технический результат достигается за счет того, что в устройстве измерения задержки распространения оптического сигнала в среде, включающем источник излучения - импульсный фемтосекундный инфракрасный лазер, излучение которого направляют в интерферометр Майкельсона с известным опорным плечом и измерительным плечом - измеряемой линией, фотодетектор, принимающий сигнал с измеряемой линии, и регистратор, новым является то, что дополнительно используют второй импульсный фемтосекундный инфракрасный лазер, оба лазера являются сверхширокополосными, различаются периодом повторения импульсов и установлены с возможностью поочередного подключения в схему устройства через два последовательно соединенных волоконных затвора, обеспечивающих формирование воздействующего сигнала для пропуска через тестируемую волоконную линию, при этом в качестве фотодетектора используют высокочастотный фотодетектор, а в качестве регистратора - широкополосный осциллограф с программным обеспечением, позволяющим проводить корреляционный анализ двух групп значений.
При проведении измерений задержки распространения оптического сигнала с использованием одного импульсного фемтосекундного инфракрасного лазера существует вероятность ошибки в получаемых данных на величину кратную периоду повторения импульсов лазерного излучения. Поочередное использование в качестве источника зондирующего излучения двух импульсных фемтосекундных инфракрасных сверхширокополосных лазеров, различающихся периодом повторения импульсов, позволяет получить для искомой задержки два множества значений, элементы каждого из которых различаются между собой на соответствующий период повторения импульсов, и единственный общий элемент которых соответствует искомому значению задержки. При этом необходимым условием является отсутствие кратности между значениями периода повторения импульсов лазеров №1 и №2, при точности в 0.1 нс. То есть должно выполняться соотношение: где а - большее из значений периода повторения импульсов двух лазеров, b - меньшее соответствующее значение.
Включение в схему двух волоконных затворов, работающих во встречных режимах, обеспечивает формирование короткого цуга импульсов, что позволяет выделить на регистрограмме временной интервал для определения с повышенной точностью искомой задержки распространения оптического сигнала.
На фиг. изображена схема заявляемого устройства, где:
1, 2- лазеры; 3 - волоконный затвор №1. соединенный с лазером; 4 - волоконный затвор №2. соединенный с волоконным затвором №1; 5. 6 - делитель 90/10; 7 -высокочастотный фотодетектор: 8 - широкополосный осциллограф.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить устройство измерения характеристик оптических волоконных линий, основанное на интерферометре Майкельсона с известным опорным плечом.
В заявляемом устройстве в качестве источника зондирующего излучения используются два импульсных лазера с длиной волны излучения 1560 нм, длительностью импульса 200 фс и периодом повторения импульсов 14 нс (лазер №1) и 50 нс (лазер №2). В устройство также входят: два последовательно подключенных волоконных затвора с временем отклика 300 нс и допустимой частотой повторения импульсов 300 кГц, соединенных с соответствующими лазерами, два оптических делителя 90/10 и регистрирующая система на основе осциллографе с шириной полосы пропускания 20 ГГЦ и частотой дискретизации 50 ГГц и фотодетектора с шириной полосы пропускания 20 ГГЦ.
Работа заявляемого устройства заключается в следующем.
Излучение двух импульсных фемтосекундных инфракрасных сверхширокополосных лазеров 1 и 2, различающихся периодом повторения импульсов, поочередно направляют на два последовательно подключенных волоконных затвора 3 и 4 для формирования короткого цуга импульсов. Волоконный затвор №1 3 работает в режиме «открытия» волоконной линии, то есть остается «закрытым» до прихода некоторого пускового сигнала, а волоконный затвор №2 4 работает в режиме «закрытиям волоконной линии, то есть переходит в состояние «закрыт» после прихода пускового импульса. За счет этого обеспечивается формирование короткого цугаимпульсов, который можно выделить на осциллограмме и определить для него требуемые временные характеристики. С помощью двух оптических делителей 5 и 6 90/10 осуществляется перенаправление зондирующего излучения в тестируемую волоконную линию, а также прием излучения из нее. Регистрация данных осуществляется па широкополосном осциллографе 8 и высокочастотном фотодетекторе 7. После этого выполняется математическая обработка полученных регистрограмм. К двум массивам данных, соответствующим каждой из пары лазерных установок 1 и 2, применяется операция автокорреляции. Далее два результирующих набора значении поэлементно умножаются друг на друга и по максимуму итоговой функции определяются искомые характеристики волоконной линии.
Устройство за счет программного корреляционного анализа двух наборов данных, полученных с помощью двух фемтосекундных лазеров с различным периодом повторения импульсов, позволяет проводить прецизионные измерения временной задержки распространения оптического сигнала в волоконных линиях протяженностью более 2000 м и получать значения их длины с точностью до 0.02 м. Устройство характеризуется критической значимостью для лазерных исследований быстропротекающих процессов, в которых достоверность регистрируемой информации об изучаемых явлениях обуславливается погрешностью определения характеристик применяемых волоконных трактов.