Акиф Маил оглы Интерференционные эффекты при релеевском рассеянии света в одномодовых оптических волокнах

На правах рукописи Мамедов Акиф Маил оглы Интерференционные эффекты при релеевском рассеянии света в одномодовых оптических волокнах специальность 01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико – математических наук Москва – 2009 Работа выполнена в Учреждении академии наук Институте радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН Научный Руководитель: доктор технических наук, профессор Потапов Владимир Тимофеевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Горшков Борис Георгиевич кандидат физико-математических наук, Маковецкий Александр Андреевич Ведущая организация: Научный Центр Волоконной Оптики РАН Защита состоится 25 сентября 2009 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д 002.231.03 при ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН по адресу: 125009, г. Москва, ул. Моховая , 11, корп. 7 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН. Автореферат разослан 25 августа 2009 г. Ученый секретарь диссертационного совета к.ф.-м..н М.И. Перцовский Автореферат. Введение. Методы волоконно-оптической рефлектометрии, основанные на регистрации и анализе сигналов обратного релеевского рассеяния, возникающих при распространении излучения по волокну, находят в настоящее время широкое применение по диагностике волоконно-оптических линий связи, контроле параметров оптических волокон и кабелей, в научных исследованиях. На их основе разработаны и серийно выпускаются приборы – рефлектометры, позволяющие измерять распределение потерь в волоконно-оптических линиях длиной в сотни километров с сантиметровым разрешением и обеспечивающие точность измерений потерь в сотые доли децибел. Дальнейшее развитие методов привело к идее создания и успешной разработке распределенных волоконно-оптических датчиков, в которых световод используется в качестве элемента чувствительного к воздействию различных физических величин и полей. Регистрируемой величиной в таких системах является изменение свойств рассеянного излучения (амплитуды, фазы, спектра, поляризации и т.д.), происходящие под воздействием этих величин и полей. Сегодня методы волоконно-оптической рефлектометрии являются активно разрабатываемой областью оптоэлектроники и волоконной оптики, использующей последние достижения в измерительной технике, оптической связи, научных исследованиях. Однако, обзор текущего состояния дел показывает, что несмотря на существенные достижения, уникальные возможности волоконно-оптической рефлектометрии для создания распределенных волоконно-оптических датчиков физических величин и полей реализованы не в полной мере. Диссертация посвящена исследованиям интерференционных эффектов при релеевском рассеянии излучения в оптических волокнах, разработке методов регистрации фазового взаимодействия обратно рассеянных волн и развитию принципов построения одноволоконных распределенных датчиков физических величин и полей. Актуальность работы. Из существующих в настоящее время методов волоконно-оптичексой рефлектометрии для создания распределенных и мультиплексных систем ВОД в основном используются: метод временной рефлектометрии (Optical Time Domain Reflectometry – OTDR) и метод когерентной частотной рефлектометрии (Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry – COFDR). Исторически в первых работах метод когерентной частотной рефлектометрии применялся для мультиплексирования ВОД , представляющих собой участки одномодового оптического волокна, расположенные между отражателями с малым коэффициентом отражения (интерферометры Фабри-Перо низкого контраста) и объединенные в общую волоконную линию. При изменении частоты лазера по линейному закону отклик фотоприемника на отраженный сигнал представляет собой суперпозицию гармонических составляющих, частота которых пропорциональна групповому запаздыванию отраженных волн, амплитуда - амплитуде этих волн, а фаза определяется фазовой задержкой излучения в световоде. Расстояние между отражателями в световоде (база интерферометра Фабри-Перо) выбиралось большим, чем пространственное разрешение когерентного частотного рефлектометра, которое определялось частотой девиации линии лазерного излучения. В этом случае с помощью низкочастотного фильтра можно выделять гармонические составляющие в сигнале фотоприемника, соответствующие отражению от каждого отражателя, а измеряя разность фаз в гармонических составляющих, соответствующих отражению от двух соседних отражателей, можно определить фазовую модуляцию световых волн при распространении их на участке световода между отражателями. Таким образом, участки световода между отражателями рассматриваются как чувствительные элементы волоконно-оптического датчика, включенные последовательно в единую волоконную линию. Поскольку в методе когерентной частотной рефлектометрии положение каждого чувствительного элемента в линии кодируется своей частотой, то длины световодов в чувствительных элементах выбираются независимо. На возможность и необходимость использования сигналов обратно отраженных от релеевских рассеивающих центров для создания распределенных и мультиплексных систем ВОД впервые было указано нами в работе [12]. Там же более подробно описаны особенности метода когерентной частотной рефлектометрии с автодинным приемом излучения и предложен ряд схем распределенных ВОД. В ряде последующих работ исследовались различные схемы когерентно-частотных рефлектометров, обеспечивающие более высокую чувствительность и пространственное разрешение и обсуждались пути создания распределенных датчиков на основе метода когерентной частотной рефлектометрии. Отметим, что главной особенностью метода когерентной частотной рефлектометрии является использование узкополосных источников излучения с максимальной длиной когерентности, спектральная линия которых модулируется по линейному закону. Промодулированное таким образом излучение вводится в одномодовое оптическое волокно, а возникающий в волокне обратно рассеянный сигнал интерферирует на фотоприемнике с опорным сигналом. Таким образом, за счет когерентного приема, значительно повышается чувствительность распределенных ВОД, которая может достигать рекордных значений. Однако полный анализ возможностей данного метода для построения распределенных ВОД, до сих пор отсутствует. Остается также до конца нерешенной проблема перестройки частоты излучения лазера (линейно-частотной модуляции) в широком диапазоне частот, от которого зависит пространственное разрешение метода, проблема создания частотных или фазовых волоконно-оптических модуляторов. В методе временной рефлектометрии в исследуемый волоконный тракт (или оптическое волокно) посылаются короткие импульсы излучения, а затем регистрируются и анализируются сигналы обратного релеевского рассеяния, возникающие при их распространении в волокне. При этом, в современных рефлектометрах, применяемых при прокладке и контроле ВОЛС, в качестве источника излучения используются достаточно простые типы полупроводниковых лазеров с резонаторами типа Фабри-Перо на основе гетероструктур различных полупроводниковых соединений. Как правило, лазеры такого типа обычно работают в многомодовом режиме, излучая много продольных мод; длина когерентности излучения лазеров лежит в пределах (1÷10) мм. В этом случае даже при длительности импульсов , полуширина импульса и, следовательно, на входе фотоприемника суммируются не амплитуды, а мощности рассеянных обратно волн, т.е. происходит усреднение по спектру излучения лазера и интерференционные эффекты обратно рассеянных волн не наблюдаются. Поэтому, несмотря на то, что современные волоконно-оптические рефлектометры позволяют измерять распределение потерь в оптических волокнах длиной до 200 км при пространственном разрешении порядка 1м, распределенные волоконно-оптические датчики на их основе не представляют существенного практического интереса из-за недостаточной чувствительности рефлектометров. Однако, когда длина когерентности лазерного диода превышает ширину импульса света в волокне, то имеет место эффект когерентного рассеяния света, при этом суммируются амплитуды рассеянных волн и наблюдается эффект интерференции обратно-рассеянного в волокне излучения. В обычной рефлектометрии, при измерении потерь в волоконно-оптической линии связи, этот эффект является источником дополнительных когерентных шумов, и, поэтому он исключается описанным выше путем – выбором низкокогерентного источника и соответствующих длительностей импульсов. Таким образом, в рефлектометрах, при использовании когерентных источников излучения, сигналы, обусловленные фазовой модуляцией в волокне, проявляются значительно сильнее, чем в рефлектометрах с некогерентным источником, где происходит их усреднение. Появившиеся в последнее время рефлектометры, в которых используются когерентные импульсные источники излучения получили название когерентных или фазочувствительных рефлектометров, а сам метод измерения – метода когерентной временной рефлектометрии. Сущность метода фазочувствительной рефлектометрии состоит в том, что на фотоприемнике рефлектометра интерферирует свет, рассеянный с отрезка волокна, длина которого равна интервалу разрешения рефлектометра. Если волокно подвергается воздействию, то результат интерференции изменяется от импульса к импульсу. Таким образом, осуществляется фазовая модуляция сигнала, величина которой пропорциональна величине воздействия, которая и регистрируется. По величине запаздывания света строится пространственная развертка по длине волокна, что позволяет определять место воздействия. Несмотря на то, что данному методу посвящено большое число работ, ряд вопросов до сих пор оставался неисследованным. В частности, неясным остается вопрос о степени когерентности источника излучения. Очевидно, что с одной стороны источник должен быть достаточно когерентным, чтобы можно было уверенно видеть сигнал интерференции. Поэтому в первых работах говорилось, что линия генерации лазера должна быть как можно более узкая. Однако, когда длина когерентности начинает превышать длину импульса рефлектометра, возникает эффект замирания сигнала, который приводит к тому, что на определенных участках волокна интерференционный сигнал пропадает и появляются «темные» места в распределенном датчике. Предложено несколько вариантов борьбы с этим эффектом, однако, проблема до сих пор до конца еще не исследована. Не исследовано также влияние поляризационных свойств оптических волокон на чувствительность фазочувствительного рефлектометра. Цель работы. Работа направлена на разработку физических основ новых методов оптических измерений, использующих интерференционные эффекты, возникающие при релеевском рассеянии света в одномодовых оптических волокнах. С этой целью в работе решались следующие основные задачи: 1. Теоретические и экспериментальные исследования интерференционных эффектов, возникающих при обратном релеевском рассеянии света в одномодовых оптических волокнах. 2. Изучение влияния поляризационных свойств оптических волокон на фазовую чувствительность когерентного рефлектометра и порог чувствительности распределенных волоконно-оптических датчиков. 3. Разработка оптимальных схем распределенных волоконно-оптических датчиков на основе когерентной временной и частотной рефлектометрии и методов детектирования внешних физических воздействий. Научная новизна. Развиты методы когерентной частотной и когерентной временной рефлектометрии для детектирования оптической фазы сигналов обратного релеевского рассеяния в оптических волокнах. Экспериментально показано, что метод когерентной частотной рефлектометрии позволяет получать более высокую фазовую чувствительность волокна к воздействию и более высокое пространственное разрешение распределенного датчика. Однако, по числу мультиплексируемых чувствительных элементов (датчиков или измерительных каналов) и длине анализируемого волоконного тракта, метод временной когерентной рефлектометрии существенно превосходит метод когерентной частотной рефлектометрии. Впервые методом когерентной частотной рефлектометрии реализовано измерение интерференционных эффектов, возникающих при обратном релеевском рассеянии излучения в одномодовых оптических волокнах, и экспериментально показана возможность создания распределенных волоконно-оптических датчиков внешних воздействий на основе этого метода. Показано, что в схеме распределенного интерферометрического датчика с автодинным приемом излучения при модуляции частоты лазера по линейному закону спектр биений лазерного излучения определяется распределением неоднородностей по длине волокна, а фазы спектральных компонент содержат информацию о набеге фазы обратно отраженного (рассеянного) оптического сигнала. Исследовано влияние поляризационных свойств оптических волокон на фазовую чувствительность когерентного волоконного рефлектометра. Показано, что в схеме рефлектометра с линией задержки, позволяющей исключить эффект замирания сигнала в линии на рефлектограмме проявляются поляризационные шумы (пространственные флуктуации сигнала в масштабе длины поляризационных биений), ограничивающие фазовую чувствительность рефлектометра. Эти шумы существенно подавляются при использовании анизотропного оптического волокна и полихроматического источника излучения, например, суперлюминисцентного светодиода. На основе составного электромеханического резонатора предложен и реализован волоконно-оптический фазовый модулятор, обеспечивающий диапазон перестройки мгновенной частоты световой волны до 20 ГГц, что позволит повысить пространственное разрешение когерентного частотного рефлектометра до 1-2 см. Научная и практическая значимость работы. Научная значимость работы определяется перспективами создания новых типов измерительных устройств и систем на основе волоконно-оптических световодов и технологий. Результаты работы могут быть использованы для создания распределенных и мультиплексных систем волоконно-оптических датчиков физических величин, систем контроля и мониторинга различных объектов в реальном масштабе времени. Результаты главы I использованы для создания когерентного частотного рефлектометра на основе He-Ne лазера, позволяющего с высоким пространственным разрешением (до ~15см) контролировать распределение потерь в объектовых волоконно-оптических линиях связи. Волоконно-оптический фазовый модулятор, описанный в главе II, может быть использован в системах для тестирования волоконно-оптических устройств, измерений АЧХ фотоприемников, измерения дисперсии оптических волокон. Положения, выносимые на защиту. Результаты анализа методов когерентной частотной и когерентной временной рефлектометрии в части их применения для детектирования фазы сигналов обратного релеевского рассеяния в оптическом волокне и реализации распределенных волоконно-оптических датчиков, показавшие, что при практически равной фазовой чувствительности метод когерентной частотной рефлектометрии обеспечивает получение более высокого пространственного разрешения, а метод когерентной временной рефлектометрии имеет существенные преимущества по длине анализируемого волоконно-оптического тракта, по числу мультиплексируемых чувствительных элементов (датчиков или каналов измерений) и по простате реализации. На основе интерференционных эффектов при рэлеевском рассеянии когерентного излучения в одномодовом оптическом волокне реализован распределенный волоконно-оптический датчик, с индикацией координаты внешнего воздействия на волоконную линию, в котором используется схема детектирования оптической фазы сигналов обратного релеевского рассеяния (фазочувствительный волоконно-оптический рефлектометр), и, таким образом, обеспечивается многократное увеличение чувствительности к слабому возмущению по сравнению с амплитудными датчиками. В схеме когерентного временного рефлектометра с линией задержки фазовая чувствительность метода измерения ограничивается поляризационными шумами (пространственными флуктуациями оптических сигналов в масштабе длины поляризационных биений волокна). Теоретически и экспериментально показано, что эти шумы существенно подавляются при использовании анизотропного волокна и полихроматического источника излучения, например, суперлюминисцентного светодиода. Разработан волоконно-оптический фазовый модулятор, на основе составного электромеханического резонатора, обеспечивающий диапазон перестройки мгновенной частоты линии излучения лазера свыше 20 ГГц. Личный вклад автора в получение результатов. Участие в теоретическом исследовании когерентного частотного и когерентного временного рефлектометров. Определяющий вклад в создание волоконно – оптического фазового модулятора на основе составного резонатора, обеспечивающего диапазон девиации мгновнной частоты лазера до 20 ГГц. Определяющий вклад в проведение экспериментов по созданию и исследованию схем распределенных волоконно-оптических датчиков, использующих фазовое детектирование сигналов обратного релеевского рассеяния. Определяющий вклад в теоретические расчеты и проведение экспериментов по влиянию поляризационных свойств оптического волокна на фазовую чувствительность когерентного рефлектометра. Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах ИРЭ РАН, научных сессиях Общества им. А.С. Попова в 2000, 2002, 2004 и 2008 г., Европейской конференции по Оптическим сетям и связи (Австрия, 2003), Международной конференции по волоконно-оптическим датчикам (Италия, 1993), Международных конференциях ISFOC (Санкт Петербург, 1992, 1993г.), во Всероссийской конференции по волоконной оптике (г. Пермь, 2007). Публикации. По теме работы опубликовано 21 работ включая 9 статей в реферируемых журналах, 12 публикаций в сборниках трудов конференций и тематических сборниках, список которых приведен в конце автореферата. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения , четырех глав и заключения. Она содержит --- страницу, ---- рисунков, --- таблиц, и список литературы, включающий ----- наименований. Основное содержание работы. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, показана ее научная значимость, сформированы цели и задачи работы, приведены положения выносимые на защиту, а также представлены сведения о структуре и содержании работы.

Похожие:

	В процессе покупки на современном этапе развития электронной экономики Были рассмотрены основные эффекты, проявляющиеся в поведении потребителей при покупке. Анализ поведения потребителей в Интернет среде...		Практическая работа №7, 8, 9, 10 С помощью PowerPoint Вы легко обретете дополнительную уверенность при выступлении. Программа позволяет без особого труда создавать...
	Особенности хранения оптических компакт-дисков в условиях архивов и библиотек По различным оценкам долговечность оптических дисков варьируется от 2-3 лет до 100-500 лет. Для формулирования нормативов хранения...		Преподаватель Большаков Александр Высший колледж Маргту “Политехник” С помощью PowerPoint Вы легко обретете дополнительную уверенность при выступлении. Программа позволяет без особого труда создавать...
	Урок по физике в 8-м классе на тему: "Свет. Источники света. Распространение света" Обучающая: показать на конкретных примерах роль света в жизни человека; сформировать представление о естественных и искусственных...		Тема: «Урок-путешествие к семи чудесам Света» Цель: познакомить учащихся с чудесами Света, повторяя при этом уже изученный материал
	Планирование по физике в 12 "А,Б" классе. Заочное обучение. I полугодие:... Электромагнитная природа света. Закон прямолинейного распространения света. Скорость света. Закон отражения света		Тест по физике для 8 класса Тема: Источники света. Распространение света к В трудах какого учёного были обнаружены первые высказывания о прямолинейном распространении света?
	Закон независимости световых лучей. Закон прямолинейного распространения... Направление светового луча совпадает с направлением распространения света. Или, проще говоря, световой луч можно представить как...		Эффекты лсд Центральные эффектыlsd у чувствительных индивидов возникают при пероральном приеме 20-25 m г; при такой дозировке едва можно выявить...
	Урок1 Тема урока Свет. Источники света. Прямолинейное распространение... Научить определять условия образования тени и полутени на основе закона прямолинейного распространения света		Цель урока: Формирование у учащихся представление о световых явлениях... Свет. Источники света. Прямолинейное распространение света. Солнечные и лунные затмения
	Темы вашего учебного проекта Семь чудес света (или Семь чудес света Древнего Мира) — знаменитый список самых прославленных достопримечательностей античной культуры....		Темы вашего учебного проекта Семь чудес света (или Семь чудес света Древнего Мира) — знаменитый список самых прославленных достопримечательностей античной культуры....
	Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Познакомить учащихся с историей развития взглядов на природу света, привести их к выводу о законе прямолинейного распространения...		Урока по теме «Координатная плоскость» Красочные иллюстрации, анимации и звуковые эффекты привлекают внимание учащихся, вызывают у них живой интерес при изучении темы....