книги / Методы измерений в волоконной оптике

длин волн 1…2 мкм очень мала. По этой причине в анализаторе применяются дифракционные решетки, которые обеспечивают лучшее разделение света по длинам волн или, что то же, лучшую разрешающую способность по длине волны.

Дифракционная решетка состоит из последовательно расположенных через равные промежутки параллельных щелей (в случае передающей решетки) или зеркал (в случае принимающей решетки), интервалы между которыми определяются рабочими длинами волн оптического излучения. Решетка разделяет различные длины волн, поэтому угол решетки зависит от длины волны, на которую настраивается анализатор, а апертуры входа и выхода, как и размер луча на дифракционной решетке, определяют ширину спектра оптического фильтра, выходной сигнал которого поступает на фотодиод и затем на электронную схему обработки результатов измерений.

Рис. 5.47. Оптическая система анализатора спектра с однопроходным монохроматором

Однопроходной монохроматор (рис. 5.47) состоит из входного отверстия, фокусирующей системы, дифракционного элемента, служащего для разделения волн под определенным углом, коллимирующей системы и выходного отверстия. При этом входное отверстие, выходное отверстие и количество освещенных на дифракционной решетке линий являются ключевыми факторами, ограничивающими достижимую ширину полосы пропускания монохроматора. Следовательно, очень важно иметь высококачественную безаберрационную оптическую систему перефокусирования поступающего света с минимальным выходным отверстием монохроматора, ибо конечная функция фильтра заключается в обеспечении наименьшей полосы пропускания. В настоящее время

181

в экспериментальных образцах предельно достижимая полоса фильтра составляет приблизительно 0,1 нм при 1550 нм. Для анализа спектра с большим разрешением разработаны иные технологии, в частности сдвоенные и двухпроходные монохроматоры различной конструкции.

5.9. Измерение дисперсии

Наличие дисперсии любого вида ухудшает амплитудно-фазовые соотношения сигналов световых волн, снижая тем самым объем передаваемой информации за счет увеличения длительности импульсов в цифровых системах и увеличения искажений сигналов в аналоговых системах. При разработке волоконно-оптических систем необходимо минимизировать три основных вида дисперсии:

1)межмодовую дисперсию, которая ограничивает скорость передачи данных в системах, использующих многомодовое волокно, и возникает вследствие разделения сигнала на многочисленные моды, распространяющиеся в оптоволокне по различным траекториям;

2)хроматическую дисперсию, которая зависит от физико-топологи- ческих параметров одномодового и многомодового волокна и возникает из-за отличия времени распространения мод с различной длиной волны;

3)поляризационную модовую дисперсию, которая становится ограничивающим фактором в одномодовых волокнах с уменьшенной хроматической дисперсией и вызвана разделением излучения на орто-

гонально поляризованные моды, которые распространяются по ОВ с различной скоростью.

Измерение межмодовой дисперсии

Одномодовое волокно поддерживает распространение одиночной световой волны, или моды, в то время как многомодовое волокно поддерживает большое количество мод, и эта его характеристика вызывает явление, называемое межмодовой дисперсией. Вследствие того, что все моды распространяются по различным траекториям, огибающие модулированного светового сигнала различных мод по мере распространения сигнала по волокну все больше и больше отличаются по фазе. Каждая мода передает информационный импульс, время распространения которого отличается от времени распространения импульса другой моды, что в результате вызывает изменение формы результирующего импульса на выходе оптоволокна, в частности увеличение длительности и уменьшение амплитуды переданного импульса.

182

При измерениях межмодовая дисперсия обычно определяется наименьшим значением частоты, при которой амплитудно-частотная характеристика спадает на 3 дБ и фактически осуществляется измерением полосы частот многомодового волокна по искажению передаваемого импульса и изменению модулированного сигнала.

В общем случае измерение межмодовой дисперсии сводится к измерению полосы частот многомодового волокна на различных длинах волн по искажению импульса (рис. 5.48).

Рис. 5.48. Схема измерения межмодовой дисперсии многомодового волокна импульсным методом

Всоответствии с данной схемой используется перестраиваемый источник оптического излучения, который подсоединяется к входу тестируемого волокна, подключенного выходом к входу оптического приемника, который соединен со стробоскопическим осциллографом и процессором сигналов, предназначенным для устранения помех, фазового дрожания и расчета параметров импульса. Для того чтобы на результаты измерений не оказывала существенного влияния хроматическая дисперсия, спектр источника излучения задается достаточно узким.

Впроцессе измерения в тестируемом волокне возбуждается импульс излучения заданной длительности, а выходной импульс преобразуется в цифровую форму, включая передний и задний фронт, начиная с 0,01 уровня амплитудного значения. Затем таким же образом измеряется входной импульс, здесь вместо тестируемого волокна используется эталонное волокно, которое представляет собой короткий, в несколько метров, отрезок либо тестируемого волокна, либо волокна, имеющего близкие оптические характеристики. Для того чтобы минимизировать разницу в задержке распространения излучения в тестируемом и эталонном оптических волокнах, осциллограф и процессор сигналов синхронизируются входным импульсом через регулируемый элемент задержки.

183

Измерение межмодовой дисперсии, присущей многомодовым волокнам, из-за их ограниченного применения в настоящее время не представляет существенного интереса.

Измерение хроматической дисперсии

Источник оптического излучения высокоскоростной системы передачи обычно представляет собой одноволновый лазерный диод с отличной от нуля шириной спектра, которая увеличивается при его импульсной модуляции. В результате сигналы различной длины волны распространяются с неодинаковой скоростью, что приводит к увеличению длительности импульса на выходе оптического волокна. Это явление носит название хроматической дисперсии. Хроматическая дисперсия имеет значение в одномодовых волокнах, однако в ряде случаев она является важным параметром и для многомодового волокна.

В одномодовом волокне хроматическая дисперсия возникает вследствие взаимодействия двух явлений – материальной и волноводной дисперсии. Материальная дисперсия возникает из-за нелинейной зависимости показателя преломления кварца от длины волны и соответствующей групповой скорости, в то время как причиной волноводной дисперсии является зависимость от длины волны отношения групповой скорости к диаметру сердцевины и отличие показателей преломления сердцевины и оболочки. Третья составляющая дисперсии, так называемая поляризационная модовая дисперсия второго порядка, или дисперсия дифференциальной групповой задержки, определяется поляризационными характеристиками волокна и оказывает влияние, сходное с влиянием хроматической дисперсии.

Объем переносимой волоконно-оптической системой информации является максимальным в том случае, если групповая задержка соизмерима с длиной волны. В одномодовом волокне с несмещенной дисперсией длина волны нулевой дисперсии составляет приблизительно 1300 нм, где два основных механизма, материальная и волноводная дисперсии естественным путем устраняют друг друга. Варьирование показателя преломления позволяет переместить волну нулевой дисперсии в любую точку диапазона 1300…1550 нм.

На рис. 5.49 представлена схема измерения хроматической дисперсии по методу сдвига фаз. В соответствии с данной схемой выходной сигнал настраиваемого оптического источника с узкой полосой частот модулируется по интенсивности и подводится к тестируемому волокну, с выхода которого модулированный оптический сигнал поступает на измеритель фазы полученного сигнала относительно модулирующего

184

электрического сигнала, например векторный вольтметр. При этом измерение фазы повторяется через определенные интервалы по всему требуемому диапазону длины волны с определением групповой задержки.

Рис. 5.49. Схема измерения хроматической дисперсии методом сдвига фаз

Поляризационная модовая дисперсия (ПМД) имеет большое значение для высокоскоростных коммуникационных сетей и должна измеряться не только сразу после изготовления, но и после разводки волокон, так как их деформирование может вызвать двойное лучепреломление и, следовательно, ПМД.

ПМД измеряют волновыми методами, которые позволяют извлечь информацию из изменения состояния поляризации на выходе тестируемого устройства по мере изменения длины входной световой волны. К волновым методам относится метод сканирования длины волны.

Хотя отклонение выходной поляризации в случае использования волокна с произвольно связанными модами является неустойчивым на любой длине волны, существует два основных состояния поляризации, при небольших отклонениях от которых выходная поляризация будет изменяться в достаточно малом интервале длины волны. На этом основано несколько альтернативных конфигураций метода сканирования длины волны, приведенных на рис. 5.50. Эти схемы отличаются типом источника излучения, а также используемыми средствами определения ширины спектра и настройки длины волны.

Согласно данному методу результаты измерений накапливаются во время сканирования или пошаговых изменений длины волны источника (или приемника, в зависимости от схемы измерения). Для коррекции зависимости мощности источника и потерь вставки устройства от дли-

185

ны волны, как правило, требуется проведение эталонного измерения, которое осуществляется с удаленным анализатором. В противном случае эталонное измерение может быть проведено при повороте анализатора на 90 градусов. Так как полученные результаты не являются непосредственно значением ПМД, они требуют последующей автоматизированной обработки – анализа результатов, который осуществляется подсчетом экстремальных значений или преобразованием Фурье.

Рис. 5.50. Основные схемы измерения поляризационной модовой дисперсии (ПМД) волновым методом: а – схема измерения ПМД анализатором оптического спектра; б – схема измерения ПМД измерителем мощности; в – схема измерения ПМД поляриметром; г – схема измерения ПМД монохроматором

186

Диапазон длин волн, в котором производятся измерения ПМД методом сканирования длины волны, должен быть достаточно большим, чтобы выдавать статистически значимое количество экстремумов. Для оптических компонентов без связи мод базовое измерение может включать один цикл изменения амплитуды.

Анализ выходного сигнала стационарного анализатора может быть смещен во временную область с использованием преобразования Фурье. В случае использования волокна с произвольнойсвязьюмод результирующий спектр функционально эквивалентен интерферометрическому измерению и имеет гауссовское распределение. Поэтому значение ПМД определяется путем подгонки кривой Гаусса в соответствии с данными или путем вторичного подсчета, аналогично интерферометрическому методу. Оценка выходного сигнала стационарного анализатора при помощи анализа Фурье имеет преимущество, заключающееся в том, что она графически отражает характеристики связи мод образца. Кроме того, анализ Фурье позволяет осуществлять фильтрацию высоких частот, вызванных шумами или вибрацией, которые могут быть обнаружены как максимальные и минимальные значенияприиспользованииметодаподсчетаэкстремумов.

Преимуществом по сравнению с использованием анализатора является обнаружение выходной поляризации при помощи быстрого поляриметра. Во-первых, измерения с использованием поляриметра менее зависимы от поляризации входного излучения. Второе преимущество применения поляриметра заключается в том, что отпадает необходимость в проведении эталонного измерения и уровень абсолютной мощности может варьироваться вовремя измерения, не влияя на его точность.

Поляриметр также позволяет наблюдать выходное состояние поляризации на сфере Пуанкаре с целью анализа стабильности тестового устройства. Здесь информация о состоянии выходной поляризации тестируемого устройства определяется измерениями траектории вектора на сфере Пуанкаре помере изменения длины волнынезависимо от связимод.

Однако использование поляриметра имеет свои недостатки: измерение больших значений ПМД требует более высокого разрешения источника; для получения хороших статистических данных диапазон длин волн должен быть достаточно широким; измерение занимает очень много времени и чувствительно к вибрации волокна и температуре. Кроме того, необходима связь между входом и выходом волокна, что недопустимо в полевых условиях.

Интерферометрический метод измерения ПМД относится к временным методам и основан на прямом измерении временной задержки двух сигналов, излучаемых одним широкополосным источником. На

187

рис. 5.51 показана обобщенная схема измерения ПМД на основе интерферометра Майкельсона с установленными на выходе источника оптического излучения поляризатором и анализатором – на входе фотодиода. Свет от широкополосного источника (LED) или источника белого света направляется в оба канала интерферометра, а свет от перемещающегося и фиксированного зеркал накладывается в плоскости детектора.

Поляризатор

Рис. 5.51. Обобщенная схема измерения поляризационной модовой дисперсии временным методом

Интерферометрический метод применим к оптическим компонентам как с вырожденными модами, так и к оптическому волокну со связанными модами, где основные состояния поляризации являются функциями длины волны, причем получаемые в результате измерения интерферограммы имеют существенные различия. На рис. 5.52 представлена схема реализацииизмерений ПМД интерферометрическим методом.

Рис. 5.52. Схема реализации измерений поляризационной модовой дисперсии интерферометрическим методом

188

Согласно рисунку тестируемое устройство размещено в оптическом луче, поэтому обе поляризации интерферометра распадаются на две собственные моды тестового устройства. Соответствующий отклик при перемещении зеркала имеют центральный пик, когда длины каналов интерферометра равны, а также удаленные пики, когда движущееся зеркало создает задержку, равную дифференциальной групповой задержке тестируемого устройства. Один удаленный пик создается взаимодействием между лучом медленной моды, берущим начало в канале фиксированного зеркала, и светом быстрой моды, задерживаемым движущимся зеркалом. Другой удаленный пик создается взаимодействием между лучом медленной моды, берущим начало в канале фиксированного зеркала, и светом медленной моды, возникающим вследствие идентичного движения зеркала в противоположном направлении. Время между центральным и любым из удаленных пиков и есть дифференциальная групповая задержка устройства. Относительная интенсивность пиков зависит от относительной ориентации тестируемого устройства и анализатора.

Интерферометрический метод характеризуется следующими особенностями:

–измерение больших значений ПМД требует пропорционального смещения подвижного зеркала;

–при измерениях когерентность источника должна быть меньше, чем измеряемая задержка и, следовательно, ширина спектра источника должна быть большой;

–измерение осуществляется быстро и независимо от вибрации волокна;

–из-за отсутствия связи между входом и выходом волокна этот метод идеален для полевых условий;

–измерение осуществляется в широком динамическом диапазоне;

–показания зависят от состояния поляризации на входе объекта.

5.10.Вопросы для самоконтроля

1.Классификация измерений в волоконной оптике.

2.Методы определения размеров волокна: метод преломления

вближнем поле и распределения света в ближнем поле.

3.Методы определения размеров волокна: метод «Четыре концентрических круга» и метод определения времени задержки переданного и отраженного импульсов.

4.Метод механического измерения диаметра волокна, защитного покрытия, некруглости.

189

5.Методы измерения механических характеристик волокна: перемотка под натяжением, прочность на разрыв.

6.Затухание оптического сигнала в волокне. Единицы и методы измерения затухания: методы обрыва, вносимых потерь и обратного рассеяния.

7.Методы измерения ширины полосы пропускания: импульсной

ичастотной характеристик, передаваемой или излучаемой мощности.

8.Методы измерений фазового сдвига и задержки импульса.

9.Метод распределения света в дальнем поле для измерения цифровой апертуры.

10.Метод передаваемой мощности для измерения длины волны от-

сечки.

11.Методы поперечного сдвига и проходящих полей измерения диаметра модового пятна.

12.Методы изменения коэффициента передачи и контроля обратного рассеяния.

13.Методы определения характеристик при испытаниях на воздействие внешних факторов: температурных циклов, ядерного излучения.

14.Методы измерения спектральных характеристик оптических волокон.

15.Методы измерения межмодовой и хроматической дисперсии.

190