Doba šíření záření v optickém vláknu nebo jeho změna za jakýchkoliv podmínek je veličina, kterou se určuje řada důležitých charakteristik optických vláken (OF) nebo optických kabelů (OC). Například při měření chromatické disperze se měří zpoždění signálů s různými vlnovými délkami. Při mechanických a teplotních zkouškách OM a OC se jejich kvalita posuzuje podle změny zpoždění.
Jednou z hlavních metod měření doby šíření optického signálu v optickém vláknu je metoda fázového posunu. Je doporučen normami IEC a ITU pro použití při měření chromatické disperze a prodloužení RH a OC [1-3]. Různá zařízení určená k měření chromatické disperze pomocí metody fázového posunu jsou popsána v [4-7]. Typická schémata implementace této metody jsou znázorněna na obrázku 1. V nejjednodušším schématu (obr. 1a) je optický vysílač OPD, který obsahuje zdroj záření (laserová dioda nebo LED), řídicí obvod pro jeho čerpací proud a obvod udržování teploty, je modulován sinusovým signálem z elektrického generátoru s frekvencí f. Optický signál OPD prochází zkoumaným OF a přichází do optického přijímače OPD. Fáze výstupního signálu OPR se porovnává pomocí měřiče fáze s fází signálu generátoru, který funguje jako referenční signál. Napětí signálu na výstupu OPR U OPR lze napsat jako:
kde U 0 – průměrná hodnota napětí, m – hloubka modulace, – zpoždění signálu ve studovaném OF, t ‘ – zpoždění signálu v OPD, OPR a připojovacích OB, – počáteční fáze. Fázový rozdíl měřený fázoměrem je
kde jsou fáze signálů OPR a generátoru. Proto je zpoždění signálu ve studovaném OF
Hodnota závisí pouze na parametrech vysílací a přijímací části zařízení a lze ji určit pomocí krátkého OF se známou délkou a indexem lomu.
Při použití diagramu na obrázku 1a se předpokládá, že hodnota t ‘ (zpoždění signálu v zařízení) se během procesu měření nemění. Často tato podmínka není splněna s dostatečnou přesností, například kvůli kolísání teploty, výkonu a (nebo) vlnové délky zdroje záření. Potom se použije jiný způsob organizace referenčního kanálu, jako například na obrázku 1b. Zde je signál z výstupu OPd rozdělen na dva pomocí optického rozdělovače OP. Jeden je stejně jako dříve přiveden do zkoumaného OF a měřícího optického přijímače IOPr a druhý je přiveden přes referenci OF do druhého, referenčního optického přijímače IOPr. Zpoždění ve studovaném OF je určeno rozdílem fází výstupních signálů IOPr a OOPr. V takovém schématu změna fáze signálu OPD nebo nekontrolovaná změna teploty okolí způsobí stejné fázové posuny v referenčním a měřicím signálu a nepovede to k chybě v měření zpoždění v OF. ve studiu.
Při měření chromatické disperze je nutné určit zpoždění signálů v OF v širokém rozsahu vlnových délek. Pro tento účel lze použít několik laserových diod s různými vlnovými délkami, jak je znázorněno na obrázku 3a. Signály z laserových diod jsou střídavě přiváděny na vstup OB přes optický spínač. Zařízení měří fázi a zpoždění každého signálu a poté vypočítá parametry chromatické disperze. V ostatních případech se jako zdroj záření používá širokospektrální LED, od které se izolují úzké oblasti pomocí monochromátoru. Ve všech takových schématech může být referenční kanál organizován různými způsoby.
Pro dosažení vysoké přesnosti měření doby šíření signálů v OF se v moderních zařízeních volí frekvence modulace poměrně vysoká – 100 MHz i více, až několik gigahertzů [7]. To vede k nutnosti používat širokopásmové optické přijímače, které mají relativně vysokou hladinu šumu. Poměr signálu k šumu je jedním z hlavních zdrojů chyb měření fáze. K jejímu zvýšení můžete použít rezonanční zatížení fotodiody a (nebo) pásmových filtrů v následujících OPD stupních. To však zhoršuje fázovou stabilitu zařízení jako celku, protože nepatrná změna rezonanční frekvence povede k fázovému posunu signálu.
V práci [8] byly ke snížení propustného pásma opr a následně ke snížení jeho šumu použity dva stupně modulace: signál vycházející ze zkoumaného optického vlákna byl dodatečně modulován akusticko-optickým modulátorem s frekvenčně blízkou na frekvenci generátoru. Signál na výstupu akusticko-optického modulátoru měl rozdílovou frekvenční složku obsahující informaci o fázi původního vysokofrekvenčního signálu. To umožnilo použití nízkošumového LF zesilovače a LF fázového měřiče s vysokým rozlišením.
Kromě chyby způsobené šumem může výsledek měření fáze signálu záviset na jeho amplitudě (převod amplitudy na fázi) a přítomnosti harmonických vyšších řádů v jeho spektru. První faktor je důležitý zejména při měření chromatické disperze, kdy má optické vlákno různý útlum na různých vlnových délkách a není možné vyrovnat amplitudy signálů. Omezení velikosti nelineárních zkreslení klade poměrně přísné požadavky na linearitu OPD (zejména na watt-ampérovou charakteristiku laserových diod) nebo na hloubku modulace signálu.
Tento článek popisuje způsob konstrukce zařízení a zpracování signálů pro implementaci metody fázového posunu, která umožňuje snížit vliv výše uvedených faktorů na chybu měření fáze.
Blokové schéma zařízení je znázorněno na obrázku 2. Obsahuje následující hlavní bloky:
– OPD, který obsahuje laserovou diodu, obvod pro řízení jeho čerpacího proudu a obvod stabilizace teploty;
– generátor G1, generující sinusový signál pro modulaci laserové diody;
– optický splitter OR;
– dva optické přijímače, z nichž každý obsahuje lavinovou fotodiodu (APD1 a APD2) a nízkofrekvenční zesilovače (U1 a U2);
– generátor G2, generující sinusový signál pro modulaci předpětí lavinových fotodiod;
– analogově-digitální převodník ADC a určený pro zpracování signálů přicházejících z ADC.
Zařízení funguje následovně. OPD generuje optický sinusový signál s frekvencí f1 generátoru G1. Optický splitter OR jej rozděluje na dva signály, které jsou prostřednictvím testovacích a referenčních OF přiváděny do lavinových fotodiod APD 1 a APD2. Předpětí lavinových fotodiod je modulováno signálem generátoru G2 s frekvencí f2, blízko frekvence f1:
Zesílení APD 1 a APD2 závisí na předpětí, proto při jeho modulaci funguje lavinová fotodioda jako směšovač signálu a ve spektru jejího výstupního proudu budou přítomny kombinace frekvencí. f1 и f2, včetně signálu s rozdílovou frekvencí. Tento signál je izolován na zátěži fotodiody a poté zesílen zesilovači U1 a U2. Vzhledem k tomu, že fáze optického vysokofrekvenčního signálu procházejícího testovacím nebo referenčním OF je přenášena přímo do fáze nízkofrekvenčních signálů, fázový rozdíl mezi výstupy nízkofrekvenčních zesilovačů U1 a U2
kde jsou zpoždění signálu v testu a referenční OF a je dodatečný fázový rozdíl kvůli neidentitě lavinových fotodiod a zesilovačů (hodnoty jsou určeny při kalibraci zařízení na krátkém OF).
Použití lavinové fotodiody jako směšovače signálu tedy umožňuje použít nízkofrekvenční optický přijímač a výrazně zvýšit odstup signálu od šumu. V tomto případě na rozdíl od [8] není přídavný externí optický modulátor a obvod zařízení je tak zjednodušen.
Aby se snížil vliv amplitudově-fázového převodu a vyšších harmonických na výsledek měření fázového rozdílu, používá popsané zařízení digitální zpracování signálu pomocí Fourierovy transformace. Signály z výstupu zesilovačů jsou posílány do ADC, převedeny do digitální podoby a procesor vypočítává jejich fáze. Každý signál je čten za velký počet period, z tohoto pole bodů se určí přesná hodnota frekvence pro daný interval měření (výrazně se tím snižuje chybová složka způsobená relativní nestabilitou frekvencí generátorů G1 a G2), a pak se vypočítají koeficienty Fourierovy řady pro základní harmonickou a její fázi. Výsledek fázového výpočtu teoreticky nezávisí na amplitudě signálu na vstupu ADC a přítomnosti frekvenčních harmonických v něm.Na druhou stranu použití nízkofrekvenčních, kvalitních a zároveň relativně levné integrované obvody zesilovačů a ADC s vysokým rozlišením a linearitou zajišťují minimální dodatečné zkreslení signálu v přijímací části zařízení.
Popsaný způsob implementace metody fázového posunu byl použit při vývoji zařízení pro měření chromatické disperze ID-2-1 a zařízení pro měření prodloužení optických vláken ID-2-3. Zařízení ID-2-1 bylo osazeno sedmi laserovými diodami o vlnových délkách od 1260 nm do 1590 nm, jejich záření bylo do studovaného optického vlákna přiváděno pomocí jednovidového optického splitteru, při měření byl generován vysokofrekvenční modulační signál. byla na ně aplikována postupně. Zařízení ID-2-3 je určeno k měření prodloužení (zkrácení) OB a OC při jejich mechanických a teplotních zkouškách, obsahuje LD o vlnové délce 1550 nm. V těchto zařízeních byla zvolena frekvence křemenných oscilátorů G1 a G2 150 MHz a rozdílová frekvence = 2,2 kHz. Pro příjem optických signálů byly použity Ge-APD s provozním předpětím asi 32 V, amplituda modulačního napětí byla 0,5. 1,5 V. 16bitový ADC umožňoval vzorkovat přijímané signály s frekvencí 48 kHz, datové pole bylo 12 tisíc bodů.
Výsledkem testování přístrojů bylo zjištěno, že chyba měření doby šíření záření ve studovaném vláknu nepřesahuje 5 ps v intervalu rovném polovině periody modulačního signálu. Když byl do měřicího kanálu, kde byl instalován zkoumaný OF, zaveden další útlum z 0 na 10 dB a z 10 na 20 dB, chyba se zvýšila o ne více než 2 ps a 5 ps. Dočasná nestabilita odečtů přístrojů (parametr, který je důležitý zejména při dlouhodobých mechanických a teplotních zkouškách OM a OC) nepřesahuje 5 ps/hod.
Literatura
1. IEC 60793-1-2 (1995). Optická vlákna. Část 1: Obecné specifikace – Část 2: Metody měření rozměrů.
2. IEC 60793-1-4 (1995). Optická vlákna. Část 1: Obecné specifikace – Oddíl 4: Metody měření pro přenos a optické charakteristiky.
3. Doporučení ITU-T G.650 (03/93). Definice a zkušební metody pro příslušné parametry jednovidových vláken.
4. Costa B., Puleo M., Vezzoli E. Technika fázového posunu pro měření chromatické disperze v jednovidových optických vláknech pomocí LED // Electronics Letters.-1983. -v.19, N25/26.-P.1074-1076.
5. Tanaka S., Kitayama Y. Přesnost měření chromatické disperze technikou modulační fáze // Journal of Lightwave Technology.-1984.-v.LT-2, N6.-P.1040-1044.
6. Hatton WH, Nishimura M. Nový systém měření pole pro jednovidovou disperzi vláken využívající techniku multiplexování s dělením vlnové délky // Electronics Letters.-1985. -v.21, N23.-P.1072-1073.
7. Mechels SE, Schlager JB, Franzen DL Přesné měření disperze vlnových délek s nulovou disperzí v jednovidových vláknech: dvě metody ve frekvenční oblasti. – LEOS 8th Annual Meeting.-Oct.-Nov., 1995.-Paper OFPW2.2.- S.75-76.
8. Thevenaz L., Pellaux J.-P. Modulační technika frekvenčního posunu pro měření disperze v optických vláknech pomocí LED // Electronics Letters.-1987. -v.23, N20.-P.1078-1079.
