ОЦЕНКА УРОВНЯ ДИСПЕРСИИ В ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЯХ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

ОЦЕНКА УРОВНЯ ДИСПЕРСИИ В ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЯХ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ВХОДНОГО КОНТРОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА

Научная статья

Семенов В.А.^1, *, Прыгунов А.Г.², Сумин Д.Л.³, Зуйков А.П.⁴

^{1, 2, 3, 4} Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Россия

* Корреспондирующий автор (guavg5[at]gmail.com)

Аннотация

При проведении входного контроля анализ качества оптического волокна может быть проведен только путем оценки уровня дисперсии в оптическом волокне, следовательно, задача точного измерения уровня дисперсии является наиболее важной. В настоящее время оценку уровня дисперсии сигнала в оптическом волокне выполняют на отрезке этого волокна с использованием лазерного излучателя, испускающего световой поток известной интенсивности и измеряя мощность оптического сигнала на входе и выходе волокна с помощью специальных приборов (например рефлектором). Разработанный авторами голографический интерферометр позволяет выполнять анализ оптического волокна наиболее точно, с наименьшими затратами и, при проведении анализа на функционирующей линии связи, без существенного увеличения ее масса-габаритных характеристик.

Ключевые слова: голография, интерферометр, дисперсия, оптика, линия связи.

ESTIMATION OF THE LEVEL OF DISPERSION IN OPTICAL CABLES IN CONDUCTING THE INPUT CONTROL USING A HOLOGRAPHIC INTERFEROMETER

Research article

Semenov V.A.^{1, *}, Prygunov A.G.², Sumin D.L.³, Zuikov A.P.⁴

^{1, 2, 3, 4} Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russia

* Corresponding author (guavg5[at]gmail.com)

Abstract

In conducting incoming control, the analysis of the quality of an optical fiber can be carried out only by assessing the level of dispersion in the optical fiber, therefore, the task of accurately measuring the level of dispersion is the most important. Currently, the level of dispersion of the signal in an optical fiber is estimated on a section of this fiber using a laser emitter that emits a luminous flux of a known intensity and measuring the power of the optical signal at the input and output of the fiber using special devices (for example, a reflector). The holographic interferometer developed by the authors makes it possible to analyze optical fiber more accurate at the lowest cost and, when analyzing on a functioning connection line without significantly increasing its mass-dimensional characteristics.

Keywords: holography, interferometer, dispersion, optics, connection line.

Введение

При анализе стоимости сетей связи очевидно, что кабельные линии и примыкающие сооружения составляют наибольший процент стоимости системы связи. Таким образом, необходимо обеспечить надежность, износостойкость, качество и долговечность оптических кабелей в составе линии связи.

Следовательно, на заводах-изготовителях необходимо тщательно проводить процедуру входного контроля оптического волокна; процедура должна выполняться полностью, по соответствующему регламенту, так как при отклонении от норм при проведении процедуры приемки оптического волокна или при ее полном отсутствии возникают риски использования оптических кабелей при строительстве волоконно-оптических линий связи, которые не отвечают необходимым требованиям, следовательно, увеличивая издержки, ложащиеся не только на подрядчика, но и на заказчика. В зависимости от конечной цели, протяженности волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) и назначения потери исчисляются миллионами рублей.

Авторами данной статьи предлагается использовать голографический интерферометр во входном контроле оптического волокна.

Применение интерферометра при прохождении входного контроля

Для оптимизации приёмок оптического волокна на соответствующих заводах следует учитывать имеющийся мировой и отечественный опыт заводских приёмок. Это позволит не только провести необходимую оценку качественный характеристик волокна, но и сократить количество операций с волокном до минимально необходимых.

Оптическое волокно ­– достаточно сложное изделие, от надежности которого зависит надежность всей линии связи, поэтому современное производство оптического волокна имеет и автоматизированные линии производства, а так же линии контроля параметров волокна на каждом этапе его изготовления. Контроль качества продукции и контроль параметров при входной приемке на заводах регламентирован международными стандартами – ИСО 9001 и ИСО 9002. Непосредственно перед входным контролем изделия, проводят проверку основных технологических линий для минимизации "человеческого фактора".

Входной контроль оптического волокна включает в себя: организационно-подготовительные работы, измерение электрических параметров оптического кабеля (если есть металлические элементы), измерение затухания кабеля измерение дисперсии волокна.

В волоконно-оптических сетях устанавливают системы со спектральным уплотнением, такие как DWDM и WDM. Для оптимальной работы этим систем необходимо минимизировать влияние поляризационно-модовой и хроматической дисперсии на оптическое волокно. Поэтому осуществляется тщательная проверка уровня дисперсии в оптических кабелях.

Следовательно, анализ современного подхода к выбору параметров ОВ и построению оборудования регенерационных пунктов на магистрали ВОСП показывает, что задача повышения точности измерения уровня дисперсии в ОВ, повышение быстродействия передачи сигналов и качества их регенерации является актуальной.

Оценка реальных параметров в оптическом волокне, которое планируется использоваться в той или иной магистрали волоконно-оптической связи может быть проведена во входном контроле. Представляется целесообразным проведение измерения уровня дисперсии не только в процессе изготовления ОВ, но и в процессе его входного контроля перед его использованием при прокладке магистрали ВОЛС [1].

Для оценки уровня дисперсии в волокне при входном контроле целесообразным считается использование чувствительного измерителя дисперсионных волн. Для решения данной задачи с минимальными затратами и максимально быстро может быть использован голографический измеритель.

Современные методы измерения уровня дисперсии в оптическом волокне основаны на измерении и оценке длительности, и профиля оптического импульса, передаваемого по волокну[1], [2]. Подобные измерения могут быть реализованы с использованием голографического интерферометра. Структурная схема разработанного голографического интерферометра представлена на рисунке 1.

 

Рис.1 – Структурная схема разработанного голографического интерферометра

1 – оптическое волокно; 2 – устройство вывода светового потока из ОВ; 3 – фотоэлектронный умножитель; 4 – усилительно-согласующее устройство; 5 – пьезоэлемент; 6, 6' – электроды; 7 – плоское зеркало; 8 – лазер; 9 – оптическая система; О – точка фокусировки светового потока; 10 – плоское поворотное зеркало; 11 – Фурье-голограмма; 12 – линейка фотоприёмных устройств; 13 – линейка пороговых устройств; 14 – решающее устройство; 15 – индикаторно-регистрирующее устройство

 

Схема устройства, представленного на рисунке 1, работает следующим образом: импульсный сигнал с выхода измерительного отрезка контролируемого оптического волокна (1) через линзовое устройство вывода (2) поступает на вход фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) (3). С выхода фотоэлектронного умножителя (3) электрический сигнал, пропорциональный интенсивности светового потока падающего на его вход, поступает на усилительно-согласующее устройство (4), обеспечивающее усиление этого электрического сигнала и его подачу на электроды (6), (6') пьезоэлемента (5), нанесённые на его боковые грани. На торцевой грани пьезоэлемента (5) нанесено плоское зеркало (7). Лазер (8) излучает когерентный световой поток, поступающий на оптическую систему (9), которая увеличивает диаметр этого светового потока, фокусирует его в точке О и направляет на плоское поворотное зеркало (10). Поворотное зеркало (10) направляет падающий на него световой поток в плоскость фурье-голограммы (11). Световой поток, падающий на фурье-голограмму (11) частично дифрагирует от неё в направлении линейки фотоприёмных устройств (12), а, частично, проходит через эту голограмму, отражается плоским зеркалом (7) и повторно проходит через голограмму (11) в направлении линейки фотоприемных устройств (ФПУ) (12). Дифракционная эффективность этой голограммы на длине волны падающего на неё светового потока составляет 20-30%. Линейка ФПУ (12) представляет собой совокупность отдельных фотоприёмников, размещённых в непосредственной близости друг от друга. Световые пучки, падающие на линейку ФПУ (12), формируют на входной плоскости этой линейки интерференционную картину кольцевой формы. Линейку ФПУ (12) выбирают таким образом, чтобы обеспечить перекрытие её фотоприёмниками интерференционных полос от нулевого до третьего или четвёртого порядка интерференции. Выход каждого из фотоприёмников линейки ФПУ (12) соединён со входом соответствующего порогового устройства линейки пороговых устройств (13). В качестве пороговых устройств могут быть использованы триггеры Шмитта в интегральном исполнении. На выходе линейки пороговых устройств (13) формируется цифровой двоичный код, который в виде кодовых комбинаций параллельно поступает на вход решающего устройства (14). Решающее устройство (14) может представлять собой микропроцессор, который, в зависимости от поступающих на его вход комбинаций двоичного кода, рассчитывает уровень интенсивности оптического сигнала, поступающего на вход измерителя в каждый момент времени и измеряет длительность импульса оптического излучения с выхода ОВ (1), а также определяет спектральный состав огибающей этого импульса. С выхода решающего устройства результаты измерений и расчётов поступают в индикаторно-региструющее устройство (15) для их индикации и запоминания.

Путем проведения сравнительного анализа голографических интерферометров, наиболее удобным с точки зрения скорости и точности измерений, является интерферометр на основе пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии [3], [4], который обеспечивает возможность управления интерференционного оптического поля, а именно его амплитудно-апертурной составляющей. Данный вид интерферометра, как и все другие на основе методов голографической интерферометрии, обеспечивает дифференциальность по отношению к ошибкам, которые вносят элементы оптических каналов, мало критичен к технической части оптических каналов, по которым распространяются сравниваемые фронты волн и позволяет фиксировать изменения, происходящие с объектами произвольной формы и с различной степенью шероховатости их поверхности.

В данном интерферометре используется именно полуотражательная фурье-голограмма, поскольку она обеспечивает высокую чувствительность и точность измерений [5] благодаря концентрации основной части энергии интерференционного оптического поля в пределах центрального пятна интерферограммы кольцевой формы [6], [7].

Оценка чувствительности голографического интерферометра на основе пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии к нормальным и тангенциальным перемещениям отражателя в его оптической схеме, используемого в голографическом устройстве измерения уровня дисперсии в ОВ, показывает, что данный интерферометр регистрирует уровень дисперсии с точностью порядка 10³÷10⁴.

При проведении оценки качества оптического волокна необходимо регистрировать изменение уровня дисперсии порядка 2×10^-6, что позволяет данный интерферометр, используя объемную фазовую голограмму, экспонированную специальным образом, при усилении искаженного дисперсией оптического импульса с помощью оптического усилительного устройства, которое повышает точность измерений.

Заключение

В итоге, оптическая схема рассмотренного голографического интерферометра для измерения уровня дисперсии ОВ обеспечивает максимальную чувствительность к изменениям параметров кривизны сферического волнового фронта, анализируемого светового потока, для интерференционных полос нулевого порядка при нормальном перемещении точечного источника света составляет λ/4, а при тангенциальных перемещениях составляет λ/2.

Таким образом, рассмотренный голографический измеритель позволяет повысить чувствительность измерения уровня дисперсии в оптическом волокне не только при проведении входного контроля волокна, но и непосредственно на уже функционирующей волоконно-оптической линии связи. За счет небольших размеров и малой стоимости производства данного интерферометра, повысится чувствительность измерения дисперсии, быстродействие и пропускная способность линии связи, без существенного увеличения как стоимости ВОЛС, так и ее масса-габаритных характеристик.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Митрохин В.Е. Измерения в волоконно-оптических системах передачи: учеб. пособие для вузов ж.д. трансп / В.Е. Митрохин. М.: ГОУ УМЦ ЖДТ, 2007. 197 с.
2. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети / P.P. Убайдуллаев. М.: ЭКО-ТРЕНДЗ, 1998. 56 с.
3. Островский Ю.И. Голографическая интерферометрия. Монография / Ю.И. Островский, М.М. Бутусов, Г.В. Островская. Новосибирск: Наука, 1977. 336 с.
4. Прыгунов А.А. Некоторые особенности практического использования пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии / А.А. Прыгунов // Системный анализ, управление и обработка информации. 2012. Т. 1, №12. С. 121-134.
5. Никитин В.Е. Особенности проектирования одномодовых волоконно-оптических линий связи / В.Е. Никитин, М.А. Ефимов, А.Я. Рывкин // ИСУП. 2007. № 1. С. 52.
6. Интегральная оптика: учеб. пособие / Р.В. Бударагин [и др.]; под ред. С.Б. Раевского. Нижегород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 2013. 106 с.
7. Устройство ввода лазерного излучения в волокно: Патент РФ № 2325676, 27.05.2008. 12 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Mitrokhin V.E. Izmerenija v volokonno-opticheskih sistemah peredachi: ucheb. posobie dlja vuzov zh.d. transp [Measurements in the fiber-optical systems of transfer: studies. a grant for higher education institutions of railway transitem]/ V.E. Mitrohin. M.: GOU UMTS of ZhDT, 2007. 197 P. [in Russian]
2. Ubaydullayev P.P. Volokonno-opticheskie seti [Fiber-optical networks] / P.P. Ubajdullaev. M.: WHAT TRENDZ, 1998. 56 P. [in Russian]
3. Ostrovsky Yu.I. Golograficheskaja interferometrija. Monografija [Golograficheskaya interferometry. Monograph] / Ju.I. Ostrovskij, M.M. Butusov, G.V. Ostrovskaja. Novosibirsk: Science, 1977. 336 P. [in Russian]
4. Prygunov A.A. Nekotorye osobennosti prakticheskogo ispol'zovanija prostranstvenno-spektral'nogo metoda golograficheskoj interferometrii [Some features of practical use spatial spectral method of a holographic interferometry] / A.A. Prygunov // Sistemnyj analiz, upravlenie i obrabotka informacii [System analysis, management and information processing]. 2012. Vol. 1, No. 12. P.121-134. [in Russian]
5. Nikitin V.E. Osobennosti proektirovanija odnomodovyh volokonno-opticheskih linij svjazi [Design features single-mode fiber-optic communication lines] / V.E. Nikitin, M.A. Efimov, A.Ja. Ryvkin // ISUP. 2007. No. 1. P. 52. [in Russian]
6. Integral'naja optika [Integral optics]: textbook. R.V. Budaragin [et al]; ed. S. B. Raevsky. Nizhny Novgorod. state tech. un-t. N. Novgorod, 2013.106 P. [in Russian]
7. Ustrojstvo vvoda lazernogo izluchenija v volokno [Device for introducing laser radiation into the fiber]: RF patent No. 2325676, 27.05.2008. 12 P. [in Russian]