CC BY
69ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
ХАРАКТЕРИСТИКА УЗКОПОЛОСНЫХ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ
12 13* 1 12
Фомиряков Э.А. ' , Харасов Д.Р. ' , Никитин С.П. , Наний О.Е. ' , Трещиков В.Н.
1,4
г j
Группа компаний Т8, г. Москва
МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва 3 Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный 4 ФИРЭ РАН им. В А. Котельникова, г. Фрязино * E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16019
Фазочувствительные импульсные рефлектометры на эффекте рассеяния Рэлея (Ф-OTDR) широко используются в качестве распределенных вибро-акустических датчиков для мониторинга и охраны протяженных объектов (трубопроводы, границы и др.). В Ф-OTDR в волокно периодически посылаются оптические импульсы длительностью Т, сформированные высококогерентным лазером и внешним модулятором. Рассеянное назад излучение от разных частей импульса случайным образом интерферирует, в результате интенсивность рефлектограммы Ф-OTDR случайным образом зависит от времени задержки, постепенно спадая вследствие затухания в волокне.
Чувствительность Ф-OTDR ограничивается шумами сигнала Ф-OTDR, при этом оптические шумы, возникающие от спонтанного излучения оптических усилителей, относительного шума интенсивности (RIN) и фазового шума лазера являются наиболее существенными. В случае, когда RIN пренебрежимо мал, а интенсивность сигнала Ф-OTDR велика, вклад дают фазовые шумы зондирующего лазера. В данной работе предложен новый метод измерения фазовых шумов лазерного излучения и продемонстрирована корреляция их с уровнем шума в сигнале Ф-OTDR.
Если Ф-OTDR зондирует волокно прямоугольным импульсом длительностью T много короче времени когерентности тког, то нормированная мощность шума фототока во всей полосе приема[1]:
< N > 2 T (1)
< N >норм '< j >2
3 т
где <А> = < > - мощность шума N равная дисперсии интенсивности фототока, а <1> -интенсивность рефлектограммы, усредненные по участку волокна много большему, чем длительность импульса, но меньшем длины затухания в волокне. Величина обратная < N >норм имеет смысл
отношения «сигнал-шум» для мощности фототока:
ОСШ=
< I >2 < I >
(2)
< N > <а\ > 2пТ Ау'
где Ау = 1/(п • тког) - мгновенная ширина спектральной линии. Стабильность оптической частоты описывается дисперсией Аллана [2]:
<Т) =< К+1 -уп)2 > /2,
(3)
где vn - последовательно измеренные, усредненные за время т значения частоты, а угловые скобки означают усреднение по п. Измерения дисперсии Аллана позволяют оценить A v и уходы частоты [2].
Схема экспериментальной установки показана на рис.1. Для измерения дисперсии Аллана используется метод оптического гетеродинирования, когда излучение измеряемого лазера сбивается с излучением эталонного лазера, а частота результирующего сигнал биений измеряется фотоприемником и анализатором РЧ спектра. Для увеличения допустимой разницы длин волн сбиваемых лазеров, в оптическую схему добавлен электрооптической модулятор (ЭОМ), подключенный к генератору РЧ и формирующий в оптическом спектре боковые компоненты. Регистрация сигнала биений боковых компонент спектра вместо основных частот позволяет расширить частотный диапазон измерений до величины, равной сумме удвоенной частоты генератора и рабочей полосы фотоприемника. В эксперименте использовался InGaAs-фотоприемник с полосой приёма до 2.3 ГГц (Tektronix Optical Receiver System ORS20), ЭОМ Oclaro Powerbit SD-40 (полоса 30 ГГц), РЧ-генератор (Hewlett Packard 8672A) с частотой выходного сигнала от 2 до 18 ГГц. Таким образом допустимое отличие длин волн сбиваемых лазеров ~ 0,3-0,4 нм. В качестве эталонных
Рис.1. Блок-схема гетеродинного измерения с ЭОМ
48
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
3
ВКВО-2019 Волоконно-оптические датчики
использовались лазер "OE Waves OE4023" с шириной линии ^1kHz, и "Clarity NLL-1550-HP", с длиной волны привязанной к одному из оптических переходов молекулы HCN. Сигнал биений оцифровывался и записывался РЧ-анализатором спектра (Rhode and Schwartz FSW-8) в режиме измерения I/Q-квадратур с частотой семплирования до 128 МГц c последующим вычислением дисперсии Аллана на компьютере. Схожий подход ранее использовался в [3] для измерения ширины лазерной линии.
Тестировалось несколько различных лазеров разных изготовителей. Результаты измерений девиаций Аллана <Jv(t) = показаны на рис.2(а). Штрих-пунктирные линии слева
соответствуют мгновенным ширинам спектра 100 Гц, 1, 10, 100 кГц и 1 МГц, а штриховые линии справа - линейным уходам частоты 250, 500 кГц/с и 1, 2 МГц/с. Полученные из <72 (т) мгновенные
ширины линий, линейные дрейфы частоты и ОСШтеор ожидаемый в соответствии с (2) приведены в табл. 1.
Тестируемые лазеры использовались в качестве источника излучения в Ф-OTDR компании «Т8 Сенсор» (см. рис.1). Длительность зондирующих импульсов в эксперименте составляла T=200 нс, а частота повторений импульсов 1 кГц. На рис.2(б) показана экспериментально измеренная зависимость ОСШ рефлектометра в зависимости от расстояния вдоль волокна. Соответствующие значения в начале линии также приведены в Табл. 1.
er + Clarify Clarity
□E waffis + nversion Fiber
RIO
Рис.2(а). Девиация Аллана частоты сигнала-биений для разных пар лазеров
Расстояние, \
Рис.2(б). ОСШ сигнала Ф-OTDR с первых километров при использовании разных лазеров
Табл.1. Результаты измерений девиации Аллана для частоты биений и ОСШ для лазеров
Лазер Центральная Ширина Линейный ОСШэксп для ОСШтеор для 200
длина линии, частотны 200 нс, дБ нс, дБ
волны, нм кГц й дрифт, МГц/с
"Inversion Fiber" 1550,10-1550,30 0,7 0,3 30,0 35,3
"RIO" 1550,12 2,0 0,5 29,5 30,8
"Clarity" 1550,51 300 (100*) <0,1 10,0 9,0 (13,5*)
"OE Waves" 1550,00-1550,19 <0,5 0,5 33 >36,7
* - мгновенная ширина линии без учета высокочастотной модуляции по девиации Аллана. Анализ данных из табл.1 указывает, что в целом чувствительность Ф-OTDR зависит как от мгновенной шириной лазерной линии, так и от стабильности его частоты, при этом максимально возможный ОСШ рефлектометра определяется мгновенной шириной линии.
Выводы
Предложена новая схема регистрации сигнала биений пары лазеров, использующая оптический модулятор для расширения рабочего спектрального диапазона, с помощью которой измерена дисперсия Аллана оптической частоты для нескольких типов высоко-когерентных лазеров. Экспериментально подтверждена связь уровня шума в сигнале когерентного рефлектометра Рэлея с мгновенной шириной лазерной линии и стабильностью оптической частоты зондирующего лазера, определяемых из дисперсии Аллана.
Литература
1. Alekseev, A. E, Tezadov, Y. A., & Potapov, V. T. (2017). Intensity noise limit in a phase-sensitive optical timedomain reflectometer with a semiconductor laser source. Laser Physics, 27(5), 055101, (2017).Hartl I, et al, Opt. Lett. 26, 608-610 (2001)
2. Riehle, F. (2006). Frequency standards: Basics and applications. John Wiley & Sons
3. Von Bandel, et al, Time-dependent laser linewidth: beat-note digital acquisition and numerical analysis. Optics express, 24(24), 27961-27978,(2016)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
