Использование обратного рэлеевского рассеяния в волокне для измерения спектра оптических сигналов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Использование обратного рэлеевского рассеяния в волокне для измерения спектра оптических сигналов

Экспериментально исследован спектр модуляции мощности рэле-евского рассеяния в оптическом волокне, показана его корреляция со спектром вводимого в волокно оптического сигнала. Впервые методом, основанным на измерении спектра модуляции мощности рэлеевского рассеяния в оптическом волокне, измерено уширение спектра импульсного излучения за счет эффекта фазовой самомодуляции в волокне.

Горбуленко В.В., Наний О.Е., Нестеров Е.Т., Озеров А.Ж., Трещиков В.Н.

ООО "Т8", МГУ им. Ломоносова, [email protected]

Введение

Измерение параметров электрического поля оптической волны не простая задача ввиду очень высокой частоты колебаний этого поля. Но, поскольку частота модуляции более чем на три порядка ниже частоты несущей световой волны, можно разделить задачу на две части: измерение оптического спектра (в первую очередь точное значение длины волны/частоты несущей световой волны) и измерение временных характеристик огибающей (амплитуды, фазы, мгновенной частоты, поляризации).

Для измерения спектра широкополосных сигалов не требуется временное разрешение. Для этих целей используются оптические анализаторы спектров (OSA) или другие спектральные приборы. Однако методы спектральных измерений не обладают достаточной разрешающей способностью для анализа структуры относительно узкополосных сигналов (ширина спектра сигнала менее 10 ГГц).

Для измерения спектра излучения непрерывных лазеров обычно применяются когерентные методы (гетеродинный или гомодин-ный) с использованием внешнего опорного излучения [1]. Недостатком когерентных методов измерений является сложность их реализации и необходимость использования высокостабильного узкополосного источника опорного излучения.

Более просты в реализации автогетеродин-ный и автогомодинный методы измерения ширины спектра узкополосного оптического излучения. В этих методах излучение тестируемого лазера смешивается с задержанным во времени излучением этого же лазера [1].

В настоящей работе экспериментально показано, что для измерения спектров широкого класса узкополосных оптических сигналов можно исполызоваты обратное рэлеевское рассеяние в оптических волокнах. Экспериментально показано, что спектр рассеянного излучения эквивалентен спектру излучения сигнала в автогомодинном методе измерений. При этом реализация метода измерений с использованием рэлеевского рассеяния существенно проще. Особенно существенно преимущества метода рэлеевского рассеяния проявляются при измерении спектров отдельных импулысов или импулысов, следующих с малой частотой повторения.

Принцип измерения спектра оптических сигналов при помощи рэлеевского рассеяния

Суты метода измерения спектра оптических сигналов при помощи рэлеевского рассеяния заключается в преобразовании фазовой модуляции в амплитудную на рэлеевских центрах рассеяния. В резулытате такого преобразования спектр огибающей амплитуды рассеянного излучения несет информацию о спектре тестируемого лазерного излучения. Теоретическая моделы статистических и спектралыных характеристик рэлеевского рассеяния излучения непрерывного лазера в оптическом волокне была развита ранее в работе [2]. Для немодулиро-

Спектроан

ализатор

Рис.1. Схема измерений спектра обратного рэлеевского рассеяния

ванного лазерного излучения (СМ) среднее значение < РСМ > и дисперсия С2СМ мощности оказываются независимыми от длины когерентности источника излучения, а спектралыная плотносты мощности Бсм М обладает лорен-цевой формой с шириной спектра вдвое болы-ше ширины спектра источника, т.е. совпадает со спектром, получаемым при измерении ширины линии излучения лазера автогомодинным методом.

Для непрерывного (немодулированного) излучения нами было проведено сравнение ре-зулытатов измерений ширины спектра двумя методами: традиционным автогомодинным методом и предлагаемым методом с исполызова-нием рэлеевского рассеяния.

Аттенюатор

РИс. 2. Схема измерения ширины спектра лазера автогомодинным методом

ТЕХНОЛОГИИ

Схема измерений спектра обратного рэле-евского рассеяния приведена на рис.1. Ширина электрического спектра фотоприемника должна быты примерно на порядок болыше ширины спектра излучения тестируемого лазера.

Измеренные спектры обратного рэлеев-ского рассеяния сравнивалисы со спектрами, полученными с исполызованием автогомодин-ной методики. Схема измерений спектра оптического сигнала с исполызованием автогомо-динной методики приведена на рис. 2. Принцип автогомодинных измерений состоит в измерении спектра сигнала биений между тестируемым излучением и задержанным в линии задержки тестируемым излучением. Длина линии задержки должна превышаты длину продолы-ной пространственной когерентности тестируемого излучения.

Нами проведено измерение ширины спектра излучения непрерывных полупроводниковых лазеров различных типов, которые показали полное качественное и количественное совпадение спектров рэлеевского рассеяния и спектров автогомодинного сигнала в пределах точности измерений. Исследовалисы одномодовые полупроводниковые лазеры с шириной спектра излучения изменяющейся от ста килогерц до несколыких мегагерц. Длина линии задержки в автогомодинном методе составляла 20 км.

Резулытаты эксперименталыных исследований приведены в таблице.

Измерение спектров модулированных

оптических сигналов

Метод измерения спектра оптического излучения при помощи рэлеевского рассеяния был нами применен для измерения спектра модулированных оптических сигналов, в том числе сигналов с болышой скважностыю или даже одиночных сигналов. Такие измерения с помо-щыю автогомодинного метода провести невозможно, так как опорный импулыс и импулыс, прошедший через линию задержки, не перекрываются.

Нами впервые методом, основанным на измерении спектра модуляции мощности рэлеевского рассеяния в оптическом волокне, измерено уширение спектра импулысного излучения за счет эффекта фазовой самомодуляции в волокне.

Схема эксперименталыной установки приведена на рис. 5.

Источник импулысного излучения формирует периодическую последователыносты им-пулысов таким образом, чтобы каждый последующий импулыс приходил в волокно после

Ширина спектра, метод 1 (рэлеевское рассеяние) Ширина спектра, метод 2 (автогомодинный метод) Разница измеренных значений ширины спектра

Лазер 1 2,3±0,5 МГц 2,5±0,5 МГц 0,2 МГц

Лазер 2 1,1 ±0,5 МГц 1,0±0,5 МГц 0,1 МГц

Лазер 3 206+10 кГц 214+10 кГц 8 кГц

Лазер 4 83±5 кГц 81 ±5 кГц 2 кГц

циркулятора (рис.5) сразу после прихода всей рефлектограммы. Для конкретных условий тестирования период следования импульсов составляла 97,3 мкс, что соответствует длине волокна после циркулятора — 9730 метров. Длительность импульсов — 200 нс.

На первом участке волокна при относительно большой мощности входного излучения происходит изменение оптического спектра сигнала из-за нелинейного самовоздействия [3-5]. Такие изменения хорошо заметны на при-

веденных графиках рис.6 и рис.7. Отличие состоит в величине мощности излучения, вводимого в первый отрезок волокна. На рис.6 показан спектр импульсов в отсутствии фазовой самомодуляции, мощность на входе в волокно равна 21,0 дБм. На рис. 7 показан спектр импульсов в присутствии фазовой самомодуля-ции, мощность на входе в волокно равна 27,0 дБм. Форма импульсов, измеренная оптическим осциллографом, одинакова в двух случаях.

Рис. 3. Спектр DFB лазера. Горизонтальная шкала 100 кГц/дел, диапазон измере-ний от -500 кГц до +500 кГц, Вертикальная шкала 5 дБ/дел.

Рис. 4. Спектр DFB лазера, суженный при помощи внешнего резонатора. Гори-зонтальная шкала 100 кГц/дел, диапазон измерений от -500 кГц до +500 кГц. Вертикальная шкала 5 дБ/дел.

Импульсный

источник

излучения

_л_

Осцил-

лограф

Атте-

нюатор

Циркулятор

Фото-

приемник

■0—

Фото-

приемник

Спектроан-

ализатор

РНс. 5. Схема измерения спектра импульсного излучения с использованием рэлеевского рассеяния

REF -59 . 0 dBm

A J jBl

j '1

¡j V

J

2 1 > V

1 iji T Д

/ • K\\ k .

w1 fir iw

Рис. 6. Спектр импулыса, измеренный с помощъю рэлеевского рассеяния.

Горизонталыная шкала 5 МГи/дел (±25 МГц). Вертикалыная шкала 2 дБ/дел.

Заключение

Проведенные эксперименталыные исследования подтвердили возможносты исполызова-ния для измерения спектра непрерывного лазерного излучения метода, основанного на измерении спектра модуляции мощности рэлеевского рассеяния в оптическом волокне. Показано, что спектр модуляции мощности рэлеевского рассеяния в оптическом волокне совпадает со спектром, получаемым при исполызовании автогомодинного метода измерений.

Показано, что метод, основанный на измерении спектра модуляции мощности рэлеевского рассеяния в оптическом волокне, может быты исполызован для измерения спектра импулыс-ного излучения, который не может быты измерен традиционным автогомодинным методом.

Впервые методом, основанным на измерении спектра модуляции мощности рэлеевского

REF -53 . 0 dBm [ 1 □

ДІ tjf

Г J Ц I

* 11 X

. fib r u Ü

M.A Л ї 1 VV і ViAil ІЦ* J

•f.-v 4 VI M

Рис. 7. Спектр импульса, измеренный с помощью рэлеевского рассеяния.

Горизонтальная шкала 5 МГц/дел (±25 МГц). Вертикальная шкала 2 дБ/дел.

рассеяния в оптическом волокне, измерено уширение спектра импульсного излучения за счет эффекта фазовой самомодуляции в волокне.

Литература

1. Baney D.M., Sorin WV High resolution optical frequency analysis. In. Fiber optic test and measurement, editor D. Derickson, New Jersey, 1998.

2. Gysel R, Staubli R.K. J. Lightwave Technol., 8, №4, 561 (1990).

3. Нестеров Е.Т., Трещиков В.Н.,.Озеров АЖ, Слепцов МА., Камынин В.А., Наний О.Е., Сусьян АА ПЖТФ., 37, № 9, 55 (2011).

4. Нестеров Е.Т., Слепцов М.А., Трещиков В.Н., Наний О.Е., Сусьян АА., T-Comm, Телекоммуникации и транспорт, №8, 51 (2010).

5. Тозони О., Аксенов С.Б., Подивилов Е.В., Бабин С.А., Квант. электроника, 40, №10, 887 (2010).

"РуСо!” выбрал передатчики Waveslream

Универсальный оператор спутниковой связи "РуСат" заключил долгосрочное партнерское соглашение с американским разработчиком и производителем полупроводниковых усилителей мощности Waveslream — подразделением Gilat Satellite Networks Ltd. "РуСат" стал официальным представителем по продаже оборудования Wavestream на территории России.

Линейка оборудования Wavestream включает преобразователи частот Ku-, Ка- и С-диапазонов, а также серию бортовых полупроводниковых трансиверов Ku-диапазона AeroStream с выходной мощностью передачи 25 Вт и 40 Вт для интеграции в военные и коммерческие системы спутниковой связи. Wavestream делает ставку на использование небольшого, легкого полупроводникового усилителя мощности, выдающего мощный радиочастотный сигнал и потребляющего при этом постоянный ток меньшей мощности, для сокращения размера и стоимости всего антенного терминала.

"Мы протестировали практически всю линейку передатчиков Ku-диапазона, начиная с устройств мощностью 8 Вт, и убедились, что оборудование полностью соответствует заявленным характеристикам. Все передатчики предназначены для наружного использования, могут устанавливаться прямо на антенну и работать в любых, даже экстремальных условиях окружающей среды, что как нельзя лучше подходит для эксплуатации в российском климате", — комментирует Олег Ватулин, первый заместитель генерального директора ООО "РуСат".

Основной сферой применения передатчиков является их использование на передвижных и переносных станциях спутниковой связи (например, на антенных терминалах drive-away), где требуются небольшие габариты антенного оборудования и сниженное потребление энергии, а также в составе аппаратуры для обеспечения связи на подвижных объектах. Применение этого передающего оборудования направлено в первую очередь на существенное повышение надежности предоставления телекоммуникационных услуг.

The use of Rayleigh baclcscattering in a fiber to measure the spectrum of optical signals

Gorbulenko W, Nany O.E., Nesterov E.T., Ozerov, AG, Treschikov VN.

Abstract

The range of power modulation of the Rayleigh scattering in an optical fiber was investigated experimentally, its correlation w'th the spectrum of the input optical signal into the fiber is shown. Pulsed radiation spectrum broadening is measured by self-phase modulation in fiber, using a method based on measuring the spectrum of power modulation of the Rayleigh scattering in an optical fiber

References

1. Baney D.M., Sorin WV High resolution optical frequency analysis. In. Fiber optic test and measurement, editor D. Derickson, New Jersey, 1998.

2. Gysel P, Staubli R.K. J. Lightwave Technol., 8, №4, 561 (1990).

3. Nesterov Ye.T., Treshchikov VN.,.Ozerov A.Zh., Sleptsov M.A., Kamynin VÍA., Naniy O.Ye, Susyan AA PZHTF, 37, № 9, 55 (2011).

4. Nesterov Ye.T., Sleptsov M.A., Treshchikov VN., Nanij O.Ye., Susyan AA, T-Comm, Telecommunications and Transport, №8, 51 (2010).

5. Tozoni O., Aksenov S.B., Podivilov Ye.V, Babin SA, Quant. Electronics, 40, №10, 887 (2010).