CC BY
5ВКВ0-202 3 СТЕНДОВЫЕ
НОВАЯ МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ШУМОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭРБИЕВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ ДЛЯ КОГЕРЕНТНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА
Дудин А.С. 12*, Харасов Д.Р. 1, Фомиряков Э.А. 12, Никитин С.П. 1, Наний О.Е. 12,
Трещиков В.Н. 1
1 Группа компаний Т8, г. Москва 2МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва * E-mail: dudin.as@t8.ru DOI 10.24412/2308-6920-2023-6-462-463
Аннотация
В данной работе предложена методика измерения и сравнения характеристик эрбиевых усилителей, применяемых в фазочувствительных когерентных импульсных рефлектометрах (ipOTDR) в качестве усилителя мощности (бустера) и предусилителя.
9OTDR, регистрирующий рэлеевское обратное рассеяние в волокне, используется в распределенных акустических датчиках для охраны и мониторинга протяженных объектов, а также в распределённых датчиках изменения натяжения и температуры [1-9]. В 9OTDR обычно используются эрбиевые волоконные усилители (EDFA) как для усиления мощности зондирующих импульсов (бустеры), так и для усиления рэлеевского обратного рассеяния перед его регистрацией (предусилители). Эрбиевые усилители вносят шумы усиленной спонтанной эмиссии (ASE), которые могут негативно сказаться на качестве работы распределенного акустического датчика, поэтому важно уметь оценивать шумовые характеристики EDFA для 9OTDR. В волоконно-оптических етстемах связи при сравнения разных EDFA измеряют значения оптического отношения сигнал-шум (OSNR) усилителей или шум-фактор, который вычисляется из него. При этом используется оптический анализатор спектра (OSA). В 9OTDR усиливаются зондирующие импульсы и обратнорассеянное излучение с большой скважностью, поэтому измерение OSNR с помощью OSA малоинформативное. В данной работе нами предложена методика измерения и сравнения шумовых характеристик эрбиевых усилителей, применяемых в 9OTDR: были сравнены EDFA промышленного производства (далее усилитель А) и макет собственного усилителя с эрбиевым волокном производства ПНППК (далее усилитель Б).
Схема экспериментальной установки на базе 9OTDR изображена на Рис.1. Исследуемые усилители подключались к усилительному блоку по очереди в качестве бустера (EDFA 1 на схеме) и в качестве предусилителя обратнорассеянного сигнала (EDFA 2 на схеме). После усиления обратнорассеянное рэлеевское излучение регистрировалось в приёмной части рефлектометра и анализировалось. Для уменьшения влияния ASE были установлены узкополосные DWDM-фильтры с полосой пропускания 0.8 нм (100 ГГц).
На Рис.2 изображены результаты эксперимента, в котором исследуемые усилители A и Б использовались в качестве бустеров (EDFA 1). Зондирующий импульс мощностью 0.5 мВт подавался на вход исследуемого бустера, после чего происходило его усиление. Усиленный импульс измерялся с помощью фотоприемника, подключенного к осциллографу. Измерения проводились при различных токах бустера. После каждого измерения импульс отключался, и мощность усиленного на эрбиевом усилителе спонтанного излучения измерялась с помощью оптического измерителя мощности. Результаты усилителя А оказались хуже: мощность спонтанного излучения при тех же значениях выходной мощности была выше на 0.5-1 дБ, чем при использовании усилителя Б.
Во втором эксперименте исследуемые усилители использовались в качестве предусилителей (EDFA 2 на схеме). Мощность импульса составляла 150 мВт. Рефлектограммы записывались в течение 35 мкс, чтобы было видно шум за пределами линии. Для сравнения EDFA в работе измерялась отношение сигнал-шум фототока рефлектограммы (SNRR), где под мощностями сигнала S и шума N подразумеваются среднеквадратичное значение рефлектограммы в области волокна (до 15 мкс) и вне его (после 20 мкс), где наблюдаются только шумы, соответственно (см. Рис. 3). В силу зависимости интенсивности рефлектограммы от внешних факторов, для накопления статистики требуется анализ большого количества рефлектограмм (по 10000 шт. через 1 мс). Сравнение гистограмм SNRR для обоих усилителей показано Рис. 4. Отношение сигнал-шум усилителя Б оказалось в среднем выше на 1.25 дБ, чем у усилителя А.
В ходе работы предложена методика оценки шумовых характеристик эрбиевых усилителей, применяемых в когерентных рефлектометрах, а также приведено сравнение двух усилителей, в
ВКВО-2023- СТЕНДОВЫЕ
результате которого макет собственного усилителя с волокном производства ПНППК (г. Пермь) показал лучшие результаты как в качестве предусилителя, так и в качестве бустера.
SMF
Рис.1 Схема экспериментальной установки для сравнения EDFA Рис. 2. Зависимость средней мощности в качестве бустера и предусилителя усиленного спонтанного излучения
(в полосе 0,8 нм - 100 ГГц) на выходе бустера от выходной пиковой мощности импульса
0 6 • ~ Усилитель А s I-1 Усилитель Б
- jJlil
а14 ■ J iij jSjn
\Ж_
17 18 19 20 21
Отношение сигнал-шум, дБ
Рис. 4. Гистограммы отношения сигнал-шум рефлектограмм для разных усилителей
Литература
1. Муратов Э.М. Опыт применения программно-аппаратного комплекса «Дунай» для охраны протяженных объектов //Подготовка профессиональных кадров в магистратуре для цифровой экономики (ПКМ-2020). -2021. - С. 201-205
2. Stajanca P., et al, Detection of leak-induced pipeline vibrations using fiber—Optic distributed acoustic sensing //Sensors. - 2018. - Т. 18. - №. 9. - С. 2841. https://doi.org/10.3390/s18092841
3. H. Wu, et al, Safety monitoring of long distance power transmission cables and oil pipelines with OTDR technology //CLEO: Applications and Technology. - Optica Publishing Group, 2015. - С. ATu1M. 4. https://doi. org/10.1364/CLEOA T. 2015.A Tu1M. 4
4. Бухарин М.А., Шишков К.В. Технологии виброакустического мониторинга для нужд железнодорожного транспорта //Железнодорожный транспорт. - 2020. - №. 4. - С. 58-59
5. Бухарин М.А. и др. Позиционирование подвижного состава с использованием нейронных сетей //Автоматика, связь, информатика. - 2019. - №. 9. - С. 8-10
6. Mateeva A. et al. Advances in distributed acoustic sensing (DAS) for VSP //SEG Technical Program Expanded Abstracts 2012. - Society of Exploration Geophysicists, 2012. - С. 1-5
7. Nikitin S.P., et al. Distributed temperature sensor based on a phase-sensitive optical time-domain Rayleigh reflectometer //Laser Physics. - 2018 DOI 10.1088/1555-6611/aac714
8. Бухарин М.А., и др. Комплексная система мониторинга протяженной инфраструктуры на основе анализа виброакустических сигналов, градиентов температуры и растяжения оптического волокна //Фотон-экспресс. - 2021. - №. 6 (174). - С. 249
9. Shatalin S.V., Treschikov V.N., Rogers A.J. Interferometric optical time-domain reflectometry for distributed optical-fiber sensing //Applied optics. - 1998. - Т. 37. - №. 24. - С. 5600-5604
Рис. 3. Примеры записанных рефлектограмм для разных усилителей
