CC BY
37ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
оптическии частотный рефлектометр на основе самосканирующего волоконного лазера
1* 12 12 Ткаченко А.Ю. , Лобач И.А. ' , Каблуков С.И. '
1 Институт автоматики и электрометрии СО РАН, г. Новосибирск 2Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск *E-mail: alinka.kacenko @yandex.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16017
Оптическая рефлектометрия является ключевой технологией, как для диагностики оптических систем, так и для распределенных сенсорных измерений [1]. Чаще всего, волоконные распределённые сенсорные системы основаны на технике временной рефлектометрии (OTDR), которая позволяет получать распределение физической величины с пространственным разрешением порядка 1 метра, что определяется длительностью зондирующего импульса. Дальнейшее уменьшение разрешения (до субмиллиметровых масштабов) может быть получено с помощью оптической частотной рефлектометрии (Optical Frequency Domain Reflectometry, OFDR). Принцип работы OFDR основан на анализе сигнала интерференции между исходным сигналом и рассеянным от волоконной линии [2] при частотном сканировании зондирующего излучения. Для реализации последнего условия требуется применение перестраиваемого лазерного источника. Полученный при сканировании частоты сигнал содержит информацию о точном положении и величине отражающих событий по длине волоконной сенсорной линии и может быть получен с помощью Фурье-преобразования. OFDR системы демонстрируют высокое пространственное разрешение до 5.5 мкм [3], возможность измерения относительно длинных линий до 10 км и более [4] и высокую чувствительность по отношению к величине коэффициента обратного рассеяния ~ -150 дБ [5].
Ключевым элементом в схеме OFDR является источник перестраиваемого узкополосного излучения, который является достаточно дорогим и сложным устройством. По этой причине ищутся новые подходы для создания более простых перестраиваемых источников излучения. В настоящей работе, в качестве источника перестраиваемого излучения предлагается использовать новый тип перестраиваемого лазера - лазер с самосканированием частоты, в котором перестройка оптической частоты происходит без использования внешних перестраиваемых элементов [6]. В этом случае лазер генерирует регулярную последовательность импульсов, каждый из которых состоит из одной продольной моды резонатора лазера, а оптическая частота меняется от одного импульса к другому ступенчатым образом.
Yb-легиро ванное
I
Лазер накачки активное волокно Скол Еолокна | Пассивное волокно
Разветви
О Z1 ¡Разветвитель "/Г?)
—и «——fiSTTVj'/д
4 метра
Разветвитель i
Ослабитель
Рис.1. Схема оптического частотного рефлектометра на основе самосканирующего лазера
Схема рефлектометра на основе волоконного самосканирующего лазера представлена на Рис.1. Схема лазера (штриховой прямоугольник на Рис.1) аналогична схеме из работы [7]. Лазер работает в режиме самосканирования длины волны в диапазоне 1050-1070 нм с генерацией последовательности регулярных импульсов линейно-поляризованного излучения. При этом каждый импульс содержит только одну продольную моду со спектральной шириной порядка 1 МГц, а частота лазера изменяется между импульсами на один межмодовый интервал (~ 5.7 МГц). Выходная мощность лазера после изолятора составила 100 мВт.
Излучение лазера поступало в интерферометр Маха-Цандера у которого в одно из плеч вставлялась измеряемая линия. Интерферометр состоял из трех разветвителей, образующих два канала распространения излучения - опорный и отраженный. Дополнительно в интерферометр был добавлен отрезок пассивного волокна для согласования его плеч. Все элементы рефлектометра были сделаны на основе компонент и волокон с сохранением линейной поляризации. В качестве исследуемой линии была выбрана система, состоящая из волоконного ослабителя и отрезка РМ
44 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВО-2019 Волоконно-оптические датчики
волокна длиной 1 метр со сколотым под прямым углом концом. В экспериментах с помощью двух фотоприемников измерялась динамика интенсивности самого лазера и интерференции после прохождения интерферометра.
На выходе из интерферометра наблюдались импульсы с медленно изменяющейся амплитудной. Форма огибающей связана с перестройкой длины волны самосканирующего лазера и несет в себе информацию о положении и интенсивности отражателей в исследуемой линии. Для извлечения формы огибающей была проделана процедура поимпульсной нормировки сигналов, аналогично работе [8]. Так как оптическая частота каждого импульса отстает от предыдущего на частоту межмодовых биений лазера, то все они являются эквидистантными в частотной области. В результат обработки извлекалась зависимость нормированной амплитуды импульса от его номера (частоты). Для получения продольного распределения отражателей вдоль исследуемой линии (рефлектограммы) к нормированному сигналу интерференции применялось преобразование Фурье. 0-1
0.535 0.540 0.545 Длина, м
0.550
1.330 1.335 1.340 1.345 1.350 1.8 Длина, м
1.9 2.0 Длина, м
Рис.2. Рефлектограмма исследуемой линии, состоящей из волоконного ослабителя и сколотого под прямым углом волокна а) общий вид, б) отражение от ослабителя, в) паразитное отражение,
г) отражение от прямого скола
В экспериментах измерялись рефлектограммы при различных потерях, вносимых ослабителем (Рис.2). Из рисунка видно, что в случае малых потерь на ослабителе наблюдается интенсивный пик отражения от выходного конца (Рис.2г). Постепенное увеличение потерь с помощью ослабителя приводит к уменьшению пика отражения от прямого скола. При этом наблюдается линейная связь между эффективным коэффициентом отражения от скола волокна и амплитудой пика. В случае, когда ослабитель полностью закрыт, т.е. потери максимальны, пик соответствующий отражению от скола становиться меньше уровня шумов и поэтому не наблюдается. Однако в этом случае появляется пик, соответствующий отражению от ослабителя (Рис.2б). Помимо полезных сигналов в рефлектограмме наблюдаются паразитные пики, например, пик на длине 1.34 м (Рис.2в) соответствует амплитудной модуляции, которая присутствует в сигнале самого источника.
Реализованный оптический частотный рефлектометр на основе самосканирующего лазера позволяет опрашивать линию длиной до 9 метров с разрешением между двумя соседними точками ~ 200 мкм и чувствительностью до —80 дБ.
Экспериментальное исследование Ткаченко А.Ю. выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-32-00563. Работа выполнена в рамках государственного задания ИАиЭ СО РАН (№ 0319-2019-0004).
Литература
Hartog A.H., An introduction to distributed optical fibre sensors, CRC Press, (2018), 440
MacDonald R.I., Appl. Opt. 20, 1840-1844 (1981)
Zhao D. et al, IEEE Photon. Technol. Lett, 29, 1379, (2017)
Wang B. et al., Opt. Express 25, 3514-3524 (2017)
Mussi G. et. al, Electronics Letters 32, 926 - 927 (1996)
Lobach I.A. et al., Laser Phys. Lett. 11(4), 045103-045109 (2014)
Tkachenko A.Yu. et al, Opt. Express 25, 17600-17605 (2017)
Ткаченко А.Ю., и др., Прикладная фотоника, 3, 37-49 (2016)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
45
