Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию рф

Казанский государственный технический университет

им. А. Н. Туполева

д. л. айбатов, О. Г. Морозов, Ю. Е. Польский

Основы рефлектометрии

Учебное пособие

Издание 2-е, переработанное и дополненное

Рекомендовано к изданию УМО по образованию в области телекоммуникаций в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по специальности 071700 (210401) – Физика и техника

оптической связи

Казань 2008

УДК 621.395.126

Основы рефлектометрии: Учебное пособие / Айбатов Д.Л., Морозов О.Г., Польский Ю.Е. – Казань: ЗАО «Новое знание», 2008. – 116 с.

Учебное пособие разработано на базе классических и современных учебно-методических материалов с целью интенсификации процесса изучения дисциплин "Оптические направляющие среды и пассивные компоненты волоконно-оптических линий связи (ВОЛС)", "Метрология в оптических телекоммуникационных системах", студентами специальностей 210401 направления 210400 «Телекоммуникации» очных и заочных форм обучения технических университетов.

Излагаются вопросы теории обратного рассеяния, принципы построения современных рефлектометров и систем контроля параметров волоконно-оптических структур. Приведены основные характеристики, а также структурные схемы рефлектометрических систем и устройств.

Табл.- 2 . Ил. - 65 . Библиогр.: 62 назв.

Рецензенты: Марийский государственный технический университет;

Филлипов В.Л., д.ф.-м.н., профессор ФГУП НПО ГИПО

	 Д. Л. Айбатов, О. Г. Морозов, Ю.Е.Польский, 2008
	ЗАО «Новое знание», 2008

ВВЕДЕНИЕ

Быстрое развитие волоконной оптики и, в частности, волоконно-оптических систем передачи (ВОЛП) потребовало разработки удобных в эксплуатации и надежных методов диагностики характеристик волоконных световодов (ВС) и кабелей на их основе. Среди многочисленных методов таких исследований наибольшее внимание привлекает так называемый метод обратного рассеяния (МОР), или как его часто называют OTDR-метод (optical time domain reflectometry – оптическая рефлектометрия во временной области), предложенная несколько лет назад американскими учеными Барноски [1] и Персоником [2]. Об этом свидетельствуют многочисленные работы по МОР, количество которых быстро возрастает [1–5]. Большой интерес обусловлен рядом особенностей МОР: во-первых, он обладает уникальной способностью определить распределение характеристик, в частности потерь света, по длине ВС без их разрушения; во-вторых, МОР достаточно универсален и пригоден для изучения целого ряда параметров ВС; и, в третьих, МОР перспективен для изучения различных физических процессов и создания распределенных датчиков физических величин и полей. В общих чертах, принцип действия МОР основан на анализе временной формы сигнала, рассеянного назад при прохождении по ВС коротких зондирующих оптических импульсов. В такой форме данный метод получил название OTDR, однако в ряде случаев анализируются также поляризационные свойства обратного рассеяния, кроме того, зондирующий сигнал может иметь не импульсную (во времени) форму. Для усовершенствования МОР во временной области в начале 80-х годов был разработан МОР в частотной области [6]. В дальнейшем мы будем пользоваться более общим, на наш взгляд, обозначением – рефлектометрия.

Современный этап развития рефлектометрических систем направлен на дальнейшее улучшение их характеристик, изыскание новых принципов зондирования и регистрации рефлектометрической информации, разработку высокоточных измерительных преобразователей и базируется на использовании систем с непрерывным излучением. Такой акцент объясняется, во-первых, энергетической эквивалентностью импульсного зондирования с высокой пиковой мощностью и малой длительностью импульса и непрерывного зондирования с малой мощностью излучения и большим временем наблюдения, во-вторых, отработанной методикой получения пространственно-разрешенных измерений, основанной на методе линейной частотной модуляции, в-третьих, значительным прогрессом в области создания высокотехнологичной и недорогой элементной базы (источников излучения с большой длиной когерентности, широкополосных устройств управления параметрами излучения и быстродействующих фотоприемных устройств).

Подавляющее большинство непрерывных рефлектометрических систем представляют собой гомодинные системы, в которых несущие частоты опорных и измерительных каналов совпадают. Такие системы обладают простой конструкцией и возможностью непосредственного выделения и регистрации информационного сигнала. Однако в процессе фотоэлектрического преобразования в них существенную роль играют шумовые характеристики источников излучения и фотоприемников, низкочастотные шумы характерные для структурных узлов, что значительно ухудшает метрологические характеристики, а также функциональные возможности указанных систем.

Решение проблем гомодинных рефлектометрических систем основано на использовании двухчастотных методов. В этом случае, системы преобразуются в гетеродинные, у которых частоты опорных и измерительных каналов не совпадают, а смещение частот достигается за счет использования устройств формирования двухчастотного лазерного излучения (УФДЛИ). Гетеродинные системы можно разделить на два типа несимметричные и симметричные. Для несимметричных систем характерно сохранение опорной частоты в опорном канале и наличие сдвинутой относительно нее измерительной, либо наличие двух измерительных частот, одна из которых совпадает с опорной, в измерительном канале. Для симметричных систем характерно сохранение опорной частоты в опорном канале и наличие двух измерительных частот, симметрично сдвинутых относительно опорной, в измерительном.

В настоящем учебном пособии дан анализ физических особенностей оптической рефлектометрии, получены основные выражения для регистрируемых в эксперименте сигналах, рассмотрены различные варианты практической реализации методов, а также наиболее распространенные случаи применения их для исследований свойств ВС и элементов ВОЛП.

В главе 1 рассмотрены физические особенности рэлеевского, бриллюэновского и рамановского рассеяний.

В главах 2 и 3 представлены методы измерений и структуры несимметричных и симметричных систем рэлеевской рефлектометрии во временной и частотной областях.

В главе 4 рассмотрены вопросы применения симметричных систем рэлеевской рефлектометрии.

В главе 5 изучаются вопросы методологии измерений, синтеза структур и применения симметричных систем бриллюэновской и рамановской рефлектометрии.

В главах 6 – 8 обсуждаются вопросы, связанные с используемой в рефлектомтерических системах элементной базой, а именно, принципы построения источников измерительных сигналов, симметричных УФДЛИ и приемников рефлектометрических сигналов соответственно.

ГЛАВА 1

ВИДЫ РАССЕЯНИЯ В ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ И ИХ ИНФОРМАЦИОННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ