Когерентный рефлектометр с полупроводниковым источником излучения

Приведены результаты экспериментальных исследований пространственного разрешения и чувствительности опытного образца распределенного датчика вибраций и импульсного давления на основе когерентного оптического рефлектометра. Продемонстрирована возможность обнаружения человека, идущего в метре от закопанного кабеля. Источником излучения является полупроводниковый DFB-лазер с внешней модуляцией и оптическим усилителем мощности. Результаты численного моделирования согласуется с основными экспериментальными результатами, и подтверждают возможность использования серийных DFB-лазеров в качестве источника излучения в когерентном рефлектометре. Создан экономичный и удобный для работы в полевых условиях прибор, удовлетворяющий по своим характеристикам требованиям большинства приложений когерентной рефлектометрии.

Введение

В последнее время возросла потребность в мониторинге вибраций сооружений повышенной ответственности, в распределенных системах диагностики возгораний и системах защиты от несанкционированного доступа. Метод когерентной оптической рефлектометрии (COTDR) решает задачи распределенной диагностики наиболее эффективно, а в ряде случаев альтернатив ему не существует. Этим объясняется активизация исследований COTDR и датчиков на их основе в последние годы [1-4].

Для обеспечения высокой чувствительности когерентного рефлектометра к внешним воздействиям требуется импульсный источник излучения, обладающий одновременно узким спектром (большой длиной когерентности), воспроизводимостью частоты и большим контрастом. Требуемая длина когерентности, являющаяся необходимым условиям возникновения интерференционной картины от случайно распределенных вдоль волокна рассеивающих центров, обеспечивается в непрерывных полупроводниковых лазерах, но трудно достижима в импульсном режиме из-за возникновения чирпа.

Воспроизводимость частоты на уровне десятых от ширины линии излучения, обеспечивающая стабильность интерференционной картины, необходима для дифференциальных измерений, что трудно получить в лазерах с прямой модуляцией. Большой контраст, порядка отношения длины тестируемого волокна к длине импульса (порядка 50 дБ) необходим для устранения фонового излучения, снижающего видность интерференционной картины.

Для выполнения указанных требований и получения большой глубины модуляции интерференционной картины рефлектограммы в опубликованных работах использовались одномодовые волоконные лазеры различных конструкций [1-2]. Однако волоконные лазеры являются сложными и дорогими устройствами, существенно ограничивающими возможности использования в полевых условиях. В работе [5] описан источник излучения на основе полупроводникового импульсного лазера, однако для его работы требовались тщательная система стабилизация и специально подобранный режим включения питания, что не позволяет эффективно управлять параметрами выходного излучения.

В работе [6] источником излучения служил полупроводниковый лазер, но используемая для стабилизации его частоты сложная система, содержащая привязку частоты к линии поглощения молекулы HCN, вряд ли подходит для использования вне стен лаборатории. В настоящей работе описана конструкция и результаты экспериментальных исследований когерентного рефлектометра с передатчиком на основе полупроводникового РОС лазера с двойной модуляцией, предложенного в [4].

Принцип действия и области применения COTDR

Принцип действия COTDR схож с принципом действия обычного рефлектометра: в тестируемую линию вводится мощный короткий зондирующий импульс, а временные зависимости мощности рассеянного назад излучения измеряются и анализируются с использованием различных алгоритмов обработки рефлектограмм. Поскольку размер рассеивающих центров менее 10 нм — мал по сравнению с длиной волны, то свет на них рассеивается во все стороны, в том числе и назад в моду волокна. В когерентном рефлектометре рассеянное назад на отдельных релеевских центрах световое излучение складывается когерентно, т.е. складываются комплексные амплитуды рассеянных на отдельных центрах волн. В силу случайного распределения релеевских центров фазы рассеянных назад волн тоже случайны и, следовательно, мощность рассеянного назад излучения (рефлектограмма) также описывается случайной функцией, аргумент которой — временная задержка относительно зондирующего импульса. Малые изменения в относительном расположении релеевских центров приводят к изменению разности фаз складывающихся волн и, следовательно, к изменению вида рефлектограммы (в исследованном варианте когерентного рефлектометра надежно регистрируются относительные смещения релеевских центров рассеяния на уровне 100 нм).

Высокая чувствительность COTDR к внешним механическим и температурным воздействиям определяет перспективность их применения в большом числе приложений. Среди важнейших приложений следующие: мониторинг внешних воздействий на кабельную инфраструктуру волоконно-оптические линии связи, на нефте- и газопроводы; измерение вибраций сооружений повышенной ответственности; распределенные измерения механических воздействий в системах защиты от несанкционированного доступа; распределенные измерения вариаций температуры в системах пожаробезопасности и др.

Активизация исследований COTDR и датчиков на их основе в последние годы [1-4] объясняется еще и тем, что для целого ряда приложений в качестве распределенных датчиков могут использоваться стандартные оптические волокна протяженной и разветвленной кабельной инфраструктуры телекоммуникационных сетей связи.

Конструкция COTDR и экспериментальная установка

Внешний вид опытного образца COTDR "Дунай" компании Т8 приведен и его принципиальная схема приведены на рис. 2. Рефлектометрический блок COTDR "Дунай" (рис. 2, вверху) содержит передающий и приемный модули с блоком обработки рефлектограмм.

Передающий модуль формирует короткий оптический импульс, который через делитель 50/50 и выходной оптический разъем подается в тестируемое волокно, выполняющее роль распределенного датчика. Сигнал обратного рассеяния принимается приемным блоком, обрабатывается устройством обработки и подается на монитор (рис. 4).

В качестве источника излучения в исследованных оптических передатчиках использовался полупроводниковый лазер с распределенной обратной связью (РОС-лазер), а импульс заданной формы формировался внешним модулятором. Для увеличения энергии импульсов использовался волоконный эрбиевый усилитель (EDFA), обеспечивающий импульсную выходную мощность тестового сигнала более 1 Вт при длительности 100 нс.

Результаты экспериментальных исследований

Для обеспечения высокой чувствительности когерентного рефлектометра требуется импульсный источник излучения (t ~~100 нc), обладающий одновременно узким спектром, стабильной длиной волны, большим контрастом (гашением импульса) и длиной когерентности не менее десяти метров.

При прямой модуляции РОС лазера током накачки обеспечивается необходимый контраст, так как достигается полное гашение генерации при выключении тока накачки. Однако, в полупроводниковых РОС лазерах модуляция накачки и мощности излучения неизбежно сопровождается модуляцией частоты несущей — чирпом, приводящим к расширению спектра на фронтах импульса. Наличие паразитного чирпа приводит к уменьшению контраста рефлектограммы и к снижению чувствительности когерентного рефлектометра.

Наибольшей стабильностью длины волны и наиболее узким спектром обладают непрерывные полупроводниковые РОС лазеры, однако коэффициент гашения (25 дБ) использовавшегося в эксперименте электрооптического модулятора (ЭОМ) не
обеспечивал необходимого уровня подавления "фоновой засветки" (не менее 45 дБ). Наличие "фоновой засветки" увеличивает уровень шумов и тоже приводит к снижению чувствительности рефлектометра.

В рефлектометре "Дунай" компании Т8 для формирования коротких световых импульсов реализован метод двойной модуляции. Идею метода поясняет рис. 3, на котором показан относительно длинный (1 мкс) импульс от полупроводникового DFB лазера с прямой модуляцией и вырезанный из него с использованием электрооптического модулятора (ЭОМ) тестирующий импульс. Даже при умеренном значении контраста модулятора (25 дБ) такая схема обеспечивает требуемое подавление фоновой засветки, при этом электрооптический модулятор, вырезая малую часть первоначального импульса, убирает участки с чирпом.

Проведенные сравнительные лабораторные исследования чувствительности рефлектометра с различными схемами модуляции показали, что при использовании передатчика на основе полупроводникового РОС лазера и электрооптического модулятора с контрастом порядка 25 дБ наибольшая чувствительность обеспечивается при использовании двойной модуляции. Исследования чувствительности рефлектометра к движению человека и автомобиля в полевых условиях проводились на полигоне, на котором был закопан отрезок телекоммуникационного кабеля ИКБ-М4П-А8-8.0 производства "ИНТЕГРА Кабель". Схема укладки кабеля приведена на рис.4.

Регистрация движения (перемещения) различных объектов проводилась как в автоматическом режиме простейшей программой распознавания, реагирующей на уровень сигнала разности последовательных рефлектограмм, так и визуально по картине "водопада".

Картина "водопад" показывает уровень и место воздействия на кабель в зависимости от времени (рис. 5). Проведенные исследования показали, что исследованная модель рефлектометра надежно регистрирует движение человека на расстоянии 1 м от кабеля, движение легкового автомобиля на расстоянии 8 м, движение грузового автомобиля на расстоянии 50 м.

Численная модель и результаты расчетов

Когерентный рефлектометр может быть приближенно описан моделью множества отражателей, основные предположения которой:

• большое число M отражателей расположено случайно вдоль волокна;
• отражения от них складываются когерентно на оптическом приемнике;
• с изменением температуры волокна или лазерной частоты, значение фазы сигнала, отраженного от каждого центра, будет варьироваться в пределах 0 <ø_m < 2π.

Для теоретического исследования работы когерентного рефлектометра мы использовали модель со следующими параметрами:

• длина волокна: 100 м,
• число отражающих центров: 100 центров на 1 метр волокна,
• амплитуда отражения центров случайно изменяющаяся в заданных пределах величина,
• форма сигнала — супергаусс,
• длительность зондирующего импульса — 100 нс,
• ширина полосы приемника 20 МГц (НЧ фильтр Баттерворта 6-ого порядка).

Влияние полосы приемника изучалось путем сравнения рефлектограмм, полученных при выключенном и включенном фильтре.

Для обнаружения воздействия необходимо вычесть из рефлектограммы после воздействия рефлектограмму до воздействия. Таким образом, для обеспечения высокой чувствительности необходимо чтобы генерируемые зондирующие импульсы обладали узким спектром (были спектрально ограниченными) и высокой воспроизводимостью частоты.

Ширина полосы приемника должна быть согласована с длительностью зондирующих импульсов. Показано, что получения максимальной средней чувствительности при заданном пространственном разрешении ширина электрической полосы приемника должна лежать в диапазоне (0,6-0,8)/t. Чувствительность датчика падает при наличии паразитной частотной модуляции оптического импульса, нестабильности несущей оптической частоты и при уменьшении глубины модуляции зондирующего сигнала.

Заключение

Сравнение экспериментальных исследований с результатами численного моделирования показало, что с помощью когерентного рефлектометра надежно регистрируются локальные воздействия, приводящие к изменению фазового набега в области возмущения 0,1 рад, что соответствует абсолютному удлинению короткого участка волокна примерно на 100 нм. Оценка чувствительности к относительному удлинению дает значение εL ~~10–8 при пространственном разрешении 10 м.

Проведенные исследования позволили оптимизировать конструкцию и создать экономичный и удобный для работы в полевых условиях прибор. Полевые испытания показали, что когерентный рефлектометр "Дунай" по своим характеристикам удовлетворяет требованиям большинства приложений когерентной рефлектометрии.

Литература

1. Горшков Б.Г. и др. Lightwave Russian Edition, №4, 2005.
2. Juarez J.C. et al. J. of Lightwave Technology, Vol. 23, №6, 2005.
3. Слепцов М.А., Трещиков В.Н., Шаталин С.В. 1-ая Всеросс. конф. по волоконной оптике, Пермь, 2007.
4. Трещиков В.Н., Наний О.Е., Нестеров Е.Т. 2-ая Всеросс. конф. по волоконной оптике, Пермь, 2009.
5. Горшков Б.Г. и др.. Квантовая электроника, 36, 963-965, 2006.
6. Koyamoto Y., Imahama M., Kubota K., Hogari K. JLT, 27, 11421146, 2009.