Когерентный оптический рефлектометр для мониторинга репитативных волоконнооптических линий связи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ушанов Святослав Анатольевич

• Ушанов Святослав Анатольевич
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Ушанов Святослав Анатольевич

Оглавление

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР

1. 1 Волоконно-оптические линии связи

1.2 Проблемы эксплуатации ВОЛС

1.3 Механизмы потерь в оптическом волокне

1.4 Оптический рефлектометр (OTDR)

1.4.1 Принцип работы оптического рефлектометра

1.4.2 Проведение рефлектометрических измерений

1.4.3 Динамический диапазон оптического рефлектометра

1.4.4 Типы шумов в оптическом рефлектометре

1.5 Когерентный оптический рефлектометр (COTDR)

1.5.1 Принцип работы когерентного рефлектометра

1.5.2 Поляризационный фединг

1.5.3 Шумы замирания

1.5.4 Обзор современных решений

Заключение по главе

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РЕГУЛИРОВКИ ДИНАМИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА КОГЕРЕНТНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА

2.1 Экспериментальный макет когерентного рефлектометра

2.2 Динамический диапазон когерентного рефлектометра

2.3 Влияние сигнала локального осциллятора на дальность работы прибора

2.4 Экспериментальная проверка методики расчета динамического диапазона

когерентного оптического рефлектометра

Заключение по главе

ГЛАВА 3. ПРИМЕНЕНИЕ СХЕМЫ С ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ РАЗНЕСЕНИЕМ В КОГЕРЕНТНОМ РЕФЛЕКТОМЕТРЕ

3.1 Схема с одним балансным фотоприемником и PM-волокном в пути локального осциллятора

3.2 Схема со скремблером поляризации

3.3 Схема с поляризационным разнесением

3.4 Экспериментальная проверка работоспособности схемы с поляризационным разнесением

Заключение по главе

ГЛАВА 4. МЕТОД СИНХРОННОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ОСНОВНОГО ИСТОЧНИКА

4.1 Метод модуляции частоты основного источника излучения

4.2 Результаты экспериментального исследования предложенного метода синхронной перестройки частоты основного источника

4.3 Измерение величины шага перестройки частоты источника излучения

Заключение по главе

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЙСТВУЮЩЕГО ОБРАЗЦА КОГЕРЕНТНОГО РЕФЛЕКТОМЕТРА

5.1 Действующий образец когерентного рефлектометра

5.2 Теоретическая и экспериментальная оценка динамического диапазона когерентного рефлектометра

5.3 Тестирование когерентного рефлектометра в линии с оптическими усилителями

Заключение по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ПАТЕНТ НА ИЗОБРЕТЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ТЕКСТЫ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Когерентный оптический рефлектометр для мониторинга репитативных волоконнооптических линий связи»

РЕФЕРАТ

На сегодняшний день возможность передачи больших объёмов информации на высоких скоростях и на значительные расстояния обеспечивается за счёт использования протяжённых волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), оснащённых оптическими усилителями. ВОЛС являются важнейшим техническим средством для организации связи между удалёнными регионами, как на международном уровне, так и внутри отдельных стран. На территории Российской Федерации так же реализуются масштабные проекты по созданию таких линий, включая строительство трансарктических подводных ВОЛС.

К магистральным ВОЛС с оптическими усилителями предъявляются повышенные требования к надежности, так как срок эксплуатации такой линии может составлять от 15 до 25 лет. Во время своего эксплуатационного срока линия связи может выйти из строя, поэтому необходимо осуществлять непрерывный контроль её работоспособности. Обычно, для этого применяются когерентные оптические рефлектометры (англ. Coherent Optical Time Domain Reflectometer - COTDR).

Такие приборы позволяют осуществлять непрерывный мониторинг распределенных потерь оптического излучения в оптическом волокне, используемом для передачи данных, а также осуществлять оценку местоположения дефектов и неоднородностей в нём с точностью до нескольких метров, не оказывая влияния на работу оптических усилителей.

В магистральных ВОЛС стремятся увеличить длину регенерационных участков, для сокращения числа ретрансляторов и снижения эксплуатационных расходов. В зависимости от решаемых линией связи задач, длина регенерационных участков может быть разной, поэтому COTDR-рефлектометры должны иметь большую дальность работы и, кроме того, иметь возможность ее регулировки при сохранении неизменного среднего уровня выходной оптической мощности, так как эта мощность должна быть эквивалентна оптической мощности информационных каналов в линии связи.

COTDR-рефлектометры являются интерферометрическими приборами, регистрирующими результат интерференции обратного рэлеевского рассеяния с исследуемого оптического волокна и излучения от высококогерентного лазерного источника, именуемого локальным осциллятором (ЛО). Поэтому, несмотря на значительные успехи в проектировании приборов данного типа, всё ещё существует ряд проблем, присущих всем интерферометрическим измерительным системам, связанных с поляризационным федингом, который проявляется в снижении отношения сигнал-шум интерференционных сигналов или их полном подавлении при интерференции оптических сигналов с ортогональными поляризациями, а также шумами замирания рефлектограмм. Эти шумы оказывают негативное влияние на получаемые рефлектограммы, увеличивая тем самым погрешность проводимых измерений.

Таким образом, решение этих проблем в когерентных оптических рефлектометрах является актуальной задачей и обуславливает важность темы диссертации, посвященной разработке, созданию и исследованию когерентного оптического рефлектометра, предназначенного для мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи с оптическими усилителями, а также методов повышения дальности работы прибора и снижения погрешности проводимых рефлектометрических измерений.

Целью диссертационной работы является разработка, создание и исследование когерентного оптического рефлектометра, предназначенного для мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи с оптическими усилителями, а также методов повышения дальности работы прибора и снижения погрешности рефлектометрических измерений.

Для достижения данной цели в рамках диссертации были поставлены и решены следующие задачи:

• анализ существующих решений в области оптической рефлектометрии и когерентной оптической рефлектометрии, предназначенных для

непрерывного мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи с оптическими усилителями;

• анализ основных параметров оптико-электронных компонентов, оказывающих влияние на дальность работы когерентного рефлектометра;

• анализ причин возникновения погрешностей измерений мощности обратного рэлеевского рассеяния, определение возможных путей уменьшения погрешности рефлектометрических измерений;

• разработка методики расчета динамического диапазона когерентного рефлектометра, позволяющей оценивать дальность работы прибора при различных параметрах оптико-электронных компонентов схемы и различных параметрах проводимых измерений на этапе проектирования прибора;

• разработка методики, позволяющей регулировать значение динамического диапазона когерентного рефлектометра при постоянном среднем уровне выходной оптической мощности;

• проведение математического моделирования и экспериментального исследования различных схем когерентного приема с целью выбора схемы, обеспечивающей в наибольшей степени подавление эффекта поляризационного фединга;

• разработка и исследование метода перестройки частоты оптического излучения источника, позволяющего подавить шумы замирания рефлектограмм, возникающие во время эксплуатации прибора;

• создание и исследование действующего образца когерентного оптического рефлектометра, предназначенного для мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи с оптическими усилителями;

• сравнение полученных параметров разработанного когерентного рефлектометра с существующими аналогами в одинаковых условиях для оценки результатов работы и возможности применения разработанного рефлектометра в современных волоконно-оптических линиях связи.

Методы исследования. В диссертации использовались методы математического анализа в среде MATLAB для моделирования преобразований оптического излучения в оптоэлектронных-компонентах когерентного оптического рефлектометра, а также для проведения анализа экспериментальных данных, полученных с разработанного образца когерентного оптического рефлектометра.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) Методика регулировки динамического диапазона когерентного рефлектометра, выполненного на основе схемы когерентного приема с балансным фотоприемником и перестраиваемым оптическим аттенюатором, позволяет при неизменной средней выходной оптической мощности рефлектометра подстраивать дальность его работы под требуемую длину участков регенерации волоконно-оптической линии связи с оптическими усилителями за счет изменения среднего уровня оптической мощности локального осциллятора в схеме когерентного приема, при этом максимальная дальность работы рефлектометра ограничена квантовым пределом чувствительности балансного фотоприемника.

2) Структура когерентного рефлектометра с поляризационным разнесением, выполненная на основе двух делителей поляризации и двух балансных фотоприемников, за счет выделения с помощью делителей поляризации ортогонально поляризованных компонент обратного рэлеевского рассеяния и их раздельной регистрации на двух балансных фотоприемниках с последующим получением двух независимых рефлектограмм и их суммированием, позволяет регистрировать обратное рэлеевское рассеяние с исследуемого оптического волокна с произвольным состоянием поляризации, обеспечивая увеличение динамического диапазона рефлектометра на 1,5 дБ, что соответствует увеличению дальности его работы на 7,5 км, по сравнению со стандартной схемой когерентного приема на основе одиночного балансного фотоприемника.

3) Метод синхронной перестройки частоты источника излучения со встроенным пьезмодулятором в когерентном оптическом рефлектометре за счет перестройки частоты источника излучения в диапазоне от 152 кГц до 610 кГц, осуществляемой путем подачи нарастающих уровней напряжения на пьезмодулятор с заданным шагом и периодом, равным периоду снятия рефлектограмм, позволяет уменьшить погрешность измерений мощности обратного рэлеевского рассеяния на величину до 8,8 раз для длительностей импульсов оптического излучения в диапазоне от 1 мкс до 100 мкс, по сравнению с режимом работы рефлектометра без перестройки частоты источника излучения.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1) предложена методика регулировки динамического диапазона когерентного рефлектометра, выполненного на основе схемы когерентного приема с балансными фотоприемниками и перестраиваемым оптическим аттенюатором, которая позволяет при неизменной средней выходной оптической мощности рефлектометра подстраивать дальность его работы под требуемую длину участков регенерации волоконно-оптической линии связи с оптическими усилителями, за счет изменения среднего уровня оптической мощности локального осциллятора в схеме когерентного приема.

2) предложена методика расчета динамического диапазона когерентного рефлектометра, которая позволяет оценивать динамический диапазон и дальность работы рефлектометра при заданных параметрах измерений -длительности оптических импульсов, количестве усредняемых рефлектограмм, средней выходной мощности оптического излучения с учетом минимальной детектируемой мощности балансного фотоприемника и среднего уровня оптической мощности локального осциллятора.

3) впервые предложена и экспериментально апробирована структура когерентного рефлектометра с поляризационным разнесением, выполненная на основе двух делителей поляризации и двух балансных фотоприемников, которая позволяет регистрировать обратное рэлеевское рассеяние с

исследуемого оптического волокна с произвольным состоянием поляризации и, тем самым, обеспечивает увеличение динамического диапазона рефлектометра на 1,5 дБ по сравнению со стандартной схемой когерентного приема на основе одиночного балансного фотоприемника.

4) впервые предложен и экспериментально апробирован метод синхронной перестройки частоты источника излучения со встроенным пьезмодулятором в когерентном оптическом рефлектометре, позволяющий уменьшить погрешность измерений мощности обратного рэлеевского рассеяния, за счет подачи нарастающих уровней напряжения на пьезмодулятор источника излучения с заданным шагом и периодом, равным периоду снятия рефлектограмм.

Научно-техническая задача, решаемая в диссертации, заключается в создании когерентного оптического рефлектометра, предназначенного для мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи с оптическими усилителями, разработке методики регулировки дальности его работы и методов снижения погрешности рефлектометрических измерений.

Объектом исследования является когерентный оптический рефлектометр, предназначенный для мониторинга протяженных волоконно-оптических линий связи с оптическими усилителями.

Предметом исследований являются методы повышения дальности работы прибора, методы снижения погрешности рефлектометрических измерений.

Теоретическая и практическая значимость

1) Предложенная методика расчёта динамического диапазона позволяет проектировать когерентные рефлектометры с заданным динамическим диапазоном и дальностью работы с учетом заданных параметров проводимых измерений - средней выходной оптической мощности, числа усредняемых рефлектограмм и длительности импульсов оптического излучения.

2) Предложенная методика регулировки динамического диапазона, за счёт изменения средней мощности сигнала локального осциллятора с помощью перестраиваемого аттенюатора, при неизменной средней выходной оптической мощности рефлектометра, позволяет подстраивать дальность работы прибора под требуемую длину участков регенерации волоконно-оптической линии связи с оптическими усилителями.

3) Предложенная структура когерентного рефлектометра, выполненная на основе двух делителей поляризации и двух балансных фотоприемников, позволяет регистрировать обратное рэлеевское рассеяние с исследуемого оптического волокна с произвольным состоянием поляризации и, тем самым, обеспечивает увеличение динамического диапазона рефлектометра на 1,5 дБ по сравнению со стандартной схемой когерентного приема на основе одиночного балансного фотоприемника.

4) Предложенный метод синхронной перестройки частоты источника излучения со встроенным пьезмодулятором в когерентном оптическом рефлектометре, позволяет уменьшить погрешность измерений мощности обратного рэлеевского рассеяния, за счет подачи нарастающих уровней напряжения на пьезмодулятор источника излучения с заданным шагом и периодом, равным периоду снятия рефлектограмм.

Достоверность полученных результатов подтверждается согласованием с данными, полученными в ходе обзора научно-технической литературы, теоретическими расчетами, экспериментальными данными, представленными в работе, апробацией результатов работы на российских и международных конференциях, публикациями в научных рецензируемых журналах. В ходе проведенной исследовательской работы использовался программный пакет МЛТЬАВ для моделирования, расчетов и обработки экспериментальны данных, а также широко распространенные математические методы обработки сигналов. Использованное лабораторное оборудование в данной работе являлось поверенным и сертифицированным.

Внедрение результатов работы

Полученные научно-технические результаты исследований были применены и внедрены при проектировании и конструировании действующих образцов когерентных оптических рефлектометров, предназначенных для непрерывного мониторинга работоспособности строящейся трансарктической протяженной волоконно-оптической линии связи в рамках проекта «Полярный экспресс».

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XI Конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2022 год), Пятьдесят вторая (ЬП) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2023 год), XII Конгресс молодых ученых (Санкт-Петербург, 2023 год), Пятьдесят третья ^Ш) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2024 год), XIII Конгресс молодых ученых ИТМО (Санкт-Петербург, 2024 год), Пятьдесят четвертая (иУ) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (Санкт-Петербург, 2025 год), XIV Конгресс молодых ученых ИТМО (Санкт-Петербург, 2025 год).

Личный вклад автора

Отраженные в диссертации результаты, включая разработанную методику регулировки динамического диапазона когерентного рефлектометра, математическую модель, позволяющую оценить динамический диапазон когерентного рефлектометра, математическую модель, позволяющую оценить эффективность подавления поляризационного фединга различными схемами когерентного приема, структуру когерентного рефлектометра с поляризационным разнесением, метод синхронной перестройки частоты основного источника излучения и результаты экспериментальных исследований получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автор так же участвовал в проектировании и сборке разработанных по результатам исследований образцов когерентных

оптических рефлектометров. При подготовке полученных результатов к публикации в соавторстве вклад автора имел определяющее значение.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, библиографического списка из 111 наименований. Общий объем работы составляет 207 страниц, включая 82 рисунка, 6 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Ушанов Святослав Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе определ е на завнсщ мость дпн а мт [ческо-го диапазона коге[№птного рефлектометра от мощности сигнала локаяьшкго осциллятора и приведена орнгкЕЕальная методика его расчёта, которая позволяет оценивать верхний ЕЕредел динамического диапазона для заданной мощности локального осциллятора и уровне шумов Ги"ЕР выбраЕшого балансного фотодетектора при любом режиме измереннй (длительности имЕтульсов, количества усреднений и т.д.?.

Продемонстрирован пример расчёта дина-МЕГческого диапазона когерентного рефлектометра На огл:)в; ил[).1м-гфо:| оегго-электроЕЕВых компонентов, которьЕе были згс-польэованы для создания действующего образна когерс-птноз о рефлектометра.

ДззззамЕЕческий диапазон когереЕзтного реф-лез:тометра, рассчитанный для длите л ьности импульсов 3 мз;с, выходной оптической мозц-ности 10 дБм, потерь в схеме рефлентонетра д£ и ЧЕЕСле усредняемых рефлектозрамм составил около 3&,4 .дБ, что соответствует дальности работы прибора около 100 км. Результаты эксЕзеринентальЕЕЫх иссзедона-изтй макета когереЕзтзюго р^гфлектометра про-демонстрировалзз достижение зтого динамического диапазона при мощностзт локальною оспиллятора 225,& мз;Бт, что превызпает теоретическое требуемое значение мощности лоЕ;ального осциллятора 22,4 мзШт, что объясняется наличием неучитываемЕлх в расчётах шумом интенсивности источника оптического излучения. ВеличиЕЕа динамического диапазона совпала с расчетным значением при использовании в расчётах теоретичесз^ого продела чувствительности балансного фотодетектора, Прн атом, как превышение, так и ззедостатоз-: оптической моишости сзтгпала локальЕюго осциллятора приводят к снижению динамического диапазоЕза когерентного рефлектометра.

Таким образом, ззредложенная: методика расчёта динамического диапазона ззсзноля-ет зз а отаз1е проезтнронаЕЕИя коЕ'ероЕзткого рефлектометра;:

• подобрать балансный фотодетектор с требуемым уровЕзеи шумов N ЕР:

? определить предельное теоретическое значение дина нпчес кого диа пазон а рефтектомн/гра;

• дать оценку сверху динамического диапазона когереззтного рефлектометра для заданной мощности лоз^альпого осциллятора и определить Еютепцнал для з!озможного увеличения ди н а ни чосе:ого д;з а пазон аир нбора.