Анализ методом подсчета экстремальных значений при сканировании длины волны.

При подсчете экстремальных значений имеющих место при сканировании длины волны в диапазоне от до , среднее значение дифференциальной групповой задержки тестируемого устройства может быть определено в соответствии с выражением [14]

, (10.3.16)

где - количество экстремальных значений (максимальных и минимальных); - скорость света; - безразмерный коэффициент, который называется коэффициентом взаимодействия мод и равен 0.824 для волокна с произвольной связью мод и 1.0 для вырожденного волокна. Подстрочный индекс в , указывает, что дифференциальная групповая задержка определена для интервала длины волны.

 

Если начальную и конечную длины волн интервала заменить длинами волн первого и последнего экстремумов, количество изменений длины волны конечных точек уменьшается на одно. Несмотря на то, что количество экстремумов, как правило, достаточно велико, для получения результатов измерения, многие пользователи предпочитают определять длину волны в процессе анализа, с тем, чтобы можно было бы оценить возможность изменения в сторону уменьшения или увеличения начальной и конечной длин волн без изменения количества экстремумов.

Если тестируемое устройство показывает отсутствие связи мод, фактор объединения принимается равным единице (), а анализ основывается на первом и последнем экстремумах..

Здесь следует отметить возможность появления ложных максимальных и минимальных значений, которые могут быть вызваны зависимостью мощности оптического источника от длины волны или потерь вставки тестового волокна, что обычно вызывает необходимость в эталонном измерении.

Очевидно, что диапазон длин волн, в котором производятся измерения PMD методом сканирования длины волны, должен быть достаточно большим, чтобы выдавать статистически значимое количество экстремумов. Для оптических компонентов без связи мод, базовое измерение может включать один цикл изменения амплитуды или даже на одну пару максимального и минимального значений.

При измерении одномодового волокна точность возрастает с увеличением количества циклов, но не следует использовать более 20 циклов, при этом могут иметь место некоторые вариации результатов измерений PMD в зависимости от поляризации входной световой волны. Этого нельзя избежать, однако более точное значение может быть получено путем повторения измерения с различными ориентациями входного и выходного поляризаторов, или с другим расположением входного и выходного пигтейлов измерительного устройства. В случае оптических компонентов, количество экстремумов обычно стабильно к ориентации поляризатора, но может возникнуть необходимость его регулировки для получения хорошей взаимосвязи между двумя поляризационными модами.

Анализ методом преобразования Фурье. Анализ выходного сигнала стационарного анализатора может быть смещен во временную область с использованием преобразования Фурье. В случае использования волокна с произвольной связью мод, результирующий спектр, функционально эквивалентен интерферометрическому измерению, рассматриваемому далее, и имеет Гауссово распределение. Поэтому значение PMD определяется путем подгонки кривой Гаусса в соответствии с данными, или путем вторичного подсчета, аналогично интерферометрическому методу. Оценка выходного сигнала стационарного анализатора при помощи анализа Фурье имеет преимущество, заключающееся в том, что она графически отражает характеристики связи мод образца. Кроме этого, анализ Фурье позволяет осуществлять фильтрацию высоких частот, вызванных шумами или вибрацией, которые могут быть обнаружены как максимальные и минимальные значения при использовании метода подсчета экстремумов.

Анализ методом параметров Стокса. В рассмотренном выше методе, изменение выходного состояния поляризации от длины волны оптического излучения, определяется исходя из его передачи через анализатор. Обнаружение выходной поляризации при помощи быстрого поляриметра, дает некоторые преимущества по сравнению с использованием анализатора. Это связано тем, что значения нормализованных параметров Стокса дают полное описание выходной поляризации на данной длине волны, причем каждый параметр может анализироваться путем подсчета экстремумов или анализа Фурье, а получаемые в результате три значения дифференциальной групповой задержки усредняются. В связи с этим, по сравнению с рассмотренным выше измерением с помощью анализатора, измерения с использованием поляриметра менее зависимы от поляризации входного излучения и положения пигтейлов. Второе преимущество применения поляриметра заключается в том, что нормализованные параметры Стокса не зависят от изменений оптической мощности, в связи с чем, отпадает необходимость в проведении эталонного измерения и уровень абсолютной мощности может варьироваться во время измерения, не влияя на его точность. Поляриметр также позволяет наблюдать выходное состояние поляризации на сфере Пуанкаре с целью анализа стабильности тестового устройства. Это с одной стороны наглядно демонстрирует состояния поляризации и дисперсию, а с другой стороны исключает присущую анализатору чувствительность к механическому перемещению и изменениям температуры.

Однако при использовании поляриметра необходимо учитывать, что:

· измерение больших значений PMD требует более разнесенных длин волны и более высокого разрешения источника;

· увеличением разрешения длины волны связано с уменьшением динамического диапазона;

· диапазон длин волн должен быть достаточно широким для получения хороших статистических данных;

· когерентность источника должна быть больше измеряемого запаздывания, чтобы избежать деполяризации;

· измерение занимает очень много времени и чувствительно к вибрации волокна и температуре;

· необходима связь между входом и выходом волокна, что недопустимо в полевых условиях.

Анализ методом матриц Джонса. В отличие от рассмотренных выше методов анализа, применение матриц Джонса (JME) позволяет напрямую определить разницу групповых задержек мод с основными состояниями поляризации в зависимости от длины волны. Анализ основывается на измерении собственных матриц устройств с линейной функцией передачи, на серии длин волн. Метод может быть использован для коротких и длинных волокон, вне зависимости от степени связи мод. Ограничение линейности исключает возможность использования оптических устройств, генерирующих новые оптические частоты. При этом ограничение временной инвариантности относится только к преобразованию поляризации, вызванному устройством, и не включает абсолютную задержку оптической фазы.

Согласно методу Джонса, входной и выходной поляризованные сигналы выражаются как одноименный вектор, который состоит из двух элементов матрицы, полностью описывающей амплитуду и состояние поляризации сигнала, при характеристике линия связи матрицей 4х4. Последняя определяется из отношения измеренных выходных состояний к известным входным состояниям и описывает характеристики преобразования поляризации двухпортового устройства, включая абсолютную задержку распространения света, которая не учитывается при определении дифференциальной групповой задержки.

Схема измерения для метода JME включает настраиваемый узкополосный оптический источник излучения, поляризатор, переключаемый на три линейных состояния поляризации, быстрый поляриметр и компьютер, выполняющий функции контроля и обработки результатов измерений. Поляризация источника регулируется приблизительно до состояния окружности, чтобы сделать возможной передачу соответствующей моды через каждый поляризатор.

Матрица Джонса линии, введенной между поляризатором и поляриметром, измеряется на серии дискретных длин волн, причем значение дифференциальной групповой задержки на длине волны , подсчитывается на основе двух матриц Джонса, измеренных на двух равноудаленных от длинах волн. Получаемая в результате серия значений , изображается графически и усредняется для нахождения среднего значения дифференциальной групповой задержки . Пигтейлы волокна, идущие от поляризатора к устройству и от устройства к поляризатору обычно добавляют к результатам измерения задержку не превышающую 0.005 пс каждый.

Оптический источник, используемый в методе JME, должен быть настраиваемым и иметь достаточно узкую полосу частот, чтобы избежать деполяризации тестовым устройством. С этой целью обычно используется настраиваемый лазер с внешним резонатором.

Дифференциальная групповая задержка определяется на основе двух матриц Джонса, полученных при двух незначительно отличающихся длинах волн и определяется как [14]

, (10.3.17)

где и - групповые задержки сигналов с основными состояниями поляризации; - изменение оптической частоты, соответствующее интервалу длины волны, рад/с; и - собственные значения измеренных матриц Джонса.

Здесь необходимо отметить, что для определения дифференциальной групповой задержки не требует самостоятельного определения и .

На точность метода JME оказывает влияние паразитное двулучепреломление и стабильность тестируемой линии, точность длины волны оптического источника, точность поляриметра и повторяемость входной поляризации. Большие изменения длины волны обычно обеспечивают большую точность, однако, для того, чтобы однозначно измерить изменение поляризации, вызванное изменением длины волны, выходное состояние поляризации, создаваемое любым изменением длины волны, не должен превышать 180 градусов. Диапазон длин волн, в котором осуществляется измерение, может быть выбран в соответствии с типом тестируемого устройства.

Дифференциальная групповая задержка компонента с широкой полосой частот, как, например, оптического изолятора, часто не зависит от длины волны, и короткие серии, состоящие из от 1 до 5 переходов, позволят осуществить точное измерение. Одного перехода может быть достаточно, но серия переходов дает преимущество использования усреднения. Длинные кабели с высоким показателем объединения мод, вследствие статической природы PMD требуют более широкого диапазона длины волны, обычно полного диапазона настраиваемого лазера, и достаточно малого размера перехода для обнаружения вариации дифференциальной групповой задержки в зависимости от длины волны. Измерения PMD волокна длиной меньше метра могут быть осуществлены с использованием одного перехода между длинами волн 1300 и 1550 нм. Для кабелей короче длины объединения мод, PMD существенно не изменяется в диапазоне длин волн, в котором волокно остается одномодовым.

В соответствии с вышеизложенным, можно сформулировать основные ограничения метода сканирования длины волны, к которым, в частности, относятся:

· минимальные значения PMD ограничены спектральным разрешением, так как меньшие значения PMD требуют более высокого разрешения;

· погрешность измерения PMD пропорциональна спектральному диапазону ввиду того, что более широкий диапазон спектра требует более высокой точности и разрешения;

· определение экстремальных значений зависит от шума и других внешних воздействий;

· когерентность источника должна быть больше, чем запаздывание PMD, которое необходимо измерить, чтобы избежать деполяризации источника;

· время измерения достаточно велико и, следовательно, зависит от изменений состояния волокна во время измерения (например, к вибрации);

· необходима связь между входом и выходом волокна, что неосуществимо в полевых условиях;

· чувствительность к поляризации входного излучения.

Временные методы измерения PMD. Как было отмечено выше, в настоящее время известен ряд методов измерений PMD во временной области, к которым относятся интерферометрический метод и методы измерения по смещению фазы и задержке импульса. В последних определяется исходя из измерения фазы огибающей модулированного по интенсивности сигнала и интервала времени между импульсами двух основных состояний поляризации, соответственно.

Интерферометрический метод измерения PMD основан на измерении автокорреляции электрического поля световой волны или взаимной когерентности двух сигналов, излучаемых одним широкополосным источником. Как и методы задержки импульса и дифференциального смещения фазы, он основан на прямом измерении временной задержки [14]. На рисунке 10.22 показана обобщенная схема измерения PMD на основе интерферометра Майкельсона с установленным на выходе источника оптического излучения поляризатором и анализатором - на входе фотодетектора.

Свет от широкополосного LED или источника белого света направляется в оба канала интерферометра, а свет от перемещающегося и фиксированного зеркал накладывается в плоскости детектора. Взаимное влияние возникает, когда длина двух ответвлений различается на величину, меньшую когерентной длины источника, а максимальная видимость имеет место, когда длины каналов идентичны. При этом ширина отклика обратно пропорциональна ширине спектра источника, а амплитуда огибающей фототока является функцией временной задержки, создаваемой движущимся зеркалом, и определяемой выражением [14]

, (10.3.18)

где - расстояние от зеркала до той точки, в которой оба канала имеют равную длину.

В рассматриваемой схеме лучи интерферометра ортогонально поляризованы, а перемещение зеркала создает задержку между ними, в то время как анализатор, обеспечивает взаимное объединение выходных собственных мод тестируемого устройства на фотодетекторе.

Интерферометрический метод применим к оптическим компонентам, как с вырожденными модами, так и к оптическому волокну со связанными модами, где основные состояния поляризации являются функциями длины волны, причем, получаемые в результате измерения интерферограммы имеют существенные различия. На рисунке 10.23 приведена схема, одного из наиболее распространенных измерителей поляризационной модовой дисперсии PMD-440 компании GN Nettest Fiber Optic Division.

Данное устройство позволяет измерять значения PMD при условии превышения когерентного времени источника с представлением результата измерения во временной области в виде гистограммы (рис. 5) или гауссовского замещения (рис. 6). Для низких значений PMD или приборов обладающих особенно низкой PMD, измерения при помощи интерферометра зависят от формы спектра оптического источника и требуют введения соответствующей коррекции или использования других методов более точного определения значения PMD по измеренному отклику.

Отличительной особенностью интерферометрического метода является возможность перемещения тестируемого волокна во время измерения, так как движение изменяет только детали интерферограммы, но не всю ее форму. Вследствие того, что интерферометрический метод позволяет быстро измерять большие значения PMD и схема легко разделяется на источник и приемник, этот метод используется для измерения инсталлированного волокна. Кроме этого, введение модуляции, он позволяет проводить измерение и линий с EDFA. Таким образом, интерферометрический метод характеризуется следующими особенностями:

· измерение больших значений PMD требует пропорционального смещения подвижного зеркала;

· при измерениях когерентность источника должна быть меньше, чем измеряемая задержка и, следовательно, ширина спектра источника должна быть большой;

· измерение осуществляется быстро и независимо от вибрации волокна;

· из-за отсутствия связи между входом и выходом волокна, этот метод идеален для полевых условий;

· измерение осуществляется в широком динамическом диапазоне;

· показания зависят от состояния поляризации на входе объекта измерения.

У некоторых приборов данного типа диапазон измерения PMD составляет 30 пс с возможностью расширения до 100 пс. Динамический диапазон составляет 40 дБ, что выше, чем у большинства других приборов, используемых в интерферометрических технологиях, и ограничивающих обычно длину тестируемого волокна. Некоторые из наиболее совершенных PMD устройств имеют среднее время измерения ниже 15 с и функцию автоматического подсчета PMD.

Параметры и характеристики источников излучения Источники оптического излучения относятся к базовым элементам ВОЛП. Применение тех или других источников изучения в ВОЛП обуславливается их надёжностью, технологической интеграцией с другими компонентами, микроминиатюризацией, реализацией одномодового режима генерации в широком диапазоне рабочих мощностей, высоким быстродействием. Наилучшим образом этим условиям соответствует полупроводниковые источники излучения – светоизлучающие диоды (СИД) и инжекционные лазеры (ИЛ). Они и представляют собой основной вид излучателей в волоконно-оптической связи. Широкий спектр задач, решаемых в ВОЛП, и постоянное совершенствование источников излучения привели к созданию большого числа разновидностей этих источников, различающихся конкретной структурой и используемыми материалами. Параметры и характеристики источников излучения делятся на пространственно - временные и энергетические. Эти группы охватываю практически все параметры и характеристики. Однако с точки зрения методов и техники измерений такой подход к классификации ни технически, ни методически не оправдан. Поэтому, полностью придерживаясь стандартизованных терминов и определений, объединим в дальнейшим изложении измеряемые величины, параметры и характеристики источников излучения в следующие группы: 1.Энергетическая группа. Основной физической величиной, чаще всего подлежащей является мощность изучения Р. Все остальные параметры и характеристики этой группы функционально связаны с мощностью, аргументами в этих функциональных зависимостях является время t, длинна волны λ, пространственные координаты сечения пучка x, y, z (x, y- координаты в поперечном сечении, z – расстояние до центра сечения от входной грани источника излучения). Таким образом, внутри энергетической группы можно выделить, в свою очередь, две подгруппы параметров, определяемых через измеряемую мощность излучения: · временная: энергия Е; энергия импульса Еи; средняя мощность Рср; максимальная мощность импульса Ри мак; длительность tи и частота повторения Fиимпульсов; · пространственная: плотность энергии (мощности) WЕ(WР);относительное распределение плотности энергии (мощности) в сечении пучка, диаметр пучка d, расходимость Өр; энергетическая расходимость ӨЕР. 2. Спектральная группа. Основной физической величиной в этой группе является спектральная мощность плотности источника излучения (СПМ). В группу входят следующие параметры: частота излучения ν, длинна волны λ, ширина огибающей спектра излучения∆λ. 3. Корреляционная группа. Основные параметрами этой группы является когерентность и поляризация излучения. В таблице 11.1 приведены основные параметры и характеристики источников излучения, контролируемые при выпуске их из производства и при эксплуатации.   Таблица 11.1 – Основные параметры и характеристики источников излучения. Параметр Определение Обозначение Энергетические параметры и характеристики Энергия Энергия переносимая лазерным лучом W Мощность Энергия переносимая лазерным лучом в единицу времени Р Интенсивность Величина, пропорциональная квадрату амплитуды электромагнитного колебания J Спектральная плотность энергии (мощности)   Wλ, Wν Pλ, Pν Средняя мощность импульса   Ри. ср Максимальная мощность импульса   Ри. max Пространственно - энергетические параметры и характеристики Диаграмма направленности Угловое распределение энергии или мощности лазерного излучения   Диаметр пучка Диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения, внутри которого проходит заданная доля энергии или мощности лазерного излучения d Расходимость Плоский или телесный угол, характеризующий ширину диаграммы направленности лазерного излучения в дальней зоне по заданному уровню углового распределения энергии или мощности лазерного излучения, определяемому по отношению к его максимальному значению ӨР ӨS Энергетическая расходимость Плоский или телесный угол, внутри которого распространяется заданная доля энергии или мощности лазерного излучения ӨW, PӨW,S Относительное распределение плотности энергии (мощности) Распределение плотности энергии (мощности) излучения по сечению лазерного пучка, нормированное относительно максимального значения плотности энергии (мощности)   Временные параметры Частота повторения импульсов Отношение числа импульсов лазерного излучения ко времени Fи Длительность импульса   τи Спектральные параметры и характеристики Длинна волны Середина длинны волны спектра лазерного излучения в пределах интервала длин волн линии спонтанного излучения λ Частота Средняя частота спектра лазерного излучения в пределах интервала частот линии спонтанного излучения ν Ширина спектральной линии Расстояние между точками контура спектральной линии лазерного излучения, соответствующие половине интенсивности линии в максиуме δν, δλ Степень монохроматичности Отношение ширины огибающей спектра лазерного излучения к усреднённой по спектру по спектру частоте или длине волны лазерного излучения в данный момент времени δν/ν, δλ/λ Параметры когерентности Степень пространственно временной когерентности Модуль комплексной степени пространственно – временной когерентности при фиксированных координатах точки в пространстве и времени, равный , где: 0≤│γ12(τ)│≤1; Г12(τ) – функция взаимной когерентности; Г11(0), Г22(0) – функция взаимной Продолжение таблицы 4.1   когерентности; для точек пространства с радиусами–векторами r1 и r2 соответственно при τ=0 │γ12(τ)│ Степень пространственной когерентности Модуль комплексной степени пространственной когерентности для фиксированного момента времени, равный где: Г12(0) функция постоянной когерентности │γ12(0)│ Степень временной когерентности Модуль комплексной степени временной когерентности для фиксированной точки пространства, равный где: Г11(τ) – функция взаимной когерентности для точки пространства с радиусом –вектором r1 │γ11(τ)│ Время когерентности Минимальное запаздывание, для которого степень временной когерентности принимает значение, равное нулю   Длинна когерентности Произведение времени когерентности на скорость электро - магнитного излучения в вакууме   Параметры поляризации Плоская поляризация Плоскость, проходящая через направление распространение линейно – поляризованного лазерного излучения и направление его электрического вектора   Эллиптичность поляризованного лазерного излучения Отношение малой полу оси эллипса, по которому поляризовано лазерное излучение к его большой полуоси   Степень поляризации Отношение интенсивности поляризованной составляющей лазерного излучения к полной его интенсивности