автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Метод и аппаратура частотно-модулированного зондирования в измерении параметров волоконных световодов

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Одномодовые волоконные световоды и методы измерения их параметров . .

1.1. Основные параметры волоконных световодов.

1.2. Импульсная рефлектометрия волоконных световодов . .

1.3. Импульсное зондирование одномодовых волоконных световодов.

1.4. Методы измерения параметров волоконных световодов непрерывным зондирующим излучением.

1.5. Измерение временных параметров.

Глава 2. Метод частотно-модулированного зондирования волоконных световодов

2.1. Метод частотно-модулированного зондирования при определении длины волоконного световода.

2.1.1. Основы метода частотно-модулированного зондирования. Измерение частоты сигнала.

2.1.2. Пилообразные функции модуляции.

2.1.3. Гармоническая функция модуляции.

2.2. Спектр сигнала при частотно-модулированном зондировании .

2.2.1. Гармоническая функция модуляции.

2.2.2. Спектр сигнала биений при пилообразной функции модуляции.

2.3. Влияние параметров лазера со свипированием длины волны на сигнал биений.

2.4. Влияние нелинейности перестройки частоты источника излучения на спектр сигнала биений. .-

Глава 3 Теоретическое и экспериментальное исследование разрешающей способности метода частотно-модулированного зондирования.

3.1. Численное моделирование метода.

3.1.1. Блок-схема программы численного моделирования. .

3.1.2. Численное моделирование с анализом формы сигнала биений.

3.1.3. Численное моделирование с анализом спектра сигнала биений.

3.2. Экспериментальное исследование разрешающей способности метода ЧМЗ. -

Глава 4. Разработка измерительных установок на основе метода частотно-модулированного зондирования.

4.1. Методика расчета и основы проектирования измерителей на основе метода ЧМЗ. .

4.1.1. Основные варианты ЧМЗ.

4.1.2. Частотный расчет измерителей.

4.1.3. Энергетический расчет измерителей с ЧМЗ.

4.2. Разработка установки для измерения эффективной длины волоконных световодов. .

4.3. Измеритель амплитудно-частотной характеристики фотоприемника.-

Глава 5. Метод частотно-модулированного зондирования в защите информации от несанкционированного съема информации в ВОСП. .

5.1. Защита информации в ВОСП.

5.2. Метод ЧМЗ в системах защиты информации.

5.3. Методы повышения надежности ВОСП.-.127.

5.4. Фотоприемник широкодиапазонный.

5.5. Фотоприемное устройство. -

АКТУАЛЬНОСТЬ. В последнее время в технологии производства информационных систем важнейшее место заняло производство волоконных световодов (ВС), а также элементов и систем на основе ВС.

К таким системам относятся волоконно-оптические системы передачи (ВОСП) и волоконно-оптические измерительные системы на основе световод-ные датчики (СД).

К технико-экономическим преимуществам систем на основе ВС относится большая чувствительность и малая инерциальность СД, высокая скорость и скрытность передачи в ВОСП, малый вес и габариты, а также технологичность и малая стоимость систем в случае массового производства.

Наиболее перспективными являются системы на основе одномодовых волоконных световодов (ОВС) и, в особенности, на основе анизотропных волоконных световодов (АОВС) - волокнах, сохраняющих состояние поляризации. Именно эти ВС позволяют исключить влияние пространственных и поляризационных мод, значительно уменьшить временную дисперсию прохождения оптических сигналов через ВС, что позволяет обеспечить максимальную чувствительность СД и высокую скорость передачи информации в ВОСП. Созданные в настоящее время АОВС сохраняют состояние поляризации распространяющегося в них оптического сигнала на расстояние порядка 1 километр и имеют при этом минимальные потери. Такие волокна позволяют обеспечить создание высокоскоростных ВОСП и СД с минимальным дрейфом нуля.

Однако, дальнейший прогресс в разработке высокочувствительных СД на основе ВС, успешная отработка технологии изготовления их элементов в значительной степени обусловлены возможностями измерения временных, энергетических и поляризационных характеристик как ВС, так и элементов СД и ВОСП на их основе.

В настоящее время для измерения вышеперечисленных параметров успешно применяется метод импульсного зондирования ВС. Однако, этот метод не обеспечивает необходимого пространственного разрешения, а в ОВС значительно уменьшает возможности по чувствительности. Малая чувствительность метода импульсного зондирования не позволяет измерять поляризационные характеристики современных АОВС.

Наиболее перспективным методом измерения параметров ВС, свободным от указанных выше недостатков и обеспечивающим измерение параметров перспективных ВС и СД, является метод зондирования ВС непрерывным оптическим излучением, и, в частности, метод частотно-модулированного зондирования (ЧМЗ).

К началу исследований по теме диссертации имелось значительное количество работ по методу импульсного зондирования ВС, а также и по методу ЧМЗ. При этом по методу ЧМЗ ВС в основном описывались результаты исследований поляризационных параметров АОВС. Имелись также примеры описания установок, реализующих метод ЧМЗ. Однако, для широкого практического использования метода ЧМЗ ВС необходима тщательная теоретическая проработка "радиотехнических" аспектов метода: основных ограничений метода, влияния параметров электронных узлов установки на параметры метода. Необходимо разработать методику расчета измерителей на основе ЧМЗ, сформулировать требования к элементам установки и обеспечить выполнение этих требований.

Актуальность диссертационной работы обусловлена необходимостью разработки методов измерения параметров волоконно-оптического тракта, обеспечивающих диагностику современных ВОИС и ВОСП.

Основной целью диссертационной работы являлось:

- создание научно-технических основ разработки измерителей основных параметров ВС;

- разработка измерителя эффективной длины элементов СД на основе ВС;

Важнейшей задачей являлся поиск путей повышения надежности работы ВОСП.

Для решения поставленной цели в настоящей работе сформулированы и решаются следующие задачи:

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ: оценка влияния вида функции модуляции ЧМЗ сигнала на разрешение метода;

- оценка влияния параметров функции модуляции на разрешение метода;

- оценка влияния длины когерентности и наличие режима перескока мод ЧМЗ сигнала на спектр сигнала биений.

МЕТОДИЧЕСКИЕ:

- разработка численного моделирования методов ЧМЗ;

- разработка методики инженерного расчета измерителя параметров ВС на основе метода ЧМЗ;

- разработка метода повышения надежности ВОСП.

АППАРАТУРНЫЕ:

- разработка лабораторной установки для измерения эффективной длины ВС.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Созданы научно-технические основы и экспериментальная база для разработки измерителей параметров ВОТ на основе метода ЧМЗ, обеспечивающих диагностику состояния современных ВОСП и ВОСПИ.

2. Рассмотрено влияние формы и параметров функции модуляции на пространственное разрешение метода ЧМЗ. Показано, что наиболее приемлемой является линейная частотная модуляция с мгновенным обратным ходом. Показано, что предельное пространственное разрешение метода зависит лишь от девиации частоты ЧМЗ сигнала. Получено выражение для дополнительного уширения и сдвига спектра вследствие нелинейности перестройки частоты.

3. Рассмотрено влияние конечной длины когерентности и режима "перескока мод" источника ЧМЗ сигнала на сигнал биений и параметры метода. Показано, что конечная длина когерентности приводит к появлению импульсной помехи в сигнале биений, а режим перескока мод вызывает импульсные высокочастотные помехи, сбои фазы и искажение формы сигнала биений.

4. Разработан метод численного моделирования метода ЧМЗ, сформулированы требования и разработано программное обеспечение численного моделирования. Исследования метода ЧМЗ посредством численного моделирования подтвердило теоретические предположения о влиянии параметров и режимов работы источника зондирующего излучения на особенности работы измерителей.

5. Разработана лабораторная установка для измерения эффективной длины ВС. Экспериментально подтверждена зависимость пространственного разрешения от параметров функции модуляции. Установка обеспечивает разрешение до 2,2 м.

6. Предложен способ и устройство создания ВОСПИ с высокой степенью защиты от несанкционированного сьема информации.

7. Предложен способ и устройство измерения АЧХ фотоприемников на основе метода ЧМЗ.

8. Разработана методика расчета и проектирования измерителей на основе метода ЧМЗ.

9. Разработаны и внедрены фотоприемник широкодиапазонный и фотопри-;емное устройство, обеспечивающее измерение оптических мощностей в 2-х каналах.

10. Результаты диссертации использовались в НИТС при разработке измерителей, обеспечивающих технологическую отработку волоконных световодов на основе силикатных материалов, а также элементов световодных датчиков по темам ,1268704, 1268802,1209001, ; что подтверждается соответствующими актами.

1. Яковлев М.Я., Свинцов А.Г. Частотные методы зондирования оптических волноводов при измерении временных и энергетических параметров.-В сб.;У Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические системы передачи"; Тез.докл. М., 1988 г.

2. Яковлев М.Я., Свинцов А.Г. Оптимизация модуляционной Функции при частотно-модулированном зондировании оптических волноводов. В сб.; У Всесоюзная конференция "Волоконно-оптические системы передачи"; Тез.докл. - М., 1988 г.

3. Яковлев М.Я., Свинцов А.Г. Частотно-модулированное зондирование для измерения временных и энергетических характеристик оптических волноводов. Технология средств связи, сер. Технология производства и оборудование М., 1988 г.

4. Яковлев М.Я., Свинцов А.Г. Оптимизация модуляционной Функции при частотно-модулированном зондировании оптических волноводов. Технология средств связи, сер.Технология производства и оборудование - М., 1988 г.

5. Свинцов А.Г„Яковлев М.Я., Патент РФ "Волоконно-оптическая система передачи информации", №1729263 с приоритетом от 19.04,1990г

6. Свинцов А.Г., Саутенков В.А., Патент РФ "Полупроводниковый лазер" №1764485, с приоритетом от 15.06.1988г

7. Яковлев М.Я., Свинцов А.Г. Выбор источника излучения для частотно-модулированного зондирования.-Депонированная рукопись,Над 14444,1989 г.

8. Акульшин A.M., Саутенков В.А., Свинцов А.Г., Яковлев М.Я. "Способ измерения АЧХ фотоприемника и устройство для его осуществления", положительное решение от 7.12.1988 г.

9. Акулышш A.M., Саутенков В.А., Свинцов А.Г., Яковлев М.Я. "Способ измерения затухания в оптических волноводах"положительное решение от 19.10.1988 г.

10. Свинцов А.Г. "Фотометр", положительное решение от 25.11.1988 г.

11. Свинцов А.Г. Канцырев B.J1. Симановский А.Н. "Фотометр", положительное решение от 26.11.87 г.

12. Введение в технику измерений оптико-физических параметров световод-ных систем/ под ред. А.Ф.Котюка, М.: Радио и связь, 1987 г.

13. А.Г.Шерементьев. Волоконный оптический гироскоп. М.:Радио и связь, 1987 г.

14. Дж.Мидвинтер. Волоконные световоды для передачи информации. М.: Радио и связь, 1983 г.

15. Григорьянц В.В., Чаморовский Ю.К. Диагностика волоконных световодов и оптических ослабителей методом обратного рассеяния. /Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника 1982 - т.29 стр.47-78.

16. Шикетанц Д. Теория измерения по методу обратного рассеивания в световодах. Зарубежная радиотехника 1981, стр.87-94.

17. Ю.В.Введенский, Ю.М.Грязнов, А.Б.Зуев, Ю.Е.Спиричев Оптический рефлектометр для многомодовых волоконных световодов, Измерительная техника, 1984 , стр.30-32.

18. Л. P.Kaminow "Polarization in Optical Fibers." IEEE Journal of Quantum Electronics-. ОЕ-17, N1, 1981, pp.15-22.

19. P.Healey."Review of Long Wavelength Single-Mode optical fiber Reflecto-metry Technicals"Journal of Lightwave Technology vol,LT,N4, 1985, pp.875-886.

20. A.I Rogers "Polarisation-optical time domain reflectometry: a technique for the measurement of field distributions" Appl. Opt., vol.20, pp.1060-1074,1984

21. M.P.Gold, A.H.Hortoq "Imprower-dynamic-range singlemode OTDR at Г.З mkm" Electron. Letttt., vol.20, pp. 285-287, 1984

22. J.C.Simon "Semicondauctor laser amplifier for single-mode optical fiber communications" J. Optical Communications, vol.4 pp.87-98, 1983.

23. P.Healey, D.R. Smith "OTDR in single-mode fiber at 1.55 mkm using a semiconductor laser and p-i-n FET" Electron Lett, vol 18, pp.959-961, 1982.

24. P.Healey, O.J. Malyon "OTDR in single-mode fiber at 1.55 mkm using a heterodyne detection" Electron Lett, vol 18, pp.862-863

25. M.Nakazawa, M.Tokuda, Y.Negishi " Measurement of polarisation mode coupling along a polarisation-maintaing optical fiber using a backcattering technique" Opt.Lett., vol.8, pp.546-548, 1983.

26. M.Nakazawa, M.Tokuda, M.Tokuda,Y.Negishi " Measurement of polarisation mode coupling along a polarisation-maintaing optical fiber using a backcattering technique" J. Opt. Soc. Amer., A, v.l, pp285-291, 1984.

27. L. Stensland, G.Borak " Roman time-domain reflectometry" in Proc. 3-rd Int. Conf. Optic and Fiber Comm." IOOC 81, 1981, pp. 104-105.

28. J.J.Bernard, E.Depresies, L. Jeunhomme "1.3 mkm reflectometer for the field test of single-mode fiber cables" in Proc. Simp. On Optical Fiber Measurements", 1984, pp.95-98

29. S.A. Kingsiey, D.E.Davies "OFDR diagnostics for fiber and integrated-optic systems" El.Lett., 21(10),May 1985,p434.

30. H. Chafouri-Sherar "Recent developments in conventional and coherent optical time domain reflectometry" , Opt. And Laser Techn. V.21,N1,pp.17-25,Peb. 1989

31. H. Chafouri-Sherar, T. Okoshi "Optical Frequency Domain Reflectometry ", J. Opt. And Quant. Electron., 18 (Jul 1986), pp.265-272.

32. H. Chafouri-Sherar, T. Okoshi "Optical-fiber diagnostic using Optical Frequency Domain Reflectometry ", Opt. Lett.,v. 10, N3, pp. 160-162,1985.

33. W. Eickhoff, R. Ulrich " Optical Frequency Domain Reflectometry in singlemode fiber" Appl. Phys. Lett. 39(9), N1, pp.693-695,1981.

34. W. Eickhoff " Measurement of spectrial didtribution of random polarisation coupling in single-mode fibers" 9 European Conference on Opt. Comm. Oct, 1983, pp. 197-200.

35. MacDonald "Optical Frequency Domain Reflectometry" ,Applied Optics, v20, N10, 1981,pp. 1840-1844.

36. H. Chafouri-Sherar, T. Okoshi "Fault Location in Optical-fiber using Optical Frequency Domain Reflectometry ", Journal of Lightwave technology, 1986,v LT-4, N3,pp316-321.

37. K.Tokuda, J.Noda, Y. Sasaky, "Measurement of spectrial didtribution of mode coupling in polarisationmaintaing fibers" Electron Lett., v. 20, pp.119-121,1984.

38. H. Barfuss, E. Brinkmeyer " Polarisation holding and anisotropic Reyligh scattering in birefringent single-mode fiber" 9th European Conference on Opt. Comm., Oct., 1983, pp.197-200.

39. K.Kikushi, T. Okoshi, Opt. Lett., 1983 , v8 , N2 , pp. 122-128

40. Kapron F.B., Forreli N.F. IEEE J. Quant. Electron., 1972, v8, N2,pp.221-225.

41. N Knada, D.L. Franzen "Single-Mode fiber dispersion measurements using optical sampling with a mode-locked laser diode" Opt. Lett.,v. 11, N5, 1986.

42. Y. Sasaki, N. Shibata, J. Noda " Splicing of single-polarisation fibers by an optical short-pulse method" Electron. Lett., 1982, v8, pp.997-999.

43. M.Monerie, P. Lamouler " Polarisation-mode dispertion measurement in long single-mode fibers" Electron Lett., 1980,v.l6, pp.907-908.

44. Y. Yamabayashi, M. Sazuwatari " New measurement method for polarisation dispertion in single-mode fibers employing frequency modulated optical single" Elect. Lett., 1983 , 19 , pp. 239-240 .

45. K. Mochizuki, Y. Namishira " Dispersion measurements in single-mode fibers using sum-frequency mixing as a picosecond optical shutter" Electron Lett., 1981, 17, p. 646.

46. W.D. Bomberger, J.J. Burke " Interferometric measurement of dispertion of a single-mode optical fiber" Electron.Lett., 1981,17, pp.495-496.

47. Hen-Tai Shang "Shromatic dispersion measurement by whitelight interferometry on metra-lenght single-mode optical fibers" Electron Lett., 1981, 17, pp. 603-605.

48. T.Tateda, N. Shibata " Interferometric method for chromatic dispertion measurement in single-mode optical fibers" IEEE J. -1981, v.OE-17,M3,pp.404-407.

49. J.P. van der Weid, L. Thvenar " Interferometric measurements of chromatic and polarisation mode dispertion in higly birefringent single-mode optical fibers" Electron. Lett., 1987, v.28, N4, pp. 151-152.

50. K. Mochizuki, Y. Namishira " Polarisation mode dispertion measurement in long single-mode fibers" Electron.Lett., 1981, v. 17, pp. 153-154.

51. C.Edge, W.J. Stewart " Interferometric measurements of polarisation mode dispertion single-mode optical fiber" Proc. 12th Eurepean conference on Opt. Cjmm., Barcelone, 1986, pp.271-274.

52. W. K. Burns, R.P. Mocller, Opt. Lett., 1983, v.8 , N1, pp.195-197 53.1.P. Kaminov, J.P. Presby, Elect. Lett., 1979, v. 19, N21, pp.677-679.

53. W. Eicknoff, O. Krumpholz, Elec. Lett., 1979 , v. 12, N16, pp.405-407.

54. F.B. Kapron, N.F. Borrelli, D.F. Keck IEEE, J.Quantum Elecnron., 1972, V.8, N2, pp.221-225.

55. A. Simon, K. Virich Apll. Phisic.Lett., 1977 , v . 3 1 , N8 , pp.517-520.

56. V. Ramaswamy, I.P.Kaminov, P. Kaiser, W.G.Fenh Electron. Lett., 1987, v.28, N4, pp. 517-520.

57. N. Chinone, R.Ulich, Opt. Lett. ,1981, v.6, N1, pp. 16-18

58. Свинцов А.Г. Яковлев М.Я., Влияние параметров лазера со свипированием частоты на сигнал биений в методе частотно-модулированного зондирования волоконных световодов Депонированная рукопись N ДО 8091, М.1989 г.

59. Жогун В.Н., Свинцов А.Г., Яковлев М.Я., Активная стабилизация свип-генератора для измерителя параметров волоконных световодов методом частотно-модулированного зондирования Депонированная рукопись N Д08128, М.1990 г.

60. Акульшин A.M., Саутенков В.А., Свинцов А.Г., Пак Г.Т., Яковлев М.Я., Перестраиваемый полупроводниковый лазер с большой длиной когерентности В сб.Семинар по волоконно-оптическим системам и средствам: Тез. докладов.-г.Калининград 1990 г.

61. Канцырев В.Л.,Свинцов А.Г. Яковлев М.Я., Об одном способе измерения затухания в интегрально-оптических схемах в сб.УШ регионального семинара "Оптические и оптоэлектронные методы и устройства обработки информации" Тез.докладов - г.Краснодар 1990 г.

62. Свинцов А.Г.,Метод частотно-модулированного зондирования в измерении параметров волоконных световодов в сб. П Всесоюзной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации" Тезисы докл. г.Севастополь 1991

63. A.C. Виницкий "Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн ", М. Сов. радио, 1961 г.

64. В.М. Вольф, М.И. Карновский, А.И. Славинский "О сложении частотно-модулированных сигналов " Труды комиссии по акустике. Сб.7, 1953 г., с.81

65. Е.И. Бутиков, Оптика, М., Высшая школа, 1986 г.

66. И.С. Гоноровский, Радиотехнические цепи и сигналы. М. , Радио и связь, 1986г.

67. Саутенков В.А., Свинцов А.Г. "Перестраиваемый полупроводниковый лазер с большой длиной когерентности" в сб. Международной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации"; Тезисы докл. - г. Севастополь, 199.3г.

68. Н. Г. Басов, JI. Г. Елисеев, Ю. П. Попов «Достижения и проблемы Физики ннжекционных лазеров в кн. Нелинейная оптика полупроводниковых лазеров», Труды ФИАН, т.66; М.Наука 1986, с. 3-14.

69. Ананко Д.Б., Свинцов А.Г., Становенков Д.А. "Измерители оптической мощности"- в сб. Международной конференции "Физические проблемы оптической связи и обработки информации"; Тезисы докл.- г. Севастополь, 1993г.

70. Svintsov A.G., Yakovlev M.Ya. " FOITS Fiber Highway Control and Diagnostics System" в сб. "Second International Russian Fiber Optics and Telecommunications Conference" ; Тезисы докл. -г. Петербург, 1992 г.

71. Svintsov A.G., "Returnable Semiconductive Lasers with High Coherent Lenghts for FOITS Diagnostics System" в сб. "Second International Russian Fiber Optics and Telecommunications Conference" ; Тезисы докл. -г. Петербург, 1992 г.

72. Svintsov A.G.,Yakovlev M.Ya."Application of Frequency Modulated Signals Method in Fiber Optic Parameter Measurement" в сб. "Second International Russian Fiber Optics and Telecommunications Conference" ; Тезисы докл. -г. Петербург, 1992 г.

73. Svintsov A.G.,Yakovlev M.Ya." Some Features of Frequency Modulated Sounding Method for FOITS Diagnosics System" в сб. "Third International Russian Fiber Optics and Telecommunications Conference" ; Тезисы докл. -г. Петербург, 1993 г.

74. Свинцов А.Г. , Яковлев М.Я. " Волоконно-оптическая техника в авиации" -в сб. " Волоконно-оптическая техника", Москва, 1992 г.

75. Свинцов А. Г. "Метод частотно-модулированного зондирования в диагностике волоконно-оптического тракта систем телекоммуникаций», N3, 1993 г, Москва

76. Группа соавторов. "Разработка средств и методов измерения оптических параметров волоконных элементов и оптического блока ГСДСВ" научный отчет НИТС, инв. N 1653 , Москва, 1991 г

77. Группа соавторов. "Разработка средств и методов диагностики волоконного тракта ВОСПИ в процессе эксплуатации " научный отчет НИТС, инв. N 1693 , Москва, 1991

78. Группа соавторов. "Разработка средств и методов диагностики волоконного тракта ВОСПИ в процессе эксплуатации" научный отчет НИТС, инв. N1693 , Москва, 1992 г.

79. Свинцов А.А, Свинцов А.Г. «Моделирование ЧМЗ волоконно-оптических измерительных систем», в сб. Всероссийской научно-технической конференции «Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления», тез. Докл., Гурзуф, 1998 г.

80. Свинцов А.Г. «Рефлектометрические методы измерения параметров BOJ1C», Метрология и измерительная техника в связи, №6, 2001 г.

81. Свинцов А.Г. «Рефлектометрические методы измерения параметров ВОЛС», Метрология и измерительная техника в связи, №1, 2002 г.1. У тзгр-д-ю1. У/лг / ^ Генеральный директорищ /1. ОАО «НИТС»

82. V* ^й ' Доктор технических наук, профессор В.Ф.Солинов1. АКТ1. Внедрения

83. Утверждаю Генеральный директор1. ОАО «НИТС»

84. Доктор технических наук, .:;1нроф^еор В.Ф.Солинов-У/о1. АКТ Внедрения

85. Генеральный директор ОАО «НИТС» Доктор технических наук, рфессор В.Ф.Солинов1. АКТ Внедрения