Актуальность работы.
Широкое применение волоконно-оптических систем передачи информации (ВОСП) делает актуальной проблему обеспечения единства измерений основных параметров как систем в целом, так и их элементов. При этом в данной области единство измерений и их точность однозначно определяют качество и технические параметры самих ВОСП и их соответствие обязательным требованиям государственных стандартов. Сохранение и расширение единого информационного пространства и развитие кооперации России со странами ближнего и дальнего зарубежья предъявляют дополнительные требования как к техническим средствам системы метрологического обеспечения, так и к необходимости гармонизации с международными стандартами отечественной нормативной документации.
В настоящее время большинство телекоммуникационных компаний стремятся увеличить пропускную способность ВОСП, чтобы удовлетворить возрастающую потребность формирующегося информационного общества оперировать всё большими объёмами информации при общении с помощью широкого спектра средств связи. При проектировании новых волоконно-оптических систем передачи информации учитывается возможность использования технологий передачи информации со спектральным уплотнением каналов и когерентного детектирования, которые позволяют увеличивать пропускную способность линии на несколько порядков.
Одним из основных факторов, влияющих на скорость передачи информации в высокоскоростных ВОСП, являются дисперсионные характеристики ОВ, в частности — поляризационная модовая дисперсия (ПМД). Под ПМД понимается усреднённая в рабочем спектральном диапазоне дифференциальная групповая временная задержка (ДГЗ) между ортогонально поляризованными модами, распространяющимися по волоконному кабелю и возникающими вследствие нарушения концентричности сердцевины оптического волокна, внутренних и внешних механических напряжений, неоднородности материала и т. д. (см рис. 1). Возникновение данной задержки приводит к уширению оптического импульса, передаваемого по оптическому волокну, что, в свою очередь, приводит к увеличению числа битовых ошибок и снижению скорости передачи информации. неравномерность распределения легирующих элементов. — «.
— оптическое волокно в кабеле связь мод.
Рисунок 1 — Понятие ПМД в оптическом волокне В табл. 1 приведены предельные значения ПМД линии связи для различных скоростей передачи данных. Принято [1], что максимально возможное значение ПМД линии не должно превышать 10% от битового времени — времени, отведённого на передачу одного бита данных.
Таблица 1 — Ограничения по ПМД для различных стандартов передачи данных.
SDH SONET Скорость передачи Битовое время Предельное значение ПМД.
STM-4 ОС-12 622.08 Mb/s 1,61 пв 160 ре.
ОС-24 1244.16 Mb/s (1,2 Gbps) 803,76 ре 80 ре.
STM-16 ОС-48 2488.32 Mb/s (2,5 Gbps) 401,88 ре 40 ре.
STM-64 ОС-192 9953.28 Mb/s (10 Gbps) 100,47 ре 10 ре.
STM-256 ОС-768 39 318.12 Mb/s (40 Gbps) 25,12 ре 2,5 ре.
Большинство современных BOJ1C обладают малой ПМД — менее 2,5 пс. Однако широко используются линии связи старой постройки, значения ПМД которых могут достигать в отдельных случаях более ста пикосекунд.
Различают ПМД первого и второго порядков. ПМД первого порядка есть непосредственно среднее или среднеквадратическое (в зависимости от режима связи ортогонально поляризованных мод между собой) значение ДГЗ в рассматриваемом спектральном диапазоне. ПМД второго порядка определяется вариацией величины ДГЗ как функции длины волны оптического излучения, распространяющегося в среде.
Существует два вида связи мод ПМД первого порядка: слабая связь мод (weak coupled mode) — сильная связь мод (strong coupled mode).
ПМД со слабой связью мод возникает в среде с практически неизменными анизотропными свойствами (пространственная ориентация и форма оптической индикатрисы) на протяжении всего пути распространения излучения. То есть в данной среде распространяются только две ортогонально-поляризованные моды, вдоль «медленной» и «быстрой» осей, и ПМД характеризуется временной задержкой одной моды относительно другой.
ПМД с сильной связью мод возникает в среде с хаотически меняющимися анизотропными свойствами. В данной среде распространяется множество ортогонально-поляризованных мод, относительные временные задержки которых характеризуются распределением Максвелла [2] и ПМД определяется значением среднеквадратическо! о отклонения временных задержек всех возникших мод на протяжении всего пути распространения излучения.
В общем случае режим связи поляризованных мод в линии связи является смешанным — то есть представляет собой объединение двух указанных выше режимов. Смешанный режим связи мод возникает в волоконно-оптическом кабеле, в котором обычное оптическое волокно — среда с хаотически меняющимися анизотропными свойствами (сильная связь мод) — включает в себя участки с ярко выраженными анизотропными свойствами определённого неизменного характера. Такими участками, например, могут быть обледенелые части подвесного волоконно-оптического кабеля, которые резко увеличивают среднее значение ПМД всей линии на определённую величину. Таким образом, характер распределения ортогонально-поляризованных мод, распространяющихся в оптическом волокне со смешанном режимом связи, значительно отличается от случая сильной связи мод, и он уже не вписывается в рамки закона распределения Максвелла.
Основным источником ПМД в линии связи служит оптическое волокно. Кроме того, свой вклад в ПМД линии вносят и другие компоненты ВОСПволоконно-оптические разъёмные соединения, ответвители, переключатели, аттенюаторы, изоляторы, мультиплексоры, усилители (EDFA) и т. д.
Эффект ПМД стал критичным по мере достижения высоких скоростей в оптическом канале связи. Кроме этого, в силу накопительного характера поляризационной модовой дисперсии ее негативное влияние усиливается с ростом протяженности ВОСП. Также, влияние ПМД на качество линий связи усиливается с ростом количества каналов (внедрение WDM систем на устаревшие линии). Таким образом, чтобы дать разработчикам ВОСП возможность эффективно учитывать роль ПМД в технических характеристиках ВОСП, становится необходимым оговаривать величину ПМД в спецификации волокна и кабеля. ПМД — это параметр, измерение которого необходимо как при производстве оптического кабеля, так и по завершении его прокладки вследствие наличия большого количества уже проложенных ВОСП с неизвестной ПМД. На основании таких измерений можно принимать решения о возможности модернизации уже существующих ВОСП и оценивать предельную скорость передачи информации в проектируемых ВОСП и качество ВОСП в целом.
Для решения задач измерений ПМД в ВОСП в настоящее время в России применяется целый ряд типов средств измерений (см. табл. 2), и с внедрением систем со спектральным уплотнением их номенклатура быстро увеличивается. Это, в свою очередь, требует разработки эталонных методов и средств измерений, позволяющих обеспечить поверку, калибровку и испытания рабочих средств измерений данных классов.
Таблица 2 — Основные метрологические характеристики типов РСИ ПМД, внесённых в Государственный реестр средств измерений РФ.
Млрка прибора источника ФнрМЛ-mioTOBii-тепь Метод ншерения Спемрлль-иый дипгсюон^ измерителя, [нм] Спектральный ДГСОТ.-ПОН источника. [нм|" Дюдогон измерения ПМД. fnrl Погрешность-измерения ПМД (гаЩ (реестр) Динам диапазон.
Внесенные в реестр РФ.
IQ-5500/f 1Q-2123BP" EXFOf (Canada)" ИнтерфийЦ (T1NT'0° Рабочие длины волн 1550 «1550 +10/-40″ 0 1−35″ ±(01 ±-8%ПМД)1 (дидиап 0 1 — 10 пс)» 40″.
PMD440″ Perkm Elmerf Интерф нЩ (TINTY)" 1500 — 1600″ 1500- 1600″ 01 — № ±(01 + 8% ПМД)" 40″.
FTB-5500B/I FLS-5803″ LXFOf (Canada)" ИнтерфийЦ (G1NTY)" Рабочие длины волн 1550″ 1530 — 1625Ц (С + L диапазоны)" 0 05 — 115а ±(0 02 + 2% ПМД)" 47″.
81WDMPMD/ 0BS-15K (MTS8000)" Actema (Germany)" Фиксир АнЦ (FT)" Рабочие длины волн 1550″ 1550 ± 10″ 0 2 — 60″ ±(0 06 + 4% ПМД)" 35″.
E81PMD / BBS-11 (MTS6000/80U0)" JDSUf (USA)" Фиксир Ан1 (FT)" 1485 — 1640л 1485- 1640″ 0 08- 60″ ±(0 02 + 2%ПЩ)" 45″.
E81WDMPMD / BBS 2f (MTS6000/8000jft JDSUf (USA)" Фиксир АнЦ (FT)" 1260 — 1640с 1260- 1640″ 0 08 — 60″ ±«1 02+ 2% ПОД)» 45″.
E81DISPAP/ OBS550f (MTS6000/8000)" JDSUf (USA>2 Фиксир Ан| (FT)* 1260 — 1640″ 1260 — 1640″ 0 08 — 60″ ±(0 02 + 2% ПМД)" 65″.
CMA5000 PMD 160/ 1550,1550HP" NetTest North America Incfl (USA)" ИнтерфЩ (GINTY)" Рабочие длины волн 1550″ 1525 — 15 651 (С диапазон)" 0 06−40″ ±-Г0 06 + 1% ПМД)" 40″.
STT-DTM/ CD/PMD Light Source" SUNPsISE TELE С0МЦ (USAp Фиксир Ан1 (FT)" 1526 — 1570^ 1526 — 15 701 «Г диапазон)» 0 2 — 60″ ±(01 + 5% ПМД)" 40″.
FTB-5700 /single ended" EXFOf (Canada)" SSA*" 1475 — 1626″ 1475 — 1626″ 0 1 — 20″ ±(0 02 + 5% ПМД)" 120 км! SMF128es.
— tunable reflectometry-based scrambled state-of-polarization analysis (SSA) method, TIA-455−243 (FOTP-243) (to be published). Метод анализа состояния поляризации со случайным характером на основе рефлектометрии с перестраиваемой длиной волны.
Имеющийся в настоящее время во ФГУП «ВНИИОФИ» Государственный первичный эталон единицы угла вращения плоскости поляризации ГЭТ 502 008 не позволяет воспроизводить требуемую единицу ПМД для данного специального применения, так как работает в другом спектральном диапазоне, не приспособлен для работы с оптическим волокном и не позволяет применять поляризационные элементы, представляющие собой нормально ориентированные кварцевые пластинки, необходимые для обеспечения фазовой задержки между ортогонально поляризованными составляющими проходящего через них оптического излучения. Данный эталон обеспечивает.
11 единство измерений угла вращения плоскости поляризации излучения, обусловленное круговым двулучепреломлением среды.
Находящийся во ФГУП «ВНИИОФИ» Государственный первичный эталон единиц эллипсометрических углов ГЭТ 186−2010 не предназначен для измерений фазовых задержек более 2л, а также работает в другом спектральном диапазоне и не приспособлен для работы с оптическим волокном. Данный эталон обеспечивает единство измерений параметров эллиптически поляризованного света, отражённого или прошедшего исследуемый образец.
Так как ПМД определяется фазовым соотношением двух ортогонально поляризованных мод излучения, разность между которыми превышает 2ж в тысячи раз, можно сделать вывод, что традиционные методы и средства анализа состояния поляризации излучения, прошедшего исследуемый объект или отражённые от него, полностью не применимы в том виде, в котором они представлены для решения различных научно-технических задач, таких, как исследования физико-химических свойств поверхностей, измерения толщин многослойных структур и характеризации оптических свойств тонких пленок, определение концентрации оптически активных веществ в растворах, исследования механических напряжений в прозрачных телах и т. д.
В связи с изложенным, создание эталонной аппаратуры и соответствующих методических основ с целью метрологического обеспечения измерений ПМД на территории РФ, а также гармонизация имеющихся методов с международными нормами и стандартами в рассматриваемой области являются современными и актуальными задачами. Настоящая работа по созданию методов и средств обеспечения единства измерений поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне для ВОСП проводилась в рамках программ «Эталоны России» и ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008;2011 г».
Следует отметить, что к настоящему времени в ряде метрологических институтов мира (National Institute of Standards and Technology (NIST) — USA,.
National Physical Laboratory (NPL) — UK, The Federal Office of Metrology (METAS) — Switzerland, Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS)) были созданы и внедрены эталонные установки для измерений ПМД, разработаны и исследованы эталонные меры ПМД [3,4]. Кроме того, Международной электротехнической комиссией (International Electrotechnical Commission, IEC), Ассоциацией телекоммуникационной промышленности США (Telecommunications Industry Association, TIA), Международным Союзом Электросвязи (International Telecommunication Union, ITU) и другими организациями, деятельность которых направлена на разработку стандартов в области телекоммуникаций, был разработан ряд рекомендаций по измерению данной величины [5,6,7,8,9,10,11].
Цели и основные задачи диссертации.
Целью настоящей работы являются разработка и исследования методов и средств обеспечения единства измерений поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне. Цель работы определила основные задачи, решаемые в диссертации:
• Анализ международных стандартов и методов построения эталонной аппаратуры в области измерений ПМД, выбор и обоснование методов построения эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне.
• Разработка математической модели аппаратуры для измерений ПМД на основе выбранных методов. Исследования разработанной модели с целью оптимизации составляющих погрешности при измерениях ПМД выбранными методами.
• Разработка и метрологические исследования измерительной аппаратуры на основе оптимизированных схем измерений ПМД. Разработка Государственной поверочной схемы для средств измерений ПМД.
• Создание Государственного первичного специального эталона единицы поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне, а также разработка и исследования методов и средств передачи единицы ПМД к рабочим средствам измерений ПМД.
• Внедрение разработанной эталонной аппаратуры и методических основ для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне. Разработка и создание методов и средств измерений поляризационной модовой дисперсии в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.
Научная новизна работы.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
• Разработана математическая модель процесса преобразования сигнала при измерениях ПМД в оптическом волокне на основе поляриметрического и интерферометрического методов и проведён анализ составляющих погрешности измерений ПМД.
• Предложена и реализована схема измерений ПМД на основе интерферометрического метода с использованием воздушного интерферометра и контроллера состояния поляризации излучения, которая позволяет применить данный метод в решении задачи построения эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений ПМД в оптическом волокне.
• Предложена и реализована схема калибровки эталонной поляриметрической измерительной аппаратуры с использованием оптического кристалла и эталонных средств измерений длины волны и средней мощности лазерного излучения из состава Государственного специального эталона единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны оптического излучения в ВОСП (ГЭТ 170−2011), позволяющая с высокой точностью определять значение составляющей погрешности, вносимой поляриметром при измерениях ПМД.
• Разработана конструкция оптического элемента на основе нормально ориентированных фазовых пластин, позволяющая реализовать меру единицы ПМД для режима сильной связи мод.
• Разработаны методы и средства воспроизведения единицы ПМД, позволившие создать Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185−2010, а также разработаны методики поверки и калибровки средств измерений ПМД в оптическом волокне.
• Разработан метрологический комплекс для обеспечения единства измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.
Практическая ценность и использование результатов работы.
• На основе разработанной эталонной аппаратуры для измерений ПМД построен и утверждён Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185−2010, воспроизводящий и передающий единицу ПМД в оптическом волокне, а также разработана и утверждена Государственная поверочная схема для средств измерений ПМД в оптическом волокне ГОСТ 8.607−2012, что позволило решить проблему единства измерений ПМД в стране.
• Разработанная эталонная аппаратура для измерений ПМД в ранге рабочих эталонов была использована при проведении испытаний рабочих средств измерений для их включения в Государственный реестр средств измерений, а также для поверки и калибровки высокоточных средств измерений ПМД ведущих зарубежных фирм.
• Разработанными средствами для передачи единицы ПМД в оптическом волокне оснащены: ФГУП «ВНИИОФИ», метрологический центр Российской Федерации ФБУ «Новосибирский» ЦСМ и предприятие по производству волоконно-оптического кабеля ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания», что подтверждено соответствующими актами.
• Результаты разработки эталонной аппаратуры для измерений ПМД в оптическом волокне позволили создать метрологический комплекс для обеспечения единства измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.
• Разработанная математическая модель аппаратуры для измерений ПМД и результаты её исследований используются при создании рабочего эталона единицы ПМД в оптическом волокне в интересах Метрологической службы Министерства Обороны РФ.
Вклад автора.
При непосредственном участии автора на основе оптимизированных схем измерений ПМД создан Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185−2010 и Государственная поверочная схема для средств измерений ПМД в оптическом волокне ГОСТ 8.607−2012, а также комплекс средств передачи единицы ПМД в оптическом волокне к рабочим средствам измерений ПМД. Автором разработаны математическая модель аппаратуры для измерений ПМД, узлы интерферометра и контроллера состояния поляризации излучения, а также программное обеспечение эталонной измерительной аппаратуры ГЭТ 1 852 010. Кроме того, автором разработан комплект методических материалов, включающий в себя методики поверки и калибровки рабочих эталонов единицы ПМД, эталонных мер единицы ПМД, рабочих средств измерений ПМД в оптическом волокне, а также рабочих средств измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.
Апробация работы.
Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях: «The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments.
2009″, «IX всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», «Всероссийской конференции по волоконной оптике 2009» и XV, XVI, XVII всероссийских научно-технических конференциях «Фотометрия и её метрологическое обеспечение».
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях, 9 статей в журналах «Измерительная техника», «Метрология», «Вестник метролога», «Фотон-Экспресс», «Laser Physics Letters», сборнике трудов «The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments» и 1 патент на изобретение.
Структура и объём работы.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений с Государственной поверочной схемой для средств измерений поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне и с перечнем рабочих средств измерений ПМД, прошедших испытания с целью утверждения типа СИ в результате данной работы.
4.5 Выводы к Главе 4.
Таким образом, на основе предложенной в Главе 1 схемы построения эталонной базы для средств измерений ПМД, проведённых в Главе 2 теоретических исследований составляющих погрешности измерений ПМД и разработанной в Главе 3 аппаратуры для измерений ПМД, средств воспроизведения и передачи единицы ПМД, а также методов передачи единицы ПМД к РСИ ПМД, были созданы Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185−2010 и эталонные меры единицы ПМД в оптическом волокне в ранге рабочих эталонов. Разработана Государственная поверочная схема для средств измерений ПМД в оптическом волокне ГОСТ 8.607−2012. Кроме того, на базе проведённых теоретических и экспериментальных исследований был реализован метрологический комплекс для решения задачи единства измерений ПМД в специфической среде — наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты:
1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования применимости основных известных методов измерений ПМД для построения эталонной аппаратуры для обеспечения единства измерений ПМД.
2. Разработана математическая модель процесса преобразования сигнала в эталонной аппаратуре для измерений ПМД, позволяющая исследовать процесс измерений ПМД и оптимизировать составляющие погрешности при измерениях.
3. Предложенная оптимизированная интерферометрическая схема измерений поляризационной модовой дисперсии позволяет проводить измерения автокорреляционным методом в диапазоне 0,2^-150 пс с неисключённой систематической погрешностью, равной 0,005 пс и среднеквадратическим отклонением результата измерений, равным 0,006+0,0025 х А, где, А — значение измеряемой величины, в пс.
4. Предложенная схема калибровки измерительной аппаратуры на основе поляриметрического метода позволяет оценить составляющую НСП измерений ПМД, связанную с использованием волоконного поляриметра, с суммарной погрешностью, равной 1,5 фс.
5. Разработана конструкция оптического элемента на основе нормально ориентированных фазовых пластин, позволившая реализовать меру единицы ПМД для режима сильной связи мод.
6. Разработаны и утверждены Государственный первичный специальный эталон единицы ПМД в оптическом волокне ГЭТ 185−2010 и Государственная поверочная схема для средств измерений ПМД в оптическом волокне ГОСТ 8.607−2012, а также разработаны методики поверки и калибровки средств измерений.
7. Проведены исследования сопоставимости результатов воспроизведения единицы ПМД с помощью различных методов, показавшие достоверность воспроизведения единицы ПМД с помощью разработанной аппаратуры.
8. Разработанными эталонными средствами для передачи единицы ПМД в оптическом волокне оснащён метрологический центр Российской Федерации ФБУ «Новосибирский ЦСМ, предприятие по производству волоконно-оптического кабеля ЗАО «Самарская оптическая кабельная компания» и ФГУП «ВНИИОФИ». Данные средства используются для испытаний, поверки и калибровки рабочих средств измерений ПМД в оптическом волокне.
9. Результаты разработки эталонной аппаратуры для измерений ПМД в оптическом волокне позволили создать метрологический комплекс для обеспечения единства измерений ПМД в наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах.
Основным итогом выполнения диссертационной работы явилось решение важной научно-технической задачи обеспечения единства и требуемой точности измерений поляризационной модовой дисперсии в оптическом волокне и наноструктурных фотонно-кристаллических волокнах на территории РФ, а также задачи гармонизации разработанной нормативно-технической документации с международными стандартами в данной области измерений, что имеет существенное значение для проектирования, эксплуатации и модернизации высокоскоростных волоконно-оптических систем передачи информации.
