Methodenartikel

Optimierung von optischen Zeitbereichsanalysatoren von Brillouin auf Basis von Gain Spectrum Engineering

DOI:

10.3791/61115

⸱

11. Mai 2020

 , 
1THz-Photonics Group, Technische Universität Braunschweig

In diesem Artikel

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Es wird ein Protokoll für optische Zeitbereichsanalysatoren von Brillouin vorgestellt, das auf Gain Spectrum Engineering basiert. Verbesserungen der Sensorleistung, einschließlich des Schaltabstands und der Messgrößenauflösung, werden erreicht und das übermäßige Brillouin-Intensitätsrauschen wird untersucht. Das Protokoll führt eine neue Methode zur Verbesserung der Leistung der verteilten Brillouin-Sensorik ein.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Demonstriert wird eine einzigartige Methode zur Verbesserung der Messleistung in optischen Zeitbereichsanalysatoren (BOTDA) von Brillouin. Ein Brillouin-Verstärkungsspektrum (BGS) wird mit zwei symmetrischen Brillouin-Verlustspektren (BLS) überlagert. Dies führt zu einer komplexen, konstruierten Spektrumsform, die widerstandsfähiger gegen das Rauschen des Sensorsystems ist. Anstelle von nur einer Pump-Sonden-Wechselwirkung wie beim herkömmlichen BOTDA-Aufbau werden drei optische Sondenwellen genutzt, wobei sich eine Sonde im BGS und die beiden anderen symmetrisch im BLS befinden. Aufgrund des Widerstands und der Unempfindlichkeit der konstruierten Spektrumform gegenüber dem Rauschen wird die Erfassungsleistung um 60 % gesteigert und die Messwertauflösung verdoppelt.

Einleitung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Distributed Fiber Sensing (DFS) ist ein einzigartiger Mechanismus, bei dem eine ganze Faser als Sensormedium verwendet wird. Aufgrund des geringen Faserverlusts hat es großes Interesse geweckt. Kleinformat; und die Fähigkeit, sich leicht in verschiedene Strukturen wie Dämme, Brücken und Gebäude einbetten zu lassen, um die Umgebungsüberwachung als künstliches Nervensystem durchzuführen. Im Vergleich zur Anwendung zahlreicher herkömmlicher Punktsensoren, wie z. B. Faser-Bragg-Gitter (FBG), bietet es eine effizientere und kostengünstigere Lösung für eine Vielzahl von groß angelegten Sensoraufgaben, wie z. B. Infrastruktur- und Structural Health Monitoring1.

Stromverteilte Sensoren nutzen verschiedene Streumechanismen innerhalb der Faser, um die Temperatur- und Dehnungsverteilung zu messen. Unter ihnen ist die auf Brillouin-Streuung basierende DFS aufgrund der markanten Vorteile der stimulierten Brillouin-Streuung (SBS), wie z. B. ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), eine niedrige Schwelle und die Empfindlichkeit sowohl gegenüber Temperatur2 als auch gegenüber Stamm3, am attraktivsten. SBS kann klassisch als Wechselwirkung zwischen den einfallenden optischen Dauerwellen (CW), d.h. der Pumpe, und der gegenläufigen CW-Sondenwelle über eine akustische Welle beschrieben werden. Entsprechend der Energie- und Impulserhaltung wird die Sondenwelle frequenzmäßig zur Pumpe herunterverschoben. Diese Verschiebung wird als Brillouin-Frequenzverschiebung (BFS) bezeichnet. Unter Berücksichtigung der endlichen Lebensdauer einer akustischen Welle von 10 ns gibt es eine endliche spektrale Verteilung der gebrochenen Welle, auch Brillouin-Verstärkungsspektrum (BGS) genannt, bei der die BFS die Frequenzdifferenz zwischen der Pumpwelle und der Spitzenmittenfrequenz ist. Die Wechselwirkung zwischen den Wellen führt zu einem frequenzherunterverschobenen Verstärkungsbereich und einem frequenzhochverschobenen Verlustbereich, in dem die Sondenwelle verstärkt bzw. gedämpft wird. Für eine Standard-Singlemode-Faser (SSMF) im C-Band beträgt die BFS ca. 11 GHz und die BGS hat eine Lorentz-Form mit einer ultraschmalen vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) von 10-30 MHz, die mit spezifischen Techniken weiter auf 3,4 MHz reduziert werden kann 4,5,6,7. Basierend auf diesen Eigenschaften kann SBS auch in Mikrowellen-Photonik-Filtern 8,9,10, optischen Filtern11, langsamem und schnellem Licht 12,13,14 und hochauflösender optischer Spektroskopie 7,15 eingesetzt werden.

Eine der vielversprechendsten SBS-Anwendungen ist die verteilte Brillouin-Sensorik. Diese Sensoren nutzen die BFS-Abhängigkeit von Temperatur und Dehnung aus. Die erste, die demonstriert wurde, war der Brillouin Optical Time-Domain Analyzer (BOTDA)16, die am stärksten konsolidierte zeitbereichsverteilte Brillouin-Sensortechnik. Sie unterscheidet sich von der herkömmlichen CW-SBS-Wechselwirkung dadurch, dass sie die SBS-Wechselwirkung zwischen einer gepulsten Pumpwelle und einer Sonde CW ausnutzt, so dass die Umgebungsinformationen lokal auf jedem Faserabschnitt abgefragt werden. Die Pump- oder Sondenfrequenz ist in der Regel festgelegt, während die Sonde oder die Pumpenfrequenz in der Nähe des BFS abgetastet wird. Die Sondenleistung wird für die BGS-Rekonstruktion aufgezeichnet und der BFS ist idealerweise die Spitzenfrequenz des lokalen BGS an jedem Faserabschnitt. Aufgrund des unvermeidlichen Systemrauschens ist der BGS-Peak jedoch in der Regel mehrdeutig und es muss ein Anpassungsalgorithmus17 angewendet werden, der zu einem gewissen Schätzfehler in der Frequenz18 führt und die Messgrößenauflösung beeinflusst.

Statistisch gesehen ist der BFS-Schätzfehler umgekehrt proportional zum Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Systems. Der einfachste Weg, das SNR zu verbessern, besteht darin, die Leistung von Pumpe und Sonde zu erhöhen. Diese sind jedoch durch die Modulationsinstabilität (MI)19 und nicht-lokale Effekte (NLE)20,21 bis ~20 dBm bzw. -14 dBm begrenzt. Zahlreiche Techniken, wie die Codierung22 und die Raman-basierte Inline-Amplifikation23, wurden vorgeschlagen, um diese Grenzen zu durchbrechen. Kürzlich wurde berichtet, dass dieser Frequenzfehler durch die Wahl eines geeigneten Anpassungsalgorithmus24 minimiert werden kann. In diesem Zusammenhang wird auch berichtet, dass Messungen, die die Brillouin-Phase und einen linearen Anpassungsalgorithmus nutzen, einen reduzierten Frequenzfehler25 aufweisen, was auf das Potenzial eines ausgereiften BGS zur Verbesserung der Messleistung hinweist. Eine weitere Option zur Verbesserung des SNR ist die Rauschunterdrückung. Nach traditioneller Sichtweise kommt das Rauschen des Sensorsystems jedoch hauptsächlich vom Detektor (d. h. Gleichtaktrauschen, einschließlich Dunkelrauschen, Schrotrauschen usw.)26,27 und eine Verbesserung ist weniger wahrscheinlich.

Die Grundidee dieser Arbeit besteht darin, das BGS durch die Überlagerung eines konventionellen BGS mit zwei symmetrischen Brillouin-Verlustspektren (BLS) zu konstruieren (siehe Abbildung 1). Im Vergleich zu einem herkömmlichen BGS-Spektrum, das einer Lorentzschen Form folgt, ist das technische Spektrum bei gleichem Rauschen schärfer und robuster. Somit hat das Rauschen weniger Einfluss auf die Bestimmung der Spitzenfrequenz. Dies kann überprüft werden, indem die BGS-Messdaten eine statistisch signifikante Anzahl von Malen gesammelt und angepasst werden. Aufgrund dieser besseren Beständigkeit gegen Rauschen werden Verbesserungen der Sensorleistung erreicht, einschließlich des Schaltabstands um 60 % und einer verdoppelten Messgrößenauflösung, d. h. eines um 50 % reduzierten Frequenzfehlers. Aufgrund der Einbeziehung der Messung mit Brillouin-Verlustwechselwirkung in einen Teil des technischen BGS wird ein direkter Vergleich des Spurenrauschens mit und ohne Brillouin-Wechselwirkung durchgeführt. Durch die Umgehung des übermäßigen Brillouin-Rauschens ist die Spur mit dem konstruierten BGS viel klarer.

figure-introduction-1
Abbildung 1: Schematische Darstellung eines konstruierten BGS durch Überlagerung eines Brillouin-Verstärkungs- und zweier symmetrischer Brillouin-Verlustspektren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Protokoll

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Auswahl optimierter Parameter für das Spectrum Engineering mittels Simulation

  1. Modellieren Sie den konstruierten BGS gSBS(ν,z) mit den Gleichungen28,29
    figure-protocol-1
    wie z. B. durch das ergänzende MATLAB-Skript implementiert.
    HINWEIS: Hier ist G(ν) der komplexe Verstärkungskoeffizient, der im Skript als G_complex innerhalb der Funktion SBS_g für das konventionelle BGS oder der Funktion SBS_gl für das technische BGS berechnet wird; g(ν,z) ist der lokale Komplex Brillouin-Gewinn; und gSBS und φSBS sind der reale und der imaginäre Teil von g(ν,z) und symbolisieren den BGS- bzw. SBS-Phasengang an der Stelle z vom Pumpenstartende aus. Im Skript wird gSBS durch die Variablen SBS_g_log und SBS_gl_log für das konventionelle bzw. konstruierte BGS in logarithmischer Skala symbolisiert. Pp = 20 dBm (P_pump im Skript) ist die Spitzenleistung des Pumpimpulses am Faserstartende; νB ist die BFS (im Skript normiert); g0 = 0,2 W-1 m-1 (g0 im Skript) ist der Brillouin-Verstärkungskoeffizient; ΔνB = 50 MHz (gamma_B im Skript) ist die FWHM des BGS; α = 0,2 dB/km ist der Faserverlustkoeffizient und wird durch alpha_log und alpha_lin als Wert in logarithmischer bzw. linearer Skala im Skript dargestellt. ν ist die Sondenwellenfrequenz, so dass der Frequenzversatz von Pumpe und Sonde ν - νB von -250 MHz bis 250 MHz abgetastet wird. Der Frequenzversatz von Pumpe und Sonde wird im Skript als globaler Vektor f dargestellt. Der Term g1 = mg0 ist der Verlustfaktor; 2d∙ΔνB ist der Frequenzversatz zwischen den beiden Verlusten; und Leff = 10 m (L_eff im Skript) ist die Brillouin-Wechselwirkungslänge für 100 ns Pulsbreite. Die konstruierte spektrale Form kann leicht angepasst werden, indem zwei normierte Faktoren, m und d, abgestimmt werden. Der konventionelle BGS kann einfach mit m = 0 modelliert werden.
  2. Fügen Sie zufälliges Rauschen (d. h. additives weißes Gaußsches Rauschen) mit dem gleichen Pegel sowohl auf dem konventionellen als auch auf dem technischen BGS hinzu. Durch Anpassen des Parameters noise_level im Skript kann sich der Geräuschpegel ändern.
  3. Passen Sie das konventionelle verrauschte BGS mit der Lorentzschen Funktion (Lorentz_g_gain_fun Funktion im Skript) und das konstruierte verrauschte BGS mit der überlagerten Lorentzschen Funktion (Lorentz_gl_gain_fun Funktion im Skript) an (siehe Abbildung 2A).
  4. Bestimmen Sie den Spitzenfrequenzversatz aufgrund des Rauschens für das konventionelle und technische BGS (Abbildung 2B).
  5. Wiederholen Sie die Schritte 1.2-1.4 für N = 500 und erfassen Sie alle Spitzenfrequenz-Offsets Δfci und Δfpi (dargestellt durch delta_g_g bzw. delta_g_gl im Skript) für das konventionelle bzw. technische BGS im i-ten Prozess.

figure-protocol-2
Abbildung 2: Simuliertes BGS. (A) Demonstration der Anpassung eines typischen Lorentzschen (rot) und konstruierten (blau) BGS in der Simulation. (B) Der Lorentzsche BGS-Peak aus (A). Δfci stellt den BFS-Schätzfehler für den konventionellen BGS in der i-ten Messung dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

  1. Berechnen Sie das Verhältnis der Standardabweichung der lärminduzierten BFS-Schätzfehler wie folgt:
    figure-protocol-3
  2. Plotten Sie η als Funktion von m und d (siehe Abbildung 3A). Ermitteln Sie den Minimalwert ηmin und die entsprechenden m und d. Der Vorteil der Schätzgenauigkeit wird entlang der gesamten Faser28 beibehalten.
  3. Optimieren Sie den Wert von z (d.h. die Faserlänge, im Skript auch z ) in Gleichung (2) von 0 km auf 60 km, Schritt 50 m und wiederholen Sie die Schritte 1.1-1.7 mit einigen ausgewählten m - und d-Werten . Dann kann das Verhältnis der Standardabweichung in Abhängigkeit von der Faserlänge ermittelt werden (siehe Abbildung 3B).

2. Bereiten Sie das konventionelle BOTDA-Setup vor und testen Sie es (hervorgehobener Block in Abbildung 4B)

  1. Schalten Sie die Laserdiode (LD) ein und überprüfen Sie die Funktionalität der LD mit dem optischen Spektrumanalysator (OSA). In der Regel wird eine Wellenlänge um 1.550 nm verwendet.
  2. Verbinden Sie den LD mit dem optischen Koppler (OC) im Verhältnis 10:90. Überprüfen Sie die Leistung des 10% OC-Ausgangs. Wenn die Leistung höher als 13 dBm ist (die maximale Eingangsleistung des Polarisations-Scramblers [Pol.S.]), verringern Sie die LD-Ausgangsleistung, indem Sie den LD-Strom verringern.
  3. Verbinden Sie den 10% OC-Ausgang mit dem Pol.S. Um ein Polarisationsfading1 zu vermeiden, stellen Sie die Scrambling-Frequenz auf 1 kHz ein.
  4. Überprüfen Sie die Stromversorgung am Ausgang des Pol.S. Wenn die Leistung höher als -3 dBm ist (die maximale Eingangsleistungsgrenze des optischen Halbleiterverstärkers [SOA]), fügen Sie Dämpfungsglieder hinzu, bis die Leistungsanforderung erfüllt ist. Verbinden Sie die Pol.S. mit der SOA.
  5. Legen Sie das elektrische Impulsfolgesignal mit 100 ns Impulsbreite und 4 kHz Wiederholrate vom Impulsgenerator (PG) an den SOA an. Es ist sicherzustellen, dass die Amplitude des Impulssignals höher ist als die TTL-Schwelle (Transistor-Transistor-Logik) des SOA (d. h. 4 dBm) und die Wiederholrate die Round-Trip-Anforderung30 erfüllt.
  6. Verbinden Sie den Ausgang des SOA mit dem Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA 1) und betreiben Sie den EDFA im ACC-Modus (Automatic Current Control). Verbinden Sie den Ausgang von EDFA 1 mit Anschluss 1 der Umwälzpumpe (Cir).
  7. Überprüfen Sie das optische Impulssignal von Anschluss 2 von Cir im Digitizer, indem Sie ihn mit der Fotodiode (PD) verbinden. Um eine Beschädigung der TE zu vermeiden, ist eine ausreichende Dämpfung erforderlich.
  8. Berechnen Sie die Spitzenleistung des optischen Impulses anhand der im Digitizer gemessenen Wellenform. Die optische Spitzenleistung Po wird geschätzt nach
    figure-protocol-4
    wobei VE die elektrische Impulsspitzenspannung und R und Rf die TE-Empfindlichkeit und der Transwiderstand sind. Berücksichtigen Sie bei dieser Berechnung die Schutzdämpfung, so dass eine korrekte Eingangspumpleistung in die zu testende Faser (FUT, 10,6 km) ausgewertet wird.
  9. Notieren Sie den EDFA-Stromwert I20 , wenn die berechnete Spitzenleistung des optischen Impulses 20 dBm erreicht (MI-Schwellenwert19). Das Extinktionsverhältnis (ER) der optischen Pulsfolge kann anhand der Energieerhaltung ausgewertet werden:
    figure-protocol-5
    wobei Pavg die optische Durchschnittsleistung der Impulsfolge ist; frep ist die Wiederholungsrate; und τ ist die Impulsbreite. Die ER des SOA beträgt in der Regel mehr als 30 dBm, wodurch NLE31,32 effizient vermieden wird.
    HINWEIS: Schalten Sie die EDFA aus, bevor Sie den PD trennen und mit dem Aufbau des Systems fortfahren.
  10. Verbinden Sie Port 2 des Cir mit einem Ende des FUT, um die Einrichtung des Pumpenzweigs abzuschließen. Überprüfen Sie, ob das System unter MI leidet, indem Sie das Spektrum vom anderen Ende der FUT in der OSA überprüfen und die EDFA auf einen konstanten Stromwert I20 einstellen. Wenn das detektierte Spektrum mit dem in Schritt 2.1 gemessenen Spektrum identisch ist (in der Form, nicht notwendigerweise in der Amplitude), dann ist das System frei von MI. Andernfalls, wenn eine offensichtliche Spektrumverbreiterung oder Peak-Splitting33 beobachtet wird, wird der EDFA 1-Strom reduziert, um die Spektrumsform beizubehalten.
  11. Verbinden Sie den 90%-Ausgang des OC mit einem 50:50 OC 1 und verbinden Sie einen der OC 1-Ausgänge über einen Polarisationsregler (PC) mit dem Mach-Zehnder-Modulator (MZM 1). Stellen Sie die Polarisation richtig ein, so dass die Leistung von MZM 1 maximiert wird (Polarisationsausrichtung).
  12. Legt das Hochfrequenzsignal (RF) des HF-Generators (RFG 1) mit dem BFS des FUT (für SSMF ca. 11 GHz) und 16 dBm Amplitude an den MZM 1 an. Stellen Sie die DC-Vorspannung des MZM 1 so ein, dass der Träger auf ein Minimum unterdrückt wird.
  13. Verbinden Sie den Ausgang des MZM 1 mit einem Glasfaser-Bragg-Gitter (FBG 1). Überprüfen Sie das Ausgangsspektrum von FBG 1 in der OSA, so dass das FBG 1 so eingestellt ist, dass es das obere Frequenzseitenband und den Träger blockiert.
  14. Verbinden Sie den Ausgang des FBG 1 nacheinander mit dem EDFA 2, einem weiteren 50:50 OC 2 und einem Isolator (ISO).
  15. Betreiben Sie EDFA 2 auch im ACC-Modus und stellen Sie den Stromwert auf Ig, so dass die Ausgangsleistung von ISO kleiner als -14 dBm ist, wodurch NLE20 minimiert wird. Schalten Sie die EDFA aus, bevor Sie den Stromzähler abklemmen, und fahren Sie mit dem Aufbau des Systems fort. Verbinden Sie den ISO-Ausgang mit dem anderen Ende des FUT, um die Einrichtung des Gain-Probe-Zweigs abzuschließen.
  16. Verbinden Sie den Cir-Anschluss 3 mit dem EDFA 4 (für Vorverstärkung34) und PD. Stellen Sie den EDFA auf den ACC-Modus. Der Stromwert I4 sollte die Ausgangsleistung von EDFA um 4 kleiner als die Eingangsgrenze des PD sein lassen. Der PD-HF-Ausgang wird an einen 10 MHz HF-Tiefpassfilter35,36 angeschlossen. Verbinden Sie den Filterausgang mit dem Digitizer.
  17. Verbinden Sie den Trigger des Digitizers mit dem synchronisierten (oder inversen) Ausgang des Impulsgenerators. Stellen Sie die Digitizer-Parameter wie folgt ein: Abtastrate: 500 MSa/s; Mittelwert: 4.096 mal; Anzahl der Proben: 10.000.
  18. Legen Sie den aktuellen Wert von EDFA 1, EDFA 2 und EDFA 4 auf I20, Ig bzw. I4 fest. Führen Sie ein Trace-Aufzeichnungsprogramm aus. Überprüfen Sie die im Digitalisierer gemessene Spur. Wenn die Flankenamplitude dem exponentiellen Zerfall folgt, ist das Sensorsystem MI-frei. Andernfalls verringern Sie den aktuellen Wert von EDFA 1.

3. Messung mit dem herkömmlichen BOTDA-Setup und Datenverarbeitung

  1. Legen Sie die Werte von EDFA 1 und EDFA 2 auf I20 bzw. Ig fest. Die Frequenz von RFG 1 wird im Bereich von BFS ± 90 MHz in 1 MHz-Schritten abgetastet. Zeichnen Sie die Spur aus dem Aufnahmeprogramm nach jedem Scanschritt auf.
  2. Berechnen Sie die lokale Brillouin-Verstärkung, indem Sie die Leiterbahnamplitude (in der Brillouin-Wechselwirkungsperiode) durch jeden DC-Offset (Nicht-Brillouin-Wechselwirkungsperiode) dividieren.
  3. Rufen Sie das BGS an jedem Faserabschnitt ab, indem Sie das gemessene verrauschte BGS mit dem Lorentz-Fitting anpassen. Ermitteln Sie den FWHM des herkömmlichen BGS ΔνB0 aus der Armatur.
  4. Wiederholen Sie die Schritte 3.1 und 3.2 für N = 48 Mal und erfassen Sie im i-ten Prozess alle geschätzten Peak-Häufigkeitsverteilungen (BFS) entlang der Faser νBci(z) (siehe Abbildung 5A).
  5. Berechnen Sie den BFS-Schätzfehler als Standardabweichung des angepassten BFS an jedem Faserabschnitt in den 48 Messungen (siehe Abbildung 5B).

4. Vorbereiten des restlichen Setups

HINWEIS: In diesem Fall wurde m = 1 und d = 1,24 pro Simulationsergebnis verwendet (siehe Abschnitt 1 und Abbildung 3).

  1. Verbinden Sie den anderen Ausgang des 50:50 OC 1 im Tastkopfzweig mit dem EDFA 3 und dem 50:50 OC 3.
  2. Verbinden Sie einen der Ausgänge von 50:50 OC 3 mit einem PC und MZM 2. Stellen Sie die Polarisation so ein, dass die Leistung von MZM 2 maximiert wird.
  3. Das HF-Signal von RFG 2 mit BFS - d∙ΔνB0 und 16 dBm Amplitude auf MZM 2 anlegen. Überprüfen Sie das Modulationsspektrum in der OSA und stellen Sie die Bias-Spannung ein, um die Trägeramplitude zu minimieren.
  4. Verbinden Sie den Ausgang von MZM 2 mit dem Eingang eines optischen Schalters (OS 1), einem der Eingänge von 50:50 OC 4 und dem FBG 2.
  5. Überprüfen Sie das optische Signal in der OSA und stellen Sie die Mittenwellenlänge des FBG 2 so ein, dass der Träger und das unterfrequente Seitenband blockiert sind (siehe Abbildung 4A). Die Einrichtung des Sondenzweigs Verlust 1 ist dann abgeschlossen.
  6. Verbinden Sie den anderen Ausgang des 50:50 OC 3 mit einem PC und MZM 3. Stellen Sie die Polarisation so ein, dass die Leistung von MZM 3 maximiert wird.
  7. Das HF-Signal vom RFG 3 mit BFS + d∙ΔνB0 und 16 dBm Amplitude auf MZM 3 anlegen. Überprüfen Sie das Modulationsspektrum in der OSA und stellen Sie die Bias-Spannung ein, um die Trägeramplitude zu minimieren.
  8. Verbinden Sie den Ausgang von MZM 3 mit einem variablen optischen Abschwächer (VOA) mit Schaltfunktion (OS 2) und dem anderen Eingang von 50:50 OC 4. Wenn man bedenkt, dass der Offset zwischen den Dämpfungssondenfrequenzen im Vergleich zum FBG 2-Übertragungsfenster (mehrere GHz) relativ klein ist, werden auch der Träger und das niederfrequente Seitenband von MZM 3 durch FBG 2 blockiert. Die Einrichtung des Sondenzweigs Verlust 2 ist dann abgeschlossen.
  9. Schließen Sie OS 1, öffnen Sie OS 2, und stellen Sie den Stromwert von EDFA 3 auf Il ein, sodass die Leistung der Sonde für Verlust 1 -14 dBm (m = 1) beträgt.
  10. Öffnen Sie OS 1, schließen Sie OS 2 und stellen Sie die Dämpfung von VOA so ein, dass die Leistung der Loss-2-Sonde ebenfalls -14 dBm beträgt.

5. Messung mit dem vollständig vorgeschlagenen BOTDA-Setup und der Datenverarbeitung

  1. Schließen Sie OS 1, schließen Sie OS 2, und legen Sie den aktuellen Wert von EDFA 1, EDFA 2, EDFA 3 und EDFA 4 auf I20, Ig, I l bzw. I4 fest. Tasten Sie die Frequenz des RFG 1 im Bereich von BFS ± 90 MHz in 1 MHz Schritten ab. Frequenzen aus RFG 2 und RFG 3 werden entsprechend abgetastet. Zeichnen Sie die Ablaufverfolgung aus dem Programm nach jedem Scanschritt auf.
  2. Berechnen Sie die lokale Brillouin-Verstärkung wie in Schritt 3.2 und rufen Sie das konstruierte BGS an jedem Faserabschnitt ab, indem Sie das gemessene verrauschte BGS mit der überlagerten Lorentz-Funktion anpassen.
  3. Wiederholen Sie die Schritte 5.1 und 5.2 für N = 48 Mal und erfassen Sie im i-ten Prozess alle geschätzten Peak-Häufigkeitsverteilungen (BFS) entlang der Faser νBpi(z) (siehe Abbildung 5A).
  4. Berechnen Sie den BFS-Schätzfehler als Standardabweichung des angepassten BFS an jedem Faserabschnitt in den 48 Messungen (siehe Abbildung 5B).

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Ergebnisse

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Abbildung 3 zeigt die Simulationsergebnisse. Punkte mit η < 1 in Abbildung 3A weisen auf einen kleineren Frequenzfehler (höhere Messgrößenauflösung) mit dem entwickelten BGS hin. Je niedriger der Wert war, desto größer war der Vorteil. Das minimale Verhältnis lag bei m = 1, was darauf hindeutet, dass ein Multisonden- anstelle eines Multipumpenschemas durchgeführt werden kann (siehe Diskussion...

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Diskussion

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Der kritischste Schritt während des Experiments ist die Entzerrung der drei Sondenleistungen, so dass m = 1 und eine Symmetrie zwischen den beiden Brillouin-Verlustspektren erreicht wird. Neben der separaten Leistungskontrolle mit dem Leistungsmesser an Cir-Anschluss 2, wie in den Schritten 4.9 und 4.10 beschrieben, kann der Leistungsausgleich im Digitizer genauer überprüft werden. Durch das Einstellen der Frequenz von RF 1 auf ~11 GHz (die Glasfaser BFS) und das Ausschalten von...

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Offenlegungen

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Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben. Thomas Schneider ist Mitarbeiter der Technischen Universität Braunschweig. Cheng Feng wird von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Niedersächsischen Vorab gefördert.

Danksagungen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Cheng Feng bedankt sich für die finanzielle Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (SCHN 716/13-1, 716/15-2, 716/18-1, 716/26-1) und das Niedersächsische Vorab (NL-4 Projekt "QUANOMET").

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Stromregler für LaserdiodeILX LightwaveLDX3220
DigitizerAcqiris SAU5309A-1039
Erbium-dotierter Faserverstärker 1PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
Erbium-dotierter Faserverstärker 2LiCommOFA-TCH
Erbium-dotierter Faserverstärker 3Calmar OptcomAMP-ST30
Erbium-dotierter Faserverstärker 4PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
Faser-Bragg-Gitter 1Advanced Optics SolutionsT-FBG
Faser-Bragg-Gitter 2Advanced Optics SolutionsT-FBG
Faser im Test
IsolatorGeneral PhotonicsS-15-NTSS
Laserdiode3SP GruppeA1905 LMI
Mach-Zehnder-Modulator 1AvanexIM10
Mach-Zehnder-Modulator 2AvanexIM10
Mach-Zehnder-Modulator 3AvanexIM10
Nanosekunden-Treiberplatine für optischen HalbleiterverstärkerHighland TechnologyT160-9 (28A160-9C)
Optischer Koppler 10:90NewportTischkoppler/WDM
Optischer Koppler 50:50NewportTischkoppler/WDM
Optischer SpektrumanalysatorHewlett Packard86145A
Optischer Schalter 1JDSUSN12-1075NC
FotodiodeThorlabsD400FC
Polarisations-ScramblerGeneral PhotonicsPSY-101
Pulase GeneratorHewlett Packard8082A
Radio-Funktionsgenerator 1AnritsuMG3692C
Radio-Funktionsgenerator 2Agilent TechnologyE8257D
Radio-Funktionsgenerator 3HTMT2100
Optischer HalbleiterverstärkerThorlabsSOA1013SXS
Temperaturregler für LaserdiodeILX LightwaveLDT5948
Temperaturregler für optischen HalbleiterverstärkerTektronixTED200
Variabler optischer AbschwächerJDSUmVOA-A1Mit optischer Schaltfunktion

Referenzen

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