JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يتم تقديم بروتوكول لأجهزة تحليل المجال الزمني البصري Brillouin استنادا إلى هندسة طيف الكسب. تم تحقيق تحسينات في أداء الاستشعار ، بما في ذلك نطاق الاستشعار ودقة القياس ودراسة ضوضاء شدة بريلوين الزائدة. يقدم البروتوكول طريقة جديدة لتحسين أداء استشعار Brillouin الموزع.

Abstract

Shown هي طريقة فريدة لاستشعار تحسين الأداء في أجهزة تحليل المجال الزمني البصري Brillouin (BOTDA). يتم تثبيت طيف كسب بريلوين (BGS) بأطياف خسارة بريلوين متماثلين (BLS). هذا يؤدي إلى شكل طيف هندسي معقد أكثر مقاومة لضوضاء نظام الاستشعار. بدلا من مضخة واحدة فقط وتفاعل مسبار كما هو الحال في إعداد BOTDA التقليدي ، يتم استغلال ثلاث موجات مسبار بصري ، مع وجود مسبار واحد في BGS والاثنان الآخران بشكل متماثل في BLS. نظرا لمقاومة وعدم حساسية شكل الطيف المصمم هندسيا للضوضاء ، يتم تحسين أداء الاستشعار بنسبة 60٪ ومضاعفة دقة القياس.

Introduction

استشعار الألياف الموزعة (DFS) هو آلية فريدة تستخدم ألياف كاملة كوسيط استشعار. لقد اجتذبت الكثير من الاهتمام بسبب انخفاض فقدان الألياف. حجم صغير؛ والقدرة على أن تكون جزءا لا يتجزأ بسهولة في الهياكل المختلفة ، مثل السدود والجسور والمباني ، لإجراء مراقبة البيئة كنظام عصبي اصطناعي. بالمقارنة مع تطبيق العديد من أجهزة استشعار النقاط التقليدية ، مثل حواجز شبكية ليفية براج (FBG) ، فإنه يوفر حلا أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة في مجموعة واسعة من مهام الاستشعار واسعة النطاق ، مثل البنية التحتية ومراقبة الصحة الهيكلية1.

تستغل المستشعرات الموزعة الحالية آليات التشتت المختلفة داخل الألياف لقياس درجة الحرارة وتوزيع الإجهاد. من بينها ، يعد DFS القائم على تشتت Brillouin هو الأكثر جاذبية بسبب المزايا المذهلة لتشتت Brillouin المحفز (SBS) ، مثل نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية (SNR) ، والعتبة المنخفضة ، والحساسية لكل من درجة الحرارة2 والسلالة3. يمكن وصف SBS بشكل كلاسيكي بأنه تفاعل بين الموجات البصرية المستمرة الساقطة (CW) ، أي المضخة ، وموجة مسبار CW المضادة للانتشار عبر موجة صوتية. وفقا للحفاظ على الطاقة والزخم ، يتم نقل موجة المسبار إلى المضخة. يسمى هذا التحول بتحول تردد بريلوين (BFS). بالنظر إلى العمر المحدود للموجة الصوتية 10 ns ، هناك توزيع طيفي محدود للموجة المنكسرة ، ويسمى أيضا طيف كسب Brillouin (BGS) ، حيث BFS هو فرق التردد بين موجة المضخة وتردد مركز الذروة. يؤدي التفاعل بين الموجات إلى منطقة كسب متغيرة للتردد لأسفل ومنطقة خسارة متغيرة للتردد حيث يتم تضخيم موجة المسبار وتخفيفها ، على التوالي. وبالنسبة للألياف أحادية الأسلوب القياسية (SSMF) في النطاق C، تبلغ BFS حوالي 11 جيجاهرتز ويكون ل BGS شكل لورنتزيان بعرض كامل ضيق للغاية عند نصف الحد الأقصى (FWHM) يتراوح بين 10-30 ميجاهرتز، والذي يمكن تقليله إلى MHz 3,3,30 بتقنيات محددة 4,5,6,7. بناء على هذه الخصائص ، يمكن أيضا تطبيق SBS في مرشحات الضوئيات الميكروويف8،9،10 ، والمرشحات الضوئية11 ، والضوء البطيء والسريع12،13،14 ، والتحليل الطيفي البصري عاليالدقة 7،15.

أحد أكثر تطبيقات SBS الواعدة هو استشعار بريلوين الموزع. تستغل هذه المستشعرات اعتماد BFS على درجة الحرارة والإجهاد. أول ما تم إثباته كان محلل المجال الزمني البصري Brillouin (BOTDA) 16 ، وهو أكثر تقنيات استشعار بريلوين الموزعة في المجال الزمني توحيدا. وهو يختلف عن تفاعل CW-SBS التقليدي من حيث أنه يستغل تفاعل SBS بين موجة المضخة النبضية والمسبار CW بحيث يتم استجواب المعلومات البيئية محليا في كل قسم من الألياف. عادة ما يتم تثبيت تردد المضخة أو المسبار أثناء مسح المسبار أو تردد المضخة بالقرب من BFS. يتم تسجيل قوة المسبار لإعادة بناء BGS ويكون BFS هو التردد الأقصى لBGS المحلي في كل قسم من الألياف. ومع ذلك ، نظرا لضوضاء النظام التي لا مفر منها ، عادة ما تكون ذروة BGS غامضة ويجب تطبيق خوارزمية مناسبة17 ، مما يؤدي إلى خطأ تقديري معين في التردد18 ويؤثر على دقة القياس.

ومن الناحية الإحصائية، يتناسب خطأ تقدير BFS عكسيا مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء في النظام (SNR). الطريقة الأكثر مباشرة لتحسين SNR هي زيادة قوة المضخة والمسبار. ومع ذلك ، فإن هذه محدودة بعدم استقرار التشكيل (MI) 19 والتأثيرات غير المحلية (NLE) 20،21 إلى ~ 20 ديسيبل ميلي ودور المتوسط -14 ، على التوالي. تم اقتراح العديد من التقنيات ، مثل الترميز22 والتضخيم المضمن القائم على رامان23 لكسر هذه الحدود. في الآونة الأخيرة ، تم الإبلاغ عن أنه يمكن تقليل خطأ التردد هذا عن طريق اختيار خوارزمية مناسبةمناسبة 24. في هذا الصدد ، تم الإبلاغ أيضا عن أن القياسات التي تستغل مرحلة Brillouin وخوارزمية التركيب الخطي لها خطأ ترددمنخفض 25 ، مما يشير إلى إمكانات BGS المصمم جيدا لاستشعار تحسين الأداء. خيار آخر لتحسين SNR هو تقليل الضوضاء. ومع ذلك ، وفقا لوجهة النظر التقليدية ، تأتي ضوضاء نظام الاستشعار بشكل أساسي من الكاشف (أي ضوضاء الوضع العام ، بما في ذلك الضوضاء المظلمة ، وضوضاء الطلقة ، وما إلى ذلك)26،27 والتحسن أقل احتمالا.

الفكرة الأساسية لهذه الورقة هي هندسة BGS من خلال تراكب BGS التقليدي مع أطياف خسارة بريلوين متماثلة (BLS) (انظر الشكل 1). بالمقارنة مع طيف BGS التقليدي ، الذي يتبع شكل لورنتزيان ، فإن الطيف المصمم هندسيا أكثر وضوحا وقوة مع نفس المستوى من ضوضاء النظام. وبالتالي ، فإن الضوضاء لها تأثير أقل على تحديد تردد الذروة. يمكن التحقق من ذلك عن طريق جمع بيانات قياس BGS وتركيبها لعدد كبير من المرات ذات الدلالة الإحصائية. بسبب هذه المقاومة الأفضل للضوضاء ، يتم تحقيق تحسينات في أداء الاستشعار ، بما في ذلك نطاق الاستشعار بنسبة 60٪ ومضاعفة دقة القياس ، أي خطأ تردد منخفض بنسبة 50٪. نظرا لتورط القياس مع تفاعل خسارة Brillouin في جزء من BGS المصمم هندسيا ، يتم إجراء مقارنة مباشرة لضوضاء التتبع مع وبدون تفاعل Brillouin. نظرا للتحايل على ضوضاء Brillouin الزائدة ، فإن التتبع مع BGS المصمم هندسيا يكون أكثر وضوحا.

figure-introduction-5338
الشكل 1: تخطيطي ل BGS هندسيا من خلال تراكب كسب بريلوين واحد وأطياف خسارة بريلوين متماثلين. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Protocol

1. اختيار المعلمات المحسنة لهندسة الطيف عن طريق المحاكاة

  1. نموذج BGS gSBS (ν,z) المهندسة مع المعادلات28,29
    figure-protocol-278
    كما تم تنفيذه ، على سبيل المثال ، نص MATLAB التكميلي.
    ملاحظة: هنا ، G (ν) هو معامل الكسب المركب ، المحسوب في البرنامج النصي على أنه G_complex ضمن الدالة SBS_g ل BGS التقليدي أو الدالة SBS_gl ل BGS المصمم هندسيا ؛ g (ν ، z) هو مكسب بريلوين المركب المحلي ؛ و gSBS و φSBS هما الجزء الحقيقي والوهمي من g (ν ، z) ويرمزان إلى استجابة مرحلة BGS و SBS في الموقع z من نهاية إطلاق المضخة ، على التوالي. في النص ، يتم ترميز gSBS بالمتغيرات SBS_g_log و SBS_gl_log ل BGS التقليدي والمهندس في المقياس اللوغاريتمي ، على التوالي. Pp = 20 ديسيبل ميلي واط (P_pump في البرنامج النصي) هي ذروة قوة نبضة المضخة في نهاية إطلاق الألياف ؛ νB هو BFS (تطبيع في النص) ؛ g0 = 0.2 W-1 m-1 (g0 في النص) هو معامل كسب Brillouin. ΔνB = 50 MHz (gamma_B في النص) هو FWHM ل BGS ؛ α = 0.2 ديسيبل / كم هو معامل فقدان الألياف ويمثله alpha_log و alpha_lin كقيمة في المقياس اللوغاريتمي والخطي في النص ، على التوالي ؛ ν هو تردد موجة المسبار بحيث يتم مسح إزاحة تردد المضخة والمسبار ν - νB من -250 ميجاهرتز إلى 250 ميجاهرتز. يتم تمثيل تخالف تردد المضخة والمسبار في البرنامج النصي باعتباره المتجه العمومي f. المصطلح ز1 = ملغ0 هو عامل الخسارة. 2d∙ΔνB هو إزاحة التردد بين الخسائر ؛ و Leff = 10 م (L_eff في النص) هو طول تفاعل Brillouin لعرض النبضة 100 نانوثانية. يمكن تعديل الشكل الطيفي المصمم هندسيا بسهولة عن طريق ضبط عاملين طبيعيين ، m و d. يمكن نمذجة BGS التقليدي ببساطة بواسطة m = 0.
  2. أضف ضوضاء عشوائية (أي ضوضاء غاوسية بيضاء مضافة) بنفس المستوى على كل من BGS التقليدي والهندسي. يمكن أن يؤدي ضبط المعلمة noise_level في البرنامج النصي إلى تغيير مستوى الضوضاء.
  3. قم بتركيب BGS الصاخب التقليدي مع وظيفة Lorentzian (وظيفة Lorentz_g_gain_fun في البرنامج النصي) و BGS الصاخبة المصممة هندسيا مع وظيفة Lorentzian المتراكبة (وظيفة Lorentz_gl_gain_fun في البرنامج النصي) (انظر الشكل 2أ).
  4. حدد إزاحة ذروة التردد بسبب ضوضاء BGS التقليدية والهندسية (الشكل 2ب).
  5. كرر الخطوات 1.2-1.4 ل N = 500 واجمع جميع إزاحات تردد الذروة Δfci و Δfpi (ممثلة ب delta_g_g و delta_g_gl في النص ، على التوالي) ل BGS التقليدية والهندسية في العملية i ، على التوالي.

figure-protocol-3121
الشكل 2: محاكاة BGS. (أ) عرض توضيحي لتركيب BGS نموذجي من Lorentzian (أحمر) وهندسي (أزرق) في المحاكاة. (ب) قمة Lorentzian BGS من (A). يمثل Δfci خطأ تقدير BFS ل BGS التقليدي في القياس ith. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. احسب نسبة الانحراف المعياري لأخطاء تقدير BFS الناجمة عن الضوضاء على النحو التالي:
    figure-protocol-3755
  2. η المؤامرة كدالة ل m و d (انظر الشكل 3أ). أوجد الحد الأدنى للقيمة ηدقيقة والحد الأدنى م و د المقابلين. سيتم الحفاظ على ميزة دقة التقدير على طول الأليافبأكملها 28.
  3. اضبط قيمة z (أي طول الألياف ، وكذلك z في النص) في المعادلة (2) من 0 كم إلى 60 كم ، والخطوة 50 م وكرر الخطوات 1.1-1.7 مع بعض قيم m و d المحددة. ثم يمكن الحصول على نسبة الانحراف المعياري كدالة لطول الألياف (انظر الشكل 3ب).

2. إعداد واختبار إعداد BOTDA التقليدي (الكتلة المميزة في الشكل 4ب)

  1. قم بتشغيل الصمام الثنائي لليزر (LD) وتحقق من وظائف LD باستخدام محلل الطيف البصري (OSA). عادة ، يتم استخدام طول موجي حوالي 1,550 نانومتر.
  2. قم بتوصيل LD بقارنة التوصيل البصرية (OC) بنسبة 10:90. تحقق من الطاقة من خرج OC بنسبة 10٪. إذا كانت الطاقة أعلى من 13 ديسيبل ميلي واط (الحد الأقصى لطاقة الإدخال لجهاز تشويش إتشإش الإثياب [Pol.S.]) ، فقم بخفض طاقة خرج LD عن طريق خفض تيار LD.
  3. قم بتوصيل إخراج OC بنسبة 10٪ ب Pol.S. لتجنب تلاشي الاستقطاب1 ، اضبط تردد التدافع على 1 كيلو هرتز.
  4. تحقق من الطاقة من خرج Pol.S. إذا كانت الطاقة أعلى من -3 ديسيبل ميلي واط (الحد الأقصى لطاقة الإدخال لمضخم الصوت البصري لأشباه الموصلات [SOA]) ، فقم بإضافة مخففات حتى يتم استيفاء متطلبات الطاقة. قم بتوصيل Pol.S. مع SOA.
  5. قم بتطبيق إشارة قطار النبض الكهربائي بعرض نبضة 100 نانوثانية ومعدل تكرار 4 كيلو هرتز من مولد النبض (PG) على SOA. تأكد من أن اتساع إشارة النبضة أعلى من عتبة منطق الترانزستور والترانزستور (TTL) ل SOA (أي dBm 4) وأن معدل التكرار يفي بمتطلبات الرحلةذهابا وإيابا 30.
  6. قم بتوصيل الإخراج من SOA بمضخم الألياف المشبع بالإربيوم (EDFA 1) وقم بتشغيل EDFA في وضع التحكم التلقائي في التيار (ACC). قم بتوصيل الإخراج من EDFA 1 بالمنفذ 1 من جهاز التدوير (Cir).
  7. تحقق من إشارة النبض الضوئي من المنفذ 2 من Cir في محول الأرقام عن طريق توصيلها بالصمام الثنائي الضوئي (PD). من أجل تجنب أي ضرر يلحق بمرض باركنسون ، من الضروري التوهين الكافي.
  8. احسب طاقة ذروة النبضة الضوئية بواسطة شكل الموجة المقاس في المحول الرقمي. يتم تقدير طاقة الذروة البصرية Po وفقا ل
    figure-protocol-6155
    حيث VE هو جهد ذروة النبض الكهربائي ، و R و Rf هما استجابة PD ومقاومة الانتقال. ضع توهين الحماية في الاعتبار في هذا الحساب بحيث يتم تقييم طاقة مضخة الإدخال الصحيحة في الألياف قيد الاختبار (FUT ، 10.6 كم).
  9. لاحظ القيمة الحالية ل EDFA I20 عندما تصل طاقة ذروة النبضة الضوئية المحسوبة إلى 20 ديسيبل ميلي واط (عتبة MI19). يمكن تقييم نسبة الانقراض (ER) لقطار النبض الضوئي وفقا للحفاظ على الطاقة:
    figure-protocol-6703
    حيث Pavg هو متوسط الطاقة البصرية لقطار النبض. ومندوب هو معدل التكرار. و τ هو عرض النبضة. عادة ما يكون ER ل SOA أكثر من 30 ديسيبل ميلي واط ، مما يتجنب NLE31،32 بكفاءة.
    ملاحظة: قم بإيقاف تشغيل EDFA قبل فصل PD والاستمرار في بناء النظام.
  10. قم بتوصيل المنفذ 2 من Cir بأحد طرفي FUT لإكمال إعداد فرع المضخة. تحقق مما إذا كان النظام سيعاني من MI عن طريق التحقق من الطيف من الطرف الآخر من FUT في OSA وضبط EDFA عند قيمة تيار ثابتة ، I20. إذا كان الطيف المكتشف هو نفسه (في الشكل ، وليس بالضرورة في السعة) مع الطيف المقاس في الخطوة 2.1 ، فإن النظام خال من MI. خلاف ذلك ، عند ملاحظة اتساع الطيف الواضح أو تقسيم الذروة33 ، قلل تيار EDFA 1 للحفاظ على شكل الطيف.
  11. قم بتوصيل إخراج 90٪ من OC ب 50:50 OC 1 وقم بتوصيل أحد مخرجات OC 1 بمعدل Mach-Zehnder (MZM 1) عبر وحدة التحكم في الاستقطاب (PC). اضبط الاستقطاب بشكل صحيح ، بحيث يتم تعظيم الإخراج من MZM 1 (محاذاة الاستقطاب).
  12. يطبق إشارة التردد الراديوي (RF) من مولد التردد الراديوي (RFG 1) مع BFS ل FUT (ل SSMF حوالي 11 جيجاهرتز) وسعة dBm 16 على MZM 1. اضبط جهد انحياز التيار المستمر ل MZM 1 بحيث يتم قمع الموجة الحاملة إلى الحد الأدنى.
  13. قم بتوصيل إخراج MZM 1 بشبكة Bragg الليفية (FBG 1). تحقق من طيف الإخراج من FBG 1 في OSA بحيث يتم تعيين FBG 1 لحظر النطاق الجانبي للتردد العلوي وشركة النقل.
  14. قم بتوصيل الإخراج من FBG 1 ب EDFA 2 ، و 50:50 OC 2 آخر ، وعازل (ISO) على التوالي.
  15. قم بتشغيل EDFA 2 أيضا في وضع ACC واضبط القيمة الحالية على Ig ، بحيث تكون طاقة الخرج من ISO أقل من -14 ديسيبل ميلي واط ، مما يقلل NLE20. قم بإيقاف تشغيل EDFA قبل فصل عداد الطاقة وتابع بناء النظام. قم بتوصيل إخراج ISO بالطرف الآخر من FUT لإكمال بناء الإعداد لفرع مسبار الكسب.
  16. قم بتوصيل منفذ Cir 3 ب EDFA 4 (للتضخيمالمسبق 34) و PD. اضبط EDFA على وضع ACC. يجب أن تسمح القيمة الحالية I4 لطاقة الخرج من EDFA بأن تكون أصغر بمقدار 4 من حد إدخال PD. قم بتوصيل خرج PD RF بمرشح تمرير منخفض RF 10 ميجاهرتز35,36. قم بتوصيل إخراج المرشح بالمحول الرقمي.
  17. قم بتوصيل مشغل المحول الرقمي بالإخراج المتزامن (أو العكسي) لمولد النبض. اضبط معلمات المحول الرقمي على النحو التالي: معدل أخذ العينات: 500 مللي ثانية / ثانية ؛ المتوسط: 4,096 مرة; عدد العينات: 10,000.
  18. قم بتعيين القيمة الحالية ل EDFA 1 و EDFA 2 و EDFA 4 إلى I20 و Ig و I4 على التوالي. قم بتشغيل برنامج تسجيل التتبع. تحقق من التتبع المقاس في محول الأرقام الرقمي. إذا كان اتساع التتبع يتبع الاضمحلال الأسي ، فإن نظام الاستشعار يكون خاليا من MI. خلاف ذلك ، قم بتقليل القيمة الحالية ل EDFA 1.

3. القياس باستخدام إعداد BOTDA التقليدي ومعالجة البيانات

  1. اضبط قيم EDFA 1 و EDFA 2 على I20 و Ig ، على التوالي. امسح تردد RFG 1 في نطاق BFS ± 90 ميجاهرتز بخطوات 1 ميجاهرتز. سجل التتبع من برنامج التسجيل بعد كل خطوة مسح.
  2. احسب كسب Brillouin المحلي بقسمة اتساع التتبع (في فترة تفاعل Brillouin) على كل إزاحة DC (فترة تفاعل غير Brillouin).
  3. استرجع BGS في كل قسم من الألياف عن طريق تركيب BGS الصاخب المقاس بتركيب Lorentzian. حدد FWHM ل BGS ΔνB0 التقليدي من التركيب.
  4. كرر الخطوتين 3.1 و 3.2 ل N = 48 مرة واجمع جميع توزيعات تردد الذروة المقدرة (BFS) على طول الألياف νBci(z) في العملية i (انظر الشكل 5أ).
  5. احسب خطأ تقدير BFS كانحراف معياري ل BFS الملائم في كل قسم من أقسام الألياف في 48 قياسا (انظر الشكل 5ب).

4. تحضير بقية الإعداد

ملاحظة: في هذه الحالة ، تم استخدام m = 1 و d = 1.24 ، لكل نتائج محاكاة (انظر القسم 1 والشكل 3).

  1. قم بتوصيل الإخراج الآخر ل 50:50 OC 1 في فرع المسبار ب EDFA 3 و 50:50 OC 3.
  2. قم بتوصيل أحد مخرجات 50:50 OC 3 بجهاز كمبيوتر و MZM 2. اضبط الاستقطاب بحيث يتم تعظيم الإخراج من MZM 2.
  3. قم بتطبيق إشارة التردد اللاسلكي من RFG 2 مع BFS - d∙ΔνB0 وسعة dBm 16 على MZM 2. تحقق من طيف التعديل في OSA واضبط جهد التحيز لتقليل سعة الموجة الحاملة.
  4. قم بتوصيل الإخراج من MZM 2 بمدخل مفتاح بصري (OS 1) ، وأحد مدخلات 50:50 OC 4 ، و FBG 2.
  5. تحقق من الإشارة الضوئية في OSA واضبط الطول الموجي المركزي FBG 2 بحيث يتم حظر الموجة الحاملة والنطاق الجانبي للتردد المنخفض (انظر الشكل 4أ). سيكتمل بعد ذلك إعداد فرع مسبار الخسارة 1.
  6. قم بتوصيل الإخراج الآخر ل 50:50 OC 3 بجهاز كمبيوتر و MZM 3. اضبط الاستقطاب بحيث يتم تعظيم الإخراج من MZM 3.
  7. قم بتطبيق إشارة التردد اللاسلكي من RFG 3 مع BFS + d∙ΔνB0 وسعة 16 ديسيبل ميلي واط على MZM 3. تحقق من طيف التعديل في OSA واضبط جهد التحيز لتقليل سعة الموجة الحاملة.
  8. قم بتوصيل الإخراج من MZM 3 بمخفف بصري متغير (VOA) بوظيفة التبديل (OS 2) والمدخلات الأخرى 50:50 OC 4. وبالنظر إلى أن الإزاحة بين ترددات مسبار الخسارة صغيرة نسبيا مقارنة بنافذة الإرسال FBG 2 (عدة جيجاهرتز)، فإن الموجة الحاملة والنطاق الجانبي للتردد الأدنى من MZM 3 سيتم أيضا حظرها بواسطة FBG 2. سيكتمل بعد ذلك إعداد فرع مسبار الخسارة 2.
  9. أغلق نظام التشغيل 1 ، وافتح نظام التشغيل 2 ، واضبط القيمة الحالية ل EDFA 3 على Il بحيث تساوي قوة مسبار الخسارة 1 -14 ديسيبل ميلي واط (م = 1).
  10. افتح نظام التشغيل 1 ، وأغلق نظام التشغيل 2 ، واضبط توهين VOA بحيث تساوي قوة مسبار الخسارة 2 أيضا -14 ديسيبل ميلي واط.

5. القياس باستخدام إعداد BOTDA الكامل المقترح ومعالجة البيانات

  1. أغلق نظام التشغيل 1 ، وأغلق نظام التشغيل 2 ، وقم بتعيين القيمة الحالية ل EDFA 1 و EDFA 2 و EDFA 3 و EDFA 4 إلى I20 و Ig و Il و I4 على التوالي. امسح تردد RFG 1 في نطاق BFS ± 90 ميجاهرتز في خطوات 1 ميجاهرتز. الترددات من RFG 2 و RFG 3 المسح الضوئي في المقابل. سجل التتبع من البرنامج بعد كل خطوة مسح.
  2. احسب كسب Brillouin المحلي كما في الخطوة 3.2 واسترجع BGS المصمم هندسيا في كل قسم من مقاطع الألياف عن طريق تركيب BGS الصاخب المقاس مع وظيفة Lorentzian المتراكبة.
  3. كرر الخطوتين 5.1 و 5.2 ل N = 48 مرة واجمع جميع توزيعات تردد الذروة المقدرة (BFS) على طول الألياف νBpi (z) في العملية i (انظر الشكل 5أ).
  4. احسب خطأ تقدير BFS كانحراف معياري ل BFS الملائم في كل قسم من أقسام الألياف في 48 قياسا (انظر الشكل 5ب).

النتائج

يوضح الشكل 3 نتائج المحاكاة. تشير النقاط التي تحتوي على η < 1 في الشكل 3A إلى خطأ تردد أصغر (دقة قياس أعلى) مع BGS المصمم هندسيا. كلما انخفضت القيمة ، زادت الميزة. كانت النسبة الدنيا عند m = 1 ، مما يشير إلى أنه ?...

Discussion

الخطوة الأكثر أهمية أثناء التجربة هي معادلة قوى المسبار الثلاث بحيث يتم تحقيق m = 1 والتماثل بين طيفي خسارة Brillouin. إلى جانب فحص الطاقة المنفصل باستخدام عداد الطاقة في منفذ Cir 2 ، كما هو موضح في الخطوتين 4.9 و 4.10 ، يمكن التحقق من معادلة الطاقة بشكل أكثر دقة في المحول الرقمي...

Disclosures

ويعلن أصحاب البلاغ أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة. توماس شنايدر موظف في جامعة براونشفايغ التقنية. تتلقى Cheng Feng تمويلا من مؤسسة الأبحاث الألمانية و Niedersächsisches Vorab.

Acknowledgements

يرغب Cheng Feng في الإعراب عن تقديره للدعم المالي المقدم من مؤسسة الأبحاث الألمانية (SCHN 716 / 13-1 ، 716 / 15-2 ، 716 / 18-1 ، 716 / 26-1) و Niedersächsisches Vorab (مشروع NL-4 "QUANOMET").

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Current controller for laser diodeILX LightwaveLDX3220
DigitizerAcqiris SAU5309A-1039
Erbium doped fiber amplifier 1PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
Erbium doped fiber amplifier 2LiCommOFA-TCH
Erbium doped fiber amplifier 3Calmar OptcomAMP-ST30
Erbium doped fiber amplifier 4PhotopPTEDFA-A-PA-C-SCH-15
Fiber Bragg grating 1Advanced Optics SolutionsT-FBG
Fiber Bragg grating 2Advanced Optics SolutionsT-FBG
Fiber under testofs
IsolatorGeneral PhotonicsS-15-NTSS
Laser diode3SP GroupA1905 LMI
Mach-Zehnder modulator 1AvanexIM10
Mach-Zehnder modulator 2AvanexIM10
Mach-Zehnder modulator 3AvanexIM10
Nanosecond driving board for semiconductor optical amplifierHighland TechnologyT160-9 (28A160-9C)
Optical coupler 10:90NewportBenchtop coupler/WDM
Optical coupler 50:50NewportBenchtop coupler/WDM
Optical spectrum analyzerHewlett Packard86145A
Optical switch 1JDSUSN12-1075NC
PhotodiodeThorlabsD400FC
Polarization scramblerGeneral PhotonicsPSY-101
Pulase generatorHewlett Packard8082A
Radio function generator 1AnritsuMG3692C
Radio function generator 2Agilent TechnologyE8257D
Radio function generator 3HTMT2100
Semiconductor optical amplifierThorlabsSOA1013SXS
Temperature controller for laser diodeILX LightwaveLDT5948
Temperature controller for semiconductor optical amplifierTektronixTED200
Variable optical attenuatorJDSUmVOA-A1With optical switch function

References

  1. Motil, A., Bergman, A., Tur, M. [INVITED] State of the art of Brillouin fiber-optic distributed sensing. Optics & Laser Technology. 78, 81-103 (2016).
  2. Kurashima, T., Tateda, M. Thermal effects on the Brillouin frequency shift in jacketed optical silica fibers. Applied Optics. 29 (15), 2219-2222 (1990).
  3. Horiguchi, T., Kurashima, T., Tateda, M. Tensile strain dependence of Brillouin frequency shift in silica optical fibers. IEEE Photonics Technology Letters. 1 (5), 107-108 (1989).
  4. Preussler, S., Wiatrek, A., Jamshidi, K., Schneider, T. Brillouin scattering gain bandwidth reduction down to 3.4MHz. Optics Express. 19 (9), 8565-8570 (2011).
  5. Wiatrek, A., Preußler, S., Jamshidi, K., Schneider, T. Frequency domain aperture for the gain bandwidth reduction of stimulated Brillouin scattering. Optics Letters. 37 (5), 930-932 (2012).
  6. Preussler, S., Schneider, T. Bandwidth reduction in a multistage Brillouin system. Optics Letters. 37 (19), 4122-4124 (2012).
  7. Preussler, S., Schneider, T. Stimulated Brillouin scattering gain bandwidth reduction and applications in microwave photonics and optical signal processing. Optical Engineering. 55 (3), 031110 (2015).
  8. Wei, W., Yi, L., Jaouen, Y., Morvan, M., Hu, W. Brillouin Rectangular Optical Filter with Improved Selectivity and Noise Performance. IEEE Photonics Technology Letters. 27 (15), 1593-1596 (2015).
  9. Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. The Influence of Dispersion on Stimulated Brillouin Scattering Based Microwave Photonic Notch Filters. Journal of Lightwave Technology. 36 (22), 5145-5151 (2018).
  10. Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. Investigation of the Dispersion Effect on Stimulated Brillouin Scattering based Microwave Photonic Notch Filters. 2018 International Topical Meeting on Microwave Photonics (MWP). , 1-4 (2018).
  11. Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. Sharp tunable and additional noise-free optical filter based on Brillouin losses. Photonics Research. 6 (2), 132-137 (2018).
  12. Henker, R., et al. Gain enhancement in multiple-pump-line Brillouin-based slow light systems by using fiber segments and filter stages. Applied Optics. 48 (29), 5583-5588 (2009).
  13. Zhang, L., et al. Superluminal propagation at negative group velocity in optical fibers based on Brillouin lasing oscillation. Physical Review Letters. 107 (9), 93903 (2011).
  14. Xing, L., Zhan, L., Xia, Y. Large delay tunable slow-light based on high-gain stimulated-Brillouin-scattering amplification in optical fibers. Chinese Science Bulletin. 54 (21), 3947-3952 (2009).
  15. Preussler, S., Wiatrek, A., Jamshidi, K., Schneider, T. Ultrahigh-resolution spectroscopy based on the bandwidth reduction of stimulated brillouin scattering. IEEE Photonics Technology Letters. 23 (16), 1118-1120 (2011).
  16. Horiguchi, T., Tateda, M. Optical-fiber-attenuation investigation using stimulated Brillouin scattering between a pulse and a continuous wave. Optics Letters. 14 (8), 408-410 (1989).
  17. Feng, C., Emad Kadum, J., Schneider, T. The State-of-the-Art of Brillouin Distributed Fiber Sensing. Brillouin Distributed and Fiber-bragg-grating-based Fiber Sensing - Principle, Measurement and Applications. , (2019).
  18. Soto, M. A., Thévenaz, L. Modeling and evaluating the performance of Brillouin distributed optical fiber sensors. Optics Express. 21 (25), 31347-31366 (2013).
  19. Alem, M., Soto, M. A., Thévenaz, L. Analytical model and experimental verification of the critical power for modulation instability in optical fibers. Optics Express. 23 (23), 29514-29532 (2015).
  20. Thévenaz, L., Mafang, S. F., Lin, J. Effect of pulse depletion in a Brillouin optical time-domain analysis system. Optics Express. 21 (12), 14017-14035 (2013).
  21. Iribas, H., Urricelqui, J., Mompó, J. J., Mariñelarena, J., Loayssa, A. Non-Local Effects in Brillouin Optical Time-Domain Analysis Sensors. Applied Sciences. 7 (8), 761 (2017).
  22. Soto, M. A., Le Floch, S., Thévenaz, L. Bipolar optical pulse coding for performance enhancement in BOTDA sensors. Optics Express. 21 (14), 16390-16397 (2013).
  23. Angulo-Vinuesa, X., Martin-Lopez, S., Corredera, P., Gonzalez-Herraez, M. Raman-assisted Brillouin optical time-domain analysis with sub-meter resolution over 100 km. Optics Express. 20 (11), 12147 (2012).
  24. Haneef, S. M., Yang, Z., Thévenaz, L., Venkitesh, D., Srinivasan, B. Performance analysis of frequency shift estimation techniques in Brillouin distributed fiber sensors. Optics Express. 26 (11), 14661-14677 (2018).
  25. Lopez-Gil, A., et al. Evaluation of the accuracy of BOTDA systems based on the phase spectral response. Optics Express. 24 (15), 17200-17214 (2016).
  26. Urricelqui, J., Soto, M. A., Thévenaz, L. Sources of noise in Brillouin optical time-domain analyzers. 24th International Conference on Optical Fibre Sensors. 9634, 963434 (2015).
  27. Zornoza, A., Sagues, M., Loayssa, A. Self-heterodyne detection for SNR improvement and distributed phase-shift measurements in BOTDA. Journal of Lightwave Technology. 30 (8), 1066-1072 (2012).
  28. Feng, C., Lu, X., Preussler, S., Schneider, T. Gain Spectrum Engineering in Distributed Brillouin Fiber Sensors. Journal of Lightwave Technology. 37 (20), 5231-5237 (2019).
  29. Feng, C., Lu, X., Preussler, S., Schneider, T. Measurement accuracy enhancement of distributed Brillouin sensors based on gain spectrum engineering. Seventh European Workshop on Optical Fibre Sensors. 11199, 9 (2019).
  30. Peled, Y., Motil, A., Tur, M. Fast Brillouin optical time domain analysis for dynamic sensing. Optics Express. 20 (8), 8584-8591 (2012).
  31. Feng, C., Iribas, H., Marinelaerña, J., Schneider, T., Loayssa, A. Detrimental Effects in Brillouin Distributed Sensors Caused By EDFA Transient. Conference on Lasers and Electro-Optics. , JTu5A.85 (2017).
  32. Iribas, H., et al. Effects of pump pulse extinction ratio in Brillouin optical time-domain analysis sensors. Optics Express. 25 (22), 27896-27911 (2017).
  33. Tai, K., Hasegawa, A., Tomita, A. Observation of modulational instability in optical fibers. Physical Review Letters. 56 (2), 135-138 (1986).
  34. De Souza, K., Newson, T. P. Brillouin-based fiber-optic distributed temperature sensor with optical preamplification. Optics Letters. 25 (18), 1331 (2000).
  35. Feng, C., Preussler, S., Emad Kadum, J., Schneider, T. Measurement Accuracy Enhancement via Radio Frequency Filtering in Distributed Brillouin Sensing. Sensors. 19 (13), 2878 (2019).
  36. Kadum, J., Feng, C., Preussler, S., Schneider, T. Improvement of the measurement accuracy of distributed Brillouin sensing via radio frequency filtering. Seventh European Workshop on Optical Fibre Sensors. 19 (13), 3 (2019).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

Brillouin BOTDA Brillouin Brillouin

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved