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
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

מוצג פרוטוקול עבור מנתחי תחום הזמן האופטיים של Brillouin המבוסס על הנדסת ספקטרום הגבר. שיפורים בביצועי החישה, כולל טווח חישה ורזולוציית מדידה מושגים ונחקר רעש עוצמת Brillouin העודף. הפרוטוקול מציג דרך חדשה לשפר את ביצועי חישת Brillouin מבוזרים.

Abstract

הודגמה שיטה ייחודית לחישת שיפור ביצועים במנתחי תחום הזמן האופטיים של Brillouin (BOTDA). ספקטרום רווח Brillouin (BGS) מונח על גבי שני ספקטרום אובדן Brillouin סימטרי (BLS). זה מוביל לצורת ספקטרום מהונדסת מורכבת העמידה יותר בפני רעשי מערכת החישה. במקום אינטראקציה אחת בלבד של משאבה ובדיקה כמו במערך ה-BOTDA הקונבנציונלי, מנוצלים שלושה גלי בדיקה אופטיים, כאשר בדיקה אחת ממוקמת ב-BGS והשניים האחרים באופן סימטרי ב-BLS. בשל ההתנגדות וחוסר הרגישות של צורת הספקטרום המהונדסת לרעש, ביצועי החישה משופרים ב-60% ורזולוציית המדידה מוכפלת.

Introduction

חישת סיבים מבוזרת (DFS) היא מנגנון ייחודי המשתמש בסיב שלם כמדיום חישה. זה משך עניין רב בגלל אובדן הסיבים הנמוך; מידה קטנה; והיכולת להיות מוטמעים בקלות במבנים שונים, כגון סכרים, גשרים ובניינים, כדי לבצע מעקב סביבתי כמערכת עצבים מלאכותית. בהשוואה ליישום חיישני נקודה מסורתיים רבים, כגון רשתות סיבים Bragg (FBG), הוא מספק פתרון יעיל וחסכוני יותר במגוון רחב של משימות חישה בקנה מידה גדול, כגון ניטור תשתיות ובריאות מבנית1.

חיישנים מבוזרים זרם מנצלים מנגנוני פיזור שונים בתוך הסיב כדי למדוד את חלוקת הטמפרטורה והמתח. ביניהם, DFS המבוסס על פיזור Brillouin הוא האטרקטיבי ביותר בשל היתרונות הבולטים של פיזור Brillouin מגורה (SBS), כגון יחס אות לרעש גבוה (SNR), סף נמוך ורגישות הן לטמפרטורה2 והן למתח3. ניתן לתאר SBS באופן קלאסי כאינטראקציה בין הגלים הרציפים האופטיים המתרחשים (CW), כלומר המשאבה, וגל בדיקת ה-CW המתפשט נגדית באמצעות גל אקוסטי. על פי שימור האנרגיה והתנע, גל הבדיקה מועבר בתדר כלפי מטה למשאבה. שינוי זה נקרא הסטת תדר Brillouin (BFS). בהתחשב לאורך החיים הסופי של גל אקוסטי של 10 ns, קיימת התפלגות ספקטרלית סופית של הגל השבור, הנקרא גם ספקטרום רווח Brillouin (BGS), שבו ה-BFS הוא הפרש התדרים בין גל המשאבה לתדר מרכז השיא. האינטראקציה בין הגלים מובילה לאזור רווח בתדר מוסט למטה ולאזור אובדן בתדר שבו גל הבדיקה מוגבר ומוחלש, בהתאמה. עבור סיב אופן-יחיד סטנדרטי (SSMF) ב-C-Band, ה-BFS הוא כ-11 GHz ול-BGS יש צורת לורנציאנית עם רוחב מלא צר במיוחד בחצי מקסימום (FWHM) של 10-30 מגה-הרץ, שניתן להפחית עוד יותר ל-3.4 מגה-הרץ בטכניקות ספציפיות 4,5,6,7. בהתבסס על מאפיינים אלה, ניתן ליישם SBS גם במסנני פוטוניקה במיקרוגל 8,9,10, מסננים אופטיים11, אור איטי ומהיר 12,13,14 וספקטרוסקופיה אופטית ברזולוציה גבוהה 7,15.

אחד מיישומי SBS המבטיחים ביותר הוא חישת Brillouin מבוזרת. חיישנים אלה מנצלים את התלות של BFS בטמפרטורה ובמתח. הראשון שהודגם היה מנתח תחום הזמן האופטי של Brillouin (BOTDA)16, שהוא טכניקת החישה המבוזרת ביותר בתחום הזמן המאוחדת. זה שונה מהאינטראקציה הקונבנציונלית של CW-SBS בכך שהוא מנצל את אינטראקציית SBS בין גל משאבה פועם ל-CW בדיקה כך שהמידע הסביבתי נחקר באופן מקומי בכל קטע סיבים. תדר המשאבה או הבדיקה קבוע בדרך כלל בזמן שהגשושית או תדר המשאבה נסרקים בקרבת ה-BFS. כוח הבדיקה נרשם לשחזור BGS וה-BFS הוא באופן אידיאלי תדר השיא של ה-BGS המקומי בכל קטע סיבים. עם זאת, בשל רעש המערכת הבלתי נמנע, שיא ה-BGS הוא בדרך כלל מעורפל ויש ליישם אלגוריתם מתאים17, מה שמוביל לשגיאת הערכה מסוימת בתדר18 ומשפיע על רזולוציית המדידה.

מבחינה סטטיסטית, שגיאת ההערכה של BFS עומדת ביחס הפוך ליחס אות-לרעש (SNR) של המערכת. הדרך הפשוטה ביותר לשפר את ה-SNR היא להגדיל את כוח המשאבה והבדיקה. עם זאת, אלה מוגבלים על ידי חוסר יציבות אפנון (MI)19 והשפעות לא מקומיות (NLE)20,21 עד ~20 dBm ו-14 dBm, בהתאמה. טכניקות רבות, כגון קידוד22 והגברה מוטבעת מבוססת ראמאן23 הוצעו כדי לשבור את הגבולות הללו. לאחרונה דווח כי ניתן למזער שגיאת תדר זו על ידי בחירת אלגוריתם התאמה מתאים24. בהקשר זה, מדידות המנצלות את שלב Brillouin ואלגוריתם התאמה ליניארי מדווחות גם על שגיאת תדר מופחתת25, מה שמעיד על הפוטנציאל של BGS מהונדס היטב לחישה של שיפור ביצועים. אפשרות נוספת לשיפור SNR היא הפחתת רעש. עם זאת, על פי נקודת המבט המסורתית, רעש מערכת החישה מגיע בעיקר מהגלאי (כלומר, רעש במצב משותף, כולל רעש כהה, רעש זריקה וכו')26,27 והשיפור פחות סביר.

הרעיון הבסיסי של מאמר זה הוא להנדס את ה-BGS על ידי סופרפוזיציה של BGS קונבנציונלי עם שני ספקטרום אובדן Brillouin סימטרי (BLS) (ראה איור 1). בהשוואה לספקטרום BGS קונבנציונלי, העוקב אחר צורת לורנציאן, הספקטרום המהונדס חד וחזק יותר עם אותה רמה של רעש מערכת. לפיכך, לרעש יש פחות השפעה על קביעת תדר השיא. ניתן לאמת זאת על ידי איסוף והתאמה של נתוני מדידת BGS מספר מובהק סטטיסטית של פעמים. בגלל עמידות טובה יותר לרעש, מושגים שיפורים בביצועי החישה, כולל טווח החישה ב-60% ורזולוציית מדידה כפולה, כלומר, שגיאת תדר מופחתת ב-50%. בשל מעורבות המדידה עם אינטראקציה של אובדן Brillouin בחלק מה-BGS המהונדס, מתבצעת השוואה ישירה של רעש העקבות עם ובלי אינטראקציה של Brillouin. בשל עקיפת רעש הברילואין העודף, העקבות עם ה-BGS המהונדס ברורים בהרבה.

figure-introduction-4860
איור 1: סכמטי של BGS מהונדס על ידי סופרפוזיציה של הגבר Brillouin אחד ושני ספקטרום אובדן Brillouin סימטרי. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. בחירת פרמטרים אופטימליים להנדסת הספקטרום באמצעות סימולציה

  1. מודל ה-BGS gSBS המהונדס (ν,z) עם המשוואות28,29
    figure-protocol-281
    כפי שמיושם, למשל, על ידי סקריפט MATLAB המשלים.
    הערה: כאן, G(ν) הוא מקדם ההגבר המרוכב, המחושב בסקריפט כ-G_complex בתוך הפונקציה SBS_g עבור הפונקציה BGS הקונבנציונלית או SBS_gl עבור ה-BGS המהונדס; g(ν,z) הוא הקומפלקס המקומי Brillouin gain; ו-gSBS ו-φSBS הם החלק האמיתי והדמיוני של g(ν,z) ומסמלים את תגובת הפאזה של BGS ו-SBS במיקום z מקצה שיגור המשאבה, בהתאמה. בתסריט, gSBS מסומל על ידי המשתנים SBS_g_log ו-SBS_gl_log עבור ה-BGS הקונבנציונלי והמהונדס בקנה מידה לוגריתמי, בהתאמה. Pp = 20 dBm (P_pump בתסריט) הוא כוח השיא של דופק המשאבה בקצה השקת הסיבים; νB הוא ה- BFS (מנורמל בתסריט); g0 = 0.2 W-1 m-1 (g0 בתסריט) הוא מקדם הרווח של Brillouin; ΔνB = 50 מגה-הרץ (gamma_B בסקריפט) הוא ה-FWHM של ה-BGS; α = 0.2 dB/km הוא מקדם אובדן הסיבים ומיוצג על ידי alpha_log ו-alpha_lin כערך בקנה מידה לוגריתמי וליניארי בתסריט, בהתאמה; ν הוא תדר גל הבדיקה כך שתדר המשאבה והבדיקה מתקזז ν - νB נסרק מ -250 מגה-הרץ ל -250 מגה-הרץ. היסט תדר המשאבה והגשושית מיוצג בתסריט כווקטור הגלובלי f. המונח g1 = מ"ג0 הוא גורם ההפסד; 2d∙ΔνB הוא היסט התדר בין שני ההפסדים; ו-Leff = 10 m (L_eff בתסריט) הוא אורך האינטראקציה של Brillouin עבור רוחב פולס של 100 ns. ניתן לכוונן בקלות את הצורה הספקטרלית המהונדסת על ידי כוונון שני גורמים מנורמלים, m ו-d. ניתן לעצב את ה-BGS הקונבנציונלי פשוט על ידי m = 0.
  2. הוסף רעש אקראי (כלומר, רעש גאוס לבן תוסף) באותה רמה הן ב-BGS הקונבנציונלי והן ב-BGS המהונדס. התאמת הפרמטר noise_level בתסריט יכולה לשנות את רמת הרעש.
  3. התאימו את ה-BGS הרועש הקונבנציונלי עם הפונקציה Lorentzian (פונקציית Lorentz_g_gain_fun בסקריפט) ואת ה-BGS הרועש המהונדס עם הפונקציה Lorentzian המונחת על גבי הפונקציה Lorentzian (פונקציית Lorentz_gl_gain_fun בסקריפט) (ראה איור 2A).
  4. קבעו את היסט תדר השיא עקב הרעש עבור ה-BGS הקונבנציונלי והמהונדס (איור 2B).
  5. חזור על שלבים 1.2-1.4 עבור N = 500 ואסוף את כל קיזוזי תדר השיא Δfci ו-Δfpi (המיוצגים על ידי delta_g_g ו-delta_g_gl בסקריפט, בהתאמה) עבור ה-BGS הקונבנציונלי והמהונדס בתהליך i, בהתאמה.

figure-protocol-3045
איור 2: BGS מדומה. (A) הדגמה של התאמה של BGS לורנציאני טיפוסי (אדום) ומהונדס (כחול) בסימולציה. (B) שיא ה-BGS הלורנציאני מ-(A). Δfci מייצג את שגיאת ההערכה של BFS עבור ה-BGS הקונבנציונלי במדידה ה-i. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

  1. חשב את היחס בין סטיית התקן של שגיאות הערכת BFS הנגרמות על ידי רעש כ:
    figure-protocol-3678
  2. תרשים η כפונקציה של m ו-d (ראה איור 3A). מצא את הערך המינימלי ηדקות ואת ה- m וה - d המתאימים. היתרון של דיוק ההערכה יישמר לאורך כל הסיב28.
  3. כוונן את הערך של z (כלומר, אורך הסיבים, גם z בתסריט) במשוואה (2) מ-0 ק"מ ל-60 ק"מ, צעד 50 מ' וחזור על שלבים 1.1-1.7 עם כמה ערכי m ו-d שנבחרו. לאחר מכן ניתן לרכוש את היחס בין סטיית התקן כפונקציה של אורך הסיבים (ראה איור 3B).

2. הכן ובדוק את מערך ה-BOTDA הקונבנציונלי (בלוק מודגש באיור 4ב)

  1. הפעל את דיודת הלייזר (LD) ובדוק את הפונקציונליות של ה-LD עם מנתח הספקטרום האופטי (OSA). בדרך כלל משתמשים באורך גל סביב 1,550 ננומטר.
  2. חבר את ה-LD עם המצמד האופטי 10:90 (OC). בדוק את ההספק מיציאת 10% OC. אם ההספק גבוה מ-13 dBm (הספק הכניסה המרבי של מערבל הקיטוב [Pol.S.]), הורד את הספק הפלט של LD על ידי הורדת זרם ה-LD.
  3. חבר את פלט ה-10% OC עם ה-Pol.S. על מנת למנוע דהיית קיטוב1, הגדר את תדר הערבול ל-1 קילו-הרץ.
  4. בדוק את הכוח מהפלט של ה-Pol.S. אם ההספק גבוה מ-3 dBm (מגבלת הספק הכניסה המקסימלית של המגבר האופטי של מוליכים למחצה [SOA]), הוסף מנחתים עד למילוי דרישת ההספק. חבר את ה-Pol.S. עם ה-SOA.
  5. הפעל את אות רכבת הדופק החשמלי עם רוחב דופק של 100 ns וקצב חזרה של 4 קילו-הרץ ממחולל הדופק (PG) ב-SOA. ודא שהמשרעת של אות הדופק גבוהה מסף לוגיקת הטרנזיסטור-טרנזיסטור (TTL) של ה-SOA (כלומר, 4 dBm) וקצב החזרה עונה על דרישת הלוך ושוב30.
  6. חבר את הפלט מה-SOA עם מגבר הסיבים המסומם בארביום (EDFA 1) והפעל את ה-EDFA במצב בקרת זרם אוטומטית (ACC). חבר את הפלט מ-EDFA 1 ליציאה 1 של הסירקולטור (Cir).
  7. בדוק את אות הדופק האופטי מיציאה 2 של Cir בדיגיטייזר על ידי חיבורו לפוטודיודה (PD). על מנת למנוע נזק כלשהו למחלת פרקינסון, יש צורך בהנחתה מספקת.
  8. חשב את עוצמת שיא הדופק האופטי לפי צורת הגל הנמדדת בדיגיטייזר. שיא ההספק האופטי P o מוערך לפי
    figure-protocol-5849
    כאשר VE הוא מתח השיא של הדופק החשמלי, ו-R ו-Rf הם תגובת ה-PD והתנגדות הטרנס-התנגדות. קח בחשבון את הנחתת ההגנה בחישוב זה כך שתוערך הספק משאבת כניסה נכון לסיב הנבדק (FUT, 10.6 ק"מ).
  9. שימו לב לערך הנוכחי של EDFA I20 כאשר הספק השיא של הדופק האופטי המחושב מגיע ל-20 dBm (סף MI19). ניתן להעריך את יחס ההכחדה (ER) של רכבת הפולסים האופטיים על פי שימור האנרגיה:
    figure-protocol-6361
    כאשר Pavg הוא ההספק הממוצע האופטי של רכבת הדופק; frep הוא שיעור החזרות; ו-τ הוא רוחב הדופק. ה-ER של ה-SOA הוא בדרך כלל יותר מ-30 dBm, ונמנע ביעילות מ-NLE31,32.
    הערה: כבה את ה-EDFA לפני ניתוק ה-PD והמשך בניית המערכת.
  10. חבר את יציאה 2 של ה-Cir עם קצה אחד של ה-FUT כדי להשלים את הגדרת ענף המשאבה. בדוק אם המערכת תסבול מ-MI על ידי בדיקת הספקטרום מהקצה השני של ה-FUT ב-OSA והגדרת ה-EDFA לערך זרם קבוע, I20. אם הספקטרום שזוהה זהה (בצורה, לאו דווקא במשרעת) לזה שנמדד בשלב 2.1, אז המערכת נקייה מ-MI. אחרת, כאשר נצפים הרחבת ספקטרום ברורה או פיצול שיא33 , צמצם את זרם ה-EDFA 1 כדי לשמור על צורת הספקטרום.
  11. חבר את פלט ה-90% של ה-OC ל-OC 1 של 50:50 וחבר את אחת מיציאות ה-OC 1 למאפנן Mach-Zehnder (MZM 1) באמצעות בקר קיטוב (PC). הגדר את הקיטוב בצורה נכונה, כך שהפלט מ-MZM 1 יהיה מקסימלי (יישור קיטוב).
  12. החל את אות תדר הרדיו (RF) ממחולל ה-RF (RFG 1) עם ה-BFS של ה-FUT (עבור SSMF בסביבות 11 GHz) ומשרעת של 16 dBm על ה-MZM 1. הגדר את מתח ההטיה DC של ה-MZM 1 כך שהנושא ידוכא למינימום.
  13. חבר את הפלט של ה- MZM 1 עם סורג בראג סיבים (FBG 1). בדוק את ספקטרום הפלט מ-FBG 1 ב-OSA כך שה-FBG 1 מוגדר לחסום את פס הצד של התדר העליון ואת הספק.
  14. חבר את הפלט מה-FBG 1 ל-EDFA 2, עוד 50:50 OC 2 ומבודד (ISO) ברציפות.
  15. הפעל את EDFA 2 גם במצב ACC והגדר את הערך הנוכחי ל-Ig, כך שהספק המוצא מה-ISO נמוך מ-14 dBm, מה שממזער את NLE20. כבה את ה-EDFA לפני ניתוק מד החשמל והמשך בבניית המערכת. חבר את פלט ה-ISO לקצה השני של ה-FUT כדי להשלים את בניית ההתקנה של ענף בדיקת הרווח.
  16. חבר את יציאת Cir 3 ל-EDFA 4 (לקדם-amplification34) ו-PD. הגדר את ה-EDFA למצב ACC. הערך הנוכחי I4 אמור לאפשר להספק המוצא מ-EDFA להיות קטן ב-4 ממגבלת הכניסה של ה-PD. חבר את פלט ה-PD RF למסנן מעביר נמוך RF 10 מגה-הרץ35,36. חבר את פלט המסנן לדיגיטייזר.
  17. חבר את ההדק של הדיגיטייזר עם הפלט המסונכרן (או ההפוך) של מחולל הדופק. הגדר את פרמטרי הדיגיטייזר באופן הבא: קצב דגימה: 500 MSa/s; ממוצע: פי 4,096; מספר דגימות: 10,000.
  18. הגדר את הערך הנוכחי של EDFA 1, EDFA 2 ו-EDFA 4 ל-I20, Ig ו-I4, בהתאמה. הפעל תוכנית הקלטת מעקב. בדוק את העקבות שנמדדו בדיגיטייזר. אם משרעת העקבות עוקבת אחר הדעיכה האקספוננציאלית, אז מערכת החישה היא נטולת MI. אחרת, הפחת את הערך הנוכחי של EDFA 1.

3. מדידה באמצעות הגדרת BOTDA קונבנציונלית ועיבוד נתונים

  1. הגדר את הערכים של EDFA 1 ו-EDFA 2 ל-I20 ו-Ig, בהתאמה. סרוק את התדר של RFG 1 בטווח של BFS ± 90 מגה-הרץ בשלבים של 1 מגה-הרץ. הקלט את המעקב מתוכנית ההקלטה לאחר כל שלב סריקה.
  2. חשב את הרווח המקומי של Brillouin על ידי חלוקת משרעת העקבות (בתקופת האינטראקציה של Brillouin) בכל היסט DC (תקופת אינטראקציה שאינה Brillouin).
  3. אחזר את ה-BGS בכל קטע סיב על ידי התאמת ה-BGS הרועש הנמדד עם התאמת לורנציאן. קבע את ה- FWHM של ה- BGS ΔνB0 הקונבנציונאלי מההתאמה.
  4. חזור על שלבים 3.1 ו-3.2 עבור N = 48 פעמים ואסוף את כל התפלגות תדר השיא המשוערת (BFS) לאורך הסיב νBci(z) בתהליך i (ראה איור 5A).
  5. חשב את שגיאת הערכת ה-BFS כסטיית התקן של ה-BFS המותאם בכל קטע סיבים ב-48 המדידות (ראה איור 5ב).

4. הכנת שאר ההתקנה

הערה: במקרה זה, נעשה שימוש ב-m = 1 ו-d = 1.24, לכל תוצאות סימולציה (ראה סעיף 1 ואיור 3).

  1. חבר את הפלט השני של ה-50:50 OC 1 בענף הבדיקה עם ה-EDFA 3 וה-50:50 OC 3.
  2. חבר את אחת היציאות של 50:50 OC 3 למחשב ו-MZM 2. כוונן את הקיטוב כך שהפלט מ-MZM 2 יהיה מקסימלי.
  3. החל את אות ה-RF מ-RFG 2 עם BFS - d∙ΔνB0 ומשרעת של 16 dBm ב-MZM 2. בדוק את ספקטרום האפנון ב-OSA והתאם את מתח ההטיה כדי למזער את משרעת המוביל.
  4. חבר את הפלט מ-MZM 2 לכניסה של מתג אופטי (OS 1), אחת הכניסות של 50:50 OC 4 ו-FBG 2.
  5. בדוק את האות האופטי ב-OSA והתאם את אורך הגל המרכזי של FBG 2 כך שהנושא ופס הצד בתדר התחתון ייחסמו (ראה איור 4א). לאחר מכן תושלם ההגדרה של ענף בדיקת אובדן 1.
  6. חבר את הפלט השני של ה-50:50 OC 3 למחשב ול-MZM 3. כוונן את הקיטוב כך שהפלט מ-MZM 3 יהיה מקסימלי.
  7. החל את אות ה-RF מה-RFG 3 עם BFS + d∙ΔνB0 ומשרעת dBm 16 על MZM 3. בדוק את ספקטרום האפנון ב-OSA והתאם את מתח ההטיה כדי למזער את משרעת המוביל.
  8. חבר את הפלט מ-MZM 3 למנחת אופטי משתנה (VOA) עם פונקציית מתג (OS 2) והכניסה השנייה של 50:50 OC 4. בהתחשב בכך שההיסט בין תדרי בדיקת ההפסד קטן יחסית בהשוואה לחלון השידור FBG 2 (מספר GHz), המוביל ופס הצד של התדר התחתון מ-MZM 3 ייחסמו גם הם על ידי FBG 2. לאחר מכן תושלם ההגדרה של ענף בדיקת אובדן 2.
  9. סגור את מערכת ההפעלה 1, פתח את מערכת ההפעלה 2 והגדר את הערך הנוכחי של EDFA 3 ל-Il כך שעוצמת בדיקת האובדן 1 שווה ל-14 dBm (m = 1).
  10. פתח את מערכת ההפעלה 1, סגור את מערכת ההפעלה 2 והתאם את הנחתת ה-VOA כך שעוצמת בדיקת האובדן 2 תהיה שווה גם ל-14 dBm.

5. מדידה באמצעות מערך BOTDA המוצע המלא ועיבוד הנתונים

  1. סגור את מערכת ההפעלה 1, סגור את מערכת ההפעלה 2 והגדר את הערך הנוכחי של EDFA 1, EDFA 2, EDFA 3 ו-EDFA 4 ל-I20, Ig, Il ו-I4, בהתאמה. סרוק את התדר של ה- RFG 1 בטווח של BFS ± 90 מגה-הרץ בצעדים של 1 מגה-הרץ. תדרים מ-RFG 2 ו-RFG 3 נסרקים בהתאם. רשום את המעקב מהתוכנית לאחר כל שלב סריקה.
  2. חשב את רווח הברילואין המקומי כמו בשלב 3.2 ואחזר את ה-BGS המהונדס בכל קטע סיב על ידי התאמת ה-BGS הרועש הנמדד לפונקציית לורנציאן המונחת על גביה.
  3. חזור על שלבים 5.1 ו-5.2 עבור N = 48 פעמים ואסוף את כל התפלגות תדרי השיא המשוערת (BFS) לאורך הסיב νBpi(z) בתהליך i (ראה איור 5A).
  4. חשב את שגיאת הערכת ה-BFS כסטיית התקן של ה-BFS המותאם בכל קטע סיבים ב-48 המדידות (ראה איור 5ב).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

איור 3 מציג את תוצאות הסימולציה. נקודות עם η < 1 באיור 3A מצביעות על שגיאת תדר קטנה יותר (רזולוציית מדידה גבוהה יותר) עם ה-BGS המהונדס. ככל שהערך היה נמוך יותר, כך היתרון גדול יותר. היחס המינימלי היה ב-m = 1, מה ש...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

השלב הקריטי ביותר במהלך הניסוי הוא השוואת שלושת כוחות הבדיקה כך ש-m = 1 וסימטריה בין שני ספקטרום אובדן Brillouin מושגת. מלבד בדיקת הכוח הנפרדת באמצעות מד הכוח ביציאת Cir 2, כפי שמוצג בשלבים 4.9 ו-4.10, ניתן לבדוק את השוואת ההספק בצורה מדויקת יותר בדיגיטייזר. על ידי הגדרת תדר RF 1 ל-~...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים. תומאס שניידר הוא עובד באוניברסיטה הטכנית של בראונשווייג. צ'נג פנג מקבל מימון מקרן המחקר הגרמנית ומ-Niedersächsisches Vorab.

Acknowledgements

צ'נג פנג מבקש להכיר בתמיכה הכספית מקרן המחקר הגרמנית (SCHN 716/13-1, 716/15-2, 716/18-1, 716/26-1) ו-Niedersächsisches Vorab (פרויקט NL-4 "QUANOMET").

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

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

Request Permission

Explore More Articles

BrillouinBOTDABrillouinBrillouin

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