Методы и средства обеспечения единства измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне

Актуальность.

Растущая потребность в увеличении скорости и объема передаваемых данных требует применения волоконно-оптических систем передачи (ВОСП). В этой ситуации определяющими становятся принципиально новые параметры ВОСП, ограничивающие увеличение пропускной способности линий связи и влияющие на скорость передачи данных.

Одним из таких параметров является хроматическая дисперсия (ХД) в оптическом волокне. Хроматическая дисперсия представляет собой зависимость групповой скорости распространения сигнала от длины волны излучения и приводит к уширению оптического импульса, тем самым вызывая ограничение скорости и уменьшение дальности передачи без восстановления исходной формы импульса. Хроматическая дисперсия измеряется в единицах пс/нм. Описанная зависимость дополнительно характеризуется наклоном кривой хроматической дисперсии (пс/нм) и длиной волны нулевой дисперсии (нм). Две последние характеристики являются дополнительными, но играют существенную роль при модернизации существующих, а также вновь создаваемых ВОСП.

Для измерения и контроля хроматической дисперсии в оптическом волокне на российском рынке представлены средства измерений ХД, номенклатура и количество которых быстро возрастают. Это приводит к необходимости обеспечения единства измерения хроматической дисперсии путем создания правовой, организационной и технических подсистем, позволяющих обеспечить необходимую точность, а также поверку, калибровку и испытание средств измерений хроматической дисперсии. Данные задачи решаются разработкой и созданием Государственной поверочной схемы, Государственного и рабочих эталонов единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне, методов калибровки и поверки средств измерений (СИ).

К настоящему времени в ряде ведущих зарубежных метрологических институтов (METAS — Швейцария, NIST — США, NPL — Великобритания, CSIC.

Испания, HUT — Финляндия) создана эталонная аппаратура для измерения ХД, разработаны международные стандарты по измерению данной величины и проводятся международные сличения.

В связи с вышеизложенным, создание эталонной базы с целью метрологического обеспечения измерений ХД на территории РФ и гармонизация нормативно-методических документов с международными нормами и стандартами являются современными, актуальными и необходимыми задачами для достижения высокого уровня точности измерений хроматической дисперсии.

Настоящая работа по созданию методов и средств обеспечения единства измерений хроматической дисперсии оптического волокна в высокоскоростных волоконно-оптических системах передачи проводилась в рамках программ «Эталоны России» и ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008;2011 гг.».

Цели и основные задачи диссертации.

Целыо диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств обеспечения единства измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне.

Цель определила основные задачи, решаемые в диссертационной работе:

1) Анализ международных стандартов, исследование методов построения эталонной аппаратуры в области измерений хроматической дисперсии, выбор и обоснование метода измерения хроматической дисперсии для обеспечения единства измерений, определение требований к метрологическим характеристикам разрабатываемого эталона и к построению поверочной схемы.

2) Выявление факторов, ограничивающих точность выбранного метода, с последующей его модификациейразработка математической модели модифицированного метода измерения хроматической дисперсии для определения теоретически достижимого значения расширенной неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии данным методом и минимизации источников неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии.

3) Разработка измерительной аппаратуры для измерения хроматической дисперсии на основе модифицированного метода и метрологические исследования аппаратуры.

4) Разработка, создание и исследование Государственного первичного эталона единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне, а также Государственной поверочной схемы для средств измерений хроматической дисперсии, методов и средств, обеспечивающих передачу единицы хроматической дисперсии.

5) Разработка и создание методов и средств измерений хроматической дисперсии наноструктурных фотонно-кристаллических волокон.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1) Разработана математическая модель модифицированного фазосдвигового метода измерения хроматической дисперсии и проведен анализ источников неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии. Данный анализ позволил получить теоретическое значение расширенной неопределенности измерения хроматической дисперсии 0,5 пс/нм, что существенно (более чем в 3 раза) меньше по сравнению с другими методами измерения хроматической дисперсии, а также провести исследования влияния аппроксимации зависимости групповой задержки от длины волны на неопределенность измерений хроматической дисперсии.

2) Предложена модифицированная схема измерения хроматической дисперсии на основе фазосдвигового метода с использованием термокомпепсациоииого оптического канала и адаптивной аппроксимации групповой задержки на основе метода наименьших квадратов и критерия.

Фишера с целыо уменьшения неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии.

3) Разработан и утверждён Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184−2010 на базе модифицированной схемы измерения хроматической дисперсии, результатов математического моделирования и проградуированной перестраиваемой линии задержки, который обеспечивает воспроизведение и хранение единицы хроматической дисперсии, в интервале длин волн 1260 1650 нм в диапазоне от -400 до +400 пс/нм с расширенной неопределенностью результата воспроизведения (0,36+0,0004'В), пс/нм. Разработаны методы и средства поверки средств измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне и Государственная поверочная схема для средств измерений хроматической дисперсии, описанная в ГОСТ 8.608−2012, обеспечивающие единство измерений хроматической дисперсии в стране.

4) Проведены экспериментальные исследования по измерению хроматической дисперсии с учетом многомодовости и нелинейности полого наноструктурного фогонно-кристаллического волокна с большой площадью моды с использованием схемы кросс-корреляционного оптического стробирования с разрешением по частоте.

Практическая ценность и использование результатов работы.

1) Создан и утвержден Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184−2010, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единицы хроматической дисперсии, а также разработана и утверждена Государственная поверочная схема, описанная в ГОСТ 8.608−2012, для средств измерений ХД в оптическом волокне, что позволило обеспечить единство измерений хроматической дисперсии в стране.

2) С помощью разработанной эталонной аппаратуры успешно проведены испытания и включены в реестр ряд средств измерений, а также проведены поверка и калибровка высокоточных средств измерений ведущих зарубежных фирм JDSU, GN Nettest, Sunrise, Perkin Elmer (США), EXFO (Канада), Anritsu (Япония).

3) Разработанными рабочими эталонами единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне оснащены ФГУП ВНИИОФИ и Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Новосибирской области ФБУ «Новосибирский» ЦСМ, что подтверждено соответствующими актами.

4) Результаты разработки эталонной аппаратуры для измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне позволили создать метрологический комплекс для обеспечения единства измерений хроматической дисперсии в наноструктурных фотонно-кристаллических световодах.

5) Разработанные математическая модель процесса преобразования сигнала при измерениях хроматической дисперсии, результаты её исследований и Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184−2010 используются при создании рабочего эталона единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне в интересах Метрологической службы Министерства Обороны РФ.

6) Проведенные работы по дополнительным сличениям по проекту 1216 EURAMET. PR-S3 подтвердили сопоставимость (отклонение от опорного значения — не более 0,2 пс/нм при расширенной неопределенности результатов сличений 0,64 пс/нм) метрологических характеристик разработанного эталона с эталонной аппаратурой ведущих зарубежных метрологических институтов. Вклад автора.

При непосредственном участии автора на базе предложенной им модифицированной схемы фазосдвигового метода измерений хроматической дисперсии создан Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184−2010.

Лично автором:

— проведено математическое моделирование и анализ источников неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии для оценки метрологических характеристик модифицированного метода;

— разработана методология проведения измерений, позволяющая минимизировать неопределенности результатов измерений длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой;

— разработаны: блок стабилизированных источников излучения, схема управления, прецизионная регулируемая оптическая линия задержки, поляризационный смеситель;

— разработана Государственная поверочная схема, описанная в ГОСТ 8.608−2012, методы и средства передачи единицы от ГЭТ 184−2010 к рабочим эталонам и рабочим средс твам измерений хроматической дисперсии. Апробация работы.

Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены, обсуждены и одобрены на следующих научно-технических конференциях: «The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments 2009», «VIII и IX всероссийской научно-технической конференции «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации», «Всероссийской конференции по волоконной оптике 2009», г. Пермь и XV, XVI, XVII Всероссийских научно-технических конференциях «Фотометрия и её метрологическое обеспечение».

По теме диссертации опубликовано 16 научных работ: 8 статьей, в том числе 3 статьи в рекомендуемых ВАК журналах, 7 тезисов докладов на научно — технических конференциях и 1 патент. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений.

Основные результаты диссертационной работы перечислены ниже.

1. Проведены теоретические и экспериментальные исследования возможности использования основных методов измерений хроматической дисперсии для построения эталонной аппаратуры. Определены метрологические требования к разрабатываемому эталонув качестве базового выбран фазосдвиговый метод измерения, выбраны типы специальных телекоммуникационных волокон в качестве мер хроматической дисперсии.

2. Разработан модифицированный метод измерения хроматической дисперсии, позволяющий устранить основные недостатки фазосдвигового метода. Разработана математическая модель модифицированного метода и исследованы основные факторы, влияющие на неопределенность результатов измерений хроматической дисперсии. Проведены теоретические исследования по определению достижимых значений расширенной неопределенности результатов измерений следующих величин: хроматической дисперсии, длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой.

3. Разработана методика измерений, минимизирующая неопределенность результатов измерений хроматической дисперсии. Разработана измерительная аппаратура, проведены экспериментальные исследования ее метрологических характеристик, подтвердившие результаты теоретических исследований и корректность математической модели.

4. Разработан и утвержден Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184−2010, созданный на основе оптимизированной измерительной аппаратуры.

5. Разработана Государственная поверочная схема для средств измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне, регламентирующая передачу единицы хроматической дисперсии ГОСТ 8.608−2012. На основе образцов оптических волокон разработаны эталонные меры, обеспечивающие передачу единицы хроматической дисперсии от ГПСЭ к рабочим средствам измерений, а также методы передачи единицы хроматической дисперсии, оформленные в виде методик поверки рабочих эталонов и рабочих средств измерений ХД.

6. Проведены работы по международным сличениям в рамках проекта 1216 EURAMET. PR-S3, показавшие сопоставимость метрологических характеристик разработанной эталонной аппаратуры с эталонной аппаратурой метрологического института METAS.

7. Разработанными средствами для передачи единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне оснащены ФГУП «ВНИИОФИ» и Государственный региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Новосибирской области ФБУ «Новосибирский» ЦСМ.

8. Разработан, исследован и включен в Государственный реестр средств измерений метрологический комплекс для измерений хроматической дисперсии наноструктурных фотонно-кристаллических волоконразработаны методы поверки комплекса и методики измерений хроматической дисперсии фотонно-кристаллических волокон.

9. Разработанные математическая модель процесса преобразования сигнала при измерениях хроматической дисперсии и Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184−2010 используются при создании рабочего эталона единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне в интересах Метрологической службы Министерства Обороны РФ.

Таким образом, в диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача повышения точности и обеспечения единства измерений хроматической дисперсии одномодового и наноструктурного фотонно-кристаллического волокон, а также обеспечена гармонизация 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.