На правах рукописи

Григорьев Василий Викторович

Методы и средства обеспечения единства измерений

хроматической дисперсии в оптическом волокне

05.11.15 – метрология и метрологическое обеспечение

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва 2013

Работа выполнена в Федеральном Государственном Унитарном предприятии «Всероссийский научно – исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГУП «ВНИИОФИ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, Тихомиров Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: Либерман Анатолий Абрамович, доктор технических наук, ФГУП «ВНИИОФИ», начальник лаборатории НИО «Лазерной метрологии и радиометрии»

Хромой Борис Петрович, доктор технических наук, профессор, ФГОБУ ВПО Московский Технический Университет Связи и Информатики, заведующий кафедрой «Метрологии, стандартизации и измерений в технике связи»

Ведущая организация: ФГКУ «Главный Научный Метрологический Центр»

Министерства Обороны Российской Федерации

Защита состоится «19» июня 2013 г. в 15:00 часов на заседании диссертационного совета Д308.006.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений, расположенном по адресу: 119361, г. Москва, ул.

Озерная, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИОФИ»

Автореферат разослан « » _ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук Вишняков Г.Н.

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;

ВОСП – волоконно-оптические системы передачи;

ВСИ – высокоточное средство измерений;

ГПС – Государственная поверочная схема;

ГПCЭ – Государственный первичный специальный эталон;

НСП – неисключённая систематическая погрешность;

НТД – научно-техническая документация;

ОВ – оптическое волокно;

ОЭП – оптико-электронный преобразователь ПМД – поляризационная модовая дисперсия;

РСИ – рабочее средство измерений;

РЭ – рабочий эталон;

РФ – Российская Федерация;

СИ – средство измерений;

СКО – среднее квадратическое отклонение;

ФПУ – фотоприемное устройство;

ФКВ – фотонно-кристаллическое волокно;

ХД – хроматическая дисперсия;

ЭМ – эталонная мера;

XFROG – Cross-correlation frequency-resolved optical gating (кросс-корреляционное оптическое стробирование с разрешением по частоте).

1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

, АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛИ

И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

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/нм2) 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.

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 Целью 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 модификацией; разработка 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 раза) меньше по сравнению с другими методами измерения хроматической дисперсии, а также провести исследования влияния аппроксимации зависимости хроматической дисперсии.

термокомпенсационного оптического канала и адаптивной аппроксимации групповой задержки на основе метода наименьших квадратов и критерия Фишера с целью уменьшения неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии.

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, D, в интервале длин волн 1260 1650 нм в диапазоне от до +400 пс/нм с расширенной неопределенностью результата воспроизведения (0,36+0,0004D), 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 8.608обеспечивающие единство измерений хроматической дисперсии в стране.

хроматической дисперсии с учетом многомодовости и нелинейности полого наноструктурного фотонно-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 региональный центр стандартизации, метрологии и испытаний в Новосибирской области ФБУ «Новосибирский» ЦСМ, что подтверждено соответствующими актами.

хроматической дисперсии в оптическом волокне позволили создать метрологический комплекс для обеспечения единства измерений хроматической дисперсии в наноструктурных фотонно-кристаллических световодах.

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 EURAMET.PR-S3 подтвердили сопоставимость (отклонение от опорного значения не более 0,2 пс/нм при расширенной неопределенности результатов сличений 0, пс/нм) метрологических характеристик разработанного эталона с эталонной аппаратурой ведущих зарубежных метрологических институтов.

Вклад автора модифицированной схемы фазосдвигового метода измерений хроматической дисперсии создан Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184-2010.

неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии для оценки метрологических характеристик модифицированного метода;

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 8.608методы и средства передачи единицы от ГЭТ 184-2010 к рабочим эталонам и рабочим средствам 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 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.

Общий объём составляет 181 страницы печатного текста, в том числе рисунка, 42 таблицы, а также 8 страниц списка литературы и 4 страницы приложений.

Основные положения, выносимые на защиту 1) Предложенная математическая модель фазосдвигового метода измерения хроматической дисперсии позволяет оценить достижимые значения расширенной неопределенности, U, составляющие: для определения хроматической дисперсии U=(0,34+0,0004D) пс/нм (D – значение измеряемой величины), для определения дисперсионной кривой U=0,009 пc/нм2.

2) Для измерения длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой со значениями расширенных неопределенностей менее 0,1 нм и 0,01 пc/нм2, необходимо проводить измерения зависимости групповой задержки от длины волны вблизи ожидаемой длины волны нулевой дисперсии с асимметричностью расположения точек измерения не более 1 нм и в спектральном интервале не менее 24 нм.

3) Использование модифицированного фазосдвигового метода измерения хроматической дисперсии и проградуированной перестраиваемой линии задержки обеспечивает воспроизведение и хранение единицы хроматической дисперсии, D, в интервале длин волн 1260 1650 нм в диапазоне от -400 до +400 пс/нм с расширенной неопределенностью результатов воспроизведения (0,36+0,0004D), пс/нм.

4) Предложенные методы и средства передачи единицы хроматической дисперсии совместно с разработанным Государственным первичным специальным эталоном единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне позволяют реализовать передачу единицы хроматической дисперсии от эталонных мер к рабочим средствам измерений с погрешностью - (0,44+0,0003D) пс/нм, тем самым реализовав Государственную поверочную схему и обеспечив единство измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне и в наноструктурных фотоннокристаллических волокнах на территории РФ.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ сформулированы актуальность проблемы и цель работы.

Приведены основные определения и термины. Определены основные научнотехнические задачи, решаемые в диссертации.

возникновения хроматической дисперсии в оптическом волокне. Проведен анализ средств измерений хроматической дисперсии, имеющихся в Российской Федерации, и международных рекомендаций, описывающих возможные методы калибровки средств измерений.

Анализ показал, что для осуществления калибровки и поверки средств измерений ХД в оптическом волокне могут быть использованы специальные эталонные меры на основе оптических веществ, обладающих хроматической дисперсией. При этом для воспроизведения единицы ХД и её передачи к мерам ХД следует использовать высокоточную измерительную аппаратуру ХД для измерений ХД (эталонную аппаратуру).

Для разработки высокоточной измерительной аппаратуры выбран оптимальный метод измерения хроматической дисперсии. Основными критериями при выборе метода являлись: возможность измерения малых и больших значений ХД с одинаковой и одновременно максимально высокой точностью; гибкость при выборе шага измерения ХД по шкале длин волн. На основе анализа был выбран фазосдвиговый метод измерения хроматической дисперсии, который обладает следующими достоинствами:

1) измерение низких значений задержки оптического импульса (единицы фемтосекунд) при высоком динамическом диапазоне (единицы наносекунд), что позволяет ожидать высокой точности измерений ХД;

2) гибкость выбора шага измерения хроматической дисперсии по шкале длин волн, позволяющая достигнуть высокой точности измерения ХД как при низких, так и при высоких значениях ХД;

3) выбор малого (десятые доли нанометра) шага перестройки по шкале длин волн, дающий возможность измерить значения ХД в узком спектральном диапазоне, что позволяет уменьшить погрешность определения значения длины волны нулевой дисперсии.

Для обеспечения процесса воспроизведения и передачи единицы ХД были выбраны различные виды мер: меры, применяемые в качестве мер сравнений, и эталонные меры, используемые в ранге рабочих эталонов, при поверке и калибровке высокоточных средств измерений. В качестве мер могут выступать специальные типы отобранных телекоммуникационных волокон, фотонно-кристаллические волокна, брэгговские решетки и оптические линии задержки.

организаций показал, что в качестве мер ХД целесообразно использовать специальные одномодовые телекоммуникационные волокна G.652 (волокно с несмещенной дисперсией), G.653 (волокно со смещенной дисперсией), G. (волокно с ненулевой смещенной дисперсией). Перспективным направлением для обеспечения единства измерений хроматической дисперсии в ФКВ является применение фотонно-кристаллических волокон в качестве эталонных мер ввиду возможности создания необходимого спектрального распределения хроматической дисперсии, что позволяет уменьшить неопределенность воспроизведения и передачи единицы ХД.

На основания анализа метрологических характеристик средств измерений ХД были сформулированы следующие требования к метрологическим характеристикам разрабатываемой эталонной аппаратуры:

1) рабочие длины волн: 1260 1650 нм;

2) диапазон воспроизведения единицы ХД:

-400 +400 пc/нм;

3) расширенная неопределенность результатов воспроизведения единицы 4) расширенная неопределенность результатов воспроизведения единицы длины волны нулевой дисперсии: не более 0,2 нм;

5) расширенная неопределенность результатов воспроизведения единицы наклона дисперсионной кривой: не более 0,01 пс/нм2.

Вывод: Таким образом, на основе проведенного анализа и исследований физических причин возникновения хроматической дисперсии в оптическом волокне, анализа средств измерений хроматической дисперсии и международных рекомендаций, описывающих возможные методы калибровки средств измерений, были определены необходимые требования к метрологическим характеристикам разрабатываемого эталона. При этом показано, что в качестве основы эталонной аппаратуры для хранения, воспроизведения и передачи единицы ХД в оптическом волокне целесообразно использовать аппаратуру для измерений ХД на базе фазосдвигового метода измерения ХД и включить в состав аппаратуры набор мер ХД на основе телекоммуникационных волокон типа G.652, G.653, G.655.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ проведен анализ фазосдвигового метода, выбранного в Главе 1 в качестве перспективного. Выявлены его недостатки и определены источники неопределенности измерения хроматической дисперсии. Предложены пути оптимизации метода измерения с целью уменьшения влияния данных источников. Приведены результаты теоретического исследования процесса преобразования сигнала при измерениях ХД в оптическом волокне предложенным модифицированным фазосдвиговым методом с помощью математической модели.

Принцип фазосдвигового метода (рисунок 1) состоит в измерении фазометром разности фаз между опорным сигналом частоты f от высокочастотного (ВЧ) генератора и электрическим сигналом, полученным с помощью оптикоэлектронного преобразователя (ОЭП) из оптического сигнала с длиной волны I от лазера или суперлюминисцентного диода (СЛД) и прошедшего через оптическое волокно. Таким образом, измеряется зависимость разности фаз от длины волны, вычисляется групповая задержка и определяется хроматическая дисперсия как отношение изменения групповой фазовой задержки к изменению длины волны:

- длина волны, на которой вычисляется хроматическая дисперсия, нм, равная ; f- частота модуляции оптического излучения, Гц; 1, 2 - фазы сигнала на предыдущей и текущей длинах волн, угл. ; 1, 2 - предыдущая и текущая длины волн оптического излучения, нм.

Рисунок 1– Структурная схема измерительной аппаратуры на основе классического Фазосдвиговый метод имеет описанные в Главе 1 преимущества по сравнению с другими методами измерений хроматической дисперсии. Однако данный метод не лишен следующих недостатков:

1) Фиксированная частота модуляции оптического излучения;

2) Влияние нестабильности температуры меры на неопределенность результатов измерений;

3) Влияние погрешности установки длин волн лазеров на неопределенность результатов измерений.

Анализ классического фазосдвигового метода показал, что основными методическими и систематическими составляющими неопределенности результатов измерений ХД являются: неопределенность результатов измерений фазы, длины волны излучения, а также фиксированная частота модуляции оптического излучения и влияние температуры на результаты измерения ХД. Оцененное значение неопределенности результатов измерений ХД классическим фазосдвиговым методом составляет 1,3 пс/нм, что недостаточно для реализации эталона с требуемыми характеристиками.

Для уменьшения влияния указанных факторов на неопределенность результатов измерений ХД и устранения методических недостатков был разработан и предложен модифицированный фазосдвиговый метод. Структурная схема измерительной аппаратуры на основе модифицированного метода представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Структурная схема измерительной аппаратуры на основе В предложенной схеме по сравнению с классической реализована компенсация температурной нестабильности меры, возможность изменения частоты модуляции оптического излучения и контроль длины волны. Компенсация достигается за счет введения опорного оптического канала с опорным лазером, излучение которого проходит через оптическое волокно. В результате применения такого метода удается скомпенсировать изменение оптической длины оптического волокна. Это достигается за счет того, что излучение от опорного лазера и излучение от перестраиваемого лазера претерпевают одинаковые изменения фазового набега, что приводит к уменьшению суммарной неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии. В данном методе для контроля длины волны оптического излучения перестраиваемого и опорного лазеров используется измеритель длины волны. В качестве измерителя разности фаз применяется векторный анализатор, позволяющий изменять частоту модуляции для разных типов волокна, тем самым увеличивая точность измерения хроматической дисперсии при ее малых значениях. Описанные изменения в структурной схеме позволяют реализовать все преимущества фазосдвигового метода и устранить его недостатки.

Для выявления основных составляющих неопределенности результатов модифицированного фазосдвигового метода измерения хроматической дисперсии.

Она описывает поведение различных систем, входящих в структурную схему модифицированного метода, в зависимости от воздействий внутренних и внешних факторов, а также позволяет произвести расчет значений ХД с помощью алгебраических выражений и соотношений при прохождении и преобразовании сигналов в схеме (2):

U2 (t ) = t (, a, b, c...) = FMNK ( ti ( K1..Ki, 0..i, 0, f ), funcaprox (a, b, c....)) + taprox (ti ( K1..K i, 0..i, 0, f ), funcaprox (a, b, c....)) aprox 0 ( Daprox, a, b, c...) Daprox (, a, b, c...) электрооптического модулятора; Vp - модулирующее напряжение ВЧ, подаваемое на электрооптический модулятор; f – частота модуляции; E(f) – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) модулятора; 2CD (0 ), 1CD (i ) ) - фазовые набеги в каналах изза влияния ХД меры; 1T (i ), 2T (0 ) - фазовые набеги в каналах из-за влияния температурной нестабильности меры; 1PMD (i ), 2 PMD (0 ) - фазовые набеги в каналах из-за влияния спектральной зависимости поляризационных свойств меры – 1CDD (i ), 2CDD (0 ), 1PMDD (i ), 2 PMDD (0 ) - фазовые набеги в каналах из-за влияния ХД демультиплексора и его ПМД второго порядка; U1(t), U2(t) - сигналы на выходах каналов; E2 ( f ), E1 ( f ) - АЧХ фотодиодов опорного и измерительного каналов;

2 PD ( f ), 1PD ( f ) -фазо-частотные измерительного каналов; F ( f r, Ki ) - фазовый сдвиг в векторном анализаторе вследствие существования неопределенности результатов измерений фазы сигнала;

t ( K i +1, i +1, K i, i, 0, f ) - групповая задержка, возникающая между длинами волн i и i+1, пс; ti ( K1..K i, 0..i, 0, f ) - функция групповой задержки, пс; funcaprox (a, b, c....) функция аппроксимации, пс; FMNK - функция реализации метода наименьших квадратов; taprox - неопределенность аппроксимации, зависящая от выбранной S (, a, b, c...) - наклон дисперсионной кривой, 0 ( Daprox, a, b, c...) - длина волны нулевой дисперсии.

Из анализа математической модели (2) следует, что сдвиг фаз между перестраиваемым и опорным каналами возникает из-за хроматической дисперсии меры и свойств элементов, входящих в структурную схему модифицированного метода измерений ХД. Такими свойствами являются: поляризационная модовая дисперсия второго порядка меры и демультиплексора, ХД демультиплексора, оптоэлектронных преобразователей и модулятора, температурная нестабильность меры, нелинейность векторного анализатора и фактора аппроксимации.

Анализ и исследования основных источников неопределенностей показали, что теоретические значения расширенной неопределенности результатов измерений составляют: 0,5 пс/нм на краю диапазона для хроматической дисперсии, а для длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой - 0,092 нм и 0, пс/нм2, соответственно.

неопределенности результатов измерений длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой от методики измерений. Моделирование показало, что основными факторами, влияющими на неопределенность результатов измерений этих параметров, являются: диапазон измерений (количество точек аппроксимации) и асимметрия кривой групповой задержки относительно длины волны нулевой дисперсии. Исследования выявили, что ожидаемые значения неопределенности измерений длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой могут быть достигнуты проведением измерений вблизи ожидаемой длины волны нулевой дисперсии с асимметрией не более 1 нм и спектральном интервале не менее 24 нм.

Вывод: Таким образом, в Главе 2 был проведен анализ фазосдвигового метода измерения ХД и разработан модифицированный метод, позволивший устранить существенные недостатки базового метода. На основе разработанной математической модели модифицированного метода выявлены и исследованы источники неопределенностей, а также разработаны требования к методике проведения измерений. Проведены расчеты по определению теоретически достижимых значений расширенной неопределенности результатов измерений, U, равные: для определения хроматической дисперсии U=(0,34+0,0004D) пс/нм (D – значение измеряемой величины), для определения длины волны нулевой дисперсии U=0,09 нм, для определения наклона дисперсионной кривой U=0,009 пc/нм2.

Расчеты показали, что в результате применения модифицированного метода расширенная неопределенность результатов измерений ХД может быть снижена в раза.

В ТРЕТЬЕЙ главе приводятся результаты разработки и исследования аппаратуры для измерения хроматической дисперсии по модифицированной схеме, предложенной в Главе 2. Показаны результаты исследований специальных одномодовых волокон с целью их использования в воспроизведении и передачи единицы ХД к рабочим средствам измерений с помощью разработанной аппаратуры.

С целью определения метрологических требований к элементам и физической реализации измерительной аппаратуры, построенной по модифицированной схеме, экспериментально исследованы основные узлы и блоки.

Метрологические исследования измерительной аппаратуры подтвердили полученные ранее значения источников неопределенности (таблица 1) результатов измерений хроматической дисперсии, длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой и позволили сравнить теоретические значения неопределенности результатов измерений ХД с полученными экспериментально значениями (таблица 2).

В ходе исследований подтвердились выводы результатов математического моделирования, проведенного в Главе 2, согласно которым существует зависимость значений неопределенности результатов измерений длины волны нулевой дисперсии и наклона дисперсионной кривой от функции аппроксимации, асимметрии расположения точек кривой групповой задержки относительно длины волны нулевой дисперсии и спектрального интервала измерений. Для уменьшения значений данных составляющих были разработаны методика измерений и алгоритм аппроксимации по методу наименьших квадратов с подбором аппроксимационной формулы из фиксированного набора эмпирических формул Зельмейера по критерию Фишера. Данный критерий обеспечивает минимальную неопределенность аппроксимации и уменьшение систематической составляющей вне зависимости от типа используемого волокна, что позволяет использовать разнообразные волокна в качестве мер.

Исследования измерительной аппаратуры выявили нелинейность измерения фазы. Для ее устранения и, соответственно, уменьшения неопределенности результатов измерений хроматической дисперсии, была разработана перестраиваемая оптическая линия задержки, проградуированная интерферометрическим методом. Данная линия задержки позволяет откалибровать измерительную систему с неопределенностью результатов измерений разности фаз 0,08°.

Таблица 1 – Источники неопределенности Неопределенность результатов измерений фазы векторным анализатором B Неопределенность результатов измерений длины волны опорного лазера B Неопределенность результатов измерений длины волны перестраиваемого лазера B Поляризационная модовая дисперсия второго порядка оптического волокна B Поляризационная модовая дисперсия второго порядка оптического волокна B Таблица 2 - Сравнение теоретически достижимых метрологических характеристик измерительной установки с экспериментальными Диапазон измерения хроматической дисперсии, пс/нм -400 +400 -400 + Расширенная неопределенность результатов измерений 0,34+0,0004D 0,36+0,0004D Расширенная неопределенность результатов измерений длины волны нулевой дисперсии, нм (k=2) Расширенная неопределенность результатов измерений наклона дисперсионной кривой, пс/нм2 (k=2) одномодовых телекоммуникационных оптических волокон G.652, G.653 и G. длиной 12,5 км, которые предполагается использовать в качестве эталонных мер (в ранге рабочих эталонов) и мер сравнений. Была исследована температурная зависимость длины волны нулевой дисперсии, а также временная нестабильность, оказывающая влияния на погрешность измерений хроматической дисперсии и наклона дисперсионной кривой. В таблице 3 приведены результаты исследований температурной зависимости для оптического волокна типа G.652.

Таблица 3 – Результаты исследований температурных характеристик ОВ G. Параметр Неопределенность результатов измерений при различном изменении Хроматическая дисперсия дисперсии Наклон кривой Как видно из таблицы 3 и требований к разрабатываемой измерительной аппаратуре, для использования оптических волокон в качестве мер сравнения необходимо применять температурную стабилизацию, которая достигается помещением катушки с волокном в термостатируемую камеру.

Вывод: В Главе 3 описаны результаты разработки измерительной подтвердившие теоретические оценки и корректность математической модели и показавшие, что аппаратура обеспечивает воспроизведение и хранение единицы хроматической дисперсии, D, в интервале длин волн 1260 1650 нм в диапазоне от до +400 пс/нм с расширенной неопределенностью результатов воспроизведения (0,36+0,0004D), использования специальных одномодовых телекоммуникационных оптических волокон в качестве эталонных мер и мер сравнений. Все это позволяет утверждать, что разработанная измерительная аппаратура и предлагаемые меры позволяют воспроизводить, хранить и передавать единицу хроматической дисперсии и оценивать наклон дисперсионной кривой и длину волны нулевой дисперсии с требуемой точностью и реализовать эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне.

В ЧЕТВЕРТОЙ главе приводятся результаты реализации и исследований Государственного первичного специально эталона, созданного на базе описанной ранее аппаратуры, с целью обеспечения единства измерений ХД в оптическом волокне. Разработана Государственная поверочная схема для средств измерений хроматической дисперсии. Описаны результаты создания и исследования метрологического комплекса для измерений ХД наноструктурных фотоннокристаллических волокон, а также результаты проведенных международных сличений.

На основе разработанной измерительной аппаратуры и мер ХД был создан, исследован и утвержден Государственный первичный специальный эталон единицы ХД в оптическом волокне ГЭТ 184-2010.

В ходе создания эталона для обеспечения его функционирования и получения метрологических характеристик автором были разработаны:

стабилизированных по длине волны и мощности лазеров, работающих в диапазонах длин волн 1360 1500 нм и 1575 1650 нм, что необходимо для проведения измерения хроматической дисперсии. Схема контроля тока и температуры лазеров позволяет стабилизировать длину волны излучения с точностью 2 пм и мощность оптического излучения с точностью 0,02 дБ.

• Блок переключения каналов, необходимый для проведения измерения хроматической дисперсии в оптических диапазонах 1360 1500 нм и нм. Блок состоит из оптического переключателя, работающего в оптическом диапазоне 1260 1650 нм с разбросом значения ослабления излучения между каналами 0,2 дБ, и схемы управления оптическим переключателем, работающей по каналу USB.

• Прецизионная регулируемая оптическая линия задержки.

Регулируемая оптическая линия задержки содержит набор оптических волокон разной длины, соединенных с входом и выходом линии задержки с помощью двух переключателей, и обеспечивает задержку оптического сигнала до 1600 пс с целью дополнительной калибровки схемы измерения фазы. Длины оптических волокон измерены интерференционным методом с погрешностью мкм (0,05 пс).

• Поляризационный смеситель, представляющий собой блок с модулем контроллера состояния поляризации. Обеспечивает усреднение результатов измерений ХД по всем состояниям поляризации оптического излучения на входе меры и уменьшает влияние поляризационной модовой дисперсии меры на результат измерения ХД.

Структурная схема Государственного первичного специального эталона, внешний вид и характеристики, полученные в результате исследований, приведены на рисунках 3, 4 и в таблице 4.

Рисунок 3 – Структурная схема Государственного первичного специального эталона Рисунок 4– Внешний вид Государственного первичного специального эталона единицы ХД в оптическом волокне ГЭТ 184- Созданный эталон состоит из разработанной измерительной аппаратуры и мер, что обеспечивает воспроизведение, хранение и передачу единицы ХД.

Была разработана и утверждена Государственная поверочная схема для средств измерений ХД в оптическом волокне, описанная в ГОСТ 8.608- (Приложение 1). С целью минимизации погрешности передачи единицы и оптимизации поверки средств измерений была выбрана трехзвенная поверочная схема: исходный эталон – рабочий эталон – рабочие средства измерений. При этом от исходного эталона единица передается к высокоточному средству измерений через меру сравнения, а к рабочим эталонам методом прямых измерений (эталонным мерам) или с помощью мер сравнения (к рабочим эталонам на основе измерительной аппаратуры с комплектом мер ХД). От рабочего эталона единица передается к рабочим средствам измерений методом прямых измерений.

Таблица 4– Бюджет неопределенности и основные метрологические характеристики ГЭТ 184-2010, полученные в результате исследований Неопределенность Составляющие неопределенности Тип стандартную За счет влияния За счет влияния частоты u2 частоты модуляции, u f Неопределенность за счет влияния поляризационной модовой 0,007 пс/нм дисперсии второго порядка оптического волокна, uPMD Расширенная неопределенность, U (k=2) С целью создания средств передачи единицы ХД были разработаны и исследованы меры на базе специальных одномодовых оптических волокон типа G.652, G.653 и G.655. В таблице 5 приведены метрологические характеристики эталонных мер ХД.

разработанного эталона с характеристиками эталонной аппаратурой национальных метрологических институтов других стран были проведены работы по сличению в ранге дополнительных по проекту 1216 EURAMET со Швейцарским Федеральным офисом метрологии METAS, который являлся страной-пилотом проведенных ранее сличений по проекту 666 EUROMET.PR-S1 с NIST (США), NPL (Великобритания), HUT (Финляндия).

Таблица 5 – Метрологические характеристики эталонных мер Хроматическая дисперсия Наклон дисперсионной кривой На рисунке 5 приведены результаты сличений в виде отклонения от референсной точки (METAS) для различных видов мер.

Анализ результатов сличений показал, что они лежат в пределах неопределенности результатов сличений (отклонение от опорного значения - не более 0,2 пс/нм при расширенной неопределенности результатов сличений 0, пс/нм), что подтверждает заявленные метрологические характеристики эталона ГЭТ 184-2010 и сопоставимость их с метрологическими характеристиками эталонной аппаратуры Швейцарского Федерального офиса метрологии и других национальных метрологических институтов.

Перспективы использования наноструктурного фотонно-кристаллического волокна (ФКВ) в высокоскоростных ВОСП, в оптических стандартах частоты, прецизионной спектроскопии, генерации фемтосекундных импульсов приводят к необходимости разработки методов и средств измерений, обеспечивающих возможность оценки качества ФКВ. Основными параметрами, подлежащими контролю при производстве таких устройств, являются хроматическая дисперсия, поляризационная модовая дисперсия и спектральное затухание.

Одновременно с разработкой Государственного первичного специального эталона единицы ХД в оптическом волокне ГЭТ 184-2010 в рамках реализации ФЦП «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008- гг.» совместно с Международным учебно-научным лазерным центром МГУ имени М.В. Ломоносова (МЛЦ МГУ) был создан метрологический комплекс для обеспечения единства измерений оптических характеристик наноструктурных фотонно-кристаллических волокон (ФКВ), а также аттестованы методики измерений и поверки разработанного комплекса.

По оси абсцисс – длины волн, на которых проводились измерения хроматической дисперсии; по оси ординат – разность результатов измерений на ГЭТ 184-2010 и на эталонной аппаратуре METAS (результаты измерений METAS являются Созданный комплекс для измерений ХД ФКВ состоит из двух частей: 1-ая часть – установка для измерений больших значений ХД и протяженных ФКВ фазосдвиговым методом, 2-ая часть – установка для измерений хроматической дисперсии коротких отрезков ФКВ интерференционным методом. Внешний вид комплекса показан на рисунке 6.

Рисунок 6 - Внешний вид комплекса для измерения хроматической дисперсии В ходе исследований были определены метрологические характеристики комплекса для измерения хроматической дисперсии фотонно-кристаллических волокон (таблица 6).

Таблица 6 – Метрологические характеристики комплекса для измерения ХД ФКВ Наименование характеристики Спектральный диапазон, нм Диапазон измерений хроматической дисперсии, пс/нм –100 + Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности при измерении хроматической дисперсии, пс/нм Разработанный комплекс был включен в Государственный реестр средств измерений. При этом обеспечивается прослеживаемость измерений ХД в ФКВ к Государственному специальному эталону единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне ГЭТ 184-2010.

В ходе создания комплекса совместно с МЛЦ МГУ впервые проведены хроматической дисперсии в спектральном диапазоне 1100-1600 нм для полых волокон и волокон с твердотельной сердцевиной и большой площадью моды методом кросс-корреляционного оптического стробирования с разрешением по частоте XFROG (Cross-correlation frequency-resolved optical gating).

Рисунок 7 - Экспериментальная схема измерения хроматической дисперсии Метод XFROG основан на измерении спектра оптического сигнала суммарной частоты, генерируемого путем смешения двух импульсов в нелинейном кристалле при различных значениях времени задержки между ними: первого переданного через фотонно-кристаллическое волокно, второго – опорного. По измеренному спектру находят свертку спектров импульсов и рассчитывают кросскорреляционную функцию этих импульсов, тем самым определяя хроматическую дисперсию фотонно-кристаллического волокна.

Основным отличием примененного в экспериментальной схеме метода хроматической дисперсии в процессе генерации «белого» света с шириной оптического спектра более 500 нм, что позволяет учесть многомодовость волокна и нелинейные искажения в нем.

Полученные результаты измерения хроматической дисперсии с помощью описанной выше экспериментальной схемы с хорошей точностью согласуется с теоретическими расчетами. Результаты исследований, полученные с использованием метода XFROG, могут служить основой решения задачи метрологического обеспечения измерений ХД не только в высокоскоростных ВОСП, но и при генерации суперконтинуума, транспортировки мощных сверхкоротких импульсов и в других применениях наноструктурных ФКВ, где требуется знание хроматической дисперсии ФКВ.

Вывод: Проведенная разработка эталонной аппаратуры и результаты исследований позволили создать и обеспечить представление на утверждение Государственный первичный специальный эталон единицы ХД в оптическом волокне ГЭТ 184-2010, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу единицы ХД, и соответствующий лучшим зарубежным аналогам. Разработана Государственная поверочная схема для средств измерений ХД в оптическом волокне, описанная в ГОСТ 8.608-2012. Для обеспечения передачи единицы ХД разработаны рабочие эталоны единицы ХД реализовать передачу единицы хроматической дисперсии от эталонных мер к рабочим средствам измерений с погрешностью - (0,44+0,0003D) пс/нм, методы поверки рабочего эталона и рабочих средств измерений единицы ХД в оптическом волокне. Анализ результатов проведенных работ в рамках проекта 1216 EURAMET.PR-S3 дополнительных сличений показал сопоставимость метрологических характеристик разработанного эталона с эталонной аппаратурой национальных метрологических институтов. Это подтверждает достоверность метрологических параметров ГЭТ 184-2010.

На базе проведённых теоретических и экспериментальных исследований в рамках создания Государственного первичного специального эталона единицы ХД в оптическом волокне был реализован и внесен в государственный реестр средств измерений метрологический комплекс для решения задачи обеспечения единства измерений ХД в наноструктурных фотонно-кристаллических световодах.

Проведенные исследования метода измерений ХД ФКВ путем кросскорреляционного оптического стробирования с разрешением по частоте позволяют учесть многомодовость и нелинейность ФКВ.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты диссертационной работы:

возможности использования основных методов измерений хроматической дисперсии для построения эталонной аппаратуры. Определены метрологические требования к разрабатываемому эталону; в качестве базового выбран телекоммуникационных волокон в качестве мер хроматической дисперсии.

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.

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.

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, характеристик разработанной эталонной аппаратуры с эталонной аппаратурой метрологического института METAS.

7. Разработанными средствами для передачи единицы хроматической 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 волокон; разработаны методы поверки комплекса и методики измерений хроматической дисперсии фотоннокристаллических 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 научнотехническая задача повышения точности и обеспечения единства измерений хроматической дисперсии одномодового и наноструктурного фотоннокристаллического 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.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Лукьянов А.М., Митюрев А.К., Пнев А.Б., Тихомиров С.В. Обеспечение единства измерений спектральных и дисперсионных характеристик в ВОСПИ со спектральным уплотнением // Измерительная техника.

- 2006. - №5. - с.30-34.

Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Пнев А.Б. Меры для калибровки средств измерения хроматической дисперсии // Фотометрия и её метрологическое обеспечение: Сборник трудов всероссийской научно-технической конференции. - 2007. - с. 39.

Тихомиров С.В. Проблемы метрологического обеспечения измерения единицы длины волны в ВОСП со спектральным уплотнением // Фотометрия и ее метрологическое обеспечение: Сборник трудов XVII всероссийской научнотехнической конференции. - 2009. - с. 23.

4. Grigoriev Vasiliy V., Kravtsov Vladimir Ye., Neverova Natalia A., Pnev Alexey B., Tikhomirov Sergey V. Metrological support of measurements of the parameters of wavelength dense multiplexing FOTS // The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments. – 2009. - Vol. 3. - pp. 291-294.

5. Grigoriev Vasiliy V., Kravtsov Vladimir Ye., Mityurev Alexey K., Pnev Alexey B., Tikhomirov Sergey V. Reference apparatuses for metrological support of instruments measuring polarization mode dispersion in optic fiber // The 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments. – 2009. - Vol. 3. pp. 295-297.

Тихомиров С.В., Оптико-электронная измерительная система мониторинга деформации на основе наноразмерных волоконно-оптических периодических структур // Тезисы доклада Всероссийской конференции по волоконной оптике, г.

Пермь, 2009.

Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрёв А.К., Тихомиров С.В. Методы и средства метрологического обеспечения измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне // Фотон-Экспресс. - 2010. - №5. - с.16.

Тихомиров С.В. Эталонная аппаратура для средств измерений хроматической Измерительная техника. – 2010. - №8. -с. 24-28.

Тихомиров С.В. Методы и средства метрологического обеспечения измерений хроматической и поляризационной модовой дисперсий в ВОЛС // Вестник метролога. – 2011. - №2. - с. 2-5.

10. Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрев А.К., Тихомиров С.В. Методы измерений хроматической дисперсии в волоконно-оптических системах передачи информации // Фотон-Экспресс. – 2011. - №5(93). - с. 18-20.

Тихомиров С.В. Государственный первичный специальный эталон хроматической дисперсии в оптическом волокне // Фотон-Экспресс. -2011. - №5(93). - с. 39-41.

12. Пат. 2425338 РФ, МПК G01J 9/02, G01B 9/02. Быстродействующий измеритель длины волны лазерного излучения для волоконно-оптических систем передачи информации // Григорьев В. В., Лазарев В. А., Митюрев А. К., Неверова Н.

А., Пнев А. Б. – Опубл. 27.07.2011. -Бюл. №21.

13. Fedotov I.V., Fedotov A.B., Grigor’ev V.V., Kravtsov V.E., Khatyrev N.P., Lanin A.A., Mityurev A.K, Sidorov-Biryukov D.A., Tikhomirov S.V., Voronin A.A., Zheltikov A.M. Ultrafast nonlinear-optical metrology of specialty bers: parallel multimode ber dispersion tracing by cross-correlation frequency-resolved optical gating // Laser Physics Letters. – 2012.- Vol. 9. - № 1. - pp. 39-43.

Тихомиров С.В. Государственный первичный специальный эталон единицы хроматической дисперсии в оптическом волокне // Измерительная техника. – 2012. c. 3-6.

15. Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрев А.К., Тихомиров С.В. Пути уменьшения погрешности измерения длин оптических кабелей в бортовых системах передачи информации // Тезисы доклада Девятой всероссийской научнотехнической конференции Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации. – 2012. - с. 36-37.

16. Григорьев В.В., Кравцов В.Е., Митюрев А.К., Тихомиров С.В.

Ограничивающие факторы увеличения точности измерения длины оптического кабеля рефлектометром во временной области //6-й Международный симпозиум «Метрология времени и пространства»: Секция 1 «Службы и эталоны времени и частоты», 2012. – c.181-184.

Государственная поверочная схема для средств измерений хроматической дисперсии в оптическом волокне ГОСТ 8.608- – рабочая длина волны;

D – предел абсолютной допускаемой погрешности измерений ХД;

D – значение измеряемой ХД;

D –граница неисключённой систематической погрешности воспроизведения единицы ХД SD – среднеквадратическое отклонение результатов измерений при воспроизведении единицы ХД uA - стандартная неопределенность типа A uB - стандартная неопределенность типа B uC - суммарная стандартная неопределенность U - расширенная неопределенность