Теоретическая и экспериментальная оценка динамического диапазона когерентного оптического рефлектометра

Ушанов С.А., Плотников М.Ю., Волков А.В., Мухтубаев А.Б., Гончаров Д.Б., Карпов Е.Е., Сандровский А.А.

Ссылка для цитирования:

Ушанов С.А., Плотников М.Ю., Волков А.В., Мухтубаев А.Б., Гончаров Д.Б., Карпов Е.Е., Сандровский А.А. Теоретическая и экспериментальная оценка динамического диапазона когерентного оптического рефлектометра // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 4. С. 50–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-50-59

Ushanov S.A., Plotnikov M.Y., Volkov A.V., Mukhtubaev A.B., Goncharov D.B., Karpov E.E., Sandrovsky A.A. Theoretical and experimental dynamic range estimation of the coherent optical time-domain reflectometer [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 4. P. 50–59. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-04-50-59

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. В работе представлена оригинальная методика расчёта динамического диапазона когерентного рефлектометра, которая позволяет оценивать верхний предел его динамического диапазона при заданной мощности локального осциллятора и уровне шумов выбранного балансного фотодетектора. Цель исследования. Определение зависимости динамического диапазона когерентного рефлектометра от оптической мощности локального осциллятора при заданном уровне шумов балансного фотоприёмника и оценка его ограничений в реальных схемах. Метод. Расчёт динамического диапазона осуществлялся для двух случаев: для заданной мощности оптического сигнала локального осциллятора и для идеальной теоретической максимальной чувствительности балансного фотодетектора. Проверка результатов расчётов осуществлялась на действующем макете когерентного рефлектометра. Основные результаты. Определена зависимость динамического диапазона когерентного рефлектометра от мощности локального осциллятора. Максимальное значение динамического диапазона составило 35,4 дБ для длительности импульсов 3 мкс, выходной оптической мощности 10 дБм, потерь в схеме рефлектометра 11,5 дБ и числе усредняемых рефлектограмм 215 при мощности локального осциллятора 225,9 мкВт. При этом, как превышение, так и недостаток оптической мощности сигнала локального осциллятора приводят к снижению динамического диапазона когерентного рефлектометра. Практическая значимость. Использование предложенной методики расчёта позволяет проектировать когерентные рефлектометры с заданным динамическим диапазоном и дальностью работы, а также определять потенциал для возможного увеличения их динамического диапазона.

Ключевые слова:

когерентный рефлектометр, рефлектометрия, интерферометрические измерения, локальный осциллятор

Благодарность:

работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (проект № FSER-2024-0006)

Коды OCIS: 060.0060, 230.0230, 250.0250

Список источников:

1. Chesnoy J. (ed.). Undersea fiber communication systems. Oxford: Academic press, 2016. 669 p.
2. Веретенников Н.П., Леонтьев Р.Г. Арктика РФ: транспортная и телекоммуникационная инфраструктура, экономика и безопасность страны // Национальная ассоциация ученых. 2021. № 71-2. С. 29–37. https://doi.org/10.31618/nas.2413-5291.2021.2.71.479
Veretennikov N.P., Leontiev R.G. The Arctic: The transport and telecommunication of infrastructure, the economy, national security // National Association of Scientists. 2021. V. 71-2. P. 29–37. https://doi.org/10.31618/nas.2413-5291.2021.2.71.479
3. Troubleshooting optical fiber networks: understanding and using optical time-domain reflectometers / Anderson D.R., Johnson L.M., Bell F.G; Elsevier academic press - San Diego, 2004. 172 p. ISBN 0-12-0586614
4. An introduction to distributed optical fibre sensors / Hartog A.H.; CRC press — Boka Raton, 2017. 472 p. ISBN 9781138082694
5. Zhang Chao, Fumihiko Ito. Recent progress of fiber diagnostic technologies for optical fiber networks: distributed fiber sensing and fiber characterization // Metro and Data Center Optical Networks and ShortReach Links. 2022. V. 12027. P. 89–104. https://doi.org/10.1117/12.2607242
6. Gautheron O., Leroy J.B., Marmier P. COTDR performance optimization for amplified transmission systems // IEEE Photonics Technology Letters. 1997. V. 9(7). P. 1041–1043. https://doi.org/10.1109/68.593393
7. Hiroyuki I., Kunihiro T., Fumihiko I. Frequency-division-multiplexing Coherent OTDR for realizing effective construction and maintenance of submarine optical cable systems // NTT Technical Review. 2014. V. 12(10). P. 47–53. https://doi.org/10.53829/ntr201410ra1
8. Листвин А.В. Рефлектометрия оптических волокон / Под ред. Листвин А.В., Листвин В.Н. Москва: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.
Listvin A.V. Reflectometry of optical fibers / Ed. by Listvin A.V., Listvin V.N. Moscow: Lesrart, 2005. 208 p.
9. Izumita Hisashi. Highly developed coherent detection OTDR technology and its applications to optical fiber networks monitoring // PhD diss. Tokyo: Waseda University, 2008. 210 p.
10. Holmes J.F., Rask B.J. Optimum optical local-oscillator power levels for coherent detection with photodiodes // Applied optics. 1995. V. 34(6). P. 927–933. https://doi.org/10.1364/AO.34.000927
11. Li Y.C., Gao L., Cong H.F., Qu Y., Gao J., Wang A.Y., Wang C.H. Optimum optical local oscillator power levels impact on signal-to-noise ratio in heterodyne // In 2010 Symposium on Photonics and Optoelectronics. 2010. P. 1–3. https://doi.org/10.1109/SOPO.2010.5504186
12. Lu Q., Shen Q., Cao Y., Liao S., Peng C. Ultra-low-noise balanced detectors for optical time-domain measurements // IEEE Transactions on Nuclear Science. 2018. V. 66(7). P. 1048–1055. https://doi.org/10.1109/TNS. 2018.2885364
13. Mackowiak Verena, Jens Peupelmann, Yi Ma, Anthony Gorges. NEP-noise equivalent power // Thorlabs, 2015. URL: https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm? objectgroup_id=9020
14. Arvizu A., Mendieta F.J., Chavez R. Balanced photoreceiver for coherent optical communications // Instrumentation and Development. 1998. V. 3(10). P. 3–14.
15. Yang W., Yang Y., Yang M. Fast digital envelope detector based on generalized harmonic wavelet transform for BOTDR performance improvement // Measurement Science and Technology. 2014. V. 25(6). P. 065103. https://doi.org/10.1088/0957-0233/25/6/065103
16. Liokumovich L.B., Ushakov N.A., Kotov O.I., Bisyarin M.A., Hartog A.H. Fundamentals of optical fiber sensing schemes based on coherent optical time domain reflectometry: Signal model under static fiber conditions // Journal of Lightwave Technology. 2015. V. 33(17). P. 3660–3671. https://doi.org/10.1109/JLT.2015.2449085
17. Healey P. Instrumentation principles for optical time domain reflectometry // Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1986. V. 19(5). P. 334. https://doi.org/10.1088/0022-3735/19/5/002