ITPD970025A1 - Strumento riflettometrico per la misura di birifrangenza distribuita in fibre ottiche monomodali - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DI INVENZIONE INDUSTRIALE
STRUMENTO R1FLETTOMETRICO
PER LA MISURA DI BIRIFRANGENZA DISTRIBUITA
IN FIBRE OTTICHE MONO MODALI
Riassunto: lo strumento di misura oggetto della presente domanda consente di misurare la birifrangenza, la lunghezza di battimento, la lunghezza di correlazione, la dispersione della polarizzazione e il ritardo di gruppo tra i due stati principali di polarizzazione che si possono propagare nelle fibre ottiche monomodali.
Gli attuali sistemi di telecomunicazione ottici ad elevata capacità trasmissiva hanno tra i fattori limitanti delle loro prestazioni massime la presenza della birifrangenza nelle fibre ottiche monomodali che induce una diversa velocità di propagazione tra i due possibili stati di polarizzazione . La birifrangenza può essere dovuta sia alla non perfetta circolarità del nucleo della fibra, sia a tensioni interne alla fibra, sia a sollecitazioni applicate dall’ esterno meccanicamente o a causa delle variazioni termiche a cui é soggetto il cavo a fibre ottiche. La birifrangenza varia quindi lungo la fibra, in quanto non circolarità e sollecitazioni variano in modo aleatorio; in particolare tensioni applicate esternamente variano nel tempo e nello spazio. L’ effetto é quindi particolarmente dannoso, in quanto la sua natura aleatoria e dipendente dal tempo non permette nessuna compensazione. La diversa velocità di propagazione dei due stati di polarizzazione ortogonali provoca la cosiddetta Dispersione di Polarizzazione e induce un Ritardo di Gruppo Differenziale tra i due stati di polarizzazione, che é a sua volta un processo aleatorio. Le tensioni applicate alla fibra e, quindi, la dispersione di polarizzazione variano durante le varie fasi di fabbricazione del cavo (fibra avvolta in bobina, fibra inserita in tubetto o cava o nastro, cavo avvolto in bobina, cavo posato); può anche capitare che la fibra presenti inizialmente una bassa dispersione di polarizzazione e che questa aumenti notevolmente dopo la posa del cavo in modo costante o dipendente dalle stagioni; può inoltre accadere che solo una o più porzioni di un collegamento presenti alta dispersione di polarizzazione a causa di una forte birifrangenza localizzata. Attualmente gli strumenti disponibili sul mercato permettono di misurare la dispersione di polarizzazione complessiva del collegamento, mentre non si ha nessuna informazione sul comportamento locale del cavo a fibre ottiche.
Compito principale del presente trovato é quello di estrarre informazioni della birifrangenza puntuale del cavo, mediante l'impiego della tecnica riflettometrica, già ampiamente utilizzata per misure di attenuazione su fibre e cavi ottici. Lo strumento assoggettato a modifiche sostanziali e innovative rispetto agli strumenti tradizionali, permette di rilevare il valore della birifrangenza in funzione della coordinata longitudinale della fibra con una misura eseguita utilizzando solo un capo della fibra stessa. L'informazione ottenibile con il presente trovato é quantitativamente e qualitativamente superiore a quella fornita dagli strumenti attualmente disponibili come ad esempio i polarimetri, che permettono solo la semplice caratterizzazionS ingresso-uscita, senza possibilità di conoscere l’evoluzione dei parametri all’interno della fibra. Tali informazioni puntuali sono invece estremamente utili per rilevare eventuali anomalie presenti sulla fibra, dovute a cause intrinseche, di fabbricazione, alla posa o all’azione dell’ambiente. Gli strumenti attualmente disponibili richiedono di poter accedere contemporaneamente ad ambedue i capi deila fibra; questa necessità é fortemente limitativa soprattutto per i cavi installati, dove i due estremi del collegamento possono distare decine di chilometri.
♦/ Descrizione: l'inventore designato ha maturato una esperienza pluriennale nell’analisi della birifrangenza in cavi e fibre ottiche attraverso studi di tipo teorico e misure sia di laboratorio sia su impianti già in funzione; ciò é facilmente evidenziabile grazie alle memorie presentate a congressi nazionali e intemazionali e alle pubblicazioni su riviste altamente specializzate. Durante la propria attività di ricerca, egli ha riscontrato che le tecniche di misura della birifrangenza attualmente disponibili permettono di caratterizzare un cavo ottico solamente nel suo insieme, mentre non esistono tecniche di diagnostica di quello che accade localmente al suo interno. D'altra parte, tale informazione e’ molto importante per evidenziare eventuali tratti anomali, soggetti a tensioni dovute sia a cause interne alla fibra sia a sollecitazioni del cavo. Per ovviare a questa lacuna viene concepito lo strumento di misura oggetto della presente domanda, il quale consiste in un riflettometro per fibre ottiche che, grazie a modifiche sostanziali ed innovative rispetto agli strumenti oggi noti e disponibili, consente di misurare l'evoluzione dello stato di polarizzazione della radiazione man mano che essa si propaga nelle fibre ottiche monomodali. In particolare, dal segnale retrodiffuso è possibile ricavare, mediante appropriate elaborazioni, tanto l'andamento della birifrangenza in funzione della coordinata longitudinale della fibra quanto la dispersione dì polarizzazione e i parametri ad essa connessa. Lo schema a blocchi dello strumento, che verrà nel seguito designato con il nome di POFRA (Polarization Optical Fiber Reflectometric Analyzer) è riportato nella figura 1. Esso è costituito dai seguenti elementi:
- 1.1 sorgente ottica altamente monocromatica (larghezza spettrale inferiore o uguale a 0.1 nm), accordabile in lunghezza d'onda: si tratta di una sorgente LASER a semiconduttore, a stato solido o a gas, che genera un segnale ottico ad impulsi, con potenza di picco tipica (iniettata in fibra) di alcune decine di mW. L'intensità del segnale generato dalla sorgente può essere aumentata, se necessario, mediante amplificatori ottici (a semiconduttore o in fibra drogata all'erbio). La sorgente ottica comprende infine come ultimo stadio un polarizzatore, del tipo tutto-fibra o con ottica tradizionale (“bulk”), che nel normale funzionamento dello strumento viene mantenuto in posizione costante nel tempo e quindi consente di ottenere all'uscita un segnale ottico polarizzato.
- 1.2 Regolatore di polarizzazione, costituito da una coppia di lamine birifrangenti, con sfasamenti di mezza lunghezza d'onda e un quarto di lunghezza d'onda rispettivamente, montate su di un supporto meccanico rotante o, in alternativa, da un circuito integrato ottico di tipo planare, o da un dispositivo tutto-fibra. Consente di modificare lo stato di polarizzazione del segnale iniettato nella fibra sottoposta a misura.
- 1.3 Dispositivo di accoppiamento/disaccoppiamento a tre porte, costituito da un accoppiatore direzionale in fibra ottica, oppure da un cireolatore ottico, o ancora da un deflettore acusto-ottico; esso ha il compito di immettere il segnale ottico emesso dalla sorgente laser nella fibra assoggettata alle prove e di convogliare verso il fotorivelatore la potenza ottica retrodiffusa proveniente dalla fibra stessa.
- 1.4 Connettore ottico di lancio: è l’elemento che permette la connessione temporanea tra la "sezione ottica" del POFRA e la fibra sottoposta a misura.
- 1.5 Analizzatore di polarizzazione, costituito da un polarizzatore in ottica tradizionale (bulk), montato su di un supporto meccanico rotante o, in alternativa, da un circuito integrato ottico di tipo planare, o da un dispositivo tutto-fibra. Consente di evidenziare l’evoluzione dello stato di polarizzazione del campo elettromagnetico che dipende dalle caratteristiche di birifrangenza della fibra stessa.
- 1.6 Fotorivelatore: dispositivo di rivelazione della potenza ottica retrodiffusa, costituito da un fotodiodo (ad esempio PIN o APD), oppure, in alternativa, da un tubo fotomoltiplicatore a vuoto o da un fototransistor, che effettua la conversione otticoelettrica del segnale.
- 1.7 Circuiti elettronici di elaborazione del segnale: effettuano il campionamento e la conversione analogico-numerica del segnale rivelato, le acquisizioni multiple, il calcolo delle medie e altre operazioni analoghe; distribuiscono il sincronismo alla sorgente ottica e comandano il regolatore di polarizzazione 1.2 e l’analizzatore di polarizzazione 1.7. Effettuano inoltre sui segnali acquisiti tutte le elaborazioni descritte nel seguito, le quali costituiscono parti caratterizzanti del trovato.
Il principio di funzionamento del POFRA è il seguente. La sorgente ottica lancia nella fibra sotto misura un segnale ottico polarizzato e altamente monocromatico. Lo stato di polarizzazione al connettore di lancio è in generale ellittico, ma può anche assumere la forma circolare (destrorsa o sinistrorsa), oppure rettilinea con l'impiego del controllore di polarizzazione. Durante la propagazione del segnale ottico lungo la fibra sotto misura, una porzione della sua potenza viene retrodiffusa; essa ritorna allo strumento in uno stato di polarizzazione che dipende dall'andamento globale della birifrangenza della fibra e dalle perturbazioni che agiscono sulla fibra, dal connettore di lancio al punto di retrodiffusione. Prima di essere rivelato il segnale ottico retrodiffu! passa attraverso l’analizzatore di ricezione. Vengono effettuate almeno tre acquisizio complete del segnale retrodiffuso, in funzione della coordinata longitudinale z ripunto di retrodiffusione; ciascuna di esse é caratterizzata da una diversa posizione dell'analizzatore di ricezione. Detti Ρ;(ζ,λ), i segnali acquisiti attraverso il fotorivelatore (ove z indica la coordinata longitudinale del punto di retrodiffu sione, λ la lunghezza d’onda e / = 1, 2, 3, ... un indice associato alla posizione angolare dell'analizzatore di ricezione), proporzionali alla potenza retrodiffusa espressa in scala lineare, vengono effettuate su di essi le seguenti elaborazioni:
- eliminazione della componente del segnale dovuta all'attenuazione della fibra soto misura effettuata con tecniche ed algoritmi già noti e consolidati.
- Calcolo della birifrangenza in funzione di z secondo relazioni matematiche originali che sono state sviluppate dall'inventore designato.
- Calcolo della lunghezza di correlazione della perturbazione che agisce sulla fibra secondo relazioni matematiche originali che sono state sviluppate dall'inventore designato.
Dopo la prima di tali elaborazioni il segnale presenta un andamento oscillante attorno ad un valore medio; dalla presenza, dal numero e dalla posizione di massimi e minimi del segnale, e dalla presenza, dal numero e dalla posizione dei passaggi per il valore medio possono essere rilevate le informazioni di birifrangenza, lunghezza di battimento locale e media, lunghezza di correlazione.
La misura di questi parametri assume particolare valore in quanto essi non possono essere misurati con nessuna tecnica attualmente nota se non per tratti di fibra di pochi metri; il POFRA permete invece una siffatta caraterizzazione di fibre lunghe alcune decine di chilometri, lanciando e rivelando il segnale da un solo estremo della fibra. Il POFRA consente inoltre di misurare la dispersione di polarizzazione mediante acquisizioni effettuate a due o più lunghezze d'onda. Per misurare tale grandezza é noto che si possono osservare le variazioni dello stato di polarizzazione del segnale ricevuto, al variare della lunghezza d’onda del segnale trasmesso. Il POFRA consente invece di effettuare tale misura sul segnale retrodiffuso. Si possono quindi calcolare le variazioni dei parametri di Stokes sia in funzione della coordinata z, sia in funzione della lunghezza d’onda. Dall’elaborazione possono essere ricavate informazioni sia locali sia medie sull’andamento della lunghezza di correlazione, della biriffangenza, e sul modulo del ritardo di gruppo tra gli stati principali di polarizzazione. Dalla conoscenza del ritardo di gruppo e della lunghezza di correlazione si può infine calcolare la birìfrangenza locale presente nella fibra
Una prima variante semplificata del POFRA è costituita da uno strumento dotato di sorgente a lunghezza d'onda fissa anziché accordabile. Esso consente di effettuare (ad una sola lunghezza d'onda) tutte le misure illustrate in precedenza, tranne quella della dispersione di polarizzazione.
Una seconda variante semplificata dello strumento (figura 2) si ottiene eliminando dallo schema di figura 1 i due blocchi di regolazione e analisi della polarizzazione posti in trasmissione e ricezione rispettivamente (1.2 e 1.5 di figura 1) e inserendo un polarizzatore a valle del dispositivo di accoppiamento/disaccoppiamento (2.2 di figura 2). Esso consente di effettuare tutte le misure illustrate in precedenza, tranne quella della dispersione di polarizzazione.
Una ulteriore variante, particolarmente utile nel caso si voglia realizzare uno strumento più veloce, è la lettura in parallelo invece che in serie, dividendo il segnale retrodiffuso entrante nell’analizzatore di polarizzazione in ricezione (1.3 in figura 1) in 3 copie uguali e inserendo tre fotodiodi invece di uno solo. I tre segnali acquisiti dai tre fotorivelatori permettono di avere un’informazione immediata della polarizzazione.
Claims (7)
- RIVENDICAZIONI 1) Strumento riti ettometrico per la misura della birifrangenza, della lunghezza di battimento, della lunghezza di correlazione e della dispersione di polarizzazione nelle fibre ottiche monomodali caratterizzato da una sorgente ottica accordabile, altamente monocromatica, con elevato grado di polarizzazione.
- 2) Strumento riflettometrico per la misura della birifrangenza, della lunghezza di battimento, della lunghezza di correlazione nelle fibre ottiche monomodali caratterizzato da una sorgente ottica a frequenza fissa, altamente monocromatica, con elevato grado di polarizzazione.
- 3) Strumento riflettometrico per la misura della birifrangenza, della lunghezza di battimento, della lunghezza di correlazione e della dispersione di polarizzazione nelle fibre ottiche monomodali caratterizzato da un analizzatore rotante di ricezione.
- 4) Strumento riflettometrico per la misura della birifrangenza, della lunghezza di battimento, della lunghezza di correlazione polarizzazione nelle fibre ottiche monomodali caratterizzato da un polarizzatore posto immediatamente a monte connettore.
- 5) Strumento riflettometrico per la misura della birifrangenza, della lunghezza battimento, della lunghezza di correlazione e della dispersione di polarizzazione nelle fibre ottiche monomodali caratterizzato da tre o più analizzatori fissi di ricezione per l'acquisizione simultanea di tutti i segnali utili.
- 6) Strumento riflettometrico per la misura della birifrangenza, della lunghezza di battimento, della lunghezza di correlazione e della dispersione di polarizzazione nelle fibre ottiche monomodali caratterizzato da un ricevitore ottico coerente.
- 7) Strumento riflettometrico per la misura della birifrangenza, della lunghezza di battimento, della lunghezza di correlazione e della dispersione di polarizzazione nelle fibre ottiche monomodali caratterizzato da tecniche a correlazione per l'elaborazione del segnale.
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