Brillouin-Based pon monitoring With Efficient Compensation of Gain Profile Variation Using Frequency-Swept Pump Pulse

TAKAHASHI et al.: BRILLOUIN-BASED PON MONITORING WITH EFFICIENT COMPENSATION OF GAIN PROFILE VARIATION

Мониторинг PON на основе Бриллюэна с эффективной компенсацией изменения профиля усиления с помощью импульса накачки с перестройкой частоты
Хироси Такахаси, Кунихиро Тоге, Чихиро Кито и Тецуя Манабе

Аннотация — Мы предлагаем и демонстрируем новую схему для мониторинга потерь на основе Бриллюэновского усиления на участках ответвления в пассивных оптических сетях. Предложенная схема с линейно изменяющимся по частоте импульсом накачки может компенсировать изменение профиля усиления Бриллюэна вдоль волоконно-оптических линий связи с более высокой эффективностью использования энергии накачки, чем обычная схема усреднения сдвига частоты. В принципе, мы прояснили динамику акустических волн Бриллюэна с импульсом накачки со сдвигом частоты и проверили эффективность метода мониторинга потерь на основе Бриллюэна. Эксперименты с 1,65 мкм лазерами с прямой модуляцией и распределенной обратной связью были успешно продемонстрированы, что показало удовлетворительную производительность для практического использования в дистанционном мониторинге развернутых на местах PONs.
Ключевые слова — Бриллюэновское рассеяние, распределение потерь, мониторинг PON.

1. 
   ВВЕДЕНИЕ
   

Широкое внедрение технологий пассивных оптических сетей (PON) в архитектурах "волокно - в дом" привлекло внимание к необходимости эффективного обслуживания физического уровня в волоконно-оптических сетях "точка - многоточка". Были предложены различные схемы, например, использующие многоволновую оптическую рефлектометрию во временной области (OTDR) [1] и метод волоконно-оптического сдвига частоты Бриллюэна (BFS) [2]. Однако при использовании этих методов система PON требует дополнительных оптических компонентов или изменения самого оптического волокна. Недавно мы предложили анализ оптической временной области Бриллюэна с помощью торцевого отражения (ERA-BOTDA) для мониторинга потерь в отдельных ответвлениях волокон в PON [3], [4]. Особым преимуществом является то, что предложенный метод не требует какого-либо конкретного компонента, если на стороне заказчика имеются концевые отражения. Отражающее устройство рефлектометра, которое было развернуто в некоторых системах PON, как сообщается в публикациях по стандартизации [5], [6], помогает усилить сигнал и тем самым повысить чувствительность измерений.
С исторической точки зрения, Бриллюэновское рассеяние рассматривалось как кандидат на определение характеристик потерь путем измерения интенсивности Бриллюэновского усиления [2], [7], и оно привлекло

Рукопись получена 30 августа 2016 года; исправлена 24 ноября 2016 года; принята 21 декабря 2016 года. Дата публикации 15 января 2017 года; дата текущей версии 20 апреля 2017 года.

Авторы работают в лаборатории NTT Access Network Service Systems Laboratories, NTT Corporation, Tsukuba 305-0805, Japan (e-mail: [e-mail]; [e-mail]; [e-mail], manabe.tetsuya@ lab.ntt.co.jp).
Цветные версии одного или нескольких рисунков в этой статье доступны в Интернете по адресу http://ieeexplore.ieee.org.
Цифровой идентификатор объекта 10.1109/JLT.2017.2653221
большой интерес из-за его потенциала для определения деформации [8] и температуры [9]. Одна из трудностей мониторинга потерь на основе метода Бриллюэна заключается в том, что на него влияют вариации спектра усиления Бриллюэна (BGS) вдоль проложенного кабеля, которые имеют различные причины, такие как смешанное использование различных типов волокон, допуски при изготовлении, а также распределение деформации и температуры вдоль волокна кабеля. Вариация BGS, которая является непреднамеренной, но неизбежной характеристикой при построении сети, прямолинейно влияет на точность измерения потерь в предлагаемой методике при практическом использовании. По нашему опыту, в полевых условиях BFS колеблется около 200 МГц [10]. Мы можем компенсировать это с помощью обычной схемы усреднения частотного сдвига (FSAV) [10]-[12], в которой пиковая или средняя интенсивность определяется из BGS, полученного путем изменения смещения частоты между насосом и зондом. Однако FSAV получает не только желаемый сигнал, но и нежелательный сигнал (без усиления) от BGS, что приводит к большой трате общей энергии насоса и времени измерения.
Недавно мы предложили новую схему для ERA-BOTDA, которая позволяет эффективно компенсировать изменения профиля усиления вдоль кабелей с помощью импульса накачки с переключением частоты [13]. В предложенной схеме для ERA-BOTDA используется импульс накачки с переключением частоты, в которой после компенсации вариаций BGS была экспериментально подтверждена повышенная чувствительность. В данной работе описываются детали предложенной схемы с использованием теоретического подхода путем анализа переходной динамики интенсивности акустических волн во время Бриллюэновского взаимодействия с импульсом накачки с частотной разверткой, а также представлены расчетные характеристики метода мониторинга потерь на основе Бриллюэновского излучения. Также исследуется частота развертки в импульсе накачки для достижения удовлетворительных характеристик мониторинга. Благодаря упрощенному управлению частотой по сравнению с FSAV, в эксперименте была использована практическая реализация с прямо модулированными лазерами с распределенной обратной связью (DFB) и полупроводниковым оптическим усилителем (SOA), совместимым с полосой обслуживания 1,65 мкм.

2. 
   ОСНОВА ERA-BOTDA С ТРАДИЦИОННЫМ FSAV
   

В этом разделе приводится краткий обзор ERA-BOTDA с обычной схемой FSAV. На рис. 1 показан основной принцип работы ERA-BOTDA. Наша цель здесь - измерить индивидуальное распределение потерь в каждом притоке. Тестовый пучок состоит из зондирующего импульса с шириной импульса Δτs, сопровождаемого импульсом накачки с шириной



Рис. 1. Схематическая иллюстрация ERA-BOTDA.
импульса Δτp с временным интервалом Δt. Их оптические частоты установлены таким образом, что возникает бриллюэновское взаимодействие, и зондирующий импульс усиливается, когда два импульса сталкиваются на расстоянии υΔt/2 от точки отражения на конце оптического волокна (υ: скорость света в волокне). Поскольку коэффициент усиления Бриллюэна пропорционален мощности накачки при столкновении, оптические потери в точке столкновения в каждой ветви могут быть получены путем наблюдения усиления зондирующего импульса, вызванного взаимодействием. Длины ветвей должны быть разными, чтобы их можно было различить. Другими словами, если в развернутом PON имеется небольшая разница в длине, необходимо использовать короткий зондирующий импульс. Распределения потерь могут быть получены путем изменения точки столкновения, а именно, интервала Δt.
Для детального наблюдения бриллюэновского взаимодействия во время вышеописанного процесса, пусть Es(z, t), Ep (z, t) и ρ(z, t) - электрические амплитуды ламп накачки и зондирования и интенсивность акустической волны соответственно, тогда стимулированное бриллюэновское рассеяние (SBS) может быть представлено следующими связанными уравнениями [14];

где κ - упруго-оптический коэффициент, Λ - коэффициент электрострикционной связи, Γ_B - ширина спектра акустической волны, а f_A - частотный сдвиг смещения частот накачки/зонда относительно BFS волокна. Когда t = 0 определяется как время в начале SBS, стационарное решение для интенсивности акустической волны может быть дано следующим образом с использованием граничных условий Es(z, t) = Es, и ρ(z, t = 0) = 0;

где tp - время пребывания импульса накачки в позиции z.
На рис. 2 показана смоделированная интенсивность акустической волны с FSAV как функция tp на основе уравнения (2). По вертикальной оси показана нормированная интенсивность акустической

Рис. 2. Результаты моделирования интенсивности акустической волны для схемы FSAV.

волны по пиковой интенсивности акустической волны при f_A = 0. На рис. 2 акустическая волна возбуждается со временем нарастания около 30 нс (что соответствует Γ_B ≈ 2π × ν_B, где ν_B - полная ширина на полумаксимуме (FWHM) BGS волокна, а ν_B ≈ 30 МГц, как предполагается здесь). При увеличении f_A акустическая волна возбуждается неэффективно. Это вызвано колебанием фазы между акустической волной и волной накачки/зондирования, что определяет лоренцеву форму BGS, как описано в [15]. Коэффициент усиления Бриллюэна после столкновения определяется

где g_B (z) - пиковый коэффициент усиления Бриллюэна при f_A = 0, Pp (z) - мощность накачки в положении z.
Для компенсации вариаций BGS методом FSAV получают BGS путем изменения смещения частоты зонда накачки и вычисляют средние значения коэффициента усиления Бриллюэна в диапазоне компенсации ΔF. Используя уравнение (3), усредненное полученное значение коэффициента усиления Бриллюэна после FSAV, в котором f_A изменяется пошагово N раз в диапазоне ΔF таким образом, что оно намного шире, чем
ожидаемый диапазон BGS в волокне, используемом для компенсации, может быть представлен следующим образом

Следовательно, FSAV тратит много энергии насоса, поскольку, когда fA становится большим, усиления не происходит (или оно незначительно). Кроме того, короткий зондирующий импульс с Δτs =∼50 нс в принципе требуется для мониторинга развернутых PONs, что подразумевает, что только неполностью поднятая акустическая волна вносит вклад в усиление и таким образом, FSAV обеспечивает небольшой средний коэффициент усиления Бриллюэна.

3.