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

A. Предлагаемая концепция

ERA-BOTDA С ИМПУЛЬСОМ НАКАЧКИ С ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ ЧАСТОТЫ

На рис. 3 показана предлагаемая концепция ERA-BOTDA с импульсом накачки с переключением частоты. Частота насоса изменяется линейно со скоростью развертки γ в течение импульса насоса, в то время как частота зондирующего импульса устанавливается на постоянное значение. В этом случае зондирующий импульс испытывает различные сдвиги частоты, когда отраженный зондирующий импульс проходит над импульсом накачки. Полоса пропускания

Рис. 3. Схематическая иллюстрация манипуляции частотой для предложенной схемы.
для компенсации ΔF может быть переписана как

Во время этого процесса усиление Бриллюэна происходит только в отраженном зондирующем импульсе в корреляционном диапазоне для BGS в волокне. Отраженный зондирующий импульс регистрируется и затем анализируется во временной области. Здесь полученный коэффициент усиления Бриллюэна определяется следующим образом

Из уравнения (6) следует, что мы можем получить усиление Бриллюэна от одного столкновения между зондом и импульсами накачки. На рис. 4 показаны схематические диаграммы бриллюэновского взаимодействия при обычном FSAV и предложенном нами методе импульса накачки со сменой частоты. При FSAV столкновение обеспечивает усиление Бриллюэна в определенном положении и с определенным смещением частоты. В отличие от этого, для частотно-модулированного импульса накачки используется большая ширина импульса, где столкновение обеспечивает усиление Бриллюэна, содержащее информацию, основанную на пространственно расширенном положении и заданном диапазоне смещения частоты в соответствии с частотой развертки частоты накачки. Во время этого процесса чувствительность может быть усилена за счет переходной динамики акустической волны. В следующих подразделах описывается, как решать эти вопросы, связанные с динамическим диапазоном и пространственными характеристиками измерения ERA-BOTDA.

В. Повышение чувствительности с помощью импульса накачки с переключением частоты
Уравнение (2) может также представлять переходную динамику акустической волны. Об этом сообщалось как об "эффекте предварительной накачки", который доступен в методах измерения на основе Бриллюэна, использующих схему фазовой (или частотной) модуляции накачки [16]-[18].
На рис. 5(a) и (b) показаны результаты моделирования, полученные с помощью предложенной схемы с Γ_B = 2π × 30 МГц в уравнении (2). Здесь мы определяем tp = 0 как время, когда f_A = 0 для сравнения с FSAV, описанным в предыдущем разделе. На рис. 5(a) показана нормированная интенсивность акустических волн в зависимости от tp. Мы обнаружили, что акустические волны эффективно возбуждаются даже в передней области импульса накачки, tp < 0. Это означает, что метод линейной развертки частоты импульса накачки может воспользоваться "эффектом предварительной накачки", используя свет накачки f_A = 0, который только демонстрировал небольшой выигрыш при использовании FSAV. Для света накачки с постоянной частотой, как в FSAV, затухание из-за подъема акустической волны становится доминирующим для короткого зондирующего импульса. Напротив, для линейно изменяющегося по частоте импульса накачки акустическая волна растет, поскольку фаза волны биений накачки/зонда j2πfA изменяется относительно времени. Из рис. 5(a) видно, что предложенный метод выигрывает от большой интенсивности акустической волны в районе tp = 0, даже при коротком импульсе зонда, во время столкновения. На рис. 5(b) показана нормированная интенсивность акустической волны в зависимости от f_A. Мы обнаружили, что пик акустических волн смещается от f_A = 0 по мере увеличения скорости развертки γ. Это означает, что максимальное усиление Бриллюэна происходит на частоте, отличной от f_A = 0. Это не влияет на измерение потерь, так, как только информация об интенсивности усиления Бриллюэна используется в качестве потерь в волокне.
Это улучшение приводит к большому преимуществу в мониторинге PON, поскольку чувствительность, с которой измеряется небольшое усиление за оптическим разветвителем, может быть улучшена. Это позволит превзойти другие подходы и достичь практического времени измерения несмотря на то, что пространственные характеристики при использовании предложенного метода будут сложнее, чем при использовании FSAV. Следующий подраздел посвящен проектированию скорости развертки γ частоты накачки, которая является ключевым фактором проектирования в отношении пространственных характеристик предлагаемой схемы.