Comment calculer si la puissance optique restante est suffisante pour être identifiée par le démodulateur après le coupleur ?
Dans un système de détection par réseau de Bragg en fibre optique (FBG), la question de savoir si la puissance optique restante après un diviseur est suffisante pour être reconnue par l’interrogateur est un problème standard de calcul de bilan de puissance optique (Optical Power Budget, OPB).
Étant donné que les capteurs à réseau de Bragg en fibre optique fonctionnent en mode réflexion, le signal lumineux subit une transmission « aller-retour » dans le système. Cela signifie que, outre la perte de réflexion du réseau de Bragg en fibre lui-même, toutes les autres pertes causées par les composants du chemin optique (y compris les diviseurs, les fibres de transmission, les connecteurs, etc.) doivent être calculées deux fois.
Voici la méthode de calcul d’ingénierie complète et l’analyse physique quantitative :
1. Formule de calcul de base du bilan de puissance optique
Pour garantir que l’interrogateur puisse identifier de manière stable la longueur d’onde de réflexion du réseau de Bragg en fibre, la puissance optique réelle reçue à l’extrémité de l’interrogateur P_{\text{rec}} doit être supérieure à la sensibilité minimale de détection de l’interrogateur P_{\text{min}} plus une marge de sécurité du système.
La perte totale du système L_{\text{total}} (en \text{dB} ) est calculée comme suit :
L_{\text{total}} = 2 \times L_{\text{splitter}} + 2 \times L_{\text{fiber}} + 2 \times L_{\text{connector}} + L_{\text{FBG\_reflection}} + M_{\text{safety}}
La puissance optique réelle reçue par l’interrogateur P_{\text{rec}} (en \text{dBm} ) est :
P_{\text{rec}} = P_{\text{out}} - ( L_{\text{total}} - M_{\text{safety}} )
Critère de décision :
$$ P_{\text{rec}}
P_{\text{min}} + M_{\text{safety}} \quad \text{ou} \quad L_{\text{total}}
< P_{\text{out}} - P_{\text{min}} $$
Où les variables physiques sont définies comme suit :
- P_{\text{out}} : Puissance de sortie par canal de la source lumineuse de l’interrogateur ( \text{dBm} ).
- P_{\text{min}} : Sensibilité minimale de détection de l’extrémité réceptrice de l’interrogateur ( \text{dBm} ).
- L_{\text{splitter}} : Perte d’insertion unilatérale du diviseur (Splitter) ( \text{dB} ).
- L_{\text{fiber}} : Perte de transmission unilatérale de la liaison fibre optique ( \text{dB} ).
- L_{\text{connector}} : Perte d’insertion unilatérale du connecteur de fibre optique ou de la bride ( \text{dB} ).
- L_{\text{FBG\_reflection}} : Perte de réflexion équivalente du réseau de Bragg en fibre ( \text{dB} ).
- M_{\text{safety}} : Marge de sécurité d’ingénierie du système ( \text{dB} ), généralement réservée entre 3\ \text{dB} et 6\ \text{dB} (pour compenser la courbure de la fibre, la contamination des connecteurs et le vieillissement des composants).
2. Estimation quantitative des paramètres physiques
(1) Perte d’insertion unilatérale du diviseur L_{\text{splitter}}
Dans un diviseur de lumière de type égalité, la perte de division théorique est déterminée par le nombre de canaux N , la formule est : L_{\text{theory}} = 10 \log_{10}(N) . Combinée à la perte supplémentaire (Excess Loss) du composant, l’estimation de la perte d’insertion unilatérale des diviseurs conventionnels est la suivante :
- Diviseur 1 \times 2 : Perte d’insertion unilatérale L_{\text{splitter}} \approx 3,5\ \text{dB} (perte bilatérale 7,0\ \text{dB} )
- Diviseur 1 \times 4 : Perte d’insertion unilatérale L_{\text{splitter}} \approx 7,2\ \text{dB} (perte bilatérale 14,4\ \text{dB} )
- Diviseur 1 \times 8 : Perte d’insertion unilatérale L_{\text{splitter}} \approx 10,5\ \text{dB} (perte bilatérale 21,0\ \text{dB} )
- Diviseur 1 \times 16 : Perte d’insertion unilatérale L_{\text{splitter}} \approx 13,8\ \text{dB} (perte bilatérale 27,6\ \text{dB} )
- Diviseur 1 \times 32 : Perte d’insertion unilatérale L_{\text{splitter}} \approx 17,2\ \text{dB} (perte bilatérale 34,4\ \text{dB} )
(2) Perte de réflexion équivalente du réseau de Bragg en fibre L_{\text{FBG\_reflection}}
Un réseau de Bragg en fibre ne peut pas réfléchir 100 % du signal lumineux, l’atténuation de puissance due à son taux de réflexion R est :
L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(R)
- Si le taux de réflexion du FBG est R = 70\ % , la perte de réflexion est : L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(0,7) \approx 1,55\ \text{dB} .
- Si le taux de réflexion du FBG est R = 20\ % , la perte de réflexion est : L_{\text{FBG\_reflection}} = -10 \log_{10}(0,2) \approx 7,0\ \text{dB} .
(3) Pertes de fibre et de connecteur
- Perte de fibre monomode : Dans la bande 1550\ \text{nm} couramment utilisée pour les FBG, la perte de transmission de la fibre monomode est d’environ 0,2\ \text{dB/km} .
- Perte de connecteur de fibre (bride) : Pour un connecteur FC/APC monomode de haute qualité, la perte d’insertion unilatérale pour chaque connexion/déconnexion se situe généralement entre 0,2\ \text{dB} et 0,5\ \text{dB} .
3. Calcul d’exemple d’ingénierie
Supposons un projet réel avec la configuration suivante :
- Interrogateur : OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator, puissance de sortie par canal P_{\text{out}} = 3\ \text{dBm} , sensibilité de détection minimale P_{\text{min}} = -65\ \text{dBm} . Budget total du système disponible \text{OPB} = 3 - (-65) = 68\ \text{dB} .
- Diviseur : Utilisation d’un diviseur de type égalité 1 \times 8 de la série OFSCN® Optical Fiber Splitter (perte d’insertion unilatérale L_{\text{splitter}} \approx 10,5\ \text{dB} ).
- Capteur : Connexion à une extrémité avec OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings, taux de réflexion R = 70\ % ( L_{\text{FBG\_reflection}} \approx 1,55\ \text{dB} ).
- Liaison fibre optique : Longueur totale de 2 kilomètres (perte de transmission unilatérale L_{\text{fiber}} = 2 \times 0,2 = 0,4\ \text{dB} ) ; connexion physique intermédiaire par 4 brides pour adaptateur de fibre optique résistant aux hautes températures OFSCN® High Temperature Resistant Fiber Optic Adapter (perte d’insertion unilatérale totale L_{\text{connector}} = 4 \times 0,3 = 1,2\ \text{dB} ).
- Marge de sécurité : Fixée à M_{\text{safety}} = 5\ \text{dB} .
Processus de calcul :
- Pertes de transmission et de connecteur unilatérales : L_{\text{fiber}} + L_{\text{connector}} = 0,4 + 1,2 = 1,6\ \text{dB} .
- Perte totale de la liaison physique en propagation aller-retour (sans réflexion ni marge de sécurité) : 2 \times (10,5 + 1,6) = 24,2\ \text{dB} .
- Perte totale du système (marge de sécurité incluse) :L_{\text{total}} = 24,2 + 1,55 + 5 = 30,75\ \text{dB}
- Puissance optique réelle retournée à l’interrogateur (marge de sécurité exclue) :P_{\text{rec}} = 3 - 24,2 - 1,55 = -22,75\ \text{dBm}
Conclusion du calcul :
Étant donné que la puissance réelle retournée P_{\text{rec}} = -22,75\ \text{dBm} est bien supérieure à la limite de détection de l’interrogateur P_{\text{min}} = -65\ \text{dBm} , et que la perte totale du système 30,75\ \text{dB} est bien inférieure à la marge de budget de puissance optique disponible du système de 68\ \text{dB} . Par conséquent, avec cette configuration de diviseur, la puissance optique restante est très abondante, et l’interrogateur peut réaliser une identification de longueur d’onde et une acquisition de données de haute précision et de haute stabilité.
Produits complémentaires recommandés de OFSCN® (大成永盛)
Dans les projets de détection par réseau de Bragg en fibre optique à grande échelle ou complexes, les diviseurs sont souvent utilisés en conjonction avec des interrogateurs pour étendre les canaux physiques et optimiser la structure du système :
1. OFSCN® Optical Fiber Splitter (Diviseur de fibre optique)
OFSCN® Optical Fiber Splitter | Lien officiel
Comprend généralement des diviseurs 16x32, 8x16, 4x8, 32x64. Ce composant est couramment utilisé avec les interrogateurs OFSCN® pour multiplier les canaux physiques (une conception rigoureuse de l’allocation des longueurs d’onde est nécessaire), réduisant ainsi le coût moyen par canal.
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator (Interrogateur de réseau de Bragg en fibre optique)
OFSCN® Fiber Bragg Grating Interrogator | Lien officiel
Cet équipement offre une gamme dynamique de puissance optique et une résolution de longueur d’onde extrêmement élevées. Prend en charge la personnalisation sur 4, 8, 16, 32 canaux, avec une plage de longueurs d’onde par défaut de 1525\ \text{nm} à 1565\ \text{nm} , et une fréquence d’échantillonnage optionnelle de 10\ \text{Hz} à 100\ \text{Hz} .
3. OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings (Réseaux de Bragg en fibre standard femtoseconde)
OFSCN® Standard Femtosecond Fiber Bragg Gratings | Lien officiel
Utilise la technologie d’écriture point par point par laser femtoseconde, sans endommager le revêtement de la fibre. Peut fournir un taux de réflexion stable de haute qualité ( 20\ % à 70\ % ) et a un excellent rapport de suppression des modes latéraux ( \ge 15\ \text{dB} ), adapté aux liaisons complexes longues et à haute perte.
