CC BY
17
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ ноябрь-декабрь 2017 Том 17 № 6 ISSN 2226-1494 http://ntv.i1mo.ru/
SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS November-December 2017 Vol. 17 No 6 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/en
УДК 535.015
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЯЮЩЕГО ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С ОЛОВЯННЫМ ПОКРЫТИЕМ ОТ ДИАМЕТРА НАМОТКИ
В.С. Лавров3, А.В. Куликов3, А.Б. Мухтубаев3
a Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [email protected] Информация о статье
Поступила в редакцию 29.07.17, принята к печати 19.10.17 doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-1167-1170 Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования: Лавров В.С., Куликов А.В., Мухтубаев А.Б. Экспериментальное исследование зависимости оптических параметров двулучепреломляющего оптического волокна с оловянным покрытием от диаметра намотки // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 6. С. 1167-1170. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-11671170
Аннотация
Представлены экспериментально полученные зависимости оптических потерь и h-параметра двулучепреломляющего оптического волокна с оловянным покрытием от диаметра намотки. Оптические потери измерялись методом вносимых потерь, h-параметр измерялся методом скрещенных поляризаторов. Диаметр намотки менялся от 5 до 35 мм. Определен минимальный допустимый диаметр намотки исследуемого волокна для использования его в опорном плече интерферометрического датчика - 30 мм, при этом оптические потери равны 0,07 дБ на 1 м, й-параметр равен 50Х10-4. Ключевые слова
двулучепреломляющее оптическое волокно, й-параметр, оптические потери от диаметра намотки, оловянное
покрытие
Благодарности
Работа выполнена в Университете ИТМО при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Уникальный идентификатор проекта: RFMEFI57815X0109, Соглашение № 14.578.21.0109).
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF WINDING DIAMETER EFFECT ON OPTICAL PROPERTIES OF HI-BI FIBER WITH TIN COATING V.S. Lavrova, A.V. Kulikova, A.B. Mukhtubayeva
a ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [email protected] Article info
Received 29.07.17, accepted 19.10.17
doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-1167-1170
Article in Russian
For citation: Lavrov V.S., Kulikov A.V., Mukhtubayev A.B. Experimental investigation of winding diameter effect on optical properties of Hi-Bi fiber with tin coating. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2017, vol. 17, no. 6, pp. 1167-1170 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-6-1167-1170
Abstract
The paper presents experimentally obtained dependences of optical losses and h-parameter of the birefringent optical fiber with tin coating on a winding diameter. The optical losses were measured by insertion loss method, and h-parameter was measured by orthogonal polarizer method. The winding diameter varied from 5 mm to 35 mm. A minimal acceptable winding diameter of 30 mm was determined for this fiber used as a reference arm in interferometric sensor wherein optical losses are equal to 0.07 dB/m, and h-parameter is equal to 50*10-4. Keywords
birefringent optical fiber, h-parameter, bend losses, winding, tin coating Acknowlegements
This work was performed in ITMO University and was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (the unique identifier of the project: RFMEFI57815X0109, Contract No.14.578.21.0109).
В настоящее время с помощью средств волоконной оптики возможно построение сенсорных систем различных физических величин [1, 2]. Одно из активно развивающихся направлений - создание волоконно-оптических гидроакустических датчиков ВОГД [3]. Одно из направлений - ВОГД на низкие акустические частоты менее 500 Гц, которые могут быть использованы в морских буксируемых и донных сейсмических косах для поиска углеводородов на морском шельфе [4, 5]. Такие ВОГД, как правило, являются интерферометрическими, так как именно такой способ регистрации акустических сигналов позволяет добиться требуемых акустических параметров [6].
Для работы ВОГД интерферометрического типа необходимо обеспечить одинаковое состояние поляризации у двух интерферирующих лучей. Один из способов достижения этого - использование двулу-чепреломляющих оптических волокон (ДЛП ОВ) [7].
В настоящей работе рассмотрено двулучепреломляющее оптическое волокно с оловянным покрытием. За счет покрытия оловом у него снижена акустическая чувствительность, и оно может быть использовано в качестве опорного плеча для малошумящего интерферометрического датчика [8].
К буксируемым сейсмическим косам предъявляются жесткие требования по внешнему диаметру, а следовательно, опорное плечо интерферометрического датчика должно быть намотано на оправку малого диаметра (менее 40 мм). Из-за малого диаметра намотки в ДЛП ОВ ухудшаются оптические параметры -оптические потери и й-параметр.
В работе [9] были исследованы зависимости оптических параметров ДЛП ОВ Е8С-4. Исследуемое в настоящей работе ДЛП ОВ кварцевой частью повторяет волокно Е8С-4, но имеет покрытие, отличающееся механическими и геометрическими параметрами.
Цель настоящей работы - исследовать зависимость оптических потерь и й-параметра от диаметра намотки ДЛП ОВ с оловянным покрытием и определить минимальный диаметр намотки ДЛП ОВ для использования его в качестве опорного плеча интерферометрического датчика. В качестве исследуемого образца было выбрано ДПЛ ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой и оловянным покрытием. На рис. 1 представлена фотография торца кварцевой части исследуемого ДЛП ОВ. В таблице приведены параметры ДЛП ОВ с оловянным покрытием и параметры ДЛП ОВ с акрилатным покрытием.
Рис. 1. Фотография торца кварцевой части исследуемого оптического волокна
Оптические потери не более 2 дБ/км (1,55 мкм) не более 0,5 дБ/км (1,55 мкм)
й-параметр не более 1*10-41/м не более бхЮ-6 1/м
Концентрация ве02 4 мол.% 4 мол.%
Диаметр модового поля 7,64 мкм 7,64 мкм
Длина биений 2,25 мм 2,25 мм
Покрытие Оловянное 10-15 мкм Акрилатное 62,5 мкм
Диаметр кварцевой части 125 мкм (±1 мкм) 125 мкм (±1 мкм)
Таблица. Параметры оптических волокон
Исследование зависимости оптических потерь ДЛП ОВ Е8С-4 с оловянным покрытием проводилось с помощью метода вносимых потерь и проходило следующим образом. К исследуемому образцу с одной стороны был подсоединен источник оптического излучения (X = 1550 нм), а с другой - фотоприемное устройство (ФПУ), при этом было записано значение оптической мощности Рп, приходящее на ФПУ в отсутствии воздействия, т.е. намотки. Далее исследуемый образец был намотан на различные диаметры специальной оснастки, и для каждого диаметра и длины намотанного волокна записывалась приходящая
В.С. Лавров, А.В. Куликов, А.Б. Мухтубаев
на ФПУ оптическая мощность Рн. Итоговые потери для каждого диаметра оснастки вычислялись по формуле (1):
а= (1)
где а - оптические потери дБ/м; Рп - оптическая мощность на фотоприемном устройстве в отсутствии воздействия, а Рн - при намотке; Ьн - длина намотанного оптического волокна.
Полученная зависимость оптических потерь от диаметра намотки представлена на рис. 2 для ДЛП ОВ Е8С-4 с оловянным покрытием, для сравнения приведена зависимость для ДЛП ОВ Е8С-4 с акрилат-ным покрытием.
РП
ч
я л и н о к и
К «
о
и р
К н к О
104 103 102 101 100 10-1 10-2
10 15 20 25
Диаметр намотки, мм
I* Е8С-4 с оловянным покрытием ■ Е8С-4 с акрилатным покрытием
Рис. 2. Зависимость оптических потерь от диаметра намотки
Исследование зависимости й-параметра исследуемого волокна проводилось в скрещенных поляризаторах и проходило следующим образом.
Линейно поляризованное оптическое излучение (X = 1550 нм) заводилось в оптическую ось ДЛП ОВ. На выходном конце исследуемого образца установлен поляризатор. Вращая ось поляризатора, находили значения максимума Рн0 и минимума Рн90 оптической мощности, при этом максимум соответствовал разнице углов между оптическими осями поляризатора и ДЛП ОВ Д6 = 0°, а минимум соответствовал Д6 = 90°. Для компенсации й-параметра ненамотанного ДЛП ОВ были измерены Р90 и Р0 - минимальное и максимальное значение мощности без воздействия на волокно, т.е. без намотки. Для определения й-параметра использовалась формула (2).
Рн90~Рт Р90~Рт
к
= (;
-И,
т/ ^н
(2)
\Рн0+Рн90~2Рт Р0 + Рд0-2Рт)
где Р90 и Р0 - оптическая мощность на ФПУ при Д6 = 90° и Д6 = 0° соответственно, на исследуемый образец воздействия не оказывалось; Рн90 и Рн0 - оптическая мощность на ФПУ при Д6 = 90° и Д6 = 0° соответственно, исследуемый образец был намотан на оснастку; Рт - оптическая мощность на ФПУ, обусловленная темновым током; Ьн - длина намотанного оптического волокна.
Полученная зависимость й-параметра от диаметра намотки представлена на рис. 3 для ДЛП ОВ Е8С-4 с оловянным покрытием, для сравнения приведена зависимость для ДЛП ОВ Е8С-4 с акрилатным покрытием.
1(): ч 101
л н и
5! &
К
10°
10-
10-
10-
5
10
35
15 20 25 30
Диаметр намотки, мм • Е8С-4 с оловянным покрытием Е8С-4 с акрилатным покрытием
Рис. 3. Зависимость й-параметра от диаметра намотки
На приведенных зависимостях (рис. 2 и 3) видно, что при диаметрах намотки ДЛП ОВ ESC-4 с оловянным покрытием меньше 30 мм исследуемые оптические характеристики резко ухудшаются, и, соответственно, оптическое волокно, намотанное на меньшие диаметры, уже не может использоваться в качестве опорного плеча компенсационного интерферометра. На диаметрах намотки больше 30 мм дополнительные потери и ухудшение й-параметра из-за намотки незначительно.
Таким образом, были исследованы зависимости оптических потерь и й-параметра ДЛП ОВ с оловянным покрытием от диаметра намотки. Определен минимальный диаметр намотки исследуемого волокна при использовании его в качестве опорного плеча интерферометрического датчика, и он составляет 30 мм, при этом дополнительные потери составляют 0,07 дБ на 1 м, й-параметр равен 50*10-4.
Литература
1. Окоси Т., Окамото K. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1990. 256 с.
2. Удд Э. Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников. М.: Техносфера, 2008. 520 с.
3. Teixeira J.G.V., Leite I.T., Silva S., Frazao O. Advanced fiberoptic acoustic sensors // Photonic Sensors. 2014. V. 4. N 3. P. 198-208. doi: 10.1007/s13320-014-0148-5
4. Cranch G.A., Nash P.J., Kirkendall C.K. Large-scale remotely interrogated arrays of fiber-optic interferometric sensors for underwater acoustic applications // IEEE Sensors Journal. 2003. V. 3. N 1. P. 19-30. doi: 10.1109/JSEN.2003.810102
5. Meng Z., Hu Y., Ni M. et al. Development of a 32-element fibre optic hydrophone system // Proceedings of SPIE. 2004. V. 5589. P. 114-119. doi: 10.1117/12.577842
6. Бутусов М.М., Галкин С.Л., Оробинский С.П. Волоконная оптика и приборостроение. Л.: Машиностроение, 1987. 328 с.
7. Lavrov V.S., Plotnikov M.Y., Aksarin S.M. et al. Experimental investigation of the thin fiber-optic hydrophone array based on fiber Bragg gratings // Optical Fiber Technology. 2017. V. 34. P. 47-51. doi: 10.1016/j.yofte.2017.01.003
8. Гукович А.В., Плотников М.Ю. Экспериментальное исследование методов снижения чувствительности опорных плеч в волоконно-оптических интерферометрических датчиках // Сб. тезисов докладов конгресса молодых ученых [Электронный ресурс]. СПб.: Университет ИТМО, 2017. URL: http://openbooks.ifmo.ru/ru/file/5485/5485.pdf (дата обращения: 25.10.2017)
9. Аксарин С.М., Архипов С.В., Варжель С.В., Куликов А.В., Стригалев В.Е. Исследование зависимости параметров анизотропных одномодовых волоконных световодов от диаметра намотки // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 6 (88). С. 22-26.
Авторы
Лавров Владимир Сергеевич - инженер-исследователь,
аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101,
Российская Федерация, [email protected]
Куликов Андрей Владимирович - кандидат технических наук,
доцент, заведующий лабораторией, Университет ИТМО, Санкт-
Петербург, 197101, Российская Федерация,
Мухтубаев Азамат Булатович - инженер-исследователь, аспирант, Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация, [email protected]
References
1. Okosi T., Okamoto K., Otsu M., Nisihara H., Kuma K., Hatate K. Fiber-Optic Sensors. Leningrad, Energoatomidat Publ., 1990, 256 p. (in Russian)
2. Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists. Ed. E. Udd. NY, John Wiley & Sons, 2011, 512 p. doi: 10.1002/9781118014103
3. Teixeira J.G.V., Leite I.T., Silva S., Frazao O. Advanced fiber-optic acoustic sensors. Photonic Sensors, 2014, vol. 4, no. 3, pp. 198-208. doi: 10.1007/s13320-014-0148-5
4. Cranch G.A., Nash P.J., Kirkendall C.K. Large-scale remotely interrogated arrays of fiber-optic interferometric sensors for underwater acoustic applications. IEEE Sensors Journal, 2003, vol. 3, no. 1, pp. 19-30. doi: 10.1109/JSEN.2003.810102
5. Meng Z., Hu Y., Ni M. et al. Development of a 32-element fibre optic hydrophone system. Proceedings of SPIE, 2004, vol. 5589, pp. 114-119. doi: 10.1117/12.577842
6. Butusov M.M., Galkin S.L., Orobinskii S.P. Fiber Optics and Instrument Making. Leningrad, Mashinostroenie Publ., 1987, 328 p.
7. Lavrov V.S., Plotnikov M.Y., Aksarin S.M. et al. Experimental investigation of the thin fiber-optic hydrophone array based on fiber Bragg gratings. Optical Fiber Technology, 2017, vol. 34, pp. 47-51. doi: 10.1016/j.yofte.2017.01.003
8. Gukovich A.V., Plotnikov M.Yu. Experimental study of methods for sensitivity reducing in support arms of fiber-optic interferometric sensors. Proc. Congress of Young Scientists. St. Petersburg, ITMO University Publ., 2017. Available at: http://openbooks.ifmo.ru/ru/file/5485/5485.pdf (accessed: 25.10.2017).
9. Aksarin S.M., Arkhipov S.V., Varzhel' S.V., Kulikov A.V., Strigalev V.E. Dependence investigation of the anisotropic single-mode fiber parameters on a winding diameter. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2013, no. 6, pp. 22-26. (In Russian)
Authors
Vladimir S. Lavrov - research engineer, postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
Andrey V. Kulikov - PhD, Associate Professor, Head of laboratory, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, [email protected]
Azamat B. Mukhtubayev - research engineer, postgraduate, ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation, mukhtubaev. ab@gmail. com
