CC BY
8
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
ЭКШкРИМЬН АЛЬНЫЬ ИССЛЕДОВАНИЯ СНЬКIPA ЬРИЛЛЮ¿HOBCKOI С РАССЕЯНИИ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ С НЕНУЛЕВОЙ СМЕЩЁННОЙ ДИСПЕРСИЕЙ ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ РАСТЯ Г ИПА101Ц ИХ ГИЛАХ
И. В. Богачков
Омсктяосудсрстеенныйтехтпескмунгюерситет, е. Омск, Россия
Линотаиия - В работе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик натяжения (механических напряженна) в оптических волокнах с ненулевой смешённой днсперснен (XZDSF) при различных продольных растягивающих нагрузках на основе анализа спектра брнллю>нов-
1*кчи <1 jum4-cmhiiu.
Приведены рефлектограммы NZDSF. полученные в экспериментах. Представлены графические зависимости брнллюэновскога сдвига частоты и натяжения NZD3F прн различных продольных растягнва-юшпх силах. Показано, что в спектре брнллюэновского рассеяния в NZDSF проявляются побочные максимумы.
В ptiy.ibiaif cjjíibhuie.ibhuiu аналша лирньнерпсшк ишичыких ви.юкин рлиичньи uujuu бы.ю выявлено. что характеристики натяжения MZDSJb занимают промежуточное положение между зависимостями обычного оптоволокна и оптического волокна со смсшсппоп дпспсрсисн.
Ктючебыс слзг^.-брпллюэновская рефлектомегрня. брпллюэновское рассеяние. натяжение,оптоволокно с нен\ левой смешённой днсперсиеп.
I. Введение
В протяженных волоконно-оптических линиях связи (BOJIC) нашли распространение оптические волокна (ОВ) со смещённой дисперсией (DSF - dispersion shifted single mode fioer - G.653).
В этих UB частогнод характеристика дисперсии смещена гак. что минимальная '¡«гулевая») дисперсия попадает в «окно» X = 1530 нм [1—5].
Однако твесшо. но прнменеппе этих OB о оптоволоко!лш:х системах со спектральным уплотнением (WDM Wavelength Division Multiplexing) натолкнулось за трудности, связанные с появлением нелинейных эффектов, таких как четырехволновое смешение (Four-wave mixing).
Это привело к появлению ОВ с ненулевой смещённой дисперсией (NZDSF - поп zero dispersion-shifted single mode fiber ü.6í>b). оптимизированных именно для протяженных WDM-chctcm [1 4J.
Для оценки нйдгжжкти ВОЛС необходим;] импь доек жирную и гкпгкргмгннук» информацию о ня паснии ОВ в оптическом кабеле (ОК). С этой задачей обычные оптические импульсные рефлектометры не справляются Для решения о теп задета применяются бршхлхоэповскне рефлектометры [BOTDR — Brillouin optical time domain refketometers). которые кзмеряют оптические свойства OD и на их основе позволяют прогнозировать OG¡)mk OR [V 9]
Поскольку при работе BOTDR уровни мощности сигнала, вводимого в ОВ. значительны и в ОВ проявляются нелинейные эффекты, прелегавляет особый интерес анализ спектра брнллюэновского рассеяния (СБР) и in ргдглс-нис- хлцимгрипик мгхяничп ки н.11 ijim.+ гнных )нн(-1м1к OR :■ ¡ы -и иннк ми :-им*ними иокгдения ди[:ие]>-
П.Теория
Одним из эффективных методов определения степени натяжения ОВ является метод бриллюэновской ре-флектометрш! в оеиовагшын па анализе спектра вынужденного рассеяния Мандельштама — Брнляюэиа (далее Ьрнллюэновскос расссянне Ы1) в ОВ [3 6] Продольная растягивающая сила, приложенная к ОВ. изменяет
Ш! МОДУЛЬ ЮнГИ, Н'П» 11рин«ди I К глмпкгнкумлцгму 1'МП11.ГНИК> СБР 1(>Н;1Нру» OR М1]К11>.ИМИ имиулмими и
сканируя несущую частоту- этих импульсов. мо:кно найти распределение СБР вдоль ОВ. Анализируя картину роспрсделения СЬР в ОВ (значения максимумов СЫ1). межно определить величину срнллюэновского сдвига
чгкгкпн (/$)КД0ЛК ОВ, ¡t 1КХЛГ flINO НИЙ1И и риг |рГДС*ЛГНИГ ни1чагним КДС1ЛК OR [1—7]
В работах [5-7] были приведены результаты экспериментальных исследовании БР в обычных ОВ и DSF? определены характерпепгкн натяжения ОВ
Рис. 2. Профиль СБР для DSГ (G.653)
Как зндно нз рис. 2. профиль СБР имеет 3 максимума («горба» на графике). Для опенки натяжения пен
гпмчний 1Ц>ОМГ,|урГ МНИЛИ« ИСПОЛКЧуПГ.И I rjlKK Й МЯК! имум [8]
Поскольку NZDSF имеет особые свойства. иредсташшет интерес исследование поведе:шя СБР и опэеделе кие характеристик натяжения в ОВ этого типа
Ш. Постановка ¿иачи
С. пелмп у--пчнения мо.пелей и ияучени* особенностей Г.Р f ОН с иенулекой СУСЩГ иной дисперсией (NTZDSF) 6цдп проэедены эхеперимеиталылле исследования с bOTDR <(Аасо AQ 8603» при содействии ЗАО сМоскаб
IV. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Д:л JKCJiepHMeHi<iJiAHj>ix иссмедиванин сшпиьод Gb_i wcuuutrH a¿ ОВ H<jpv.a..m¿yK.\ii;e.a к«и\шлл OBI (G.652 D. длина 1393 м). соединенного сваркой с ОВ2 NZUSi- fü.toX длина 7 м). которое в свою очередь соединено с ОВЗ (G.657). Зсе ОВ являются одномодовымн. На расстоянии 2 м от места сварки на NZDSF было сформнро-рлно место растяжения, на которое ш^цгтикллигь гири от 10 г до 60'П г
Эффекты асимметрии (поперечного воздействия) в местах растяжения при точечном креплении груза при иодя1 к m^í/jomaihjuv.. что ишывасгсущгакешихг илдени? книгнсинн'-к'.и liuhíuüi ía mccivm р<к.1.ши?нлх. Э1И проблемы были обсуждены при анализе результатов более ранних экспериментов [5 . 9.10].
Для устранения указанных эффектов участок NZDSF (ОВ2) длиной 5 ы был закреплен на блоке так. чтобы рапхгиканмиая сила ,irfii гкмкала ни NZDSF iiuihho к ipivu>jihHov наириклгнии, ирингм Пыли приняты гаеры дня предотвращения появления изгибов в месте крепления грузов. Место крепления, на которое подвешивались гири было сделано распределенным (около 1 м по обе стороны блока) с равномерным сцеплением с ОВ растягиваемого участка. В результате 01J получало равномерное натяжение, и падения мсшностк сигнала за местом растяжения не наблюдалось.
Н* рис: 3 иргдпг1К.1гнг1 ьарчмна рагн]к*дгленин СБР к гнешкоде (ЗП^м-ф.к-кии^имми) при но.ч.чейггкии на NZDSF продольной растягиваю пкн силы в 1 Н
6« ORÍ N7.DSF бп
ЧПСТЯД.СНИИ 11I растяжения
ОЕ1
Frequency
Dinticiuji 1. 39472 KJII П:
Prcqucn—у: 10.640СНг F2: 1
Kninjrr. ikn rOR : 1.4681.0
V. W. : lUn«
Ave. »2Л14 rea. ;0.20м
Start! 10. 420CHz 54if>lc! 28/50 Stop : 11. ÍOOCrifу. (меер : ?0tot/.
Смешение ппкл С БР
MAY. 13, 2016 12: 0/: 13
Рис. 3. Картина СБР для NZDSF (G.655) при продольной растягивающей силе d 1 н
Смещение СЬР в месте рестяжсння К/ОЫ- отмечено крупными стрелками, учаегаг Г^ОЫ- осз ростяжснкя отмечены меньшими стрелками.
Максимум СТ.Р при отсутствии растяжения наблюдается ил частоте 10 61 ГГц ТТа рттптягмшг участке NZDSF при силе в 1 Н пик СБР (/в) емещаегся па частоту 10.71 ГГц
Раисмохрша лид^оиыее при фи. ¿ь СБР ли&^канный на ри«.. 4.
По сравнению с профилями ОВ. приведёнными на рис. 1 н рис. 2. кроме глазного максимума (обозначен крупной стрелкой), который наблюдается у С.632Б на рис. 1.наблюдаются дополнительные малые пнкн (по 2 с каждой стороны от гттлнного - о~меченкт мгнктги-.пт стрелками), хотя и не стол*, тчкп выраженные ках у Г)ЯГ (рис. 2).
1*кс. 4. Профиль СЫ1 для NZDSt fG 65b)
На рис. f приведена представлена соответствующая распределению С5Р на рис. 3 мультнреолекгограмма (зависимости по длине световода натяжения (Strain). СЫ1. ширины СЫ1 (B.S.W) п петерь (Loss)} при продольной растягивающей силы з 1II.
0.1
овз
1 В.S. Width |
100.0 MHz/ L
5.0 (№ /
| Brlllouln Spectrum
ОН -> 10.61 ГГц. - hiífщ 1Н 10.71 I I п
1.0 clB /
Рис. 5. Мульгирефлектограмма для NZDSF (G.655) при продольной растягиваюшей силе в 1 Н Характерные участки мультнрефлекгограммы отмечены стрелками.
При значительных растягивающих силах NZDSF проявляет большую чувствительность к нелинейным эффектам. чем обычное ОВ (G.652D), но меньше, чем DSF (G.653).
На рис. 6 приведена картина распределения СЫ1 в свстозодс (31>рсфлсктограмма) при воздействии на NZDSF продольной роивд ннсчишсй силы л 6 Н.
На рис. 7 представлена соответствующая мультирефлекгограмма. Сравнивая графики на рис 5 и рис. 7, можно отметить, что о «проблемных» местах спектр БР расширяется затухание увешгчнваетеяппоявляется «из рсзанкость» графиков.
Ни ¡ИГОН ИШГМИМ уЧМГГКГ NZDSF при С И.1Г «Г|Н ПИК CEP(/¡j)l ыпЦНГIC1 НА ЧЖ'ИПу 10 9ЙТТц Анализ натяжения NZDSF приводит к таким результатам.
NZDbF прн нормальных условиях (без растяжения и при комнатной температуре) имеет отрицательное
НИ1ЯЖГНИ^-П
При этом прн тех же условиях натяжение OBI составляет -0.06% (максимум СБР находится на частоте 10.83 ГГц).
При воздействии i:a NZDSF продольной растягивающей с:шы натяжение увеличивается дс—0.29?спрн силе з 1 Н. а при силе в б Н достигает значения -6.21% (при этом на растягиваемом участке NZDSF удлинилось на 30 мм относительно исходного значения).
ОВ2/NZDSF /6Н
ОВ2 без
растяжешм
fte:*
растяження
пика СБР
1.40993 кш
Fraquancy Start:10.420GHz s top : 11. 400tmz
1.30461 km
0.0025 5 km/
200.0000 MHz/
Риг ii Тчиргина p.-ii иргд-лгнии CRP . um NZDSF (Ст (555) при продольной ригпн нкиншрй гилг к 6 Н
10. О
сШ/
маки
Strain
О. У
«6 II ........у- * •••
ОВ1 l 'ОВ2 0 пт 1 1 OBS фон
4 . О (1К/
BrilJ.oi.iin Ipeotrim |
Uli 6 -> 10.61 ГГн .......J-/- • wp- II 1 n.ori ГГц
1.0
1 LUM |
:: :Vyr \pC.::: ::
DistonccI 1.39060 Um Ircqucncy: 10.640öllr ranq о i s kjr. tor
H.W : IОпя
Ave. : 2A14 Kei. :0.20m
г* с ijuciil у Starb: lQ.S^H^ Sample: ЛЬ/'jO srnji : I I . ЛООон 7. Swnitp : ?ОиН7
Dist ancc Sooloi 0.01 km/ t'rcqucncy Scale: 100 IHlz/ 1.4G010
j74 dmua
lO.дСЗАОНа ОЭ.ЧМЛВ
ж
(V
>/Г
ГШ!.13,2016 13:09:17 Риг 7 Муттктиргфлгктогрйммл ДЛЯ NZDSF (G ттри продольной ргГТЯПТНЙЮТДГЙ СИЛГ R 6 ТГ
Как следует из экспериментов с DSF [5-7], натяжение DSF прн нормальных условиях (при комнатной температуре без растяження) имеет епгё большее смешение СБ? в сторону меньших частот и при опенке по первому максимуму - еще большее смещение патяжешея э отрицательную область по сравнению с NZDSF (на 0/1 % U iko'jhltt.'lbho NZDSFnHil 0,8 % относиал-ьно ОБ G.652D).
V. ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты подтвердили возможность обнаружения механически напряженных (натяжённых) участков и оценки степени натяжения NZDSF (G.655) на основании анализа СБР ь нём
Оказалось, что NZDSF по характеристикам СБР и натяжения занимает промежуточное положение между обычными ОВ (G 652D) и DSF (G.653).
При нормальных условиях при обычной методике анализа для NZDSF получается отрицательное натяжение, хотя и существенно меньшее, чем для DSF (G.653).
При изменениях продольных растягивающих нагрузок наблюдается линейная зависимость, смещённая вниз относительно обычного ОВ на 0.4%.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
L Волоконно-оптическая техника: современное состояние и новые перспективы: сб. ст. / под ред.С А. Дмитриева. Н Н. Слепова. М Техносфера. 2010. 60S с.
2. Лнствнн А. В.. Лнствнн В Н.. Швырков Д В. Оптические волокна для линий связи М.: ЛЕСАРарт, 2003. 2ЕБ с.
3. Лнствнн А В., Лнствнн В. Н. Рефлектомегрня оптических волокон связи. М.: ЛЕСАРарт. 2005. 20S с.
4 Агравал Г. Применение нелинейной волоконной огггики СПб.: Лань. 2011. 592 г,
5. Bogachkov 1 V. Researching of Influence of the Strain Degree of Optical Fibers oil the Bnlloum Backscattering Characteristics //Internattonal Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2015. Omsk, 2015. P. 1-6.
6. Bogachkov I. V.. Gorlov N. I. Experimental Examination of the Bnlloum. Backscattering Spectrum in Dispersion-Shifted Optical Fibers, IEEE 2014 // 12th International Conference oil Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. 2014. V. 1 P 195-200.
7. Bogachkov I. V. Researching of features of the Bnlloum Backscattermg Spectrum in Dispersion-Shifted Optical Fibers //International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2016 M., 2016 P. 1—6.
8. AQ 8603. Optical fiber strain analyzer. Instruction manual AS-62577. Japan. Ando Electric Co Ltd, 2001. 190 p.
9. Акопов С. Г.. Васильев Н А, Поляков М А. Использование брнпоэновского рефлектометра при испытаниях оптического кабеля на растяжение // Lightwave. 2006. № 1. С. 23—25.
10. Belal М., Newson Т. P. Experimental Examination of the Variation of the Spontaneous Bnlloum Power and Frequency Coefficients Under tlie Combined. Influence of Temperature and Strain // Journal of Lightwave Technology 2012. Vol. 30, no 8. P 1250-1255.
