ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СПЕКТРА БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ СО СМЕЩЁННОЙ ДИСПЕРСИЕЙ Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.372.8: 621.396: 621.315

Экспериментальные исследования спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах со смещённой дисперсией

И. В. Богачков, Н. И. Горлов

В работе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах со смещённой дисперсией.

Ключевые слова: бриллюэновская рефлектометрия, ранняя диагностика, оптоволокно, смещённая дисперсия.

1. Введение

Важной задачей мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является получение достоверной информации о физическом состоянии оптического волокна (ОВ). Для оценки надежности ВОЛС необходимо иметь достоверную информацию о натяжении ОВ в оптическом кабеле (ОК).

Обычные оптические импульсные рефлектометры не в состоянии определить натяжение ОВ. Одним из эффективных методов определения степени натяжения ОВ является метод бриллюэновской рефлектометрии [1-3], в основе которого лежит регистрация и последующий анализ спектра вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (далее -бриллюэновского рассеяния, БР) в ОВ. Для обнаружения механически напряженных участков (натяжения) ОВ разработаны бриллюэновские оптические рефлектометры (БОИР).

Одномодовые ОВ со смещённой дисперсией (DSF, dispersion-shifted single mode fiber) нашли распространение в протяженных ВОЛС, длина регенерационных участков которых составляет более 100 км. Эти ОВ хорошо зарекомендовали себя как по удельному затуханию, так и по пропускной способности. Однако известно, что в DSF нелинейные эффекты проявляются гораздо сильнее, чем в обычных ОВ.

Известно [1-4], что для получения необходимых для бриллюэновской рефлектометрии спектральных составляющих, обусловленных БР света, необходимо вводить сигнал повышенной мощности, превышающей порог БР.

Таким образом, в ОВ со смещенной дисперсией представляет особый интерес анализ спектра бриллюэновского рассеяния (СБР) и определение характеристик механически напряженных участков.

2. Сведения из теории

Распространение световых импульсов в ОВ сопряжено с одновременным воздействием нескольких нелинейных эффектов. Одним из эффектов, представляющих интерес для дальнейшего анализа, является БР, особенностью которого является его зависимость от таких параметров ОВ, как механическое натяжение и температура. В работах [1-4] были рассмотрены вопросы построения математических моделей БР в ОВ и исследования влияния параметров натяжения ОВ на его спектр.

Зондируя ОВ короткими импульсами повышенной мощности и сканируя несущую частоту этих импульсов, можно найти распределение спектра бриллюэновского рассеяния вдоль ОВ. Анализируя картину СБР в ОВ, можно обнаружить местоположение распределенных нерегулярностей в ОВ и определить их характеристики.

В ОВ со смещённой дисперсией частотная характеристика дисперсии смещена так, что минимальная («нулевая») дисперсия попадает в «окно» X = 1550 нм. Это позволило достичь улучшения характеристик ОВ как по удельному затуханию, так и по пропускной способности.

Однако известно, что применение этих ОВ в волоконно-оптических системах со спектральным уплотнением (WDM, Wavelength Division Multiplexing) натолкнулось на трудности, связанные с проявлением нелинейных эффектов, таких как четырехволновое смешение (смешивание). Данная проблема потребовала поиска новых решений, что привело к появлению ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF), оптимизированных именно для протяженных WDM-систем.

Поскольку при работе БОИР уровни мощности сигнала, вводимого в ОВ, значительны и принципиально приводят к нелинейным эффектам (необходимым для реализации метода бриллюэновской рефлектометрии), представляет особый интерес анализ СБР и определение механически напряженных участков в ОВ со смещенной дисперсией.

3. Постановка задачи

С целью уточнения моделей, рассмотренных в [1-4], и выявления закономерностей реф-лектограмм, полученных на основе анализа СБР, были проведены экспериментальные исследования ОВ со смещённой дисперсией (DSF) с БОИР «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».

4. Результаты экспериментов

В рассматриваемом ниже эксперименте изучался СБР в ОВ со смещённой дисперсией, оценивались его характеристики натяжения, был проведён анализ взаимного влияния ОВ с различными законами изменения дисперсии.

Световод был составлен из ОВ 1 нормализующей катушки (длина около 950 м), сваренного с протяженным ОВ 2 (катушка более 1.5 км) со смещённой дисперсией (DSF).

Оба ОВ - одномодовые.

На рис. 1 представлена картина СБР (3D-рефлектограмма) в области места сварки, на которой видно распределение СБР по длине световода.

Место сварки хорошо заметно по резкому изменению распределения СБР и натяжения. Взаимное проникновение СБР волокон друг в друга в месте сварки может привести к существенным искажениям результатов.

На рис. 2 показана соответствующая полученным картинам СБР в DSF в области стыка ОВ зависимость (мульти-рефлектограмма) натяжения (Strain), СБР, ширины СБР (B.S.W) и потерь (Loss).

Из рис. 1, 2 видно, что картина СБР у ОВ 2 (DSF) вместо обычного ярко выраженного «горба» на характеристике (что наблюдается у обычных ОВ) имеет 3 «горба», разделенных двумя провалами [5-8]. При этом отраженная от ОВ 2 волна со смещённым спектром проникла в ОВ 1 и привела к некоторому искажению спектра на небольшом участке ОВ 1, прилегающем к месту сварки [6-8].

Для сравнения на рис. 3 приведена мульти-рефлектограмма, взятая на участке световода с обычным ОВ (ОВ 1), на которой СБР имеет обычный характер (только один «горб»).

||»0 . 45 7 сШ J

ю. О дв/

НОЕМ

Профиль СБР в ОВ-DSF

>|< ОВ2 10,3 ГГц

11,2 ГГц

О - 97120 ltm

Dist Ail с е : Fretiuerioy: lO . 4BÜSHZ

Fl :

E'2 :

11 . 2ВОеН z:

Hange P . ст.

Avi: .

IOIL

46ЯЮ

5 Ion

20ns

2A14 Res . : О . 2Üm Frequency

Start: lO 3CJOSHZ Sample: 5 0/.5 0

Stop : 11.280GHi Sweep : 2 ОМ Hz

Ш5 . 1MHz

lO.4?86tiHs B6-ЭОЗЙВ

/хчМаксимумы СБР t t

4PK..14,2015 11 : 43 : 04

Рис. 1. Картина распределения СБР в области стыка с ОВ-DSF 1

7txain

ОВ1 ОВ2

ОВ-DSF

I Br~i 1 n Spectxum j

Width

5 О . О

MHz /

2 . О

dB /

Distance: О . 9Ö732 Jem Distance Scale: О . Ol lern/

Frecjuency: 10.5 00GHz Frequency Scale: 196 I-fflz/

Range : 51cm IOR : 1 . 468Ю

F.W. : 2 0ns

Ave. : 2Л14 Re s . : О . 2 0m

Frе quency

Start:10.300GHz S а тир 1 e : 50/50

S top : 11. 280GHz Sweep : 2 0l fflz

ÄPR.14,2015 11:40:4S

S tar ain

Рис. 2. Мульти-рефлектограмма DSF в области стыка ОВ

rillouin Spectrum j

ОВ1

ОВ2

ОВ-DSF

dB /

50. О MHz /

В . S . Wicltb.

dB/

Distance: O. 96405 km

Frequency: lO . 880GHz

Distance Scale : О . Ol km/ Fr e cjT-i e ncy S oale: 196 MHz/

1D3.4MH

Range: 5 km IOR .40ВЮ

P . W. : 20ns

Ave . : 2Л14 Res . о . 2 От

Fr eguency

S tart : lO . 300GHz Sample 50/50

S top : 11. 280GHz S'we ep : 20ННг

MR. 14.201J 11 : : OI

Рис. 3. Мульти-рефлектограмма ОВ1 в области стыка с ОВ-DSF

Обычно для анализа СБР и определения натяжения в ОВ анализируют первый «горб» [5, 8], хотя в DSF явно наблюдается перераспределение спектра, аналогичное явлению четырех-волнового смешения [6-8].

На рис. 4 показан СБР DSF, а штриховой линией показаны два смешиваемых спектра, которые и образуют итоговую картину.

5 . О с1Б /

I

2 I

-------------

^аксимум^

с'

«смешивание»* '

ILO . 3000GH2

98.OOOOMHz/

^£пе ктров

11.2SOOSH3

Frequency: Ю . GGOeHz Dlstance: О. 965 09 кип

: 05 . OEtlclB

Range

Avt: .

5кш

20ns 2Л14

IOR

Res .

1.46S10

О . 2 От

Max.F: Ю.480GHZ

Max.l: 85 . OB4dB ! WMM : О . 1032GHz

rretjuency Freij. : 10.4750SHZ

Start:10.300GHz Sample: 50/50 Level: B5.023dB Stop : 11.2BOGHZ Sweep : 20MHz

ОВ1

ОВ2 (DSF)

Рис. 4. Картина СБР DSF

ÄPR.14,2015 11:41:57

Первый максимум обнаруживается на частоте 10.47 ГГц, третий - на частоте 10.87 ГГц. Между ними образуется второй максимум на частоте 10.67 ГГц.

Из графиков следует, что полученные оценки СБР для различных максимумов и всех соответствующих характеристик различаются.

Второе волокно (ОВ-DSF) по данным измерений (график натяжения на рис. 2, 3) и оценке по первому максимуму оказалось «сжатым» (отрицательное натяжение) до 0.75 %, хотя каких-либо предпосылок для этого (например, охлаждения до температур порядка -50 °С) не было.

При оценке по третьему максимуму мы получили бы положительное натяжение примерно 0.05 %, что практически совпадает с натяжением обычного ОВ (ОВ1) и больше соответствует физическому смыслу.

Анализ результатов эксперимента показал, что в ОВ со смещённой дисперсией СБР имеет явные отличия от обычных одномодовых ОВ и обычный алгоритм определения характеристик натяжения («проблемных» участков) [5] в этом случае дает недостоверные результаты.

Необходимо производить коррекцию алгоритма вычисления натяжения ОВ с учетом перераспределения спектральных составляющих, получаемых БОИР, аналогично явлению че-тырехволнового смешения.

При соединении ОВ-DSF с другими типами ОВ следует учитывать, что СБР волокон проникают друг в друга, что вызывает существенные искажения результатов измерений и вычислений, поэтому измерения характеристик ОВ необходимо проводить как можно дальше от места соединения [6-8].

На рис. 5 - 12 приведены примеры изменения СБР при изменениях температуры или продольной растягивающей силы и, соответственно, характеристик ОВ-DSF.

На рис. 5 показана картина распределения СБР при нагреве участка ОВ-DSF до 100 °С.

1

3

Distance : j О . «¿5 343 tun j quency : [To . 5 4PС4Н-г [

prei

Fl: F2 :

lO.960GHz

R.dnge : 2km W. : lOns ^.ve. : A ±3 Frequency

Start: Ю 300GHz Stop : 11. 280GHz

TOR : ¡1. 4<S8ILÖ|~

Res . : О . Ют

Sandle: 34/5 О Sweep : 20MHz

176.&MHz

ÄPR.16.2015 15:32:33

Рис. 5. Изменение СБР при нагреве участка ОВ-DSF

На рис. 6 представлена соответствующая мультирефлектограмма, а на рис. 7 - картина изменения натяжения в ОВ.

| Brillouln Sреиt tmiiL |

jRange

ip . w.

iave .

?lcjn lOns

JL3 Res .

IFre quency j Start: lO . 3006Hz Ifcop : 11.280GHz

33/5 О ?омн7

ÄPE.16,2015 15:27:26

Рис. 6. Мульти-рефлектограмма при нагреве участка ОВ-DSF

Vb(O)

О . 5 15 3 %

Maikei 1 2

О.ООО S1 km О . i 251 % (AVE) - О . 2185 % (МЛХ) О . 0364 % с М I II 5 -0.7112 *yi>

М,« i kt.-i 3— 4

О.ООЗЭ8 km О.0204 % (AVE) -0.5224 % <МАЖ>-0.5044 % (MIH) -О. 5802 %

(ÄVE ) СНАХ) CMIH)

Ю - 5SV5GH:

APR.16,2015 15:31:04

Рис. 7. Картина распределения натяжения при нагреве ОВ-DSF

Как и у обычного ОВ, наблюдается очевидное смещение СБР и, как следствие, изменение натяжения.

На рис. 8 показана картина распределения СБР в световоде при охлаждении участка ОВ-DSF до -10 °С.

охлажденный I

участокг .

I участок I DSF Y при 25°С Y

¡Distance : | О . 9 5139 Ïcjwl j jFrequency: |lO ■ 4QOGHz ]

Г2: 11. 0406H:

[Lang P .W. Ave .

2km lOns Л13 Frequency

Start:10.300GHz j S t:op : 11. 28QGHz

: X. 468Ю

Saiirole : 38/ 5 0

Sweep

APR . 17 , 201-5 14

Рис. 8. Изменение СБР при охлаждении участка ОВ-DSF

На рис. 9 представлена соответствующая картина изменения натяжения при охлаждении участка ОВ-DSF.

В итоге при изменении температуры от -10 °С до 250 °С частота максимума СБР сместилась с 10.4 ГГц на 10.7 ГГц (наблюдалась линейная зависимость), при этом натяжение изменилось от -0.8 % до -0.3 % (также наблюдалась линейная зависимость).

участок при 25°С

. 95 221 km

Distance : Г^ _________

vb(O) : |ХО . 85 496Hz

Strain:

-О.7997 % 4 . 78 j

Marker 1 2

0.00255 km О.0192 % (AVE} -0.0519 (MAX) -0.0303 % CMISO -0.0602 %

Marker 3-4

О . ООЗбв km 0.0653 % (AVE ) — О . 7 842 (MAX > - О . 7 2JLO % (MID) -0.809S %

Marker 5-6

О.00643 km 0.0039 % (AVE) -O. 7117 (MAX) — О . 6944 % (MIH) -0.7266 ЧЛ*

J1J . 4399GHz

Рис. 9. Картина распределения натяжения при охлаждении ОВ-DSF

На рис. 10 показана картина распределения СБР при наличии продольной растягиваю щей силы 2 Н (гиря в 200 г) в ОВ-DSF.

л -w- t »' ь fj.

О ОЙЙЛЛ L ...

Frequency: ilO . 4806Hz ~j

Fl: F" S* :

1 1 .

Hange P . W.

r n i ■

ПллнiЫ

Rpk . г О ri От

2kj» lOns

_____ . 2A14 _____ _________

Fr e quency

Start:10.300GHz Sample: SO/SO

Stop : 11. 280GHz Sweep : 2№fflz

aPR.14.2015 13:33:07

Рис. 10. Изменение СБР при натяжении участка ОВ-DSF

На рис. 11 представлена соответствующая мульти-рефлектограмма, а на рис. 12 - картина изменения натяжения в ОВ.

Strain

Range: 2km IOR : ¡1. 468Ю|

P.W. : lOns

Ave . : 2 J1 Res . : О . 5 От

Fr e quency Start: lO . 300GHz S ample : SO/5О

Stop : 11. 280GHz Sweep : 2 0MHz

185 . 1 Milz ----------------

...... .

-

5 - О dB/

достижения

Brillouin Spectrum |

5 . О j dB/

стык

jbist aiice : [ jF'requency: |

0.96640 km iDiBtance S с ale: I О. Ol lern/

Frequency Scale: Il96 MHz^

IOR : |l- 4681Q|

Range: 2km P.W. : lOns üve. : 2A14 Res. : 0.50m

Fr e quency

Start: lO.300GHz Sample: so/so Stop : 11.280SHz Sweep : 2 0MHz

185 . 1 МП у.

APR. 14,2015 13

Рис. 11. Мульти-рефлектограмма при растяжении ОВ-DSF

Ш

|worm[

i?

ОВ1

стык

<3>

ОВ-DSF

место . . »астяжения

О.93832 km

bist |vbCO>

О.96640 km

: llO . 854№Hz

Stri s . С

i: -О . 7164 % : I 4.781

2km 1 Otis

_. . 2^14 squency Start:10.300GHZ S t op : 11.280GHz

S ample Swuep

"гстЫКЖ"

: О . 5 От

5 0/50 20MHz

Marker 3—4

О . О О35 7 km О.7141 % (AVE) -О. 3529 % (мах) о.оооо % (HIH) -0.7 203 %

APR .14. VO I .4 1Я: 94 ■ ОГЧ

с. 12. Картина распределения натяжения при растяжении ОВ-DSF

Существенное падение уровня сигнала за местом растяжения ОВ в данном случае связано с появлением микроизгибов и поперечных сдавливаний в месте крепления гирь.

Таким образом, и в ОВ со смещенной дисперсией БОИР обнаружил проблемные участки, но при обработке результатов измерений необходимо учитывать специфику нелинейных эффектов в ОВ-DSF.

Степень натяжения ОВ по «стандартной» методике [5] определяется следующими формулами, использующими полученную зависимость СБР /b(s£):

_ ft^jf) z) _ f(z)

fs(0)• Cf • sw f„(0)• Cf •

где s£(z) - зависимость натяжения ОВ (strain) от продольной координаты z вдоль ОВ; Ass(z) -изменение натяжения ОВ относительно начального значения; f(se, z) - зависимость смещения частоты от натяжения и координаты z; /¿(0) - начальное значение /¿; Cf = 493 МГц/°С; AfAz) - изменение /б от координаты z вдоль ОВ [5].

Изменение натяжения обнаруживается, однако «планка» ненатяженного уровня у ОВ-DSF оказывается смещенной вниз примерно на 0.8 % [8].

Анализ показал, что для правильной трактовки результатов измерений необходимо проводить корректировку при обработке результатов измерений [2, 8].

Например, можно снять рефлектограмму ОВ-DSF, находящегося в заведомо механически ненапряженном состоянии при комнатной температуре, установить начальный уровень ОВ-DSF и только после этого сравнивать рефлектограммы исследуемых ОВ с «эталонной».

Кроме того, проведенный анализ заставил усомниться в правильности оценки максимума СБР по первому максимуму [8].

Анализ изменения вводимой в ОВ мощности зондирующего сигнала в допустимых в БОИР пределах (есть три градации: нормальный уровень ("NORM"), повышенный ("HIGH") и пониженный ("LOW" - 25 дБм)) не выявил существенных изменений рефлектограмм. Лишь можно отметить, что при пониженном уровне вводимой мощности рефлектограммы становились более «зашумленными».

5. Заключение

Полученные результаты подтвердили возможность обнаружения механически напряженных участков и оценки степени натяжения ОВ на основании анализа СБР при различных растягивающих нагрузках.

Однако были выявлены проблемы, связанные с некорректной трактовкой полученных результатов. Оказалось, что общепринятый метод обработки результатов измерений в ОВ-DSF приводит к смещению начального уровня натяжения в область отрицательных значений.

Взаимное проникновение друг в друга СБР волокон различных типов в месте стыка может привести к существенным искажениям результатов оценки натяжения ОВ.

Для разрешения полученных противоречий необходимы дополнительные исследования.

Литература

1. Богачков И. В., Горлов Н. И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. 192 с.

2. Богачков И. В., Горлов Н. И. Проектирование, строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий передачи: учеб. пособие: в 5 ч. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013 - 2015.

3. Bogachkov I. V., Ovchinnikov S. V., Maistrenko V. A. Applying of Brillouin Scattering Spectrum Analysis for Detection of Distributed Irregularities in Optic Fibers and Estimation of Irregularities Parameters // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2013. Proceedings. Krasnoyarsk: Siberian Federal University.

4. Богачков И. В., Овчинников С. В., Майстренко В. А. Применение анализа бриллюэнов-ского рассеяния для обнаружения распределенных нерегулярностей в оптических волокнах и оценки их характеристик // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2013. Proceedings. Krasnoyarsk: Siberian Federal University.

5. AQ 8603. Optical fiber strain analyzer. Instruction manual AS-62577. Japan, Ando Electric Co Ltd, 2001. 190 p.

6. Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах со смещённой дисперсией // Тр. XII-ой междунар. конф. IEEE АПЭП, Новосибирск. Т. 3. 2014. С. 80-85.

7. Bogachkov I. V., Gorlov N. I. Experimental Examination of the Brillouin Backscattering Spectrum in Dispersion-Shifted Optical Fibers // IEEE 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. 2014. V. 1. P. 195-200.

8. Богачков И. В. Проблемы анализа спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах со смещённой дисперсией // Сборник трудов Междунар. науч.-техн. конф. «Син-хроинфо-2015», СПб, 29-30 июня 2015 г. М.: Медиа Паблишер, 2015. С. 65-68.

Статья поступила в редакцию 19.04.2016; переработанный вариант - 06.05.2016

Богачков Игорь Викторович

к.т.н., доцент, доцент кафедры средств связи и информационной безопасности Омского государственного технического университета, член IEEE, e-mail: bogachkov@mail. ru.

Горлов Николай Ильич

д.т.н., профессор, заведующий кафедрой линий связи Сибирского государственного университета телекоммуникации и информатики, действительный член Метрологической академии, e-mail: gorlovnik@yandex.ru.

Experimental investigation of the Brillouin backscatter spectrum in dispersion-shifted optical fibers

I. V. Bogachkov, N. I. Gorlov

The results of experimental investigation of the Brillouin backscatter spectrum in dispersion-shifted optical fibers are presented in this paper.

Keywords: the Brillouin reflectometry, early diagnostics, a reflectometer, optical fiber, shifted dispersion.