CC BY
15
УДК 671 Т/7 К 671 496- 67.1 Я ^
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ СПЕКТРА БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
И. В. Бшачиоь
Омскийгосударстжнн1хш1\ехническ11Г1ушырсю№т^ с. Омск. Г ос спя
.Ьтотацгт В работе приведены результаты экспериментальных исследовании влияния температуры па характеристики спектра брнллюзиооского рассеяния и натяжепне одпомодовых оптических воло киы рнмичныл. в паи в. Привишы {«ф^укшф^ммы и I р лфичеикшг мкисамисш а.1И слеашщих р:ъни-япдностеп оптпчеекпт волокон: (т.6?2, (т.655, Ст.657, — пп.-п-ч«>нныр при нгпрриирнтллкных пгглр-
дтлшят.
В результате анализа спектра бриллюзновского рассеяния были построены температурные зависимости для различных видов оптических волоконЛля всех видов волокон, рассмотренных в работе, наблюдалась линейная зависимость бриллюзновского частотного сдвига и соответствующих температурных \Лр:<К1 урне! ик нимжшим.
Анллпз рртгльтдтпв экспериментов покячлл, что темпер.трные злвпсттгтп прпллюжппского смешения частоты п натяжения для волокон со смешённой дисперсией (0.653) н ненулевой смешённой дпе-порсисп (С.6551 существенно смешены вниз относительно зависимостей для обычных волокон (С.652). Характеристики волокон С.б57нС.б52 различаются незначительно.
ключгеыг' слова: г.рпллючнпвскля рефлектометр и я, орпллтотопвскор рлегеянпе, оптоволокно, цтгпер-
сия. ранняя диагностика.
t Rrf.tfhttf
Важной задачей мониторинга н ранней диагностики волоксино-эптнчсеккх линий связи (ВОЛС) является получение достоверной информации о физическом еостоянии оптических волокон (ОВ), находящихся в проложенных оптических кабелях ((JK) U-4J-
Темпеэатурные изменения в ОВ могут сигнализировать о псязленнн «проблемного» участка на трассе прокладки ВОЛС
Например, повышение температуры участка ВОЛС может наблюдаться при прорыве теплотрассы в месте прсктгдкп ОК. а в зимнее время может наблюдаться понижение температуры участка ВОЛС при появления трсонн в почве или иных разрушений на трассе прокладки ОК.
СЪоеоремеипое обнаружение такого участка позволяет принял, необходимые меры по устранению аварии до разрешения ВОЛС.
Обычные оптические импульсные рефлектометры не в состоянии своевременно определить опасные изменения натяжения п температуры ОВ Для решения этих задач необходимо применять метод брнллюэноэскон
ргфлГЖТПМГГрИН
П. Теория
Для определения натяжения и температуры ОВ весьма эффективным является метод брнллюэновской рс-флекгометрин. В его основу положен анализ спектра вынужденного рассеяния Мандельштама - Брнллюэна (дл.тгг Т>Р — Гцэиллюдкпвс.кос рлг-ежннг-) F ОП [?-<)] Сттгктрллъныг кошюнпгпл Т»Р гягтл и ОП облядлют ТГМ важным для практических применений свойством, что их частота смсшснп на величину, пропорциональную степени натяжения и температуре волокна [2, б].
Т>Р ттрияодн- к обрллоклнто обратной кштттьт f ОТ1 Зондируя ОП *орггпснми импутткглми и гглнируя иогу-аую ластогу эпд импульсов, можно найти распределение спектра брпллюэпосского рассеяния (СБР) вдоль ОВ. Аиали*ирух шшдешк максимумов СБР в ОВ. моляо определиiь харак1ерис1икк шма^гних ОВ
L^ Ь].
Связь бршшооповского смещения частоты (A/J,) стемиературой [Io) ОВ хара1сгер1гзуегся липешюн зависимо лью [5-8]:
АГ, (f) - fu = с; ■ {f-t,),
где Cf - козффиинент линеаризации. завис .шин отдлины волны и модуля Юнга, /в О'") - частота максимума СБР, /с - начальная температура (папример, типичная комнатная температура). f£C ~ h С1«)-
Поскольку ошичеезле волокна ршшчных видок могух импь сущссиюнные различит в .юведенш длраккг-рнстнк СБР н натяжения [б 10]. представляет особый кнтсрес неслсдоЕаннс этих характеристик при изменениях температуры.
Ш. Постановка ¿ддлш
С utr.itüj ушчнения мидег.лги и изучения оиобенкоилгй игмнгра1урнк_х. шнсимискБ БР в ОВ с различными зоконамн поведения днеперенн были проведены экспериментальные исследования с BOTDR. -Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджнкура».
IV. ПИУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Для экспериментальных исследований световод был составлен из ОВ нормализующей катушки OBI (G.652, длина 144 м). соеднненкогс сваркой с ОВ2 - N¿L)S1 ((J.6S /. длина 6 м). которое, в свою очередь, соединено с ОВЗ (ОВ G.657 диаметром 200 мкм с уменьшенной толщиной зашитэон оболочки, длина 7 м) Места стыков
Г)В (с.кирных ГПГДИНГНИЙ) НИ рис 1 — 8 оПоЧНИЧГНЫ СПЛОШНЫМИ [-qk*JIMMH
Для более замсгного выделения эффектов изменения температ^-ры только петли волокон в области стыков ¡1 м ОВ 1,3 м ОВ2иЗ м ОВЗ) помешались в камеру нагрева и. затем, охлаждения.
Сами стыки волокон«1-2« н «2-3>.оставались вне камеры нагрева при комнатной температуре (-25 °С).
На рис. I представлена картина СЫ1 (Зи-рефлектогрсмма функиня рас пределе ння интенсивностн отраженного сигнала по длнпе ссетовода и оршкиоэповского сдвига частоты (f¿¡) при нагреое участков до -50 °С.
«Полоса1клли» ciptr.iKdMH на рис. 1—8огмечсны участи, иомпиённые в камеру игиреьа. Профл-н СБР ОН/яОК^нп яятастых учяпгях птмгясян лттпяхпкымк лнннтчт
I о о
<«в/
кговн
МАХ.12,201О 12.41.17
конец
овз
Швгаисс: 0.14477 ю»
Гг<крюпсу ■ ю.вюснз Пл1у|п : ТЬт ГОР. ; 1
Р . Ы. ! 11№я А V . • У'14 Пая ; CJ.tJ.Sm
Г*? ефюпоу
ДО.бОООНк !лтр1о: а в/50 5*©р : 11.090СКг Зчле<?|> ; 10ннт
Смешение СВР на нагретых участках
3 Ьор га
.еоовне
: 11. 090вИг
РнГ 1 КлрТИНЛ Г"ТР К ОКГТОТЮТХ пак нлгрспг учлеткок до 1 90 с0
Как ни дно их рж 1 клршнл СЕР на н-ирпыч учлггклх ичмгни.1гнь — макс имум ОБР гмппкл?! по пс.и частот в сторону тееличення частоты (Р2).
Н;1 ]>ИС 9 И]К"ДГ1ИК.1ГН«1 картина ОБР 1ГХ жеуншмш ОБ?, и ОВЗири ИХ ОХ- 1а АДСНии д«»-10 лГ (0В1 и кимгдо охлаждения не помещалось. Графики при охлаждении ОВ С.652 можно увидеть в работах 81).
200.0000 МНх/
_ гг
0.1 кш
СБР на
участках
пжи
31иг1; 10. 440<жНъ ХЪпр : 11 . 4?0вНт. лдагр ; 2 ОНИ г
Рис. 2. Картина СБР в световоде при охлаждении участков ОВ2 и ОВЗ до -10 СС
Из ркс. 2 видно, что максимум СБР на охлажденных участках сместился по оси частот в сторону уменьшения ЧАСТОТЫ •:>]).
На рис Зи 4ирнл-дены шшшш'иующие распределений СБР на рис. 1 м2м}лыирефиехилраммы
(зависимости по длине световода пахяжепня ($Ьгаш), СБР. ширины СБР (В.ЬЛУ) и потерь (Ьозз)).
На ]п[шгк11)1]иииик корпию «мпнм харак1г]жкг ичугнгнин на учап ках ггмнгрлгура к о горы к н.чмгнгьа
O. 1
Slra 1
jy
------ . ,.....II1
■: • V ■ \ - i | 5 . 0 fiK/
1
| Bxilloiü.ii Spcctriim |
100 . o
IDIz/
-y— - • ■ - - ■
. "lbb.jnnz
10.817b(iH7
07.E2D4D
x. o flH/
Loe« |
rsr^rr.'rs::: 11
-•hc. M^Tn>TKpc^)acKTorp£iMMa cBC703cja npH HarpeBe vtíictkcb 3.0 +^0 UC
| PrillQxiin Jpoctrum |
m .73R70H, □C.693HD
5.0
ClB/
171 .r.MHr.
B S. Width
1. O clD /
Z.OCB |
' * Y 1_
I'hc. 4. nhtibihp^.icktoqpoíimu cbct©3caa npH oxnaaachhh v^acrkob 0B2 h OB3jo 1U UC
9C/J
OBÍ
OB2
xf'.
OB2 ^ y
OBJ
ft.13671 Un
O 0025 5 IW
rt 16210 lo
Di stanco 1 vto<OJ
O 1465 2 Ion 10.8COOCHB
Strain- -O. 09D3 9í e.C • 4 . £>q
Marker 1"/
O.OOllZ Km O.OliO Y» <AVI:> O.OM4 % (ilax) 0.0750 % (Mili) O.O10O %
Harksr 3-4
0.00714 Km O.OIOI % {AVE} O.OCIOO % (IlAX) 0.0700 >b (MIH) -0.097 3 M,
MarXor S-Ci
0.003J2 Km O . 0127 % (AVE) O . DIO4 V« <I(AX) 0.3004 •>•„ (Mili) -O . 3163 «H,
MAT.15,5016 125 30:43
Pm 5 3;ikh«'mmik ik hhihmrhmikiiikimw iijim hüi]>r*r )h»nuih ,;k» +90 T
lia рис. Ь и рис. 6 лр he едены соответсгвуюпгае картинам распределений СЬР на рис. 1 нрнс. ¿развернутые рефлектограммы натяжения (Strain) вдоль световода.
Disluiue . 0.13 2-4« Хлк
vbiu) :xo.a«oounz
Marker К-2 Merkec Э-l
u.uujuu Km u.uu¿4) xn
■ ■ i>iii*i ч^. П i au su trê
C»vp) -о пуул c»w) -о «m %
(шх> -O.OISB (MU} -0.2066 к
(MU) -0.026V <к, (MIIIJ -О. 24ЭО %
3li.alu. О • SOS4 % s.и : û.90
Marker 3-4
U.UUJOU KJIl a . tí i j i a у.
(AVT) -o wn v.
(MAX) -О.КОЭ6 K. (ШЖ) -O. 5293 к
MA<.1Z,201<¡ U.40. ,L<¡
Рнс 6. Зависимость патяжепняволокоп при охлаждении участков 0В2 п ОВЗ до -10 ^С
Характершле измепешея з рефлектограммах (стьпш волокон, участки с измененной температурой) отмечены
СфГЛКНМИ (ЧКПКГП1-ГВуКШ(|ИХ НИ.'ЮК
Во втором эксперименте световод Ьыл составлен из ОВ нормализующей катушки OBI (Ст.6Ь2. длине 144 м). соединенного сваркой с ОВ2 (G.655 - NZDSF - ОВ с ненулевой смешенной дисперсией - nor. zero ciçperïion-3Íuitec single moco liber, длина! 1 м), которое, в свою очередь, соединено с ОВЗ (G.657. дтнна 5 м).
Полученная в этом эксперименте картина СБР по длине световода представленана рис. 7. Профиль СБР NZDSF на нагретом участке отмечен лггрнховымн линиями.
но rm
на нагретых участках Рис. 7. СБР (/о) для различных видов ОВ
Для более заметного выделения эффектов изменения температуры только петли волокон в области стыков У м ОВ1.'Л5 м ОВ2 NZDSIhJ м ОВЛ помешались в камеру нагрева н. загем. охлаждения. Сами стыки волокон«!^» н «2-3»оставались вне камеры нагрева прн комнатной температуре (+25 °Q.
Места стыков ОВ (сварных соединений) на рис. 7 н 8о6озкачены сплошными стрелками. Изменения ре-флектеграмм па нагретых участках (помещё1пше в камеру пагрева) огмечехлл ¡«полосатыми» стрелками.
На рис. 8 приведена развернутая рефлектограмма натяжения вдоль световода, соответствующая каршне рИ<-.1|рГЦГ.1ГНИЙ СБР, I юкихинной ни рис 7
О. 1
# @«)1И
Hi II \ k (;тыкСЛЯН)Н2 : ißL 1 NZDSF 1 >.У in ii I .. .1... 1Ц.ОВ2 . СтьшОВ2-ОВЗ: . . | VHM NZDSF 1 1
О 1Э702 кл»
0.0023 5 kW
О. 1625 О kin
Distance: О.14749 km vb(O) ! 10.8600CHz
1-2 Ii mi I r a Irin О.0322 % f ft VE ) О.0808 % СМЛХ> О. 0015 'К, СМГИ) О. 0549 уп
Strain:
S.C :
0.2960 % 4 . ОО
178.»ИНв
IO.7031СНг ОЯ .-ITJrtB
Mailvci. 3 4
II IIIIKHK U-тп 0.0060 % CAVE) -О.2987 % (МАХ) -О.2020 % Ш1») 0.3064 %
Ma L kc x 5 <»
II llll I *> -C km
0 . 05 <5 б %
CAVE) 0.0586 %
(MAX) 0.075 0 %
:мгн) о.oii3 %
MA* . 12 , 2016 15 I -121 5 2 Рис 8. Згвисимость катяженняволокои(0 652- G.655(NZDSF)-G.657) при нагреве участков до +90 °С
Профиль СБР NZDSr. как внднс из рас. 7 к рис. 8. hmcci 3 максимума, однако, з отличие от профилен 0D со смещенной дисперсией (DSF - disperiion-shifred single mode fiber), представленных в [5, 8, 10], первый •<горб» ясно преобладает па фоне второго и третьего.
Тики« 1|1ц>ИШМ П]1И ИЧУГНГНИИ irMlirjUiiypKI (Т|—10 °Ol«>+90 (IlJHJIIIKHHIIKCKUr С'.МПЦГНИГ ЧЖТНГГМ (/}1) для
OB-G.652 измелилось от 10.8 ГГц до 10S ГГц, для NZDSF - oi 10.6 ГГц до 10.7 ГГц, а для OB-G.657 - от 10.75 ГГц до 10.85 Пл.
Соответствующие изменения натяжения дтя OB-G.652 составили oi -0.02%до 0.10%, для NZDSF — от -OA 1%до-0 29%, а дтя OB-G.65 7 - ог-0.23%до-0.08%
D результате анализа спектра орнллюэновского рассеяния были построены температурные зависимости для различных видов оптических волокон G.652, G.653, G.655. G.657.
На рис. 9 приведены температурные зависимости смещения максимума СБР (fH) для различных видов ОВ Рис. 9. Температурные зависимости смещения СЕР Ов) для различных видов 0D И.
10.
ю-
h> IJ u (шах СБР)
Oß 1 (G.652 1 Z'l S** G.652 D
v r>-< ..." 'NZDSF fG.655
< -Ä-^SF (G .6'i)
Температура ОН» °c
-25 0 25 5С 75 100 125 150 175 200 225 250 Кроме зависимостей, полученных в экспериментах, рассмотренных в этой работе, для сравнения приведены также графики для других видов OB, полученных в более ранних экспериментах [7 — 10]
Для всех видов волокон, рассмотренных в работе, наблюдалась линейная зависимость bpi mm ооновского ча стотиого сдвига и соответствующих характеристик натяжения
На рис. 10 приведены соответствующие температурные зависимости натяжения OB
Натяжение, __H-:
Ol» 1 * ti.ft
>2 U
. . f ' '
■
_~ ■ Ш • » • — ....... TNZ nsr <G. f>?5)
Ш ' ' TISFT
1Ш ***
1емнсра тура он,
-25 О 23 Sil 7i LOCI 125 ISO 17S 201I 225
Рис. 10 Температурные зависимости натяжения для различных видов OB
Как следует из экспериментов [8, 10]. натяжение NZDSF имеет меньшее смещение СБР в сторону меньших частот н меньшее смещение натяжения в отрицательную область, по сравнению с DSF.
Характеристикн0В-0.б57и0В-0.б520тлнчаются незначительно н проходят выше характеристикNZDSF.
V. Выводы И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты подтвердили возможность обнаружения участков с измененной температурой OB на основании анализа СБР в нём.
В результате анализа спектра брнллюэновского рассеяния оыли построены температурные зависимости для различных видов оптических волокон: G.652, G.653. G.655, G.657.
Для всех видов волокон, рассмотренных в работе, наблюдалась линейная зависимость брнхлюэновского частотного сдвига и соответствующих характеристик натяжения
Оказалось, что NZDSF по характеристикам СБР и натяжения занимает промежуточное положение между обычными OB (G 652) и DSF (G.653).
При обычной методике анализа для NZDSF получается отрицательное натяжение, хотя н существенно меньшее, чем для DSF (G.653) (на 0.4%).
Характеристики G.657 отличаются от характеристик G.652 незначительно н проходят выше характеристик NZDSF.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Листвин А. В.. Листвнн В. Н.. Швырков Д. В. Оптические волокна для линий связи. М.: ЛЕСАРарт. 2003.288 с.
2. Листвин А. В.. Лнствнн В. Н. Рефлектомегрня оптических волокон связи.М.: ЛЕСАРарт, 2005. 20S с.
3. Агравал Г Применение нелинейной оптики СПб : Лань. 2011. 592 с.
4. Palchun Y. A., Sitnov N. Y.. Gorlov N. I. Monitoring and Methods of Early Diagnostics ofDamage to Optical Fibers /■ Measurement Techniques. 2010. Vol. 53. no. 5. P. 495-501.
5. AQ 8603. Optical fiber strain analyzer Instruction manual AS-62577. Japan, Ando Electric Co Ltd, 2001 190 p.
6. Bogachkov I. V. Experimental Researches of the Temperature Influence on Brilloiun Backscattering Spectrum and Strain Characteristics of Optical Fibers it EEEE 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. 2014. V. 1. P. 190-194.
7. Bogachkov I. V.. Maystrenko V. A. Experimental examinations of changes influence of the Brillouin backscattering spectrum in optical fibers on their characteristics //Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines. Dynamics 2014 - Proceedings.2014. P 1-10.
8. Bogachkov I. V. Researching of features of the Brillouin Backscattering Spectrum in Dispersion-Shifted Optical Fibers //International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2016. M., 2016. P. 1-6.
9. Belal M.. Newson Т. P Experimental Examination of the Variation of the Spontaneous Bnllonin Power and Frequency Coefficients Under the Combined Influence of Temperature and Strain// Journal of Lightwave Technology. 2012. Vol. 30, no. 8 P 1250-1255.
10. BOTDR Measurement Techniques and Bnllouin Backscatter Characteristics of Coming Single-Mode Optical Fibers. URL: http: //www.cominq. com/media ■' worldwide/coc/documents/Fiber/KC-%2 0 White%2 OPapers -ЛУР-GeneralWP4259 01-15.pdf
