CC BY
13
УДК 621.391.63:681.7.068
И.В. Богачков, I.V. Bogachkov Member IEEE, e-mail: bogachkov@mail.ru, В.А. Майстренко, V.A. Maystrenko Seniour Member IEEE, e-mail: mva@omgtu.ru Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ИЗМЕНЕНИЙ СПЕКТРА БРИЛЛЮЭНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ НА ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ
EXPERIMENTAL EXAMINATION OF CHANGES INFLUENCE OF THE BRILLOUIN BACKSCATTERING SPECTRUM IN OPTICAL FIBERS ON THEIR CHARACTERISTICS
Приводятся результаты экспериментальных исследований характеристик натяжения в оптических волокнах и их температурных зависимостей на основе анализа спектра бриллюэновского рассеяния.
The results of experimental examination of the strain characteristics of optical fibers and their temperature influence based on Brillouin backscattering spectrum analysis are given in this paper.
Ключевые слова: бриллюэновская рефлектометрия, ранняя диагностика, рефлектометр, оптоволокно
Keywords.a Brillouin reflectometry, early diagnostics, a reflectometer, an optical fiber.
Для оценки надежности ВОЛС необходимо иметь достоверную информаци. о натяжении оптического волокна (ОВ) в оптическом кабеле (ОК).
Обычные оптические импульсные рефлектометры не в состоянии определить натяжение ОВ, поскольку величина оптических потерь при возникновении напряжений в ОВ обычно остается в пределах нормы вплоть до момента наступления необратимых изменений в ОВ.
Одним из эффективных методов определения степени натяжения ОВ является метод бриллю-эновской рефлектометрии, в основанный на анализе спектра вынужденного рассеяния Мандельшта-ма-Бриллюэна (СБР) в ОВ [1].
БР приводит к образованию обратной волны в ОВ, поэтому, зондируя ОВ короткими импульсами и сканируя несущую частоту этих импульсов, можно найти распределение вдоль ОВ СБР.
Бриллюэновский сдвиг частоты /б пропорционален скорости звука и зависит от натяжения ОВ, подобно тому, как натяжение струны меняет ее тон. Поэтому, измерив распределение величины /б вдоль ОВ, можно понять картину распределения напряжений в нем. Обычно /б сдвинута на ±11 ГГц в диапазоне 1,55 мкм [1].
Для решения этой задачи применяются бриллюэновские оптические импульсные рефлектометры (БОИР- Brillouin OTDR), которые измеряют оптические свойства ОВ и на их основе позволяют прогнозировать обрыв ОВ. Бриллюэновское рассеяние (БР) отличается от рэлеевского тем, что вызывающие его неоднородности подвижны [1 - 3].
С целью уточнения моделей, рассмотренных в [1 - 3], были проведены экспериментальные исследования с БОИР «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».
На рисунке 1 представлена трехмерная (3D-) рефлектограмма, на которой видно распределение СБР по длине световода.
В первом эксперименте световод был составлен из ОВ нормализующей катушки (1) (длина 1,73 км), сваренного с другим ОВ (3) (длина 3 км). Место сварки обозначено стрелкой 2, максимум СБР - стрелкой 4. Оба ОВ являются одномодовыми. На расстоянии 2 м от места сварки на ОВ1 было сформировано место, на которое подвешивались гири от 20 г до 500 г.
Катушки были расположены так, чтобы растягивающая сила действовала на ОВ1 только в продольном направлении.
FEB . 11, 2014 09 : Об : 5 i
Рис. 1. Картина СБР в световоде без продольной нагрузки
Анализ СБР [1 - 3] при известном показателе преломления сердечника позволяет определить натяжение на различных участках световода.
На рис. 1 представлена картина СБР в световоде (3Б-рефлектограмма - функция распределения амплитуды отраженного сигнала по длине световода и бриллюэновского сдвига частоты) при отсутствии растягивающего усилия.
На рис. 2 представлена картина СБР при воздействии силы в 2 Н (гиря в 200 г). Как видно из рис. 2, наблюдаются небольшие изменения СБР.
Рис. 2. Картина СБР в световоде при продольной нагрузке в 200 г (2 Н)
¡Baclc-Sca - ^Р <PjLst . >
St,..! z Ю . 7 5 0GHz San^iJLe : 26/30 j Stop : I 1 - 040GHz Sweep : 3_Q№Iz
FEB . 1 1 , 2014 12 = 3-5 : 27
Рис. 3. Картина СБР в световоде при продольной нагрузке в 400 г (4)
При увеличении нагрузки до 4 Н (400 г) изменения СБР проявляются в месте растяжения сильнее, что показано на рис. 3.
В других экспериментах были рассмотрены влияния на СБР ОВ поперечных воздействий и температурных изменений. Кроме того, были проведены эксперименты с ОВ со смещённой дисперсией (DSF - dispersion-shifted single mode fiber).
На рис. 4 и рис. 5 представлены температурные зависимости, построенные на основании анализа данных эксперимента, - максимума СБР и степени натяжения соответственно
f, ГГц (max СБР)
11,0
10,95 10,9 10,85 10,8
20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Рис. 4. График температурной зависимости максимума СБР
Натяжение ОВ, % (104 цв)
0,30 0,20
0,10 0
* -
p.?-- 5
m ** > ■р» y
«• * 11 (ifto? -v- » У-- -X -X
.X
. ■*
20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Рис. 5. График температурной зависимости натяжения ОВ в области места нагрева
На рисунке 6 представлена трехмерная (3D-) рефлектограмма, на которой видно распределение СБР по длине световода. В данном случае световод составлен из ОВ 1 нормализующей катушки (длина 1,73 км), сваренного с ОВ 2 со смещённой дисперсией (DSF) длиной 2 км.
ГЕВ.12,2014 11:28:01
Рис. 6. Картина СБР в месте сварки ОВ1 и ОВ2 (со смещённой дисперсией)
Место сварки хорошо заметно по резкому изменению распределения СБР. Таким образом, анализ СБР позволяет эффективно обнаруживать изменение натяжения (модуля Юнга) и температуры в ОВ.
Библиографический список
1. Богачков, И. В. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография / И. В. Богачков, Н. И. Горлов. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. - 192 с.
2. Применение численных методов анализа бриллюэновского рассеяния для оценки распределенных нерегулярностей в ВОЛС / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов, Н. Ю. Ситнов // Телекоммуникации. - 2014. №2.
3. Applying of Brillouin Scattering Spectrum Analysis for Detection of Distributed Irregularities in Optic Fibers and Estimation of Irregularities Parameters / I. V. Bogachkov, S. V. Ovchinnikov , V. A. Maistrenko // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) Proceedings. -Krasnoyarsk, 2013.
4. Accuracy Enhancement of Distributed Irregularities Estimation in Optical Fiber / I. V. Bogachkov, S. V. Ovchinnikov, N. I. Gorlov // IEEE 2012 11th International Conference on APEIE Proceedings.- v. 1, pp. 60 - 62.
