CC BY
32
ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА - БРИЛЛЮЭНА В СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ОДНОМОДОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ
И. В. Богачков
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-04-10
Аннотация - В работе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в специализированных одномодовых оптических волокнах, таких как оптическое волокно, легированное эрбием, и оптическое волокно «Panda», сохраняющее состояние поляризации. Полученные результаты экспериментов выявили существенные отличия поведения спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в указанных специализированных оптических волокнах по сравнению с волокнами других типов. Приведены рефлектограммы, полученные в экспериментах. Представлены графические зависимости бриллюэновского сдвига частоты и натяжения оптических волокон при различных температурах.
Ключевые слова: оптическое волокно, легированное эрбием; оптическое волокно «Panda», натяжение; бриллюэновский сдвиг частоты4 бриллюэновский рефлектометр.
I. Введение
Оптическое волокно (ОВ), легированное эрбием определенной концентрации (EDF - erbium-doped fiber), применяется для построения эрбиевых оптических усилителей, которые в настоящее время получили широкое распространение в волоконно-оптических системах передачи, особенно при использовании волнового разделение каналов (WDM, DWDM и т. п.).
ОВ, сохраняющее состояние поляризации вводимого излучения, нашло применение в случаях, когда необходим контроль состояния поляризации, например, в волоконных гироскопах и интерферометрических датчиках. Одной из разновидностей волокон с сохранением состояния поляризации является оптоволокно «Panda», которое сохраняет состояние поляризации распространяющегося в нём излучения за счет явления существенного двулучепреломления [1, 2].
Для оценки надёжности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) необходимо иметь достоверную информацию о физическом состоянии ОВ в проложенных оптических кабелях. Долговечность ОВ зависит от степени его натяжения и температуры [3, 4].
Обычные оптические импульсные рефлектометры (OTDR) не в состоянии определить участки ОВ, имеющие опасное механическое натяжение или изменённую температуру [3].
Для обнаружения механически напряженных участков ВОЛС (натяжения ОВ) или участков с изменённой температурой применяются бриллюэновские оптические импульсные рефлектометры (BOTDR - Brillouin optical time-domain reflectometer) [3, 4].
Представляет интерес изучение оптических свойств волокон этих разновидностей (EDF и «Panda») с помощью BOTDR при повышенной мощности вводимого излучения, а также при различных температурах и воздействиях.
II. Теория
При введении в EDF излучения накачки от лазера повышенной мощности множество граничных электронов эрбия переходят от базового состояния на высокий энергетический уровень, создавая активную среду для усиления. Наиболее распространёнными являются длины волн накачки 0.98 мкм и 1.48 мкм.
При прохождении оптического сигнала с длиной волны 1.55 мкм (или с длинами волн, находящимися в диапазоне 1.52 ... 1.62 мкм), поэтому EDF частицы из метастабильного состояния возвращаются на базовый уровень, что приводит к образованию фотонов, идентичных фотонам света сигнала. Это и приводит в итоге к усилению оптического сигнала.
В ОВ «Panda» эффект двулучепреломления получается за счёт анизотропии напряжений, обусловленной структурой ОВ, в заготовку которого при производстве вводятся цилиндрические нагружающие элементы из боросиликатного или германосиликатного стекол с двух сторон симметрично от сердцевины вдоль длины ОВ. На рис. 1 показано поперечное сечение ОВ исследуемой разновидности ОВ «Panda».
Диаметр оболочки ОВ составляет 80.5 мкм, диаметр сердцевины - 6.4 мкм, диаметр стержня - 17.2 мкм
гст = 6.6 мкм, Тцс = 15.2 мкм.
Рис. 1. Поперечное сечение исследуемого ОВ «Panda»
В основу работы BOTDR положен метод бриллюэновской рефлектометрии, в котором проводится анализ спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна (СРМБ) в ОВ. Компоненты СРМБ света в ОВ обладают тем важным для практических применений свойством, что их частота смещена на величину, пропорциональную степени натяжения ОВ и его температуре. Анализируя положение максимумов СРМБ f - значение бриллю-эновского сдвига частоты) в ОВ, можно определить характеристики натяжения вдоль ОВ [3, 5]. Поскольку EDF и ОВ «Panda» могут иметь существенные различия в поведении характеристик СРМБ, представляет особый интерес исследование этих характеристик при различных уровнях мощности вводимого сигнала и изменениях температуры.
Мощность излучения накачки для EDF, используемого в эрбиевых оптических усилителях, соизмерима с порогом проявления рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.
III. Постановка задачи
С целью изучения особенностей СРМБ в EDF и в ОВ «Panda» были проведены экспериментальные исследования с BOTDR «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».
Свойства СРМБ ОВ некоторых других разновидностей (G.652 (обычное ОВ), G.653 (ОВ со смещённой дисперсией - dispersion-shifted fiber - DSF), G.655 (ОВ с ненулевой смещённой дисперсией - non zero dispersion-shifted fiber - NZDSF), G.657 (ОВ с повышенной устойчивостью к изгибам)), а также их зависимости от воздействий и температуры, были проанализированы в более ранних работах [5-8].
IV. Результаты экспериментов
В первом из рассматриваемых экспериментов был исследован СРМБ в световоде, который был составлен из ОВ нормализующей катушки (G.652 длиной 240 м), соединённого сваркой с ОВ «Panda» (80 мкм, длина 101 м).
ОВ «Panda» (за исключением участков 1.5 м с одной стороны (от стыка с OB-G.652) и 2 м с другой стороны (от конца), которые имели комнатную температуру (+25 °С), помещалось в камеру нагрева или камеру охлаждения.
На рис. 2 представлена рефлектограмма BOTDR, показывающая распределение СРМБ вдоль световода при нагреве ОВ «Panda» до +90 °С. Место стыка ОВ на рис. 2 хорошо заметно по резкому изменению СРМБ.
На рис. 3 приведена мульти-рефлектограмма (зависимости по длине световода натяжения (Strain), профиля СРМБ, ширины СРМБ (B.S.W) и потерь (Loss)), соответствующая 3D-BOTDR рефлектограмме, показанной на рис. 2.
Как видно из рис. 2, СРМБ у ОВ «Panda» при комнатной температуре имеет единственный максимум fB), который смещён на частоту 10.42 ГГц, при этом у ОВ -G.652 f = 10.82 ГГц. В работе [1] в результате экспериментальных исследований СРМБ в ОВ «Panda» с помощью прибора другого типа получены оценки для fB, которые находятся в интервале 10.58 ... 10.59 ГГц.
Рис. 2. BOTDR-рефлектограмма световода при нагреве участка ОВ «Panda» до +90 °С
Рис. 3. Мульти-рефлектограмма световода при нагреве участка ОВ «Panda» до +90 °С
Соответственно, натяжение ОВ «Panda» составило в среднем -0.83 %, в то время как натяжение OB-G.652 составило в среднем - 0.06 %.
На рефлектограммах хорошо заметны характерные изменения на участке с повышенной температурой.
Как видно из рис. 2 и рис. 3, у нагретой до +90 °С части ОВ «Panda» наблюдается смещение максимума СРМБ fB) по оси частот в сторону увеличения частоты.
Максимум СРМБ fB) ОВ «Panda» наблюдался на частоте 10.49 ГГц.
Соответственно, натяжение ОВ «Panda» увеличилось c -0.84 % до -0.71 %.
При изменении температуры от -10 °С до +140 °С в экспериментальных исследованиях бриллюэновский сдвиг частоты (fB) для ОВ «Panda» изменился с 10.39 ГГц до 10.53 ГГц, при этом натяжение ОВ «Panda» изменилось от -0.91 % до -0.64 %.
В работе [2] приведены температурные зависимости относительных измененийf для различных типах ОВ, сохраняющих состояние поляризации, которые получены в результате экспериментальных исследований СРМБ с помощью других методов.
Полученные результаты экспериментов выявили существенные отличия зависимостей СРМБ в ОВ «Panda» по сравнению с ОВ других типов. Температурные зависимости натяжения и f у ОВ «Panda» проходят ниже соответствующих характеристик всех других разновидностей ОВ, в том числе ниже зависимости ОВ G.653 (ОВ со смещённой дисперсией) [5-8].
Во втором эксперименте световод был составлен из ОВ нормализующей катушки (G.652 длиной 240 м и ОВ G.657 длиной 4 м), соединённого сваркой с ОВ-EDF (ОВ «HE-980» с диаметром оболочки 80 мкм и длиной 1 м), которое, в свою очередь, соединено с ОВ G.652 длиной 2 м.
Максимум СРМБ fB) у EDF при комнатной температуре обнаруживается на частоте 10.7 ГГц, при этом у OB-G.652 fB = 10.82 ГГц, а у OB-G.657f = 10.83 ГГц.
Соответственно, натяжение EDF составило в среднем -0.3 %, в то время как натяжение OB-G.652 и OB-G.657 отличается незначительно и составило в среднем -0.05 %.
На рис. 4 приведена развёрнутая зависимость потерь (Loss) вдоль световода при повышенном уровне мощности сигнала, вводимого в ОВ, на которой хорошо заметен подъём («горб») примерно на 3 дБ на характеристике потерь. Максимум этого «горба» совпадает с серединой EDF.
Подобные эффекты у ОВ других разновидностей не наблюдались.
Рис. 4. Развернутая зависимость потерь вдоль световода, содержащего EDF, при нормальном уровне вводимого сигнала
При нормальном уровне вводимого сигнала («№гш») уровень сигнала в начале исследуемого участка составлял 43.0 дБ, а подъём наблюдался до уровня 40.0 дБ.
При изменении уровня мощности сигнала, вводимого в ОВ, данные эффекты (подъём характеристики на графике потерь на 3 дБ на расстоянии, которое соответствует середине EDF) сохранялись. При максимальной
мощности излучения («High»), вводимого в ОВ, в начале исследуемого участка уровень сигнала составлял 43.5 дБ, а подъём наблюдался до уровня 40.9 дБ.
При сниженном уровне сигнала («Low») этот уровень снизился до 41.7 дБ, а подъём наблюдался до уровня 38.5 дБ.
Средние значения fB и натяжений ОВ не изменились.
В третьем эксперименте световод был составлен из ОВ нормализующей катушки (G.652 длиной 240 м), соединённого сваркой с OB-EDF (ОВ «HE-980» длиной 0.7 м), которое, в свою очередь, соединено с ОВ G.657 длиной 15 м. На концах EDF была сформирована петля, включающая 1.5 м OB-G.652 с одной стороны и 1.5 м OB-G.657 с другой стороны, которая помещалась в камеру охлаждения или камеру нагрева. Малая длина EDF не позволила бы достичь чёткого разделения характеристик участков с изменённой температурой, как это удалось сделать в более ранних экспериментах с другими видами ОВ [5-8].
На рис. 5 показана 3D-BOTDR рефлектограмма при нагреве сформированной петли до +130 °С, а на рис. 6 -соответствующая мульти-рефлектограмма, соответствующая BOTDR рефлектограмме, показанной на рис. 5.
_£двиг СРМБ1
Res. : О . OSl
Рис. 5. BOTDR-рефлектограмма световода с EDF при нагреве участка до +130 °С
Рис. 6. Мульти-рефлектограмма световода с EDF при нагреве участка до +130 °С
Таким образом, при изменении температуры от -10 °С до +130 °С бриллюэновский сдвиг частоты fB) для EDF изменился от 10.67 ГГц до 10.79 ГГц, при этом натяжение EDF изменилось от - 0.35 % до - 0.14 %. Как и для волокон различных типов, рассмотренных в работах [5 - 8], в EDF наблюдалась линейная зависимость fB и натяжения.
V. Выводы и заключение
Полученные результаты экспериментов выявили существенные отличия зависимостей СРМБ EDF.
Температурные зависимости натяжения и fB у OB «Panda» проходят ниже соответствующих характеристик всех других разновидностей ОВ, в том числе ниже зависимости OB G.653 (DSF) [5-8].
На характеристиках потерь наблюдается подъем уровня на 3 дБ на расстоянии, соответствующем середине участка с EDF. Для участков, расположенных после участка, содержащего EDF, наблюдается снижение уровня регистрируемого сигнала.
Температурные характеристики натяжения и fB у EDF проходят выше соответствующих характеристик ОВ G.655 (NZDSF), но ниже аналогичных характеристик G.657 и G.652 [5-8].
При дальнейших исследованиях предполагается исследование более длинного EDF, а также EDF при наличии излучения накачки.
Источник финансирования. Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности (проект № 8.9334.2017/8.9).
Автор благодарит ЗАО «Москабель-Фуджикура» (г. Москва) за содействие в проведении экспериментальных исследований.
Список литературы
1. Smirnov A. S., Burdin V. V., Petukhov A. S., Drozdov I. R., Kuz'minykh Y. S., Besprozvannykh V. G., Konstan-tinov Y. A. Birefringence in anisotropic optical fibers studied by polarised light brillouin reflectometry // Quantum Electronics. 2015. Т. 45, № 1. Р. 66-68.
2. Kim Y. H., Song K. Y. Characterization of Nonlinear Temperature Dependence of Brillouin Dynamic Grating Spectra in Polarization-Maintaining Fibers // Journal of Lightwave Technology. 2015. Vol. 33, no. 23. Р. 4922-4927.
3. Bogachkov I. V., Gorlov N. I. Joint testing of optical pulse reflectometers of various types for early diagnostics and detection of "problem" sections in optical fibers // IEEE 2016 13th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings, Vol. 1, p. 1. Р. 152-156.
4. Bao X., Chen L. Recent Progress in Brillouin Scattering Based Fiber Sensors // Sensors. 2011. Vol. 11. Р. 41524187.
5. Bogachkov I. V. Researching of Influence of the Strain Degree of Optical Fibers on the Brillouin Backscattering Characteristics // 2015 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) / Omsk, 2015. Р. 1-6. DOI: 10.1109/SIBC0N.2015.7147003.
6. Bogachkov I. V., Gorlov N. I. Researches of the influence of temperature changes in optical fibers on the Brillouin backscattering spectrum // IEEE 2016 13th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. Vol. 1, p. 1. Р. 157-161. DOI: 10.1109/APEIE.2016.7802241.
7. Bogachkov I. V. Researching of features of the Brillouin Backscattering Spectrum in Dispersion-Shifted Optical Fibers // 2016 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) / Moscow, 2016. Р. 1-6. DOI: 10.1109/SIBTON.2016.7491694.
8. Bogachkov I. V. Experimental Researches of Temperature Dependences of Brillouin Backscatter Spectrum in Optical Fibers of Various Types // 2016 Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics) Proceedings. Р. 1-7. DOI: 10.1109/Dynamics.2016.7818987.
