CC BY
37
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
КЛАССИФИКАЦИЯ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН ПО ПРОФИЛЮ СПЕКТРА РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА - БРИЛЛЮЭНА
A CLASSIFICATION OF OPTICAL FIBERS TYPES ON THE SPECTRUM PROFILE OF THE MANDELSTAM - BRILLOUIN BACKSCATTERING
И. В. Богачков1, А. И. Трухина1, Д. П. Иниватов1, А. П. Киреев1, Н. И. Горлов2
'Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия 2Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, г. Новосибирск, Россия
I. V. Bogachkov1, A. I. Trukhina1, D. P. Inivatov1, A. P. Kireev1, N. I. Gorlov2
'Omsk State Technical University, Omsk, Russia 2Siberian State University of Telecommunications and Computer Science, Novosibirsk, Russia
Аннотация. В работе обсуждаются вопросы классификации разновидностей оптических волокон по рефлектограммам, полученным с помощью бриллюэновского рефлектометра. Представлена разработанная программа для определения типа оптического волокна по бриллюэновской рефлектограмме. Приведены значения бриллюэновского сдвига частоты для некоторых распространенных разновидностей оптических волокон. Возможность классифицировать оптические волокна по разновидностям и производителям по рефлектограмме представляет практический интерес. 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).
Ключевые слова: оптическое волокно, спектр рассеяния Мандельштама - Бриллюэна, бриллюэнов-ский рефлектометр, бриллюэновский сдвиг частоты, профиль спектра.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-96-101
I. Введение
Своевременное обнаружение и устранение «проблемных» участков в ОВ (участков с дефектами, с изменёнными температурой и натяжением) является важной задачей ранней диагностики ВОЛС [1].
Для обнаружения участков ВОЛС с повышенным натяжением ОВ и изменённой температурой применяются бриллюэновские оптические импульсные рефлектометры (BOTDR - Brillouin optical time-domain reflecto meters). В BOTDR регистрируется и анализируется распределение спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна (СРМБ) вдоль ОВ.
С помощью BOTDR можно получить распределение СРМБ в ОВ. Определив положение максимума (пика) в профиле СРМБ, можно определить величину бриллюэновского сдвига частоты fB - Brillouin frequency shift), а затем, натяжение (strain) вдоль ОВ [1-6].
Поскольку уровни мощности сигнала, вводимого в ОВ, при реализации метода бриллюэновской рефлекто-метрии значительны, представляет особый интерес исследование СРМБ в ОВ разных производителей с различными законами поведения дисперсии и структурой сердцевины ОВ [7-12].
II. Теория
Как показывают теоретические и экспериментальные исследования [4, 8-12], для разных типов ОВ и разных производителей ОВ, формы частотных профилей СРМБ [5, 6], а также «планки начального уровня» fB0) для нормальных условий (при комнатной температуре и при отсутствии механических напряжений) существенно различаются [2, 4].
Для каждой разновидности ОВ необходимо определить свой «начальный уровень» fB0 и коэффициенты для определения fB при изменении температуры и натяжения ОВ [3, 4].
Для обнаружения участков с изменённой температурой и натяжением желательно иметь эталонную BOTDR-рефлектограмму для исследуемого ОВ при нормальных условиях (при комнатной температуре и при отсутствии механических напряжений). Наличие такой рефлектограммы упрощает своевременное обнаружение
«проблемного» участка в ОВ, а значит, устранение проблемной ситуации в волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) до разрушения ОВ [1-4].
Кроме того, как показывает практика, даже однотипные ОВ разных производителей при схожих оптических характеристиках имеют разную форму профиля СРМБ [4, 6].
База данных профилей СРМБ волокон различных типов и производителей позволяет классифицировать ОВ в ВОЛС, а также обнаруживать дефектные участки [3, 4].
III. Постановка задачи
При содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура» (г. Москва) были проведены экспериментальные исследования картин распределения СРМБ в ОВ различных разновидностей и различных производителей с помощью BOTDR «Ando AQ 8603».
Анализ поведения СРМБ ОВ различных типов и производителей в зависимости от внешних механических воздействий и температуры был проведён в предшествующих работах [8-12].
Особое внимание уделялось частотным характеристикам СРМБ ОВ.
IV. Результаты экспериментов
Описанная ниже программа была разработана с целью быстрого, точного и удобного определения типа ре-флектограмм. Программа написана на языке высокого уровня C# с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2017.
Процесс работы программы состоит в загрузке пользователем изображения шириной в 800 пикселей и высотой 600 пикселей, которое содержит bmp-файл рефлектограммы BOTDR.
Необходимая область для анализа автоматически «вырезается» программой по шаблону, и формируется профиль СРМБ ОВ. Далее пользователю будет предложено сохранить полученное изображение для дальнейших действий с ним.
После формирования изображения профиля СРМБ происходит попиксельное чтение рефлектограммы.
На рис. 1 представлен экран программы, на котором программой было определено обычное одномодовое ОВ (G.652) [3, 11], а на рис. 2 - классифицировано ОВ, легированное ионами эрбия (EDF) [7, 11].
Рис. 1. Копия экрана программы при обнаружении образца G.652
Программа может анализировать изображения двух типов: первый тип - изображения, на которых график представлен чёрным цветом, а фон - белым (рис. 1 и рис. 2); второй тип - изображения, на которых график -синий, а фон - чёрный (рис. 3).
Программа способна автоматически определять, к какому именно типу принадлежит изображение, поэтому не требуется ставить дополнительных галочек и выбирать какие-либо дополнительные признаки для каждого изображения.
В случае с первым типом изображений в связи с наличием через каждые 10 пикселей по оси «х» дополнительных точек, отличных от фона, с целью зрительной помощи при изучении рефлектограмм, возникла сложность при попиксельном чтении изображения. В связи с этим было решено для изображений этого типа игнорировать каждый десятый пиксель. А график профиля СРМБ в этом пропущенном месте восстановить исходя из формулы линейной интерполяции.
Рис. 2. Копия экрана программы при обнаружении ОВ, легированного ионами эрбия
На рис. 3 показано обнаружение программой профиля СРМБ ОВ со смещённой дисперсией (G.653 - DSF) [2, 8, 12].
Данные загруженного графика заносятся в одномерный массив, после чего происходит сравнение его с уже заранее загруженными в программу шаблонами графиков; для высокой точности правильности определения типа рефлектограмм используется специальный алгоритм.
Корреляционная оценка загруженного изображения по сравнению с шаблонами производится по следующему алгоритму:
1) находится сумма всех координат по оси «0y»;
2) находится среднее значение координат;
3) Значение каждого элемента массива изменяется на полученную в пункте 2 величину в меньшую сторону. В итоге получается, что среднее значение нового массива равно 0 («центрирование»);
4) если по модулю математическое ожидание появления очередной координаты получается разным для каждого шаблона, то производится корректировка вычислений по отношению {Mg}/{M0}, где {Mg} - математическое ожидание, взятое по модулю у образца исследуемой рефлектограммы, а {M0} - математическое ожидание, взятое по модулю у каждого из остальных образцов-шаблонов;
5) Определяется корреляционная оценка. Суммирование происходит по всему массиву координат графика.
Пользователю представлены графические изображения всех загруженных шаблонов, а после загрузки Ьтр-файла изображения, шаблон, который по оценкам программы имеет наилучшее совпадение с загруженным изображением, подсвечивается зелёным цветом, и его название записывается для представления пользователю (рис. 1- рис. 3).
ШП.2МИК I41.47IHHM
рогсжмл
А i л llj 1,
I1 III ™
■i та
Р in
Рис. 3. Копия экрана программы при обнаружении образца G.653 (DSF)
Шаблоны с меньшей степенью подобия подсвечиваются жёлтым и оранжевым цветами по мере уменьшения оценки степени подобия изображений.
Для более точной классификации разновидностей ОВ и определения /В0, /в , а затем и натяжения, следует усовершенствовать алгоритм оценки, чтобы устранить влияние различного масштабирования графиков по осям, а также смещения /в.
Это можно сделать с помощью аппроксимации массива данных с помощью полинома высокого порядка. В этом случае оценка совпадений профилей может осуществляться с коррекцией по масштабам и смещению максимума СРМБ (/В).
V. Выводы и заключение
Многочисленные экспериментальные исследования особенностей поведения СРМБ в ОВ различных типов и производителей, проведённые с BOTDR «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура», позволили определить начальный уровень бриллюэновского сдвига частоты (fB0) для каждой исследованной разновидности ОВ [2-12].
В табл. 1 приведены значенияfB0 для всех изученных разновидностей ОВ.
Кроме рассмотренных ранее ОВ (G.652, G.653 (DSF) и EDF, в табл. 1 представлены также характеристики OB-G.657 - ОВ с повышенной устойчивостью к изгибам [2-4], ОВ «Panda» (разновидность ОВ, сохраняющего состояние поляризации сигнала) [9], OB-G.655 (NZDSF - ОВ с ненулевой смещённой дисперсией) [10].
ТАБЛИЦА 1
Разновидность ОВ Значения fB0 , ГГц Рекомендуемые значения fB0, ГГц vA, км/с (n = 1.468) Пэ (vA = 5.7 км/с)
G.652 10.82 ... 10.86 10.84 5.71 1.468
G.653 (DSF) 10.47 ... 10.49 10.47 5.53/5.63/5.72 1.42/1.45/1.47
G.655 (NZDSF) 10.61 ... 10.64 10.63 5.61 1.443
G.657 10.77 ... 10.80 10.79 5.70 1.466
EDF 10.68 ... 10.70 10.70 5.64 1.450
«Panda» 10.40 ... 10.43 10.41/10.42 5.50 1.413/1.414
Величины vA определяются при fB0 из табл. 1 при п = 1.468 [2-4].
Величины пэ (эквивалентные показатели преломления) определяются из табл. 1 по fBo при условии, что vA = 5.7 км/с [1-4].
При использовании для расчетов fB0 из таблицы зависимости натяжения от температуры различных ОВ становятся практически идентичными [11, 12].
Практическую ценность представляет возможность определения структуры и состава слоев, образующих сердечник ОВ, по полученным профилям СРМБ и частотам всех пиков СРМБ, так как введение легирующих веществ и изменение их концентрации влияют на скорость гиперзвука в ОВ и эффективный показатель преломления.
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).
Авторы благодарят ЗАО «Москабель-Фуджикура» (г. Москва) за содействие в проведении экспериментальных исследований с помощью BOTDR «Ando AQ 8603».
Список литературы
1. Богачков И. В., Горлов Н. И. Новые задачи технической эксплуатации разветвленных волоконно-оптических сетей // Омский научный вестник. 2009. № 1 (77). С. 195-198.
2. Богачков И. В. Исследования характеристик рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в оптических волокнах с различными законами дисперсии // T-comm: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Т. 10, № 11. С. 40-45.
3. Богачков И. В., Иниватов Д. П., Киреев А. П., Горлов Н. И. Определение разновидностей оптических волокон по бриллюэновским рефлектограммам // Оптическая рефлектометрия - 2018: сб. тез. докл. 2 Всерос. науч.-практ. конф. Пермь, 2018. С. 74-77.
4. Богачков И. В. Определение начального уровня бриллюэновского сдвига частоты в оптических волокнах различных видов // Сб. тр. VII Междунар. конф. по фотонике и информационной оптике. М.: НИЯУ МИФИ, 2018. С. 102-103.
5. Bao X., Chen L. Recent Progress in Brillouin Scattering Based Fiber Sensors // Sensors. 2011. Vol. 11 (4). P. 4152-4187.
6. BOTDR Measurement Techniques and Brillouin Backscatter Characteristics of Corning Single-Mode Optical Fibers // http://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/Fiber/RC-%20White%20Papers/WP-General/WP4259_01-15.pdf.
7. Bogachkov I. V. Researches of the Mandelstam - Brillouin backscatter spectrum in the erbium-doped optical fiber // T-comm. 2017. Vol. 11, no. 6. P. 59-63.
8. Богачков И. В., Горлов Н. И. Экспериментальные исследования спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах со смещённой дисперсией // Вестник СибГУТИ. 2017. Вып. 2 (38). С. 17-25.
9. Богачков И. В. Изучение характеристик рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в оптических волокнах «Panda» // Оптическая рефлектометрия - 2018: сб. тез. докл. 2 Всерос. науч.-практ. конф. Пермь, 2018. С. 12-15.
10. Богачков И. В. Экспериментальные исследования спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах с ненулевой смещённой дисперсией при продольных растягивающих силах // Динамика систем, механизмов и машин. 2016. № 4. С. 166-171.
11. Богачков И. В., Горлов Н. И. Исследования влияния температурных изменений в оптических волокнах на спектр бриллюэновского рассеяния // Актуальные проблемы электронного приборостроения: тр. XIII междунар. конф. Новосибирск, 2016. Т. 3, ч. 1. С. 105-110.
12. Богачков И. В. Температурные зависимости спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в оптических волокнах различных типов // Синхроинфо-2017: сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф., Казань, 03-04 июля 2017 г. М.: Медиа Паблишер, 2017. С. 13-14.
УДК 621.372.8: 621.396: 621.315
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА - БРИЛЛЮЭНА В ОДНОМОДОВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ, СОХРАНЯЮЩИХ СОСТОЯНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ
RESEARCH PROPERTIES OF THE MANDELSTAM - BRILLOUIN SCATTER IN THE POLARIZATION MAINTAINING SINGLE-MODE FIBERS
И. В. Богачков
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия
I. V. Bogachkov
Omsk State Technical University, Omsk, Russia
Аннотация. В работе приведены результаты экспериментальных исследований характеристик рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в одномодовых оптических волокнах, сохраняющих состояние поляризации. Проанализированы экспериментальные данные для разновидностей таких волокон вида «Panda». Приведены рефлектограммы, полученные с помощью бриллюэновского рефлектометра.
Показаны отличия рефлектограмм при повороте оси участков с оптическим волокном «Panda» на определённый угол.
Анализ результатов экспериментов выявил существенные отличия зависимостей, характерных для оптического волокна с сохранением состояния поляризации от аналогичных зависимостей других разновидностей оптических волокон.
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).
Ключевые слова: оптическое волокно, сохранение состояния поляризации, «Panda», бриллюэновская рефлектометрия, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна.
DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-4-101-106
I. Введение
Оптические волокна (ОВ), сохраняющие состояние поляризации («Panda», «Bow-tie»), нашли применение в случаях, когда необходим контроль состояния поляризации, например, в когерентных коммуникационных системах, в волоконных гироскопах и интерферометрических датчиках [1-3].
Важной задачей ранней диагностики оптических волокон является получение достоверной информации об их физическом состоянии. Своевременное обнаружение «проблемного» участка ОВ (с изгибами, микроизгибами, повышенным механическим натяжением, изменённой температурой и т. п.) позволяет принять необходимые меры по устранению потенциальной неисправности до непоправимых изменений в ОВ.
Простые обычные оптические импульсные рефлектометры не в состоянии решить эту задачу, для этого необходимо применять метод бриллюэновской рефлектометрии [1, 2].
Поскольку 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 [2-4].
