CC BY
11СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ МОДОВОГО ДВУЛУЧЕПРЕЛОМЛЕНИЯ PM-ВОЛОКОН МЕТОДОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ, ВЫПОЛНЕННЫХ ДВУКРАТНЫМ И ОДНОКРАТНЫМ СКАНИ РО ВАНИ ЕМ^ 10.24412/2308-6920-2021-8-10-13
БЕЛОКРЫЛОВ М.Е., КОНСТАНТИНОВ Ю.А., КРИВОШЕЕВ А.И.,
Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук
E-mail: yuri.al.konstantinov@ro.ru
Подробную информацию об авторах см. на сайте www.fotonexpres.ru раздел «Наши авторы»
В настоящей работе представлено первичное качественное сравнение результатов измерений модового двулучше-преломления волоконных световодов, сохраняющих состояние поляризации вводимого в них излучения, методом поля-ризационно-бриллюэновской рефлектометрии, выполненных двукратным и однократным сканированием по спектру рассеяния. Метод однократного сканирования предусматривает меньше рутинной работы исследователя, но при этом даёт точности, пока мало сравнимые с методом двукратного сканирования.
Abstract: In this paper, we present a primary qualitative comparison of the modal birefringence measurements of PM-fibers by the polarization-Brillouin reflectometry method, performed by double and single scans over the scattering spectrum. The single-scan method provides for less routine work of the researcher, but at the same time gives an accuracy that is not yet comparable with the double-scan method.
ВВЕДЕНИЕ
Параметр модового двулучшепреломления анизотропного волоконного световода является одним из ключевых с точки зрения эксплуатации в волоконно-оптических датчиках и других оптоэлектронных приборах. К характеризации данного параметра можно подойти по-разному: так, большинство производителей волокон, сохраняющих состояние поляризации вводимого в них излучения, нормируют данный параметр только по торцам световода. Однако, некоторые
специальные применения требуют однородности обсуждаемой величины по длине всего световода. В таком случае необходимо применить распределённое измерение, в большинстве случаев основанное на методах оптической рефлектометрии. Широко известны экспериментальные методики, основанные на методах когерентной рефлектометрии, рефлектометрии в частотной области, а также на принципах динамических брэгговских решеток [1,2]. Эти современные подходы, без сомнения, достаточно эффективны, однако они пока крайне скудно представлены в виде законченных коммерческих решений, а их применение требует существенной модификации аппаратной части большинства серийного оборудования.
Для решения данной задачи авторы предлагают подход, основанный на методе поляризационно-бриллюэновской рефлектометрии. В рамках этого подхода измерения можно осуществлять по двум методикам: однократным сканированием по частоте и двойным. Метод однократного сканирования предусматривает использование одного пакета импульса, который проходит сначала по одной поляризационной оси исследуемого волокна, а потом по другой [3]. Он требует лишь однократной коммутации двух торцов исследуемого волокна с пассивной оптической схемой, подсоединенной к коммерческому анализатору BOTDA методом дуговой сварки с контролем угла ввода излучения. Метод двукратного сканирования, соответственно, предусматривает две такие коммутации и последовательный запуск пакетов импульсов сначала по быстрый оси световода, а потом по медленной [4]. Упрощенная схема двух методов представлена на рисунке 1.
В ходе эксперимента с однократным сканированием были получены дискретные функции данных, являющие собой распределение частотного сдвига рассеяния Мандельшта-ма-Бриллюэна по длине исследуемого световода. Каждый из
Ключевые слова: бриллюэновская рефлектометрия, модовое двулучепреломление, PM-волокна.
Key words: Brillouin reflectometry, modal birefringence, PM-fibers.
Перед исследованием авторы также измерили эллиптичность сердцевины и h-параметр волокон. Результаты эксперимента для различных волоконных световодов типа «Panda» разных производителей представлены на рисунке ниже:
Рис. 1. Стенд измерения модового двулучепреломления РМ-волокон методом поляризационно-бриллюэновской рефлектометрии, выполненных двукратным и однократным сканированием
этих массивов, связанных с отдельным образцом волоконного световода, состоял из двух частей: первая часть описывала рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в быстрой оси, вторая - в медленной. Графическое представление таких данных наглядно дано в [3].
Поскольку двулучепреломление, измеренное ранее интегральным спектральным методом, исследовалось исключительно на концах световодов, в полученных зависимостях были выделены области, характеризующие внутренний и внешний торец волоконных световодов. Ввиду того, что двулучепреломление в таких волокнах не всегда строго постоянно, для расчётов использовались значения до первого крупного перепада сдвига рассеяния Мандельштама-Брил-люэна.
В этих областях сдвиг усреднялся, и уже после этого вычислялся модуль разности сдвига для двух осей, пространственно - в той же самой области исследуемого световода. После этого каждой такой разности сдвигов было выставлено в соответствие значение двулучепреломления, измеренное спектральным методом на торцах световодов. В работе [5] показано, что вычисление точного значения двулучепреломления по сдвигам рассеяния Мандельштама-Бриллюэна сопряженно с некоторыми трудностями, заключающимися в необходимости получения абсолютно корректных значений скорости звука для каждой из осей световода, поэтому упомянутое выше простое сопоставление, по мнению авторов, является простым и доступным способом оценки адекватности метода: в случае, если разница сдвигов линейно связана с двучепреломлением, измеренным на торцах, метод представляется в той или иной степени работоспособным.
Рис. 2. Результаты однократного сканирования по частоте, а также эллиптичность и Ь-параметр (красная линия - двукратное сканирование)
На этом же графике упомянутым данным поставлены в соответствие значения эллиптичности сердцевины исследуемых световодов (рис. 2, правый-верхний) и Ь-параметры этих же образцов (рис. 2, правый-нижний). Два всплеска параметра сохранения поляризации на практике не привели к ощутимой перекачке мод - это было бы заметно из-за неуверенного детектирования пика рассеяния Мандельшта-ма-Бриллюэна. А вот резкие изменения эллиптичности могли довольно сильно исказить значение двулучепреломления. Особенно непредсказуемым это бывает, когда оси эллипса не совпадают с осями поляризации волоконного световода. именно по этой причине на следующем рисунке две обсуждаемые точки были исключены (рис. 3):
Рис. 3. Результаты однократного сканирования по частоте после исключения точек с высокой эллиптичностью
Представленная зависимость уже в большей степени напоминает линейную, однако данные по-прежнему не точно соответствуют идеальной прямой. Это может быть связано как с уже обсужденной выше возможной неравномерностью двулучепреломления по длине, которую, собственно, и предлагается исследовать в настоящей работе,
так и с особенностями изготовления оптических волокон. К примеру, в представленных данных некоторые точки соответствуют волокнам другого производителя, а значит, они вытянуты на другой башне. В условиях разных натяжений, создаваемых разными приемными устройствами, а также различных температур размягчения отдельных конструктивных элементов волокон, профили механических напряжений, а следовательно, и скоростей звука в каждой из осей, будут разными.
После исключения из данных точек, соответствующих образцам, вытянутым на другой башне другим производителем, имеем следующую зависимость (рис 4.):
0,007
£
О 0,0065 I-
<J .
5
ж
5 0,006 • *
U
m §
m
2 0,0055
с; t; s
£
£ 0,005 ö •
0
1
m га
0,0045
5,7 6,2 6,7 7,2 7,7 8,2 8,7
Двулучепреломление, В х 10", спектральный метод
Рис. 4. Результаты однократного сканирования по частоте после исключения точек с высокой эллиптичностью и обособления данных для одной марки волокна
Особенный интерес представляет температурная нечувствительность разницы сдвигов рассеяния Мандельшта-ма-Бриллюэна для поляризационных осей исследованных световодов. В эксперименте волокна, уложенные в бухты, без транспортных катушек, помещались в камеры тепла и холода, где подвергались воздействию высоких и низких температур. Было установлено, что в обоих случаях разность сдвигов остаётся неизменной во всем температурном диапазоне. Это несколько противоречит данным, полученным авторами ранее [6]. Подробнее о возможных причинах данного явления будет рассказано дальше. Результаты исследования для различных температур представлены в [3].
Необходимо отметить, что данный метод работает на грани динамического диапазона в 10 дБ, что является характерным динамическим диапазоном для недорогого типового оборудования многих лабораторий. Это ставит под вопрос возможность исследования образцов длин более нескольких километров, измерение образцов без сварки оптических волокон (с коммутацией при помощи коннекторов), а также изучение волоконных световодов, выстроенных в последовательную цепь. BOTDA-рефлектограмма такой цепи изображена на рисунке ниже (рис 5, слева).
¡I i
0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 1200 Длина волокна, м
Рис. 5. Цифровая обработка данных
В данном случае падение бриллюэновского усиления, связанное с последовательный сварной коммутацией трёх образцов различных волоконных световодов, вкупе с возможной нарастающей поляризационной помехой, привели к неверному детектированию максимума во всех данных, соответствующих быстрой оси световода. Детектирование осуществлялось встроенным в прибор методом аппроксимации лоренцевой функцией (LCF).
Путём построения и применения гибридного алгоритма на основе усовершенствованного данного метода, корреляционного метода, метода обратной корреляции [5] и порогового фильтра авторам удавалось устранить масштабные зашумления с получаемых данных (Рис 5, справа).
Несмотря на устранение крупных дефектов детектирования, очевидно, что на графиках присутствуют вариации порядка 2,5 МГц, что при разнице сдвигов в 5 МГц, вызванной типовым двулучепреломлением, составит половину искомой величины. Данный факт также следует принимать во внимание и поэтому при использовании предлагаемого метода не осуществлять последовательную коммутацию образцов, а измерять их по отдельности.
ВЫВОДЫ
Согласно полученным данным, метод двукратного сканирования показывает приемлемые точности (погрешность в сравнении со спектральным методом около 15-20%), в то время как погрешность метода однократного сканирования более 50% (при пересчете в реальные значения B). Метод двукратного сканирования также менее «чувствителен» к вариации других параметров волокна. Все это может быть объяснено тем, что в случае использования анализатора BOTDA акустическая волна, генерируемая импульсным взаимодействием с непрерывным светом на его первом пути (первой поляризации), может рассеивать непрерывное излучение в ортогональной поляризации, несмотря на несоответствие частот. Тогда непрерывный свет, который позже встретит импульс, будет иметь уже изменённые параметры, будучи уже затронутым первым взаимодействием, и результирующий спектр будет искажен.
Другая проблема с BOTDA может быть связана с так называемыми «нелокальными эффектами» (с воздействием на сам импульс накопленного взаимодействия на расстоянии, что также искажает окончательный спектр). Учитывая довольно малую длину волокна, это может произойти, если вводится большая мощность.
В будущем авторам необходимо проанализировать, могут ли эти механизмы быть достаточными для получения описанных искажений. Также необходимо повторить данные исследования на рефлектометре Бриллюэна, где не придется сталкиваться с эффектами, вызванными идущими навстречу друг другу излучениями накачки и зондирования.
Благодарности
Авторы выражают огромную благодарность за плодотворные дискуссии Dr. Vincent Lecoeuche (Viavi) и Prof. Andrei Fotiadi (Universite de Mons).
Финансирование
Данная работа выполнена как часть государственного задания AAAA-A19-119042590085-2.
ЛИТЕРАТУРА
1. Dong, Y., Chen, L.C., & Bao, X. (2010). Truly distributed birefringence measurement of polarization-maintaining fibers based
on transient Brillouin grating. Optics letters, 35 2,193-5 D0I:10.1364/ 0L.35.000193
2. Mark E. Froggatt, Dawn K. Gifford, Steven Kreger, Matthew Wolfe, and Brian J. Soller, "Characterization of Polarization-Maintaining Fiber Using High-Sensitivity Optical-Frequency-Domain Reflectometry,"J. Lightwave Technol. 24,4149-4154 (2006)
3. Белокрылов М.Е., Константинов Ю.А., Кривошеев А.И., Туров А.Т. РАСПРЕДЕЛЁННОЕ ОДНОИМПУЛЬСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ОСЕЙ АНИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН, Фотон-Экспресс, Ноябрь 2021
4. A. S. Smirnov et al., "Birefringence in anisotropic optical fibres studied by polarised light Brillouin reflectometry," Quantum Electron., vol. 45, no. 1, pp. 66-68, 2015, doi: 10.1070/ qe2015v045n01abeh015634
5. F. L. Barkov, Y. A. Konstantinov, and A. I. Krivosheev, "A novel method of spectra processingfor brillouin optical time domain reflectometry," Fibers, vol. 8, no. 9, pp. 1-11, 2020, doi: 10.3390/ FIB8090060
6. F. L. Barkov, Y. A. Konstantinov, V V Burdin, and A. I. Krivosheev, "Theoretical and Experimental Estimation of the Accuracy in Simultaneous Distributed Measurements of Temperatures and Strains in Anisotropic Optical Fibers Using Polarization-Brillouin Reflectometry," Instruments Exp. Tech., vol. 63, no. 4, pp. 487-493, 2020, doi: 10.1134/S0020441220040223
СОВЕТ ДИРЕКТОРОВ «РОСТЕЛЕКОМА» ПРОДЛИЛ ПОЛНОМОЧИЯ М.Э.ОСЕЕВСКОГО НА ПОСТУ ПРЕЗИДЕНТА КОМПАНИИ
ПАО «Ростелеком» крупнейший в России интегрированный провайдер цифровых услуг и решений, сообщает о том, что на заседании совета директоров компании принято решение назначить президентом ПАО «Ростелеком» Осеевского Михаила Эдуардовича и определить срок его полномочий с 04 марта 2022 года по 03 марта 2027 года.
Напомним, что Михаил Осеевский был назначен советом директоров ПАО «Ростелеком» президентом компании с 4 марта 2017 года с 5-летним сроком полномочий.
* * *
ПАО «Ростелеком» - крупнейший в России интегрированный провайдер цифровых услуг и решений, который присутствует во всех сегментах рынка и охватывает миллионы домохозяйств, государственных и частных организаций.
Компания занимает лидирующие позиции на рынке услуг высокоскоростного доступа в интернет и платного телевидения. Количество абонентов услуг ШПД превышает 13,5 млн, платного ТВ «Ростелекома» - 10,9 млн пользователей, из них свыше 6,3 млн - IPTV. Дочерняя компания «Ростелекома» оператор Tele2 Россия является крупным игроком на рынке мобильной связи, обслуживающим более 46,6 млн абонентов и лидирующим по индексу NPS (Net Promoter Score) - готовности пользователей рекомендовать услуги компании.
_ «Ростелеком» является лидером рынка телекоммуникационных услуг для органов государственной власти России и
корпоративных пользователей всех уровней.
Компания - признанный технологический лидер в инновационных решениях в области электронного правительства, кибербезопасности, дата-центров и облачных вычислений, биометрии, здравоохранения, образования, жилищно-коммунальных услуг.
О
о
QQ О
Новости
HOW
Компания - признанный технологический лидер в инновационных решениях в области электронного правительства, кибербезопасности, дата-центров и облачных вычислений, биометрии, здравоохранения, образования, жилищно-коммунальных услуг.
