CC BY
24
THE EXPERIMENTAL RESEARCHES OF THE MANDELSTAM - BRILLOUIN SCATTER CHARACTERISTICS IN ERBIUM OPTICAL FIBERS OF VARIOUS KINDS
The crucial subject in monitoring of the fiber optical communication lines (FOCLs) is a premature diagnostics of segments with high mechanical strain, longitudinal strain, sections with changed temperature, segments with bends in optical fibers (OFs) and so on. It allows us to recover such segments before a breakdown of FOCL. The longitudinal mechanical strain in OFs in FOCL can lead to a breakdown of the OF. Therewith, the problems in the FOCL can be originated by temperature transformations in the OFs. To detect segments of the OFs with changed temperature and longitudinal strain the Brillouin time-domain reflectometers (BOTDRs) are applied, in which the features of a Mandelstam - Brillouin backscatter spectrum (MBBS) along the OF are analyzed. The erbium-doped fiber (EDF) is used in the erbium-doped fiber optical amplifiers (EDFA), which are widely applied at this time, especially as a part of the FOCL with wavelength division multiplexing (WDM). To improve a radiation tolerance of an EDF the doping of erbium ions, as well as other additives as cerium is carried out.
Studies have shown that a structure of an OF core, a configuration and a composition of its layers influence on the MBBS properties. It is possible to detect the different kinds of OFs (including EDF), as part of a light-pipe using a BOTDR, and classify the OFs according to a shape of the MBBS. Taking into account the fact that the power levels of a signal launched into the OF are significant in BOTDR, for this reason the study of MBBS in some kinds of EDFs at different power levels of the input signal and influences is of particular interest. The experimental studies using the BOTDR "Ando AQ 8603" were carried out to consider the MBBS features in some kinds of erbium-doped optical fibers of different manufacturers. The results of tests of MBBS in EDF of various kinds are given, the influence of the structure of an OF core and the composition of OF layers on Brillouin frequency shift and MBBS profile is considered. The reflectograms of the BOTDR are shown, which demonstrate the MBBS distribution along the light-pipe, the strain distribution and the level of the backscattered signal. The segments with EDF are clearly visible in the reflectograms. The level graphs of a backscattered signal along the OF demonstrates the rise ("hump") of about 3 dB at the EDF initial (at a distance of about 1 m from the joint), and a sharp drop in the backscattered signal level (more than 4 dB/m) after the "hump" is observed. As a result, the OFs following the EDF (length is more than 3m) are not visible in the BOTDR-traces. The reason for this is that the active EDF layers absorb the input BOTDR signal in the absence of pump radiation, which leads to the depletion of the backscattered MBS signal. This behavior in OFs of other kinds is not observed. If we change the power level of the input signal, this effect will be maintained.
Information about author:
Igor V. Bogachkov, Associate professor (docent) of "Communication means and information security" department of Omsk State Technical University (OmSTU) , Omsk, Russia
Для цитирования:
Богачков И.В. Экспериментальные исследование характеристик рассеяния Мандельштама - Бриллюэнав эрбиевых оптических волокнах различных видов // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №4. С. 70-75.
For citation:
Bogachkov I.V. (2019). The experimental researches of the Mandelstam - Brillouin scatter characteristics in erbium optical fibers of various kinds. T-Comm, vol. 13, no.4, рр. 70-75.
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10264
Igor V. Bogachkov,
Omsk State Technical University (OmSTU), Omsk, Russia, [email protected]
Keywords: erbium-doped optical fiber, Mandelstam -
Brillouin scatter, strain, Brillouin frequency shift,
early diagnostics, Brillouin reflectometer, spectrum profile.
The crucial subject in monitoring of the liber optical communication lines (FOCLs) is a premature diagnostics of segments with high mechanical strain, longitudinal strain, sections with changed temperature, segments with bends in optical libers (OFs) and so on [l-5j. It allows us to recover such segments betore a breakdown of FOCL. The longitudinal mechanical strain in OFs in FOCL can lead to a breakdown of (he OF.
Therewith, the problems in the FOCL can be originated by temperature transformations in the OFs. To detect segments of the OFs with changed temperature and longitudinal strain the Brill ou in time-domain re 11 ee to meters (BOTDRs) are applied, in which the features of a Mandelstam - Brillouin backscatter spectrum (MBBS) along the OF are analyzed 11-5].
The erbium-doped liber (FDF) is used in the erbium-doped fiber optical amplifiers (EDFA), which are widely applied at this time, especially as a part of the FOCL with wavelength division multiplexing (WDM).
The origination of the erbium-doped fiber (EDF) allowed the erbium-doped liber amplifiers (EDFAs) to be created, which are widely used at this time. EDFAs arc intrinsic part of the fiber optical communication lines with wavelength division multiplexing (WDM) [5 - 8],
A set of boundary erbium electrons is passed from a basic slate to a high energy level when a pump radiation from a laser of increased power is introduced into an FDF, herewith an active medium for amplification is created. The pump wavelengths of 0,98 pm and 1.48 Jim arc most popular. When an optical signal with a wavelength of 1.55 jim (or with wavelengths in the range of 1.52 - 1.62 jim) passes through this FDF, the particles return from the metastable slate to ihe basic level, which leads to the origination of photons identical to the photons of the signal light. This eventually leads to amplification of the optical signal [5-8].
To improve a radiation lolerance of an EDF the doping of erbium ions, as well as other additives as cerium (ECDF) is carried out.
Studies have shown [9-13] that a structure of an OF core, a configuration and a composition of its layers influence on the MBBS. To determine a Brillouin frequency shift (/s) called as a MBBS maximum, it is necessary to consider the acoustic mode behavior.
Change of Brillouin frequency shift (A/a) with a degree of strain (ss) at a specific OF section is also described by a linear dependence:
eO
= As = _
' Стл
(I)
template database. This can significantly speed up the process of classification of fibers and determine the characteristics of their strain [15].
Fig. 1 shovvs the program screen, where ECDF (erbium and cerium doped fiber) is identified and classified by the program.
Taking into account the fact that the power levels of a signal launched into Ihe OF are significant in BOTDR, for this reason the study of MBBS in some kinds of EDFs at different power levels of the input signal and temperature changes is of particular interest [5-8].
f vo * f„,
where Asc is the change of OF strain with respect to the initial value (.Vrft); Jbi^j is the Brillouin frequency shift as function of strain; fan is the initial value of fB (/B„ = Cn is the
linearization coefficient at the certain temperature depending on wavelength (a); Af})(sc) is the change offB relative to the initial value of fgu as function of strain.
The database of MBBS profiles of different fiber types and companies permits one to classify the OF in FOCL, as well as detects the problem segments [14].
A special program was developed in OmSTU for automatic determination of fiber kinds by Brillouin reflectograms [15]. This program analyzes the Brillouin trace, highlighting it with the profile part, and comparing it to match the images from the
Fig, t. A program screen upon detection of the ECDF sample
The experimental studies using the BOTDR "Ando AQ 8603" were carried out to consider the MBBS features in some kinds of erbium-doped optical fibers of different manufacturers.
The results of earlier works are presented in papers [5-8], in which the experimental studies with a short EDF (OFS "HE-980") w iili length of 1 in were conducted.
The MBBS maximum for this EDF kind is observed at a frequency off& — 10,69 CjFIz (Д/н = 160 MHz). The single mode OF-C.,652 has fB = 10,83... 10,87 G1 Iz [6-11 ].
The rise ("hump") of about 3 dB along the light-pipe is clearly visible in the loss characteristics (level graph of a backsc altered signal). The maximum of this "hump" coincides with a middle of EDF. If we change the power level ol'the signal launched into the OF, this behavior (the rise of the characteristic is about 3 dB at a distance of the EDF middle in the loss graph) will be saved. The mean values of/в and OF strains haven't been changed [6-8].
An additional point is that a loss of detected signal is Observed in the segments located after the EDF [7-11]. This behavior is not observed in the OFs of other kinds.
In the following tests, the light-pipe containing the EDF (OF "HE-980" with length 0.7 m) is put in heating or cooling chamber. The short length of the EDF does not allovv a clcar separation of characteristics of the segments with transformed temperature to be achieved, as it was possible in earlier tests with other OF kinds [7-11],
If the temperature changes from -10 °C to +130 °C the MBBS maximum for the EDF will shift from 10.67 GHz to 10.79 Gl-Iz [5-7].
T-Comm Tом 13. #4-2019
The reason for this is thai a velocity of the hyperacoustic wave in OF and an effective refraction index depend on concentration of dope additives.
The results of the tests are demonstrated the considerable differences in dependencies of MBBS of the F.DF.
The rise ("hump") of about 3 dB in the backseattered signal level at the EDF initial for all kinds (at a distance of about I m from the joint) is clearly visible after that the sharp drop in the backscatlered signal level (more than 4 dB/m) is seen.
The segments located after the EDF longer than 3 m are nearly not observed in the re Hectogram due to the sharp drop in the level of the tested and backseattered signals.
Tests with an EDF and a pump radiation are of interest for further studies.
References
1. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Methods and means of monitoring and early diagnostics of fiber-optical transmission lines. Omsk: Publishing house OmSTU, 2013. 192 p.
2. Agraval G. Nonlinear Fiber Optics. SPb, Lan\ 201 1. 592 p,
3. Bogachkov I.V., Lutchenko S.S., Kopytov E.Y. Determination of the availability factor of fiber optic communication lines depending on external actions and diagnosis errors // T-Comm. 2018. Vol. 12. No. 6, pp. 51-55.
4. Lutchenko S.S., Bogachkov I.V. Influence of the optical fiber strain on the availability of fiber-optic communication lines // Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications (SINKHROINPO-2018). Minsk. 2018, pp. 1-4.
5. Bogachkov I.V. Researches of the Mandelstam - Brillouin backscauer spectrum in the erbium-doped optical fiber II T-Comm. 2017. Vol. II.No. 6,pp. 59-63.
6. Trukhina A.I., Bogachkov I.V. Experimental Testing of the Mandelstam - Brillouin Scattering Features in the Erbium-Doped Optical Fiber", Systems of Signal Synchronization. Generating and Processing in Telecommunications (S1NKHROINFO-2QI7). 2017, pp. 1-6.
7. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Researches of the Mandelstam -Brillouin Back sea Iter Features in the Erbium-Doped Optical Fiber // 14th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering. Proceedings, Novosibirsk, 2018. Vol. I, p. 1. pp. 322-326.
8. Bogachkov I.V. Research Characteristics of the Mandelstam -Brillouin Scattering in Specialized Single-mode Optical Fibers // Dynamics of Systems. Mechanisms and Machines (Dynamics-2017) -Proceedings. Omsk. 2017, pp. 1-6.
9. Bogachkov I .V. A Classification of Optical Fibers Types on the Characteristics of the Mandelstam - Brillouin Backscauer Spectrum II Ural Symposium on Biomedical Engineering. Radioelectronics and Information Technology (USBEREIT-2018) Proceedings. Yekaterinburg, 2018, pp. 308-312.
10. Bogachkov I.V. Detection of initial level of Brillouin frequency shift in optical fibers of different types II Journal of Physics: Conference Series, 2018. Vol. 1015 (2018), pp. I-G.
11. Bogachkov I.V., Trukhina A.I. Researches of Initial Value of the Brillouin Frequency Shift ill Optical Fibers of Different Types II Systems of signals generating and processing in the field of onboard communications. Proceedings. Moscow. 2018, pp. 1-4.
12. Bogachkov I.V., Inivatov D.P.. Kireev A.P., Gorlov N.l, A Determination of Optical Fibers Types on the Spectrum Profile of the Mandelstam - Brillouin Scatter // Nth International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering. Proceedings. Novosibirsk. 2018. Vol. I, p. I, pp. 317-321.
13. Bogachkov I.V., Trukhina A.I., Inivatov D.P., kireev A.P., Gorlov N.l. A classification of optical fibers types on the spectrum profile of ihe Mandelstam - Brillouin backscattering // Dynamics of Systems, Mechanisms and Machines (Dynamics-2018). Proceedings. Omsk. 2018, pp. 1-6.
14. Certificate 23734 of electronic resource registration. Program for automatically detection the of optical fiber types on Brillouin traces I I.V. Bogachkov, D.P. inivatov, A.G. Choban (Russia, OmSTU}, publ. 14.08.2018.
15. Certificate 2019610752 of state registration of computer programs. Program for classification of optical fiber kinds on Brillouin reflectograms / Bogachkov I.V. (Russia, OmSTU). 2018662391, 07.11.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИд ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА - БРИЛЛЮЭНАВ ЭРБИЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ
Богачков Игорь Викторович, Омский государственный технический университет (ОмГТУ), Омск, Россия,
Аннотация
Важной задачей ранней диагностики волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) является своевременное обнаружение в оптических волокнах (ОВ) участков с повышенным механическим напряжением, с продольным натяжением, изменённой температурой, изгибами ОВ и т. д. Это позволяет принять необходимые меры по устранению проблемы до начала разрушения ВОЛС. Наличие продольных механических натяжений в ОВ ВОЛС может привести к преждевременному разрушению ОВ. Температурные изменения в ОВ также могут сигнализировать о проблемах в ВОЛС. Для обнаружения участков ОВ с изменёнными температурой или продольным натяжением используются брюллиэновские оптические импульсные рефлектометры (БОИР), принцип работы которых основан на анализе спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна (СРМБ). ОВ, легированное эрбием определенной концентрации, (ОВЛЭ) применяется в эрбиевых оптических усилителях, получивших широкое распространение в настоящее время особенно в ВОЛС с волновым разделением каналов. Для повышения устойчивости ОВЛЭ к действию радиации осуществляется легирование не только ионами эрбия, но и других добавок, например церием. Исследования показали, что строение сердечника ОВ, конфигурация и состав его слоёв влияют на характеристики СРМБ. С помощью БОИР можно обнаружить и по форме профиля СРМБ классифицировать в световоде участки ОВ различных видов, в том числе ОВЛЭ. Поскольку в БОИР уровни мощности сигнала, вводимого в ОВ, значительны, представляет особый интерес исследование СРМБ в различных типах ОВЛЭ при различных уровнях мощности вводимого сигнала и воздействиях. С целью изучения характеристик СРМБ в различных видах одномодовых ОВ, легированных эрбием, от различных производителей при различных воздействиях были проведены экспериментальные исследования с помощью БОИР "Ando AQ 8603". Приведены результаты исследований СРМБ в ОВЛЭ нескольких различных видов, описано влияние характеристик сердечника и легирующих слоев ОВ на величину бриллюэновского сдвига частоты и профиль СРМБ. Приведены ре-флектограммы бриллюэновского рефлектометра, на которых показаны распределение СРМБ по длине световода, распределение натяжения и уровня обратно отражённого сигнала. На рефлектограммах чётко видны участки, содержащие отрезки ОВЛЭ. На графиках уровня обратно отражённого сигнала вдоль световода хорошо заметен подъём примерно на 3 дБ в начале ОВЛЭ (на расстоянии примерно 1 м от места стыка), после которого наблюдается стремительное падение уровня отражённого сигнала (более 4 дБ/м), в результате чего следующие за ОВЛЭ (длиной более 3 м) участки световода на БОИР-рефлектограммах не видны. Данный эффект можно объяснить тем, что при отсутствии излучения накачки, активные слои ОВЛЭ поглощают входной сигнал БОИР, что приводит к истощению обратно отраженного сигнала РМБ. При изменении уровня мощности сигнала, вводимого в ОВ, этот эффект сохранялся. У других разновидностей ОВ подобные эффекты не наблюдались.
Ключевые слова: легированное эрбием оптическое волокно, рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, натяжение, бриллюэновский сдвиг частоты, ранняя диагностика, бриллюэновский рефлектометр, профиль спектра.
Литература
1. Богачков И.В., Горлов Н.И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013. 192 с.
2. Агравал Г. Применение нелинейной оптики. СПб: Лань, 2011. 592 с.
3. Богачков И. В., Лутченко С. С., Копытов Е. Ю. Определение коэффициента готовности ВОЛС в зависимости от внешних воздействий и ошибок диагностирования // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2018. Т. 12, № 6. С. 51-55.
4. Лутченко С.С., Богачков И.В. Влияние натяжения оптического волокна на коэффициент готовности ВОЛС // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. М.: Медиа Паблишер, 2018. Т. 9, №2. С. 125-130.
5. Богачков И.В. Исследования спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в легированном эрбием оптическом волокне // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2017. Т. 11, № 6. С. 59-63.
6. Богачков И.В., Трухина А.И. Экспериментальные исследования особенностей рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в оптическом волокне, легированном эрбием // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. М.: Медиа Паблишер, 2017. Т. 8. №3. С. 15-18.
7. Богачков И.В., Горлов Н.И. Изучение свойств обратного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна оптическом волокне, в легированном эрбием // Тр. 14-й Междунар. конф. АПЭП. Новосибирск, 2018. Т. 1, ч. 2. С. 322-326.
8. Богачков И.В. Исследования характеристик рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в специализированных одномодовых оптических волокнах // Динамика систем, механизмов и машин. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2017. Т. 5, №4. С. 4-8.
9. Богачков И.В. Изучение рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в оптическом волокне, легированном эрбием // Сб. докладов 2-й Всерос. конф. "Оптическая рефлектометрия - 2018". Пермь, 2018. С. 60-62.
10. Богачков И.В., Иниватов Д.П., Киреев А.П. Классификация разновидностей оптических волокон по характеристикам спектра рассеяния Мандельштама-Бриллюэна // Современные проблемы телекоммуникаций: Мат. Рос. науч.-техн. конф. Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2018. С. 227-232.
11. Горлов Н.И., Богачков И.В., Трухина А.И., Иниватов Д.П., Киреев А.П. Классификация оптических волокон по профилю спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна // Системы синхронизации, формирования и обработки сигналов. М.: Медиа Паблишер, 2018. Т. 9, №1. С. 59-62.
12. Богачков И.В., Иниватов Д.П., Киреев А.П., Горлов Н.И. Определение разновидностей оптических волокон по характеристикам спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна // Тр. XIV-ой междунар. науч.-техн. конф. IEEE АПЭП. Новосибирск, 2018. Т. 3. С. 75-79.
13. Богачков И.В., Трухина А.И., Иниватов Д.П., Киреев А.П., Горлов Н.И. Классификация оптических волокон по профилю спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна // Динамика систем, механизмов и машин. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2018. Т. 6. № 4. С. 96-100.
14. Свидетельство о регистрации электронного ресурса 23734. Программа для автоматического определения типа оптического волокна по бриллюэновской рефлектограмме / И.В. Богачков, Д.П. Иниватов, А.Г. Чобан (Россия, ОмГТУ); опубл. 14.08.2018.
15. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ 2019610752. Программа для классификации разновидностей оптических волокон по бриллюэновским рефлектограммам / И.В. Богачков (Россия, ОмГТУ). 2018662391; заявлено 07.11.2018; опубл. 18.01.2019.
Информация об авторе:
Богачков Игорь Викторович, к.т.н., доцент; доцент кафедры "Средства связи и информационная безопасность" Омского государственного технического университета (ОмГТУ), Senior Member IEEE, Омск, Россия
