Исследования характеристик рассеяния Мандельштама-Бриллюэна в оптических волокнах с различными законами дисперсии

ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ МАНДЕЛЬШТАМА - БРИЛЛЮЭНА В ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКНАХ С РАЗЛИЧНЫМИ ЗАКОНАМИ ДИСПЕРСИИ

Богачков Игорь Викторович,

к.т.н., доцент, доцент кафедры "Средства связи и информационная безопасность" ("ССИБ") ОмГТУ, Омск, Россия, bogachkov@mail.ru

Ключевые слова: бриллюэновская рефлектометрия, бриллюэновское

рассеяние, натяжение, рефлектометр, оптоволокно, смещённая дисперсия.

Представлены результаты экспериментальных исследований характеристик спектра рассеяния Мандельштама - Бриллюэна (бриллюэновского рассеяния) в оптических волокнах (ОВ) с различными дисперсионными характеристиками (законами поведения дисперсии). Для оценки надежности волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) необходимо иметь достоверную информацию о физическом состоянии волокон в оптическом кабеле, так как при повышенных натяжениях может наблюдаться преждевременное старение и деградации волокна, что приводит к его разрушению. Температурные изменения в ОВ также могут сигнализировать о появлении "проблемного" участка на трассе прокладки ВОЛС. Метод брил-люэновской рефлектометрии является наиболее эффективным для определения степени натяжения оптоволокна.

Представлены результаты экспериментальных исследований спектра бриллюэновского рассеяния (СБР) ОВ с различными дисперсионными характеристиками, проведённых при содействии ЗАО "Москабель-Фуджи-кура" (г. Москва). Приведены графики распределения спектра бриллюэ-новского рассеяния, рефлектограмм распределения натяжения вдоль оптических волокон с различными дисперсионными характеристиками (рекомендации G.652, G.653, G.655 и G.657) при различных температурах. Построены итоговые температурные зависимости смещения максимума СБР (бриллюэновского сдвига частоты) и натяжения для различных видов оптических волокон. Зависимости бриллюэновского сдвига частоты и соответствующих характеристик натяжения от величины продольной растягивающей силы и температуры имеют линейный характер.Первый максимум СБР у оптических волокон с нулевой (DSF) и ненулевой (NZDSF) смещённой дисперсией имеет существенный сдвиг в область меньших частот по сравнению с обычными одномодовыми волокнами. Соответственно графики натяжения DSF и NZDSF при обычной методике анализа по сравнению с обычными ОВ имеют существенное смещение в отрицательную область: NZDSF - на 0,4%, а DSF на - 0,7%. Характеристики G.657 отличаются от характеристик G.652 незначительно.

Для цитирования:

Богачков И.В. Исследования характеристик рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в оптических волокнах с различными законами дисперсии // Т-Сотт: Телекоммуникации и транспорт. 2016. Том 10. №11. С. 40-45.

For citation:

Bogachkov I.V. Researches of Mandelstam - Brillouin backscatter characteristics in optical fibers with different dispersion laws. T-Comm. 2016. Vol. 10. No.11, pp. 40-45.

Как известно, в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) применяются одномодовые оптические волокна (ОВ) с различными дисперсионными характеристиками (законами поведения дисперсии) [1-3].

ОВ со смещённой дисперсией (DSF - dispersion-shifted single mode fiber, рекомендация 0.653) нашли распространение в протяженных ВОЛС. В этих ОВ частотная характеристика дисперсии смешена так, что минимальная («нулевая») дисперсия попадает в «окно» Х = 1550 нм [1-3].

Однако известно, что применение этих ОВ в волоконно-оптических системах со спектральным уплотнением (WDM - Wavelength Division Multiplexing) натолкнулось на трудности, связанные с появлением нелинейных эффектов, таких как четырех волновое смешение (смешивание).

Это привело к появлению ОВ с ненулевой смещенной дисперсией (NZDSF - non-zero dispersion-shifted single mode fiber, рекомендация G.655), оптимизированных именно для протяженных WDM-еистем [2].

Для оценки надежности ВОЛС необходимо иметь достоверную и своевременную информацию о натяжении ОВ в оптическом кабеле (ОК), так как за последние десятилетия проявилась проблема преждевременного старения и деградации ОВ, которые находятся иод воздействием повышенных механических напряжений. Для своевременного выявления проблемных участков ОВ необходимо проводить мониторинг и раннюю диагностику ВОЛС.

Температурные изменения в ОВ также могут сигнализировать о появлении «проблемного» участка на трассе прокладки ВОЛС.

Например, повышение температуры участка ВОЛС может наблюдаться при прорыве теплотрассы в месте прокладки ОК, а в зимнее время наоборот, может наблюдаться понижение температуры участка ВОЛС при появления трещин в почве или иных разрушений на трассе прокладки ОК.

Своевременное обнаружение такого участка позволяет принять необходимые меры по устранению аварии до разрушения ВОЛС.

Обычные оптические импульсные рефлектометры не в состоянии определить участки ОВ с повышенным натяжением и изменённой температурой [1-5].

Одним из эффективных методов определения степени натяжения ОВ является метод бриллюэновской рефлекто-метрии, в основанный на анализе спектра вынужденного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна (далее бриллюэнов-СКое рассеяние — БР) в ОВ [1,2].

Для ранней диагностики ВОЛС применяются бриллю-эновекие рефлектометры (BOTDR - Brillouifl optical lime-domain reflectometers), которые измеряют характеристики БР в ОВ и на основе их анализа позволяют прогнозировать обрыв ОВ, причём им для измерений характеристик ОВ необходим доступ только к одному концу ОВ [2, 31.

Дчя возникновения БР в ОВ необходимо, чтобы интенсивность светового сигнала в волокне превысила некоторый пороговый уровень.

Известно [1-5], что обусловленные БР спектральные компоненты обладают тем важным для практических применений свойством, что их частота смещена на величину, пропорциональную степени натяжения волокна и его температуре.

Продольная растягивающая сила, приложенная к ОВ, изменяет его модуль Юнга, который в свою очередь влияет на

изменение скорости гиперакустической волны. Зондируя ОВ короткими импульсами и сканируя несущую частоту этих импульсов, можно найти распределение спектра бриллю-эновского рассеяния (СБР) вдоль ОВ.

Анализируя картину распределения СБР в ОВ (значения максимумов СБР), можно определить величину бридлю-эновекою сдвига частоты вдоль ОВ, а после этого и распределение натяжения вдоль ОВ [3-5].

В работах [3-5] были рассмотрены вопросы построения математических моделей БР в О В и исследовании влияния параметров натяжения ОВ на его спектр.

Поскольку при работе BOTDR уровни мощности сигнала, вводимого в ОВ, значительны и приводят к нелинейным эффектам, представляет особый интерес анализ СБР и определение механически напряженных участков ОВ со смещенной дисперсией (DSK и NZDSF).

С целью проверки влияния нелинейных эффектов на СБР в DSF и NZDSF, уточнения моделей и проверки результатов моделирования были проведены экспериментальные исследования с В ОТ i Ж «Ando AQ 8603» ОВ (рекомендации G.652, G.653, G.655 и G.657) с различными дисперсионными характеристиками при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура» (г. Москва) [6-10].

В первом рассматриваемом ниже эксперименте изучалось СБР в ОВ со смещённой дисперсией (DSF, G.653), оценивались его характеристик натяжения, был проведён анализ взаимного влияния ОВ е различными законами изменения дисперсии.

Световод был составлен из обычного одномодового ОВ I нормализующей катушки (G.652, длина около 450 м), соединённого сваркой с протяженным ОВ со смещённой дисперсией (DSF) (ОВ 2, G.652, длина более 1,5 км).

На рисунке 1 представлена картина СБР (3D-рефлектограмма) в области места сварки, на которой видно распределение СБР по длине световода,

место Профиль СВР в OB-DSF

стажа i * ОВ2 10.3 ГГц

ШШШШ'"

DiatsnoB11 0.9/XV0 kB rill

Ranqa; Ski« IOR i|l 4МЮ V.M. 30i» Ava. !214 Rao. . OJOm rrequnnpy stm: ю.зоовн* s«n*<J.«; ig/so stuji £ и.ЗВООНх íwnnp i ЗОИH* ä Максимумы С БР /t f.f4

Рис, 1. Картина распределения СБР в области стыка с DSF

Место сварки хорошо заметно по резкому изменению распределения СБР и натяжения. Следует отметить взаимное проникновение СБР волокон друг в друга в месте стыка, что может привести к существенным искажениям результатов [6, 8].

На рисунке 2 показана соответствующая полученным картинам СБР в DSF в области стыка ОВ зависимость (мульти-рефлектограмма) натяжения (Strain), СБР, ширины СБР (B.S.W) и потерь (Loss).

T-Comm Vol. 10. #11-2016

о»; OB-DSF

S|>m-ttum"j

1

.14 / ]

П . S . W1 «<1 I]

"1 Tr-v

----

Ávn . г Я" 14 П'лцивнау S tut I 10 , stop : 11.7006ИХ

1 . 4 <7 О i g

з о.го»

. ÍO/40

ш.....1 i

Рис. 2. Мульти-рефлектограмма DSF в области стыка 0В, соответствующая 3Э-рефлектограмме па рис. 1

Из рисунках 1-2 видно, что картина СБР у ОВ 2 (08К) вместо обычного ярко выраженного «горба» на характеристике (что наблюдается у обычных ОВ, - рис. 3), имеет три «горба», разделенных двумя провалами [6-10].

При этом отраженная от ОВ 2 волна со смещённым спектром проникла в ОВ 1 и привела к некоторому искажению спектра на небольшом участке ОВ 1, прилегающем к месту сварки [6, 8].

Для сравнения на рис. 3 приведена мульти-рефлектограмма, взятая на участке световода с обычным ОВ (ОВ I), на которой СБР имеет обычный характер (только один «горб»).

ÖB1 ÓB2 I OB-DSF

| »rillonln Spgctr

I .111

a.

In

(kl П wi№ b

ГЕ*ФИпогт U . IIHD4H3

I: ....... Hk» ЮЛ

P.W. " >:._

»vn. 1 IUI

am', ln>l»i 11 П1 Ich./ 1'и#фН11Ц.у fciLv IVO Uli f / : 1 4 Г. II L11

Рис. 3. Мульти-рефлекто грамм a OI31 в области стыка с DSF, соответствующая 3 D-реф л е кто грамме на рис. 1

Первый максимум обнаруживается на частоте 10,47 ГГц, второй максимум - на частоте 10,67 ГГц, третий - на частоте 10.87 I Гц.

Обычно для анализа СБР и определения натяжения в ОВ используют первый максимум [6, 8|. хотя в DSF явно наблюдается перераспределение спектра |3-5].

Из графиков следует, что полученные оценки СБР для различных максимумов и всех соответствующих характеристик различаются.

Второе волокно (DSF) но данным измерении (график натяжения на рисунках 2-3) и оценкой по первому максимуму оказалось «сжатым» (отрицательное натяжение) до 0,75%, хотя каких либо предпосылок .тля этого (например, охлаждения до температур, порядка - 50°С) не было.

Анализ результатов эксперимента показа,'!, что в ОВ со смещённой дисперсией СБ!1 имеет явные отличия от обычных одномодовых ОВ, и обычный алгоритм определения характеристик натяжения («проблемных» участков) в этом

случае дает недостоверные результаты |8-10|. Необходимо производить коррекцию алгоритма вычисления натяжения ОВ с учетом перераспределения спектральных составляющих, получаемых BOTDR.

При соединении DSF с другими типами ОВ следует учитывать, что СБР волокон проникает друг в друга, что вызывает искажения результатов измерений и вычислений, поэтому измерения характеристик ОВ необходимо проводить на некотором расстоянии от места соединения

[9, Ю].

IIa рисунках 4-7 приведены примеры изменения СБР и, соответственно, характеристик DSF при изменениях температуры.

На рисунке 4 показана картина распределения СБР при нагреве участка DSF до +100°С.

н сип гретый

Ь1Й / Л.

юн

i : ч.. _

t LI Ihr

F I гфктн у

XCarl i lOiXiHz l.^i] II/»

Hup i 1 I .'HOUH i KW« nii FtHli

Рис, 4. Изменение СБР при нагреве участка DSF до +100°С

IIa рисунке 5 показана картина распределения СБР в световоде при охлаждении участка DSF до -10°С. Как и у обычного ОВ, наблюдается очевидное смещение СБР, и как следствие, изменение натяжения.

охляааенныи I участок , * DSF |

участок DSt 4 при. 25°( i

Т / г»

(U Г.Н/

Рис. 5. Изменение СБР при охлаждении участка DSF до -10°С

На рисунке 6 представлена соответствующая картина изменения натяжения в DSF при нагреве участка до +100°С, а на рисунке 7 - картина изменения натяжения прн охлаждении участка DSF до-10°С.

Во втором эксперименте световод был составлен из ОВ нормализующей катушки OBI (С.652, длина 144 м), соединённого сваркой с NZDSF (ОВ2, G.655, длина I i м), которое в свою очередь соединено с ÓB3 {G.657, длина 5 м).

Полученная в этом эксперименте картина СБР по длине световода представлена на рисунке 8. Профиль СБР NZDSF на нагретом участке отмечен штриховой линией.

У

Натяжение, %

;

Oli 1 (G.652 fcss

. J* .....

.-¿н+гГЕ^

x ."»-Г №

• .< ......

...... ...... NZDSF (G.655) г»*"*

• >• ...... Г

1 емперггура UH, "1

-25 0 2 5 5 0 75 190 125 150 l75 мо 225 250

Рис. 11. Температурные зависимости натяжения для различных видов О В

Как следует из экспериментов [8, 10], натяжение N¿0^ имеет меньшее смешение СБР и сторону меньших частот, и меньшее смещение натяжения в отрицательную область, но сравнению с

Характеристики волокон 0.657 и 0.652 отличаются незначительно и проходят выше характеристик ^ОБИ.

Полученные результаты подтвердили возможность обнаружения участков с измененной температурой О В на основании анализа СБР в нём.

В результате анализа спектра бриллюэновского рассеяния были построены температурные зависимости для различных видов оптических волокон: 0.652, 0.653, С.655, 0.657.

Для всех видов волокон, рассмотренных в работе, наблюдалась линейная зависимость бриллюэновского частотного сдвига и соответствующих характеристик натяжения.

Оказалось, что ^ОЯБ по характеристикам СБР и натяжения занимает промежуточное положение между обычными ОВ (0.652) и ГЖР (0.653).

При обычной методике анализа для получается

отрицательное натяжение, хотя и существенно меньшее, чем для ОЗР (&653) (на 0,4%).

Характеристики 0.657 отличаются от характеристик С.652 незначительно и проходят выше характеристик N205?.

Также были проведены экспериментальные исследования волокон различных видов при воздействии на его участок продольной растягивающей силы [6, 12]. Зависимость бриллюэновского сдвига частоты и натяжения от величины продольной растягивающей силы также имеет линейный характер [12],

Следует отметить, что падение уровня сигнала за местом растяжения в проявляется при меньших нагрузках, чем у обычных волокон [8, 9],

1. Богачков И.В.. Горлов НИ. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013,- 192 с,

2. Листвин А.В., Лист вин ВН. Рефлектометр» я оптических волокон связи. - М.: ЛЕСЛРарт, 2005. - 208 с.

3. Богачков И.В.. Горлов Н.И. Проектирование, строительство и техническая эксплуатация волоконно-оптических линий передачи, -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2013 -2015. - ч. 5.

4. Богачков И.В., Горлов Н.И. Обнаружение механически напряженных участков в волоконно-оптических линиях связи на основе анализа спектра бриллюэновского рассеяния // Телекоммуникации №11, 2015, -М,: Наука и технологии, 2015 - С, 32-38,

5. Bogachkov I.V.. Maistrenko V.A. Search of Mechanical Stressed Sections in Fiber Optical Communication Lines Based on Brillouin Backscattering Spectrum Analysis // Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2015. - Vol, 8, - Issue 7. - Krasnoyarsk, 2016. - Pp. 878-889.

6. Bogachkov I. V. Researching of features of the Brillouin Backscattering Spectrum in Dispersion-Shifted Optical Fibers // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) -2016.-M„ 2016.

7. Богачков И. В., Майстренко В.А. Обнаружение «проблемных» участков в волоконно-оптических линиях связи на основе анализа спектра бриллюэновского рассеяния // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт, 2015. - Том 9. -№11. - С. 19-24.

8. Богачков И.В.. Горлов Н.И. Экспериментальные исследования бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах со смещённой дисперсией // Труды XII-й международной конференции IEEE АПЭП, Т. 3. Новосибирск, 2014. - С. 80-85.

9. Богачков И.В. Проблемы анализа спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах со смешённой дисперсией // Труды Международной научно-технической конференции «Снн-хроикфо-2015», С-Пб, - М,: Медиа Паблишер, 2015. - С. 65-68.

10. Богачков ИВ. Температурные зависимости спектра бриллюэновского рассеяния в оптических волокнах различных видов // Сборник трудов Международной научно-технической конференции «Синхроинфо-2016», Самара, 01-02 июля 2016 г. — М,: Медиа Паблишер, 2016.-С. 139-142.

П. BOTDR Measurement Techniques and Brillouin Backscatter Characteristics of Coming Single-Mode Optical Fibers [Электронный ресурс, дата обращения 30.05.2016] // http://www.corning.com/ media/wo г I d w i de/coc /d ос u mc nts/F i ber/RC -% 2 0 W h i te%2 0 Pa pers/ WP-General/WP4259_01-15.pdf,

12. Богачков И.В., Горлов Н.И. Экспериментальные исследования влияния продольных растягивающих нагрузок на спектр бриллюэновского рассеяння в оптических волокнах // Вестник СибГУТИ. -Новосибирск: Изд-во СибГУТИ, 2015. - Вып. 3 (31). - С. 81-88.

Литература

T-Comm Том 10. #11-2016

COMMUNICATIONS

RESEARCHES OF MANDELSTAM - BRILLOUIN BACKSCATTER CHARACTERISTICS IN OPTICAL FIBERS WITH DIFFERENT DISPERSION LAWS

Igor V. Bogachkov, Docent of "Communication means and information security" department of Omsk State Technical University (OmSTU), Omsk, Russia, bogachkov@mail.ru

Abstract

The results of experimental researches of the Mandelstam - Brillouin backscatter (Brillouin backscatter) spectrum characteristics of the single-mode different types optical fibers with different dispersion characteristics (laws of dispersion behavior)are presented in this work. For reliability assessment of the fiber-optical communication lines (FOL) it is necessary to have reliable information about a physical states of fibers in the optical cable, because the raised strain of the fiber can leads to its degradation and destruction of FOL. Temperature changes in the fiber can also signal about emergence of "problem" section in the FOL laying. The Brillouin reflectome-try method is the most effective for definition of strain degree of the optical fiber. Results of experimental researches of Brillouin backscatter spectrum in fibers with different dispersion characteristics conducted with assistance of JSC "Moskabel-Fudjikura" (Moscow) are provided. The reflectogrames and graphic dependences for the next types of optical fibers: G.652, G.653, G.655 and G.657, which were obtained during the experimental research are shown. The temperature dependences of Brillouin frequency shift and strain for different types of optical fibers are presented. Linear dependence of the Brillouin frequency shift and the corresponding temperature characteristics of the strain was observed for all types of fibers. Analysis, based on the first peak of Brillouin backscatter spectrum assessment, shown that the temperature dependence of the Brillouin frequency shift and strain of DSF (G.653) and NZDSF (G.655) significantly shifted down relative to the dependencies for the usual fiber (G.652). Characteristics of fiber G.657 and G.652 are slightly different.

Keywords: Brillouin reflectometry, Brillouin scatter, strain, reflectometer, optical fiber, shifted dispersion. References

1. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Components of fiber optic communication systems and methods of their parameters control. Omsk: Publishing house OmSTU, 2013. 192 p.

2. Listvin A.V., Listvin V.N. Reflectometry of optical fibers for communication lines. Moscow: LESARart, 2005. 208 p.

3. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Designing, construction and technical operation of fiber-optical communication lines. Omsk: Publishing house OmSTU, 2013. 2015. Vol. 5

4. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Detection of mechanically stressed sections in fiber-optical communication lines on basis of Brillouin backscatter spectrum analysis / Telecommunications. No.11, 2015. Moscow: Science and technologies, 2015. Pp. 32-38.

5. Bogachkov I.V., Maistrenko V.A. Search of mechanical stressed sections in fiber optical communication lines based on Brillouin backscattering spectrum analysis / Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2015. Vol. 8. Issue 7. Krasnoyarsk, 2016. Pp. 878-889.

6. Bogachkov I.V. Researching of features of the Brillouin backscattering spectrum in dispersion-shifted optical fibers / International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON) 2016. Moscow. 2016.

7. Bogachkov I.V., Maistrenko V.A. Detection of "problem" sections in fiber optic communication lines on basis of Brillouin backscatter spectrum analysis / T-Comm, 2015. Vol. 9. No. 11. Pp. 19-24.

8. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Experimental examination of the Brillouin backscattering spectrum in dispersion-shifted optical fibers / IEEE 2014 12th International Conference on Actual Problems of Electronic Instrument Engineering Proceedings. Vol. 1. Pp. 195-200.

9. Bogachkov I.V. Problems of Brillouin backscatter spectrum analysis in Dispersion-Shifted optical fibers / International Conference "SynchroInfo-2015" Proceedings, St-Pb. Moscow: Media Publisher, 2015. Pp. 65-68.

10. Bogachkov I.V. Temperature dependences of Brillouin backscatter spectrum in optical fibers of various types / International Conference "SynchroInfo-2016" Proceedings, Samara. Moscow: Media Publisher, 2016. Pp. 139-142.

11. BOTDR Measurement Techniques and Brillouin Backscatter Characteristics of Corning Single-Mode Optical Fibers [30.05.2016]. http://www.corning.com/media/worldwide/coc/documents/Fiber/RC-%20White%20Papers/WP-General/WP4259_0l-l5.pdf.

12. Bogachkov I.V., Gorlov N.I. Experimental research of influences of longitudinal tensile loads on Brillouin backscatter spectrum in optical fibers / Journal of SibSUTI. Novosibirsk: SibSUTI, 2015. Vol. 3

7TT