МЕТОД БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

УДК 621.317.08:681.7.068.4

А.С. Бельский

МЕТОД БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

Метод бриллюэновской рефлектометрии представляет собой разновидность рефлектометрического способа исследования оптических волокон, отличительной особенностью которой является использование явлений спонтанного и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллю-эна.

Ключевые слова: Бриллюэновский рефлектометр, ранняя диагностика, волна Стокса, эффект Доплера, натяжение волокна.

1. Введение

В настоящее время, особую актуальность имеет обеспечение многолетней надёжности оптических линий. А для этого необходимы соответствующие условия эксплуатации, одним из которых является отсутствие механических напряжений. Трещины всегда присутствуют на поверхности стекла, но развиваются они только при его деформации, либо недолжном содержании. Так, если волокно растянуто, то трещина будет расти лавинообразно, и приведёт к обрыву волокна. Деформация волокна связана с грозовыми, сейсмическими и ветровыми влияниями, а также с электоэрозией оболочек световодов вблизи высоковольтных проводов и дефектообразований в местах соединений волокон под действием вечной мерзлоты. В оптических кабелях со свободной укладкой модулей, где в результате эксплуатации при низких температурах из-за разности коэффициентов термического расширения металлической и волоконной части (соответственно 12,9 • 10 6 • С 1 и 8 • 10 7 • С 1), происходит процесс продольного сжатия волоконных модулей. При этом модули (в идеальном случае) располагаются спиралью. При понижении температуры на волокно действуют силы осесимметричного сжатия, собственного температурного сжатия кварца, а также силы сжатия в продольном и поперечном направлениях. Осесимметричное сжатие вызвано усадкой и возможной кристаллизацией полимерных оболочек и гелевого наполнителя оптического модуля, меняющего числовую апертуру световода. Всё это, соответственно изменяет оптические характеристики волокна. В процессе эксплуатации кабель испытывает циклические нагрузки при изменении ветрового напора и температуры, что приводит к наложению колебаний разной длины волны и амплитуды. Если, ввиду малости диаметра укладки ОВ жгута его можно считать струной, то этими колебаниями являются: стоячая волна самого волоконного жгута; собственные колебания кабеля (вибрация) с длиной волны Л ~10м и амплитудой А ~3мм; периодические ветровые нагрузки, вызывающие колебания с длиной волны Л~2Lм и амплитудой до А ~ 1м. Подобная цикличность изменения нагрузки на ОВ также ведёт к плавной деградации волновода. Температурная зависимость показателя преломления приводит к временной задержке импульса излучения, распространяющегося по световоду. Для обеспечения надёжности и длительного срока эксплуатации волоконно-оптических линий, необходима достоверная информация о натяжении волокна в кабеле [l]. На данный момент созданы средства измерений, которые позволяют выявить места оптического волокна с повреждениями оболочки. Ими являются оптические рефлектометры обратного брил-люэновского рассеяния (BOTDR).

2. Бриллюэновский рефлектометр

Бриллюэновский рефлектометр (BOTDR) работает по принципу бриллюэновского рассеяния, измеряя временные зависимости сдвига частот обратного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна относительно частоты зондирующего оптического излучения. Отличия такого рефлектометра в большом динамическом диапазоне при удовлетворительной разрешающей способности, а также в его предназначении для измерений с относительно малыми погрешностями [з]. Источником излучения служит DFB лазер, частотная модуляция излучения осуществляется акустооптической ячейкой (АОМ), импульсная модуляция - электроабсорбционным модулятором (ЕОМ), а поляризационная модуляция - фарадевским вращателем (FC). Излучение накачки вводится в волокно, а рассеянная назад мощность передается с помощью волоконного ответвителя на вход фотоприемника (рис. 1).

© Бельский А.С., 2019.

Научный руководитель: Горлов Николай Ильич - доктор технических наук, профессор, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Россия.

Рис. 1. Оптическая схема бриллюэновского рефлектометра

2.1 Волна Стокса

Спектр обратной волны, рассеянной в волокне, содержит релеевскую компоненту (частота которой равна частоте накачки (/ + Л/) ) и две бриллюэновские (стоксову и антистоксову). Стоксова компонента

смещена по частоте вниз (/ + Л/ - / ) , а антистоксова вверх (/ + Л/ + / ) (рис.2).

Рис. 2. Спектр рассеянного в волокне света

В спектре обратной волны в волокне кроме несмещенной по частоте компоненты, обусловленной релеевским рассеянием света, присутствуют также спектральные компоненты, вызванные бриллюэнов-ским и рамановским рассеянием света. Появление этих компонент можно пояснить следующим образом. При релеевском рассеянии свет рассеивается на замороженных в волокне флуктуациях показателя преломления, и поэтому частота рассеянного света не меняется. При бриллюэновском и рамановском рассеянии частота рассеянного света меняется, так как рассеяние происходит на переменных во времени флуктуа-циях показателя преломления (вызванных, соответственно, тепловыми колебаниями плотности среды и внутримолекулярными колебаниями).

Для выделения нужной компоненты (обычно стоксовой как более мощной) используется когерентный прием излучения. Для этого часть мощности излучения DFB лазера ответвляется непосредственно на вход фотоприемника, где оно смешивается с излучением, рассеянным в волокне.

При мощности импульсов света менее 25...30 дБм релеевское рассеяние света вносит основной вклад в мощность обратной волны, в сравнении с коэффициентом бриллюэновского рассеяния

а = 0,03 / Я, который примерно на 14 дБ меньше коэффициента релеевского рассеяния а^ = 0,75 / Л4, где Л - длина волны излучения в (мкм).

Более слабые спектральные компоненты, обусловленные спонтанным бриллюэновским рассеянием света (SPBS - Spontaneous Brillouin Scattering), могут быть выделены с помощью оптического фильтра, так как они достаточно далеко разнесены по частоте. Эти компоненты интересны тем, что могут быть использованы для построения.

Мощность на входе,

Рис. 3. Зависимость отражённой мощности от мощности на входе в волокно

Из рис.3 видно, что при достижении порогового значения (~5 дБм при непрерывной накачке) зависимость отраженной мощности от мощности накачки становится нелинейной. При пороговой мощности накачки вклад от SBS рассеяния становится сравнимым с релеевским рассеянием. Видно также, что при увеличении мощности накачки в несколько раз почти вся мощность отражается от волокна.

Спектральные компоненты, обусловленные бриллюэновским рассеянием света, обладают важным для практических применений свойством, таким, что их частота смещена на величину пропорциональную натяжению (относительному удлинению 8 ) волокна:

/ = / БО + К ,

где: /бо - смещение частоты в отсутствие натяжения волокна

В волокне бриллюэновское рассеяние наблюдается только назад (частотный сдвиг между накачкой и волной, рассеянной в прямом направлении равен нулю). Волна, отраженная от такой движущейся дифракционной решетки, в силу эффекта Доплера будет смещена по частоте на величину:

Л =

2VnЛ 2Vn

If о =-

V с ) Л

где: У = 5,7км / с - скорость звука в волокне; п = 1,46 - показатель преломления волокна; с = 3 • 105 км / с - скорость света в вакууме На длине волны Л = 1550нм смещение частоты / = 10,7ГГц .

От натяжения волокна зависит величина скорости звука Уа и показатель преломления п. В свою очередь, скорость звука Уа =у/Е / р зависит от модуля Юнга (Е = 70ГПа = 7 • 1010 н / м2) и плотности кварцевого стекла (р = 2,2кг / м3) . Для стандартного одномодового волокна (8МБ) измеренное значение коэффициента К = (/Б - /Б0 / г) равно: 490 МГц (Л = 1550 нм) и 580 МГц (Л = 1310нм) .

3. Достоинства бриллюэновской рефлектометрии

У метода бриллюэновской рефлектометрии есть несколько основных достоинств. Это практически единственный оптический метод, позволяющий измерить величину абсолютного натяжения волокна. Для

этого нужно лишь измерить частоту максимального сигнала в спектре бриллюэновского рассеяния и не нужно подвергать волокно дополнительному растяжению.

В рефлектограммах, полученных с помощью BOTDR, нет выбросов сигнала, спровоцированных отражением импульсов света от оптических разъемов волокна. В обычных OTDR эти отраженные импульсы становятся причиной насыщения фотоприемника и появления мертвых зон. В BOTDR эти импульсы появляются, так как при отражении от оптических разъемов и торца волокна частота света не меняется. В BOTDR фиксируются только те отраженные импульсы света, которые имеют несущую частоту, смещенную на величину fБ. К тому же, невзирая на то, что в BOTDR реализуется когерентный прием излучения, рефлектограмма не зашумлена, как это должно наблюдаться при когерентном приеме рассеянного излучения. Потому как в BOTDR фиксируется свет, рассеянный не на релеевских центрах, а на тепловых флук-туациях показателя преломления. Поскольку время жизни акустического фонона меньше по сравнению со временем измерений, то амплитуда и фаза волн, рассеянных на этих неоднородностях, эффективно усредняется.

4. Заключение

С целью экономии времени при поиске неисправностей и предоставления полной картины возникших проблем, прогнозирования неисправностей, а также для повышения эффективности системы технического обслуживания в системах автоматического мониторинга используются бриллюэновские рефлектометры. Системы мониторинга состоят из системы удаленного контроля и программы с привязкой топологии сети к географическим данным участка, а также приборов доступа тестирования. Главное назначение систем мониторинга заключается в беспрерывной автоматической сборке итоговых данных тестирования оптических волокон и в том, что она проводит их статистический анализ. Применяя его с рефлектометрами BOTDR, можно обеспечить возможность обнаружения и прогнозирования повреждений волокна, не дожидаясь времени, когда они создадут серьезные проблемы в сети. В таких системах можно осуществить множество разнообразных схем и методов контроля состояния волокон и кабеля. Как известно, большинство неисправностей возникают из-за повреждения кабеля. При условии тестирования, по крайней мере, одного волокна в кабеле, эти неисправности будут выявлены. Следовательно, системы мониторинга дают возможность обслуживающему персоналу моментально определять участок, где произошел сбой и оценить уровень потерь в волокне кабеля. Это значительно экономит время обнаружения неполадок [2].

К тому же системы мониторинга сети могут обнаруживать несанкционированное подключение к волокну за счет потерь мощности передаваемого сигнала, что говорит о повышении безопасности сети. В то время как растет необходимость решить задачу бесперебойной работы сети, традиционные стратегии технической проверки неисправностей сети теряют свою эффективность.

Одной из актуальных проблем нашего времени является обеспечение бесперебойной работы пассивных оптических сетей, сущность которой заключается в своевременном обнаружении неполадок в оптическом волокне в период их эксплуатации и постоянном контроле их технического состояния. К тому же пока на практике не используют метод прогнозирования технического состояния оптических волокон, дистанционно контролируя дефекты оболочки волокна.

Библиографический список

1. А. В. Листвин, В. Н. Листвин. Рефлектометрия оптических волокон — М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208с.

2. С. Е. Некрасов. Системы дистанционного мониторинга оптических кабелей. — Технологии и средства связи, 2000, №5, с. 28-32.

3. Л. Радомиров, Ю. Г. Скопин, А.Б. Иванов. Методы и оборудование удаленного тестирования ВОЛС. Вестник связи, 5, 1998, стр. 64 — 72.

БЕЛЬСКИЙ АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ - бакалавр, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, Россия.