- Введение
В последние несколько лет бриллюэновский рефлектометр зарекомендовал себя весьма информативным инструментом, способным обнаруживать участки с нагруженным волокном в проложенных линиях связи в процессе их эксплуатации.
Анализ данных, полученных с помощью бриллюэновского рефлектометра, позволяет эксплуатирующим организациям с большой точностью определить местоположение участка кабельной линии с нагруженными волокнами, оценить уровень их напряжений и прогнозировать надежность кабельной линии. Вполне естественным является применение прибора на заводе – изготовителе оптических кабелей при проведении испытаний, как в процессе отработки конструкции новых изделий, так и при проведении типовых и периодических испытаний.
Стандартными методами определения стойкости кабеля к приложенному растягивающему усилию являются методы, описанные в документе МЭК 60794-1 [1]. Растягивающее усилие прикладывается либо к кабелю на устройстве типа полиспласт, либо просто к секции кабеля. Вне зависимости от вида конфигурации кабель в испытании постепенно растягивают, контролируя его удлинение и натяжение.
Актуальность темы обусловлена стремлением компаний к сокращению затрат, связанных с механическими повреждениями оптических кабелей в процессе монтажа и эксплуатации оптических линий связи. Для решения задач связанных с поиском механического напряжения волокон применяется оборудование описанное в данной статье.
- Теоретические основы
Отклик кварцевого стекла на световое воздействие является нелинейным. Большинство нелинейных эффектов (НЭ) в ОВ возникают из-за нелинейного преломления [2].
К НЭ, имеющим место в ОВ и важным для дальнейшего анализа, относятся:
– вынужденное упругое рассеяние;
– вынужденное неупругое рассеяние.
Первая группа НЭ связана с диэлектрической восприимчивостью третьего порядка , то есть причиной их возникновения является эффект Керра: изменение коэффициента пре-ломления материала под действием электрического поля. К этой категории относятся такие эффекты, как генерация третьей гармоники, четырёхволновое смещение и нелинейное пре-ломление [2].
Второй класс НЭ вызван вынужденным неупругим рассеянием, при котором, в отличие от эффектов первой группы, оптическое поле передаёт часть своей энергии нелинейной среде. К НЭ этой группы относятся вынужденное комбинационное рассеяние и рассеяние Ман-дельштама-Бриллюэна (или бриллюэновское рассеяние) [2]. На уровне квантовой механики эффекты этого класса можно описать как уничтожение фотона накачки с одновременным появлением стоксова фотона и акустического фонона [3].
Существенные различия в методах испытаний наступают лишь при выборе способа регистрации удлинения волокна (независимо от геометрической конфигурации испытательного стенда).
Первый способ состоит в измерении прироста затухания волокна в кабеле, при этом предполагается, что натяжение волокна сопровождается таким приростом. Этот метод определения момента начала натяжения волокна по понятным причинам весьма неточен и зависит от конструкции кабеля и устройства, применяемого для его растяжения. Так, при испытании кабеля с центральной трубкой вообще непонятно, почему должен возникать прирост затухания, если не принимать во внимание краевые эффекты. Для продольно натянутого волокна, не касающегося стенок кабеля, нет прямых механизмов формирования прироста затухания.
Второй метод – метод фазового сдвига, а по существу метод регистрации времени распространения световых импульсов в растягиваемом волокне, логически безупречен. В момент появления растяжения волокна в растягиваемом кабеле оптическая длина пути для световых импульсов начинает расти, время их распространения возрастает, что и регистрирует прибор. Но в реальной ситуации размеры стенда ограничены, прибор регистрирует аккумулированный эффект по длине как натянутого волокна, так и в переходной области, где натяжение плавно возрастает. Более того, в случае сварки нескольких волокон испытываемого кабеля в шлейф возникает дополнительная неопределенность, связанная с возможным разбросом избыточных длин разных волокон. Понятно, что уровень удлинения волокна, обнаруженный таким методом, носит усредненный характер с мелопредсказуемым уровнем ошибки.
Бриллюэновский рефлектометр имеет как минимум одно неоспоримое преимущество – он позволяет измерить распределение уровня натяжения волокна по длине. При этом устраняются все неопределенности, упомянутые выше. Результатом измерений, проводимых бриллюэновским рефлектометром, является хорошо локализованное распределение натяжения, позволяющее выделить и учесть краевые эффекты и разброс натяжений разных волокон в случае их сварки в шлейф.
Принцип действия бриллюэновского рефлектометра (BOTDR) основан на измерении характеристик бриллюэновского рассеяния:
- Распространяющийся вдоль волокна оптический сигнал испытывает бриллюэновское рассеяние
- Рассеяние происходит в результате взаимодействия излучения и акустических фонов в кристаллической решетке
- Параметры бриллюэновского рассеяния зависят от физических свойств оптического волокна
Бриллюэновское рассеяние характеризуется бриллюэновским сдвигом частоты. Бриллюэновский сдвиг частоты зависит от скорости звуковой волны в среде, которая в свою очередь зависит от температуры и механического напряжения.
Структурная схема брюллиэновского рефлектометра содержит источник излучения служит (DFB лазер), частотная модуляция излучения осуществляется акустооптической ячейкой (АОМ), импульсная модуляция – электроабсорбционным модулятором (ЕОМ), а поляризационная модуляция – фарадевским вращателем (FC), затем сигнал усиливается с помощью оптического усилителя мощности (EDFA). Излучение накачки вводится в волокно, а рассеянная в обратном направлении мощность передается с помощью волоконного ответвителя на вход фотоприемника [5]:
Рисунок 2. Оптическая схема бриллюэновского рефлектометра
- Экспериментальные исследования характеристик натяжения оптических волокон
Постановка задачи
С целью уточнения моделей, рассмотренных в [3,4,6], и проверки результатов имитационного моделирования были проведены экспериментальные исследования с БОР «Ando AQ 8603» при содействии ЗАО «Москабель-Фуджикура».
Результат эксперимента
В данном эксперименте световод составлен из ОВ нормализующей катушки (1) (длина 1,73 км), сваренного с другим ОВ (3) (длина 3 км). Место сварки обозначено стрелкой 2, максимум СБР – стрелкой 4. Оба ОВ являются одномодовыми. На расстоянии 2 м от места сварки на ОВ1 было сформировано место, на которое подвешивались гири от 20 г до 500 г.
Катушки были расположены так, чтобы растягивающая сила действовала на ОВ1 только в продольном направлении.
На рис. 3 представлена картина СБР в световоде (3D-рефлектограмма – функция распределения амплитуды отраженного сигнала по длине световода и бриллюэновского сдвига частоты) при отсутствии растягивающего усилия.
На рис. 4 представлена картина СБР при воздействии силы в 2 Н (гиря в 200 г). Как видно из рис. 4, наблюдаются небольшие изменения СБР. При увеличении нагрузки до 4 Н (400 г) изменения СБР проявляются в месте растяжения сильнее, что показано на рис. 5 [7].
Заключение
Бриллюэновский рефлектометр позволяет детально исследовать распределение натяжения волокна в кабеле, подвергающемся продольной нагрузке.
Прибор более точно описывает процесс натяжения волокна, чем альтернативные методы – контроль затухания в волокне – когда регистрируется либо весьма косвенный параметр (затухание), либо интегральный эффект по всей длине волокна соответственно.
Использование бриллюэновского рефлектометра при испытаниях на стойкость кабеля к растягивающим нагрузкам позволяет прогнозировать параметры надежности кабеля даже для случая, когда к волокну прикладываются кратковременные растягивающие нагрузки при прокладке.
Литература
- Optical fibre cables. Generic specification. Basic optical cable test procedures. International Electrotechnical Commission, IEC 60794_1_2, 1999.
- Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ.– М.: Мир, 1996.– 323 с.
- Повышение точности оценки распределённых нерегулярностей в оптических волокнах / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов // Тр. XI-ой междунар. конф. IEEE АПЭП, Т. 3. Новосибирск, 2012.– С. 68 – 70.
- Богачков И. В., Горлов Н. И. Методы и средства мониторинга и ранней диагностики волоконно-оптических линий передачи: монография / И. В. Богачков, Н. И. Горлов. – Омск: Изд-во ОмГТУ, – 192 с.
- Листвин А. В., Листвин В. Н. Рефлектометрия оптических волокон связи. – М.: ЛЕСАРарт, 2005. – 208 с.
- Применение численных методов анализа бриллюэновского рассеяния для оценки распределенных нерегулярностей в волоконно-оптических линиях связи / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов, Н. Ю. Ситнов // Телекоммуникации №2, 2014. – М.: Наука и технологии, 2014 – С. 16 – 20.
- Моделирование бриллюэновского рассеяния для оценки распределённых нерегулярно-стей в оптоволокне / И. В. Богачков, С. В. Овчинников, Н. И. Горлов // Тр. X междунар. конф. IEEE АПЭП, Т. 2. Новосибирск, 2010.– С. 98–100.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИНЦИПОВ РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧ» description=»В данной статье рассматриваются вопросы диагностики оптического волокна (ОВ) с помощью бриллюэновского рефлектометра, описывается структурная схема и принцип работы прибора, приводится анализ практических результатов измерений.» author=»Ращупкин Евгений Олегович» publisher=»басаранович екатерина» pubdate=»2017-05-08″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.02.2015_02(11)» ebook=»yes» ]