Архив публикаций
Новые публикации
РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА БРИЛЛЮЭНОВСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ
|  02.05.2012
 

Тесёлкин Анатолий Владимирович

Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики.

E-mail: Teselkin2006@yandex.ru

  

         История развития волоконно-оптической связи демонстрирует немало примеров, когда под воздействием практических потребностей появлялись новые поколения приборов. Например, для определения затухания в первых образцах волокон применялись измерители мощности оптического излучения, однако их возможностей оказалось недостаточно при строительстве волоконно-оптических линий в больших объемах и на значительные расстояния. Появились оптические рефлектометры - приборы, позволяющие определять затухание по длине волокна путем анализа рассеянного излучения.

         В настоящее время, когда запущены в эксплуатацию многие тысячи километров оптических линий, увеличились объемы передаваемой информации, особую актуальность приобретает задача обеспечения их надежности путем прогнозирования на ранней стадии нарушения параметров оптического волокна. Для решения этой задачи были разработаны бриллюэновские рефлектометры (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer), которые не только измеряют оптические свойства, но и на их основе позволяют прогнозировать состояние волокна.

         Основным фактором, свидетельствующим о приближающейся аварийной ситуации, является наличие приложенного к волокну механического растягивающего усилия, которое превышает предельно допустимую величину. Согласно данным фирмы Fujikura, по степени опасности для волокна можно выделить три диапазона значений его относительного удлинения. Значения, находящиеся в диапазоне от нуля до 0,3 % можно считать безопасными — при таких значениях срок безотказной работы волокна составляет 25 лет и более. В случае, если относительное удлинение превышает 0,6 %, разрыв волокна может произойти в течение одного года эксплуатации. Диапазон от 0,3 до 0,6 % представляет собой переходную область и требует дополнительного анализа в каждом конкретном случае. Таким образом, для выявления повреждений оптического кабеля на ранних стадиях их возникновения, необходимо иметь информацию о натяжении оптического волокна и о распределении этого натяжения по длине кабеля.

         Получение и анализ указанной информации должны производиться на всех этапах жизненного цикла волоконно-оптического кабеля — и при его изготовлении, и при укладывании на трассе ВОЛП, и в процессе эксплуатации. В последнем случае такая необходимость вызвана возможным воздействием на кабель различных неблагоприятных факторов — например, перемещений грунта (для подземных кабелей), или обледенения (для кабелей, подвешиваемых на опорах).

         Метод бриллюэновской рефлектометрии, представляющий собой разновидность рефлектометрического способа исследования оптических волокон, отличительной особенностью которой является использование явлений спонтанного и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна способен решить поставленную задачу.

         В отличие от рэлеевского рассеяния, имеющего место на неподвижных неоднородностях показателя преломления материала волокна, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (далее также бриллюэновское рассеяние) происходит на движущихся неоднородностях, которыми являются гиперзвуковые волны (фононы), всегда существующие в термодинамически равновесной среде при температуре, превышающей абсолютный нуль. Поскольку неоднородности движутся в разных направлениях, рассеянное излучение имеет доплеровский частотный сдвиг ±∆fБ. Таким образом, спектр рассеянного излучения содержит рэлеевскую составляющую с частотой f, равной частоте падающего излучения, и две бриллюэновские составляющие с частотами f — ∆fБ и f + ∆fБ (соответственно, стоксовая и антистоксовая). Описанное рассеяние называется спонтанным.

         Сдвиг бриллюэновской частоты определяется по соотношению:


где n – коэффициент преломления;

       vA – скорость акустической волны;

       λ – длина волны падающего света.


 

         Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) является нелинейным оптическим эффектом и происходит в случае превышения мощностью оптического излучения некоторого порогового значения. Структурная схема эффекта ВРМБ приведена на рисунке 1 [1].

         Гиперзвуковые волны (фононы), обусловленные тепловым движением молекул вещества, вызывают спонтанное бриллюэновское рассеяние, в результате которого появляются стоксовая и антистоксовая спектральные составляющие. Рассеянное таким образом излучение интерферирует с падающим светом, вследствие чего образуются движущиеся с некоторой скоростью области с повышенной напряженностью электрического поля. За счет эффекта электрострикции в веществе появляются области сжатия, пространственное распределение которого соответствует распределению электрического поля. Так формируется акустическая волна, увеличивающая рассеяние света. Возникает положительная обратная связь, благодаря действию которой может быть получен достаточно интенсивный рассеянный свет с иным, чем у исходного излучения, спектральным составом [1].

         Скорость звука в материале оптического волокна зависит он натяжения волокна и от его температуры. При относительном удлинении волокна порядка одного процента, изменение сдвига частоты ∆fБ приблизительно равно 500 МГц [2] (в отсутствии натяжения бриллюэновский частотный сдвиг ∆fБ находится в пределах от 10,5 до 11 ГГц, в зависимости от типа волокна [3]). Установлено также, что наклон температурной зависимости бриллюэновского сдвига для стандартных телекоммуникационных волокон G.652 в спектральном диапазоне вблизи 1,55 мкм составляет 0,927 МГц/градус Цельсия [3].

         Измеряя значение частотного сдвига ∆fБ, можно определить абсолютное значение натяжения оптического волокна (температурные изменения, как показано выше, вносят достаточно малую погрешность). Сочетание рассмотренного метода с методом импульсной рефлектометрии дает возможность получить распределение натяжения волокна по его длине.

Существует два типа приборов для бриллюэновской рефлектометрии — рефлектометры (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer — BOTDR) и анализаторы (Brillouin Optical Time Domain Analyzer — BOTDA).

         Принцип действия бриллюэновских анализаторов основан на явлении ВРМБ. Дополнительный оптический сигнал, вводимый в исследуемое волокно, усиливается при совпадении его частоты с частотой стоксовой линии бриллюэновского спектра.

Схема прибора изображена на рисунке 2 [4].


         Прибор имеет два лазера. Один из них используется в системе формирования волновых пакетов накачки. Его излучение с частотой f поступает на вход акустооптического модулятора (АОМ), посредством которого частота сдвигается на величину ∆f. Далее следует электроабсорбционный модулятор (ЭАМ), формирующий короткие волновые пакеты, которые проходят через фарадеевский вращатель и после усилителя (EDFA) подаются в исследуемое волокно.

         Коэффициент бриллюэновского усиления зависит от того, насколько точно совпадают плоскости поляризации излучений усиливаемого сигнала и накачки, тогда как состояние поляризации оптического излучения в волокне может, в общем случае, произвольным образом изменяться. Поэтому, для исключения влияния поляризационных эффектов на результаты измерений, устройство содержит фарадеевский вращатель, который периодически изменяет состояние поляризации излучения накачки.

         В противоположном направлении в исследуемое волокно вводится непрерывное излучение второго лазера, имеющее частоту fС. Частотный сдвиг ∆f может изменяться таким образом, чтобы обеспечить совпадение частоты стоксовой линии бриллюэновского спектра с частотой fC. При этом f + ∆f — ∆fБ = fC. В случае выполнения указанного условия в том месте волокна, где находится волновой пакет накачки, происходит усиление сигнала второго лазера. Этот сигнал, через направленный ответвитель и фильтр, настроенный на частоту fC, подается на фотоприемник. Фильтр необходим для подавления мешающего сигнала рэлеевского рассеяния, с частотой f + ∆f.

         В процессе измерения происходит получение серии рефлектограмм при различных значениях ∆f. Это значение последовательно изменяется с шагом, который приблизительно на порядок меньше, чем ширина линии бриллюэновского усиления (~30…50 МГц) [4]. Для каждого элементарного участка волокна определяется значение ∆f, соответствующее максимальной амплитуде отклика от этого участка. Распределение вдоль волокна ∆f соответствует распределению натяжения.

         . Один из недостатков данной схемы заключается в наличии двух лазеров, нестабильность частоты каждого из которых влияет на точность измерения натяжения. Другой недостаток состоит в том, что для проведения измерений посредством прибора, подобного рассмотренному выше, необходим доступ к обоим концам волокна. Это создает определенные неудобства в случае применения такого анализатора с целью исследования проложенных кабелей ВОЛП.


 

         Второй тип прибора — бриллюэновский рефлектометр — использует спонтанное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Упрощенная схема одного из его вариантов показана на рисунке 3a [2]. Прибор содержит лазер, создающий излучение с частотой f, и сдвигатель частоты оптического сигнала, используемый также в качестве амплитудного модулятора для формирования волновых пакетов. Сдвиг частоты происходит на величину ∆f. Частота стоксовой спектральной линии равна f + ∆f — ∆fБ. В случае, если ∆fБ = ∆f, она оказывается равной f, и сигнал, соответствующий указанной составляющей спектра, выделяется на фотодетекторе методом когерентного приема.

         Процесс измерения аналогичен рассмотренному выше при описании бриллюэновского анализатора и состоит в получении серии рефлектограмм для различных значений ∆f с последующей обработкой данных и представлением их в удобной форме, в том числе — и в виде трехмерной рефлектограммы, которая имеет, помимо традиционных двух осей, также ось частотного сдвига (или натяжения). В соответствии со схемой, приведенной на рисунке 3a, построен прибор AQ8602 фирмы ANDO (Yokogawa).

         На рисунке 3b [4] показан несколько иной вариант схемы, содержащий узлы, которые были рассмотрены при описании бриллюэновского анализатора.


         Упрощенная схема прибора AQ8603 показана на рисунке 4. Его отличительной особенностью является отсутствие преобразования оптической частоты в передающем тракте. Вместо этого, сигнал с частотой, равной бриллюэновскому частотному сдвигу ∆fБ, выделяется после смесителя гетеродинного приемника. Функцию первого (оптического) гетеродина выполняет тот же лазер, который используется для формирования волновых пакетов, посылаемых в волокно. После второго преобразования частоты сигнал переводится в цифровую форму представления и используется в процессе дальнейшей обработки.

         Рассмотрим основные технические характеристики приведенных оптических рефлектометров приведенные в  таблице 1.

        

Параметр

AQ8602

AQ8603

Диапазон длин, км

10, 20, 40, 80, 160

1, 2, 5, 10, 20, 40, 80

Точность измерения длины, м

±(2,0 × 10-5 × длина волокна + 0,7)

±(2,0 × 10-5 × длина волокна (м) + 0,2 м + 2 × разрешений считывания)

Разрешение считывания по горизонтальной оси (расстояние), см по вертикальной оси (напряжение), %

50,001

50,0001

Диапазон измеряемых напряжений, %

3

от –1,5 до +1,5

Длительность импульса, нс

20

50

100

500

1000

10

20

50

100

200

Динамический диапазон, дБ

8

12

1

17

20

2

6

10

13

15

Измеряемая длина, км

25

45

55

65

80

7

20

30

50

55

Точность измерения напряжения, %

± 0,02

± 0,01

±0,004

±0,003

Число точек в рефлектограмме

5000 или 20000

Макс. 20 000

Число усреднений

от 212 до 224

от 210 до 224

Длина волны, нм

1550

1550

 Таблица 1. Технические характеристики оптических рефлектометров AQ8602 [5] и AQ8603 [6] 

         Рассматривая технические данные перечисленных приборов, можно заметить, что они не вполне соответствуют желаемым. Максимальная дистанция измерений не всегда позволяет охватить существующие участки волоконных линий

         Бриллюэновская рефлектометрия оптических волокон применяется не только для ранней диагностики телекоммуникационных оптических кабелей, но также лежит в основе технологии распределенных датчиков, в которых оптическое волокно является чувствительным элементом. Такие датчики применяются для контроля ряда физических величин, в частности — температуры и механических воздействий (натяжения, различных усилий, деформаций и т.п.), и находят весьма широкое применение в различных сферах, причем во многих случаях необходима более высокая разрешающая способность. Поэтому, повышение разрешающей способности и увеличение дистанции измерений является актуальной технической задачей, над решением которой работают многие исследователи.

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1.     Н.Ю.Ситнов, Н.И.Горлов. Использование ВРМБ для генерации гетеродинного сигнала в бриллюэновском рефлектометре // Материалы X Международной конференции «Проблемы функционирования информационных сетей» 25–30 августа 2008 г. / В.К.Попков, А.С.Родионов (под редакцией) ; Новосибирск, 2008. С. 155-158.

2.     Контроль надёжности оптических кабелей с помощью бриллюэновской рефлектометрии / Фотон-Экспресс 14, декабрь 1998 г. // http://www.tkc.ru/foton/14/14-1.html

3.     Определение мест утечки в трубопроводах с помощью системы DiTeSt.htm / http://www.lscom.ru/io_rtr2.html

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

5.     Бриллюэновский рефлектометр ANDO AQ8602 // http://www.tkc.ru/katalog/measure/aq8602.html

6.     Yokogawa AQ8603 рефлектометр бриллюэновский // http://www.tkc.ru/item/26/

 
 
Добавить комментарий
Ваше имя: *
Ваш e-mail: *
Введите код с картинки: *
 
Введите комментарий: *
Календарь мероприятий