Диссертация: Оптические рефлексометры

2.8 Бриллюэновская оптическая рефлектометрия

В настоящее время, метод бриллюэновской рефлектометрии применяется в бриллюэновском оптическом импульсном анализаторе (B-OTDA – Brillouin Optical Time Domain Analyizer) и в бриллюэновском оптическом импульсном рефлектометре (B-OTDR – Brillouin Optical Time Domain Reflectometer). Основным приложением B-OTDR является измерение натяжения в волокне.

В B-OTDA используется явление вынужденного бриллюэновского рассеяния (SBS – Stimulated Brillouin Scattering), а в B-OTDR – явление спонтанного бриллюэновского рассеяния (SPBS – Spontaneous Brillouin Scattering) [28].

Наличие  SPBS эффекта (а не SBS) обусловленно, тем что мощность импульсов, вводимых в волокно, не превышает (при длительности импульса ) порогового значения мощности для SBS эффекта (~23 дБм).

Как известно, SBS эффект является самым низкопороговым нелинейным оптическим эффектом в волокне, когда пороговое значение мощности при непрерывном излучении составляет для него всего лишь несколько дБм. Для импульсного излучения этот порог увеличивается примерно до 23 дБм за счет малой длины взаимодействия, равной половине ширины импульса (5 м при ). Пороговое значение мощности для вынужденного рамановского рассеяния больше 23 дБм и не зависит от длительности импульса.

В качестве источника излучения в B-OTDR, используется DFB-лазер. Частотная модуляция излучения осуществляется с помощью акустооптической ячейки (АОМ). Импульсная модуляция реализуется электроабсорбционным модулятором (ЕОМ), а поляризационная модуляция – фарадевским вращателем (FC).

Излучение вводится в волокно, а обратно  рассеянная мощность передается с помощью волоконного ответвителя на вход фотоприемника (рис. 2.8).

        Рисунок 2.8 – Блок - схема бриллюэновского рефлектометра (BOTDR)

Спектр обратной волны, рассеянной в волокне, содержит релеевскую компоненту, частота которой равна частоте накачки:

                                                      (2.31)

и две бриллюэновские: стоксову и антистоксову.

Стоксова компонента имеет смещение по частоте вниз:

                                                         (2.32)

а антистоксова вверх:

                                                        (2.33)

Для выделения нужной компоненты (обычно выделяется  более мощная - стоксовой компонента), используется когерентный прием излучения. Для этого часть мощности излучения DFB лазера ответвляется непосредственно на вход фотоприемника, где происходит его смешивание с излучением рассеянным в волокне. Когерентный прием позволяет не только выделить стоксову компоненту в спектре обратной волны, но и увеличить чувствительность фотоприемника до величины, близкой к квантовому пределу.

При реализации B-OTDR необходимо использовать более чувствительные фотоприемники, по сравнению с OTDR. Это обусловленно тем, что коэффициент спонтанного бриллюэновского рассеяния, описываемый как:

                                                       (2.34)

где  длина волны излучения в мкм;

примерно на 14 дБ меньше коэффициента спонтанного релеевского рассеяния:

                                                      (2.35)

Практический выигрыш по сравнению со схемой прямого детектирования, используемой в традиционных OTDR, составляет примерно 10...20 дБ.

Смещение частоты рассеянного света , определяется путем сканирования частоты акустооптической ячейки .

Для каждой частоты накачки  формируется рефлектограмма, оппределяется трехмерное распределение спектра спонтанного бриллюэновского рассеяния вдоль волокна, и рассчитывается распределение натяжения в волокне.

Максимальный сигнал в спектре бриллюэновского рассеяния достигается, при смещении частоты акустооптической ячейки  на величину.

Когда , B-OTDR  начинает работать в режиме когерентного импульсного рефлектометра (СО-OTDR), выделяя в спектре обратной волны компоненту, являющуюся результатом  релеевского рассеяния света в волокне [28, 34].

Рефлектограммам, полученным с помощью BO-TDR, присущи две характерные особенности:

-отсутствие выбросов сигнала, обусловленных отражением импульсов света от оптических разъемов и торца волокна, которые в традиционных OTDR, приводят к насыщению фотоприемника и появлению мертвых зон. В B-OTDR эти импульсы не регистрируются, так как при отражении от оптических разъемов и торца волокна частота света не меняется. В B-OTDR регистрируются только те отраженные импульсы света, несущая частота которых смещена на величину ;

-рефлектограмма не зашумлена, не смотря на то, что в B-OTDR осуществляется когерентный прием излучения. Это обусловленно тем, что в B-OTDR регистрируется свет, рассеянный не на релеевских центрах (замороженных в волокне флуктуациях показателя преломления), а на тепловых флуктуациях показателя преломления (акустических фононах). Время жизни акустического фонона составляет:

                                     сек.                                                (2.35)

Данное значение слишком мало по сравнению с временем измерений, поэтому амплитуда и фаза волн, рассеянных на этих неоднородностях эффективно усредняется.

Выводы по главе

В данной главе были рассмотрены различные методы рефлектометрии, как получившие практическое применении, так и экспериментальных, переспективных методов.

Основными проблемами импульсной рефлектометрии являлось значительное снижение динамического диапазона при повышенных требованиях на пространственное разрешение. При этом динамический диапазон уменьшается как за счет уменьшения отраженного релеевского сигнала, так и за счет увеличения шумов ФПУ при расширении полосы пропускания.

В современных OTDR успешно решены обозначенные выше проблемы. Использование малошумящих фотоприемных устройств, быстродействующих АЦП и вычислительной техники позволило создать высокоэффективные измерительные приборы.

В настоящее время оптические рефлектометры имеют динамический диапазон измерения до 45 дБ и пространственное разрешение в несколько метров.

В состав рефлектометров кроме источника мощных зондирующих импульсов малой длительности, разветвителя, ФПУ и АЦП входит блок обработки, обеспечивающий расширение функциональных возможностей прибора (получение, обработку, запись, хранение и анализ рефлектограмм). При этом обеспечивается как измерение коротких оптических шнуров, так и контроль тракта длиной более двухсот километров.

Повышение параметров в OTDR в основном обеспечивается накоплением сигнала и работой с пространственным разрешением на грани допустимого (наибольшего из возможных ).

В главе были также кратко рассмотрены метрологические характеристики рефлектометров и факторы, влияющие на них. Боле подробное описание указанных характеристик и влияющих факторов будет дано в следующей главе. 

3 Исследование метрологических характеристик рефлектометров

3.1Анализ рефлектограммы

В настоящее время, оптические рефлектометры получили широкое распространение, что обусловлено  определенными удобствами тестирования ВОЛС, а также отдельных волокон и кабелей.

На экране рефлектометра наглядно представляется изменение относительной мощности сигнала обратного рассеяния в логарифмических единицах с расстоянием, в виде графика, по которому можно дать качественную оценку  состояния тестируемого участка ВОЛС, а также осуществить целый ряд количественных измерений.

Вид типичной рефлектограммы импульсного рефлектометра приведен на рисунке 3.1.

                     Рисунок 3.1 – Вид типичной рефлектограмма

Вертикальная ось рефлектограммы определяет уровень потерь в логарифмических единицах. Отсчеты на горизонтальной оси соответствуют расстоянию от рефлектометра до тестируемого участка.

В типичной рефлектограмме можно выделить участки двух типов:

-свободные от отражающих или поглощающих точечных объектов;

-непосредственно примыкающие к сильно отражающим или поглощающим точечным объектам.

На участке первого типа рефлектограмма  выглядит в виде наклонной прямой. При этом, вид рефлектограммы не зависит от формы и длительности зондирующего импульса, а ее наклон характеризует коэффициент затухания волокна в децибелах.

Измерение потерь или коэффициента затухания на таких участках, с помощью рефлектометра можно осуществить с достаточно высокой точностью, независимо от того, что измерения производятся косвенно – по затуханию величины рассеянного сигнала. Это обусловлено тем, что коэффициент обратного рассеяния в телекоммуникационном волокне, можно с высокой точностью считать величиной постоянной [42].

Участками второго типа являются соединения волокон и точечные дефекты с примыкающими к ним областями, которым соответствуют пики или ступеньки на рефлектограмме, называемыми соответственно отражающими и поглощающими событиями. Рефлектометр позволяет точно определить расстояние до указанных событий (локализовать дефект), и дает возможность приближенно вычислять потери на таких элементах, а также оценить интегральные потери в целом по всему тестируемому участку.

Однако, следует не забывать  о возможных ошибках измерений, обусловленных косвенным характером измерения потерь, и о возможности появления ложных сигналов.

Пиками характеризуются отражающие элементы. Мощность отраженного сигнала, а, следовательно, положение вершины пика, зависит от мощности зондирующего импульса и коэффициента отражения, но не зависит от его длительности.

К отражающим элементам относятся механические соединения. Пик на рефлектограмме обусловлен френелевским отражением на торцах соединяемых волокон, а в результате потерь, вносимых оптическим разъемом, наблюдается снижение величины рассеянного сигнала непосредственно за ним [42, 43].

Амплитуда пика характеризует качество соединения волокон. Сварные соединения, к примеру, как правило, являются не отражающими, а по наличию даже малого пика можно с большой вероятностью судить о плохом качестве сварки. Отсутствие отражения на сварных соединениях высокого качества связано с отсутствием скачка показателя преломления, т.к. сколотые торцы волокон сплавляются друг с другом. Однако на сварных соединениях потери все-таки есть. Качественно сваренное соединение трудно обнаружить, так как потери на нем невелики и появляющаяся «ступенька» на рефлектограмме очень мала.

Потери на микроизгибах имеют аналогичные характеристики, они трудно отличимы от потерь на сварных или механических соединениях.

Таким образом, участки рефлектограммы (рис. 3.1) могут быть идентифицированы следующим образом:

1 - начальный выброс уровня обратного потока оптической мощности, обусловленный Френелевским отражением при вводе оптического излучения в волокно;

2 - участки рефлектограммы, соответствующие квазирегулярным участкам волокна, на которых отсутствуют отражения, а изменения уровня обратного потока оптической мощности являются результатами потерь, обусловленные поглощением и Рэлеевским рассеянием, а также флюктуациями коэффициента обратного рассеяния;

3 - изменения мощности обратно рассеянного потока на локальной нерегулярности без отражений (сварные соединения, изгибы);

4 - изменения уровня обратного потока за счет отражения и потерь на локальной неоднородности (механические соединения, микротрещины и т.п.);

5 - изменение уровня обратного потока оптической мощности на конце оптического волокна;

6 - шумы.

3.1.1 Математическое описание всех участков рефлектограммы

Как уже упоминалось ранее, наклон рефлектограммы характеризует коэффициент затухания волокна в децибелах. Математическое описание данного участка рефлектограммы выглядит следующим образом.

При распространении излучения вдоль оптического волокна, возникает, обусловленный флюктуацией показателя преломления. Мощность потока рассеяния пропорциональна отношению: 

                                                              (3.1)

Схема формирования потока обратного рассеяния  представлена на рисунке 3.2.

           Рисунок 3.2 – Формирования потока обратного рассеяния  

Данное явление, называемое Рэлеевским рассеянием, лежит в основе методов рефлектометрии оптических волокон. Часть потока обратного рассеяния затухает  в оболочке, часть распространяется в том же направлении, что и основной поток, а часть распространяется в сторону ближнего конца по направлению к источнику изучения, формируя, таким образом, поток обратного рассеяния [45].

Мощность потока обратного рассеяния , измеренная в точке ввода зондирующих импульсов в волокно, с некоторой задержкой относительно момента посылки зондирующею импульса, определяется мощностью обратного рассеяния в точке кабеля, расположенной на некотором расстоянии от места измерения. Данное расстояние определяется в соответствии со следующим выражением:

                                                             (3.2)

где  групповая скорость распространения оптическою импульса, которая, в свою очередь, определяется как:

                                                              (3.3)

где  скорость света;

 групповой показатель преломления сердцевины оптического волокна.

В первом приближении, мощность потока обратного рассеяния определяется с соответствии с выражением:

                       (3.4)