Метод бриллюэновской рефлектометрии

В спектре обратной волны в волокне кроме несмещенной по частоте компоненты, обусловленной релеевским рассеянием света, присутствуют также спектральные компоненты, вызванные бриллюэновским и рамановским рассеянием света (рис. 4.11). 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 флуктуациях показателя преломления (вызванных, соответственно, тепловыми колебаниями плотности среды и внутримолекулярными колебаниями).

Рис. 4.11. Спектр рассеянного в волокне света (f_Б ~ 10…11 ГГц, f_p ~ 13 ТГц)

До сих пор мы учитывали только релеевское рассеяние света, так как при мощности импульсов света менее 25…30 дБм именно оно дает основной вклад в мощность обратной волны. Для сравнения, коэффициент спонтанного бриллюэновского рассеяния α_Б ≅ 0.03/λ⁴ примерно на 14 дБ меньше коэффициента релеевского рассеяния α_p ≅ 0.75/λ⁴, где λ – длина волны излучения в [мкм].

Однако 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.

Рис. 4.12. Зависимость отраженной мощности от мощности на входе в волокно

Из рис.4.12 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.

Пороговую величину мощности можно увеличить, уменьшая эффективную длину взаимодействия световой волны с акустической волной. Для одиночного импульса, как нетрудно видеть, эта эффективная длина равна половине длины импульса:

^{. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.12)}

где τ – длительность импульса, n = 1.5 – групповой показатель преломления волокна. Для типичного значения τ = 1 мкс получаем L_э = L_и = 0.1 км, что примерно на два порядка меньше значения эффективной длины взаимодействия (Lэ = 20 км) для узкополосного источника излучения. Т.е. в оптическом импульсном рефлектометре величина пороговой мощности увеличивается примерно до 300 мВт (23 дБм).

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

f_Б = f_Б0 + Kε, . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.13)

где f_Б0 – смещение частоты в отсутствие натяжения волокна. Оценим величину смещения частоты рассеянного света. Тепловые колебания плотности среды можно рассматривать как совокупность упругих волн, распространяющихся в среде по всевозможным направлениям и обладающих всевозможными частотами. Каждая плоская звуковая волна подобна дифракционной решетке, т.к. в местах повышенной плотности показатель преломления среды больше, чем в местах разряжения (рис. 4.13).

Рис 4.13. Схема рассеяния света на звуковой волне в волокне

Для световой волны длиной λ всегда найдется решетка с подходящим периодом, обеспечивающим максимальное отражение света в обратном направлении. Длина соответствующей звуковой волны определяется условием Брэгга-Вульфа: Λ = λ/2. 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:

^{. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4.14)}

где V_a ≅ 5.7 км/с – скорость звука в волокне, n ≅ 1.46 – показатель преломления волокна, с ≅ 3·10⁵ км/с – скорость света в вакууме. На длине волны λ = 1550 нм смещение частоты f_Б = 10.7 ГГц.

Рассмотрим теперь зависимость частоты рассеянного света от натяжения (удлинения ε) волокна. От натяжения волокна зависит величина скорости звука Va и показатель преломления n. В свою очередь, скорость звука зависит от модуля Юнга (Е = 70 ГПа = 7·10¹⁰ н/м²) и плотности кварцевого стекла (ρ = 2.2 кг/м³). Основной вклад в изменение частоты рассеянного света дает изменение модуля Юнга. Для стандартного одномодового волокна (SMF) измеренное значение коэффициента К = (f_Б – f_Б0)/ε равно: 490 МГц/% (на λ = 1550 нм) и 580 МГц/% на (λ = 1310 нм) (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Зависимость частоты рассеянного света от удлинения волокна

Метод бриллюэновской рефлектометрии обладает двумя основными преимуществами. Во-первых, это практически единственный оптический метод, позволяющий измерить величину абсолютного натяжения волокна. Для этого достаточно измерить частоту максимального сигнала в спектре бриллюэновского рассеяния и при этом нет необходимости подвергать волокно дополнительному растяжению. В других же известных оптических методах измеряется величина удлинения волокна, возникающего при создании в волокне дополнительного натяжения, что делает эти методы непригодными для определения натяжения волокна, уложенного в линию передачи.

Во-вторых, бриллюэновское рассеяние приводит к образованию обратной волны в волокне. Поэтому, зондируя волокно короткими импульсами и сканируя несущую частоту этих импульсов, можно найти распределение вдоль волокна спектра бриллюэновского рассеяния и, соответственно, частоты максимального сигнала в этом спектре. А, так как эта частота пропорциональна величине натяжения в волокне, то таким образом находится распределение этого натяжения вдоль волокна (рис. 4.15).

Рис 4.15. Распределение спектра бриллюэновского рассеяния света в волокне

Как видно из рис. 4.15, рефлектограмма, измеренная только на одной несущей частоте, не позволяет найти распределение вдоль волокна частоты максимального сигнала в спектре бриллюэновского рассеяния. Поэтому для измерения распределения натяжения вдоль волокна необходимы приборы, выполняющие одновременно функции оптического импульсного рефлектометра и оптического анализатора спектра. Схемы построения таких приборов рассмотрены в следующих параграфах.