Бриллюэновский рефлектометр (BOTDR)

В BOTDR наблюдается SPBS эффект (а не SBS эффект) потому, что мощность импульсов, вводимая в волокно, не превышает (при длительности импульса τ < 100 нс) порогового значения мощности для SBS эффекта (~23 дБм). Как известно, SBS эффект является самым низкопороговым нелинейным оптическим эффектом в волокне. 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 τ ~ 100 нс). Пороговое значение мощности для вынужденного рамановского рассеяния больше 23 дБм и не зависит от длительности импульса.

Излучение накачки в BOTDR формируется также как и в BOTDA. 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. 4.17).

Рис. 4.17. Оптическая схема бриллюэновского рефлектометра (BOTDR)

Спектр обратной волны, рассеянной в волокне, содержит релеевскую компоненту (частота которой равна частоте накачки (f_н + Δf)) и две бриллюэновские (стоксову и антистоксову). Стоксова компонента смещена по частоте вниз (f_н + Δf – f_Б), а антистоксова вверх (f_н + Δf + f_Б) (рис. 4.11). 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.

Когерентный прием позволяет не только выделить стоксову компоненту в спектре обратной волны, но и увеличить чувствительность фотоприемника до величины, близкой к квантовому пределу. В BOTDR необходимы более чувствительные фотоприемники, чем в OTDR, так как коэффициент спонтанного бриллюэновского рассеяния (α_Б ≅ 0.03/λ⁴, где λ – длина волны излучения в [мкм]) примерно на 14 дБ меньше коэффициента спонтанного релеевского рассеяния (α_р = 0.75/λ⁴). На практике выигрыш по сравнению со схемой прямого детектирования, применяемой в традиционных OTDR, составляет 10…20 дБ.

Смещение частоты рассеянного света f_Б, также как и в BOTDA, находится путем сканирования частоты акустооптической ячейки Δf. Также как и в BODTA, для каждой частоты накачки f_н + Δf снимается рефлектограмма, находится трехмерное распределение спектра спонтанного бриллюэновского рассеяния вдоль волокна и рассчитывается распределение натяжения в волокне. Максимальный сигнал в спектре бриллюэновского рассеяния достигается, когда частота акустооптической ячейки Δf смещена на величину, равную f_Б. Если же Δf = 0, то BOTDR. работает как когерентный импульсный рефлектометр (СО OTDR), выделяя в спектре обратной волны компоненту, обусловленную релеевским рассеянием света в волокне (в последних моделях BOTDR этой опции нет).

Рефлектограмма линии с напряженным участком волокна, полученная при Δf = f_Б, приведена на рис. 4.18. Удлинение волокна на 0.1 % приводит к смещению частоты основного пика на 490 МГц/% · 0.1 % ≅ 50 МГц. Полная ширина линии в эффекте SPBS (по половинному уровню) для волокна AllWave составляет 86 МГц. Поэтому смещение частоты основного пика бриллюэновского рассеяния в напряженном участке волокна на 50 МГц приводит к заметному уменьшению уровня отраженной мощности и появлению провала в рефлектограмме. Заметим, что изгиб в рефлекгограмме может возникнуть не только из-за натяжения, но и из-за скачка потерь в волокне. Для того, чтобы разделить эти два эффекта, недостаточно измерить рефлектограмму на одной разностной частоте, как на рис. 4.18, а необходимо найти распределение спектра бриллюэновского рассеяния света вдоль волокна.

Рис. 4.18. Рефлектограмма волокна AllWave с напряженным участком

Рефлектограммы, полученные с помощью BOTDR, обладают двумя характерными особенностями. Во-первых, в них отсутствуют выбросы сигнала, вызванные отражением импульсов света от оптических разъемов и торца волокна. В традиционных OTDR эти отраженные импульсы приводят к насыщению фотоприемника и появлению мертвых зон (зон нечувствительности). В BOTDR эти импульсы не регистрируются, так как при отражении от оптических разъемов и торца волокна частота света не меняется. В BOTDR регистрируются только те отраженные импульсы света, несущая частота которых смещена на величину f_Б.

Во-вторых, не смотря на то, что в BOTDR осуществляется когерентный прием излучения, рефлектограмма не зашумлена, как это должно наблюдаться при когерентном приеме рассеянного излучения. Происходит это потому, что в BOTDR регистрируется свет, рассеянный не на релеевских центрах (замороженных в волокне флуктуациях показателя преломления), а на тепловых флуктуациях показателя преломления (акустических фононах). А так как время жизни акустического фонона (t_a = 1/Δf = 10^-8 сек) мало по сравнению со временем измерений, то амплитуда и фаза волн рассеянных на этих неоднородностях эффективно усредняется.