Рэлеевское рассеяние в волоконных световодах

В основе рэлеевской рефлектометрии лежит экспериментально установленный факт, что в наиболее распространенных в настоящее время кварцевых волоконных световодах (ВС) в ближнем ИК-диапазоне существует заметное рэлеевское рассеяние (от англ. Rayleigh scattering). Это рассеяние вызывается флуктуациями плотности материала и концентрацией легирующих примесей, причем характерные размеры неоднородностей намного меньше длины волны света.

В результате такого рассеяния часть излучения в ВС начинает распространяться в противоположном первоначальному направлении, а обработка такого обратно рассеянного сигнала позволяет в принципе анализировать характеристики ВС.

При проведении измерений к исследуемому ВС через делитель подводится излучение мощного импульсного лазера. Рассеянный в обратном направлении свет подается через ВС на чувствительный фотоприемник. С помощью такой установки удается наглядно наблюдать изменение затухания вдоль ВС, включая скачки затухания (вызванные оптическими контактами и т.п.), и быстро определять места неисправностей и источников искажений. При измерении потерь принимается, что обратное рассеяние и апертурное число вдоль ВС постоянны и равны для всех волокон линии, хотя на практике это выполняется не всегда.

На рис.1.1 приведена кривая обратного рассеяния, наблюдаемая на экране осциллографа. Отмечены отрезки линии передачи с искажениями различного вида [4]. Нормальный ход кривой в ВС представляет собой падающую экспоненту 1 обратного рассеяния во времени, искажение 2 – скачок затухания. Он может быть обусловлен дефектом в ВС или разъемом, а также местом сварки (оптического контакта). Скачок затухания пропорционален вносимым потерям. В случае сварки двух ВС с различным обратным рассеянием в кривой также возникает скачок 6, который может стать положительным при большом рассеянии во второй линии. Маленькие пузырьки воздуха или включения в волокне отражают свет, что проявляется на кривой обратного рассеяния в виде небольших выбросов 3. При несогласованных разъемах или сращиваниях (например, без иммерсионной жидкости) возникает отражение и скачок затухания 5. Интенсивный отраженный сигнал 4 возникает у конца ВС. Для хороших преломляющих поверхностей коэффициент отражения получается 0,04, для нерегулярных и загрязненных граничных поверхностей он может уменьшаться до 10^-4.

Свет, проходящий по стеклянному ВС, претерпевает экспоненциальное затухание (рис.1.2), т.е. величина P потока светового излучения (амплитудное значение) после прохождения волокна длиной x уменьшается от величины P ₀ до

, (1.1)

где коэффициент затухания α является мерой затухания. Он может быть разделен на коэффициент поглощения α_a и коэффициент рэлеевского рассеяния α_rs. На интервале x+ Δ x поток излучения меняется на величину Δ P. ДляΔ x << x справедливо выражение (1.2)

в котором первый член равенства соответствует составляющей рэлеевского рассеяния, а во второй – составляющей поглощения потерь светового сигнала на интервале x+ Δ x. Следует подчеркнуть, что α_a и α_rs должны быть постоянны по длине ВС. На практике это условие в большинстве случаев выполняется. Исключения ограниченны локальными отклонениями (см. рис.1.1) и могут быть учтены при расчете.

Рассеянный свет распространяется во все стороны и покидает ВС почти полностью. Однако небольшая часть рассеянного света распространяется по ВС обратно и лежит в пределах возможного угла распространения. Распространяющийся в обратном направлении свет от общего рассеянного света составляет долю, определяемую коэффициентом

, (1.3)

где n₀ – максимальный коэффициент преломления сердцевины ВСа; A_N – его апертурное число и Ω – соответствующий пространственный угол в ВС. Считается, что обратное рассеяние не превышает рассеяния в других направлениях. Для n ₀=1.46 и A_N =0.20 G =6.8·10^-3 (–22 дБ). В градиентных ВС G еще меньше (около – 24 дБ), так как интенсивность света и угол распространения вне сердцевины ВС уменьшаются, и поддается расчету только для случая чисто рэлеевского рассеяния. Для дотированных кварцевых и стеклянных волокон это условие выполняется не всегда, поэтому выражение (1.3) дает лишь оценку. Интервал Δ x измерения в ВС зависит от длительности импульса измерителя и для гауссовых импульсов определяется как

, (1.4)

где Δ t – половина длительности измерительного импульса; с – скорость света в вакууме; – групповой коэффициент преломления сердцевины ВС.

Теперь, исходя из (1.2) – (1.4), можем рассчитать сигнал обратного рассеяния на входе ВС:

, (1.5)

где первый множитель (в скобках) соответствует всему рассеянному на интервале (x+ Δ x) свету, второй – составляющей обратного рассеяния (1.3), третий – затуханию отраженного потока излучения, распространяющегося в обратном направлении.

Затухание в прямом направлении зависит от условий подключения. На обратном пути при рассеянии возбуждаются все моды, в том числе концевые волны. Поэтому для получения распределения полей всех мод, близкого к стационарному, необходима определенная минимальная длина ВС. Так как равномерное возбуждение мод на входе ВС при его подключении также происходит не всегда, точные измерения по методу обратного рассеяния на первых метрах не производятся. Затухания в прямом и обратном направлениях через несколько метров могут считаться одинаковыми.

Из (1.5) можно рассчитать затухание (потери D_rs, в дБ), обратнорассеянного потока излучения, приведенное ко входу ВС:

. (1.6)

Затухание обратнорассеянного луча составляет около 45 дБ (A_N =0,2; Δ t =100 нс; α_s≈0,5/км; λ ₀ =0,85 мкм). Остаток динамического диапазона прибора может быть использован для измерения затухания. Если передающий лазер отдает 2 Вт, приемник имеет чувствительность 10^-9 Вт (отношение сигнал/шум=20 дБ, полоса 5 МГц), то предельный динамический диапазон составляет 93 дБ. Отражение от линз, двукратное прохождение ВС и погрешности юстировки соответствуют потерям в 8 – 10 дБ. Поэтому реальный динамический диапазон прибора может быть принят равным 80 дБ. В соответствии с (1.6) с помощью прибора могут исследоваться параметры ВС с затуханием 17,5 дБ в каждом направлении.

Если импульс передатчика для улучшения разрешения по длине уменьшается до 10 нс, затухание обратнорассеянного луча в соответствии с (1.6) увеличивается до 55 дБ. Приемник должен в этом случае иметь полосу 50МГц, при этом динамический диапазон прибора уменьшается до ≈75 дБ. Создание приемника с таким динамическим диапазоном – довольно сложная задача, поэтому в случае работы короткими импульсами без подавления шумов могут исследоваться только короткие ВС. Дисперсия мод в ВС при измерениях должна быть пренебрежимо мала. Если это условие не выполняется, измерительный импульс расширяется с длиной ВС и оценка затухания в нем в соответствии с (1.6) дает другое значение. Поэтому при импульсах длительностью 10 нс не могут исследоваться ВС со ступенчатым профилем. Из этих соображений в приборе для обычных измерений используется импульс длительностью 100 нс. При этом могут непосредственно исследоваться ВС с потерями не более 15 дБ, при больших потерях измерения могут проводиться с шумоподавлением (интегральный метод).

Дата добавления: 2015-04-30