Исследование влияния влажности на затухание излучения в оптическом волокне

DOI: 10.32743/UniTech.2021.83.2-1.95-98

АННОТАЦИЯ

Исследована зависимость коэффициента затухания оптических кабелей от влажности окружающей среды. При этом значения влажности варьировали в интервале 0÷80%. Эксперименты проводили при температурах 0^оС, 20^оС и 40^оС, характерный для среднеазиатского региона. На примере одномодового кабеля показано, что в выбранном диапазоне влажности c повышением температуры коэффициент затухания уменьшается, причем эта зависимость линейная с маленьким угловым коэффициентом. На основании анализа результатов экспериментов показано, что вода оказывает негативное действие на передачу сигналов даже в случае передачи по оптическим волокнам. Что касается влияния повышения температуры, то оно дает положительный эффект при передаче сигналов, уменьшая затухание излучения. Естественно, оно проявляется в разумном интервале наземных температурах, имеющих место в среднеазиатском регионе (от 0 до 50^оС).

ABSTRACT

The dependence of damping coefficient of optic fibers on the environment moisture has been investigated. The moisture values in interval of 0÷80% were changed. Experiments at temperatures 0^оC, 20^оC and 40^оC have been carried out which typical for Middle Asia region. On a single mode cable sample have been shown that in the chosen moisture interval when temperature is growing then the damping coefficient is decreasing, moreover this dependence is linear with a small angle coefficient. Based on the analysis of experimental results shown, that water affects negatively to signals transmission process even in case of transmission ones by optic fibers. As to the temperature growing affect there it influences positively by signals transmission decreasing of the radiation damping. Of course, it manifests in the reasonable interval of ground temperatures taking place in Middle Asia region (from 0^oC up to 50^oC).

Ключевые слова: оптические кабели, коэффициент затухания, влажность

Keywords: optic fibers, damping coefficient, moisture

Введение

Как известно в последние годы в целях передачи, приема и обработки сигналов на большие расстояния стали использовать преимущественно оптические кабели. Это связано с тем, что они по сравнению с металлическими кабелями имеют неоспоримо лучшие показатели (объем передаваемой информации, скорость передачи данных, помехозащищенность, стойкость к электрическому току и магнитному полю и т.п.). В связи с этим в практическом плане разработаны довольно большое количество марок и видов оптических кабелей. Однако, пока все еще изучена недостаточно их стойкость к различному роду физических, химических, климатических явлений.

В работе [4, с. 92] были приведены результаты исследования влияния климатических и механических воздействий на передаточные характеристики исследуемых кабелей, в которой было показана возможность использования данного кабеля для внутри объектовой прокладки. Аналогичные исследования проводились в работе [2, с. 28], где были рассчитаны погрешности измерения коэффициента затухания и затухания соединений оптических волокон в зависимости от отношения сигнал/помеха. Влияние хроматической дисперсии, появляющейся из-за нелинейных эффектов, на пропускную способность волоконных линий связи было изучено в работе [6, с. 66], где была предложена эмпирическая формула для расчета значения коэффициента широкополосности. В работах [1, с. 51; 3, с. 4] было исследовано влияние температуры на характеристики натяжения (механические напряжения) оптических волокон на основе анализа спектра бриллюэновского рассеяния, где авторами было предложено использовать данный эффект для создания датчиков температуры на основе оптических волокон с эластичной защитной оболочкой. По недавним экспериментальным данным было выявлено [9, с. 70], что изгибы и рост витков в барабане становятся источником дополнительных потерь в оптических волокнах. Холодостойкость оптических кабелей было исследовано в работе [5, с. 96], где было показано, что с понижением температуры значение коэффициента затухания существенно растет. Стойкость параметров оптических кабелей к более теплым климатическим условиям, характерным для среднеазиатского региона, было исследовано нами в предыдущей работе [7, с. 6], где было показано, что c повышением температуры коэффициент затухания уменьшается, причем эта зависимость линейная с маленьким угловым коэффициентом, а при более низких температурах она резко возрастает.

В настоящей работе представлены результаты исследований, проведенных по выявлению влияния влажности окружающей среды среднеазиатского региона на значения коэффициента затухания оптической кабели. Актуальность поставленной задачи связана с тем, что, как показывает практика, хотя не по всей ширине, а лишь только по выбранным длинам волн несущих волн имеется резкое увеличение происхождения явления дисперсии, которое в свою очередь введет к искажению качества передаваемой информации. Несмотря на то, что климат Средней Азии имеет в основном сухой климат, постановка задачи обоснована тем, что качество передаваемой информации по висящим кабелям портится существенно, особенно в период облачной и дождливой погоды. Исследования имеют важный интерес также для горной местности, где практически всегда поддерживается облачная погода.

Методика эксперимента

Эксперименты проводили в лабораторных условиях. В качестве оптической кабели использовали одномодовый кабель стандарта G.652D, предназначенный для подвески на опорах волоконный линий связи. Подробное описание характеристик выбранного нами кабеля даны, например, в работе [8, с. 8]. Длина отрезанного для эксперимента кабеля составляла 1 км, который был намотан на деревянный барабан с диаметром 0,5 м. Диаметр сердцевины волокна – 10 ± 0,5 мкм, диаметр оболочки – 125 ± 1 мкм, рабочие длины волн – 1310/1550 нм. В качестве источника оптического излучения использовали лазерный излучатель марки TEMPO 262А (1310/1550 нм).

Коэффициент затухания оптического излучения вычисляли по формуле:

                                                                          (1)

где L – длина волокна, P_L – мощность при выходе из оптического волокна, P₀ – входная мощность.

Для измерения мощности использовали оптический тестер Tempo 525-60-Demo. Степень затухания измеряли следующим образом: сперва измеряли исходный уровень мощности. Затем патчкорд наматывали на барабан (последовательно наматывались один, два, три витка). Для более точного измерения каждое измерение уровня мощности при конкретной величине диаметра барабана и конкретном числе витков проводилось трижды, перед измерением контролировался исходный уровень мощности. Контроль исходного уровня мощности осуществлялся так: намотанный на барабан патчкорд распрямлялся (без отключения от приборов), включались источник и приёмник, фиксировалось полученное значение.

Величина потерь рассчитывалась по формуле:

                                                                 (2)

где α₁ – величины потерь для первого, второго и третьего измерений, соответственно, α – среднее арифметическое потерь.

В целях более точного выявления влияния влажности на значение коэффициента затухания длительность поддержания каждом конкретном значении влажности устанавливали по 2 часа. Влажность устанавливали с помощью водяных паров и измеряли с помощью цифрового гигрометра. Измерения проводили в закрытом помещении, выбранные температуры – 0^оС, 20^оС и 40^оС поддерживались с помощью калорифера.

Структурная схема экспериментальной установки представлена на рис.1, где выражением t=const отмечено помещение, в котором проводились измерения.

Рисунок 1. Здесь: 1 – источник излучения; 2 – линза; 3 – оптический кабель; 4 – оптический тестер; 5 – гигрометр

Обсуждение результатов

Зависимость коэффициента затухания от значений влажности окружающей среды при выбранных температурах, полученная на основании измерений, представлена на рис.2. Из рисунка видно, что при всех выбранных температурах коэффициент затухания практически имеет линейный вид, причем с повышением температуры эта зависимость занижается. Отсюда следует, что в выбранном для эксперимента кабеле явление дисперсии проявляется несильно.

Используя полученные экспериментальные данные и экстраполированием можно получить следующую эмпирическую закономерность зависимости коэффициента затухания от влажности окружающей среды:

,                                                               (2)

где коэффициенты A, B и C имеют значения:

дБ/%; дБ/^оС; дБ.

Рисунок 2. Зависимость коэффициента затухания оптической кабели от влажности окружающей среды при температурах 0^оС (сплошная линия); 20^оС (пунктирная линия) и 40^оС (точечная линия)

Заключение

Итак, на основании результатов исследований, проведенных по выявлению зависимости коэффициента затухания от значений влажности окружающей среды с использованием одномодового кабеля стандарта G.652D, предназначенного для подвески на опорах волоконный линий связи, можно сделать следующие выводы:

• во-первых, хотя незначительная, однако, в действительности имеется зависимость коэффициента затухания от влажности и температуры окружающей среды;
• во-вторых, эта зависимость имеет линейную форму с малым угловым коэффициентом;
• в-третьих, если с увеличением влажности затухание излучения возрастает, то с повышением температуры ослабевает.

Проведенный анализ продемонстрирует тот факт, что, по-видимому, вода оказывает негативное действие на передачу сигналов даже в случае передачи по оптическим волокнам. Что касается влияния повышения температуры, то оно дает положительный эффект при передаче сигналов, уменьшая затухание излучения. Естественно, оно проявляется в разумном интервале наземных температурах, имеющих место в среднеазиатском регионе (от 0 до 50^оС).

Список литературы:

1. Bogachkov I.V., Lutchenko S.S., Kopytov E.Y. Determination of the availability factor of fiber optic communication lines depending on external actions and diagnosis errors // T-Comm. – 2018. – V. 12, – No. 6, – P. 51-55.
2. Баскаков В.С., Косова А.Л., Прокопьев В.И. Исследование погрешностей измерений затухания оптических волокон волоконно-оптических линий передачи // Инфокоммуникационные технологии. – 2013. – Т. 11, – № 4. – С. 28-33.
3. Богачков И.В. Исследования характеристик рассеяния мандельштама-бриллюэна в специализированных одномодовых оптических волокнах // Динамика систем, механизмов и машин. – 2017. – Т. 5, – № 4. – С. 4-9.
4. Боев М.А., Зарипов И.Г. Оптические кабели для внутри объектовой прокладки с применением микромодуля // Вестник МЭИ. – 2013. – № 2. – С. 92-94.
5. Боев М.А., Кузнецов А.Ю. Исследование холодостойкости кабелей с центральным оптическим модулем // Вестник МЭИ. – 2009. – № 4. – С. 96-99.
6. Локтев А.А., Воробьева А.И. Модель повышения пропускной способности волоконно-оптической линии связи // T-Comm. – 2014.  – № 11. – С. 66-68.
7. Насиров Т.З., Саиткамолова Г.К. Исследование влияния температуры на затухание излучения в оптическом волокне // Интернаука. 2020. № 47(176). С. 6-9.
8. Николаев А.В. Отечественное оптическое волокно: текущее состояние и перспективы // Наука и техника. – 2016. – № 4(359). – С. 8-11.
9. Стенина Т.А. Изучение влияния изгибов на оптическое волокно // Евразийский союз ученых. – 2015. – № 2(11). – С. 70-73.