РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ АПРОБАЦИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОДОЛЬНОГО РАСТЯЖЕНИЯ ВОЛОКОННОГО СВЕТОВОДА НА БАЗЕ ЛИНЕЙНОГО ТРАНСЛЯТОРА STANDA 7T173-25

Линейный транслятор Standa 7T173 (рис. 1) предназначен для линейного перемещения с ручной регулировкой. Натяжение производится с помощью ручной регулировки микровинтами. Данная платформа подпружинена по отношению к ведущему винту для плавного и точного движения. С помощью массива монтажных отверстий на основании можно обеспечить удобное крепление ВРБ – волоконной решётки Брэгга.

Характеристики платформы:

• возможные значения перемещений: 5, 6, 25, 30 мм;
• ведущий микрометрический винт;
• точные шарикоподшипники;
• материал: алюминий с черным анодированным покрытием;
• чувствительность 1 мкм;
• точность слежения 2 мкм;
• точность установки 5 мкм (половина деления);
• максимальная горизонтальная нагрузка 10 кг;
• максимальная вертикальная нагрузка 5 кг.

Рисунок 1. Линейный транслятор Standa 7T173

Для реализации продольной деформации оптического волокна с ВРБ была собрана схема (рис. 2), в которой ОВ (1) помещается в каретки с магнитными фиксаторами (2а и 2б), что обеспечивает неподвижность данного участка волокна. Каретка (2а) крепится с помощью ленты, у которой с двух сторон нанесено клеевое пленочное покрытие, к подвижной части линейного транслятора (3). С помощью винта с измерительной шкалой (4) через пружины (5) производится движение подвижной части (3), тем самым регулируется натяжение ОВ. Данная установка крепится на платформе линейного транслятора (6). Каретка (2б) также с помощью ленты с клеевым покрытием крепится на подставку (7), который необходим для того, чтобы обе каретки находились на одном уровне (это исключает дополнительные деформации ВРБ). Платформа линейного транслятора (6) и подставка (7) фиксируются на оптической скамье (8).

Рисунок 2. Обобщенная структурная схема экспериментальной установки

Предполагаемая схема представлена на рис. 3, где «SM OB» – одномодовое оптическое волокно стандарта G.652, «Standa с ВРБ» – линейный транслятор Standa 7T173 с установленной в нем решеткой Брэгга, «OSA» – оптический анализатор спектра (Optical spectrum analyzer – OSA) ANDO AQ6330, «SM FC/PC» – тип оптического разъема, SLD-1300-14BF – суперлюминесцентный диод, который является источником оптического излучения.

Рисунок 3. Структурная схема ВОД

Образец ВРБ, записанный в структуре SM ОВ на длине волны 1308,69 нм, вваривался между двумя строительными длинами SM ОВ с помощью стандартной программы сварки (сварочный аппарат Ericsson FSU-975, программа сварки 04). К свободному концу одной катушки приваривался пигтейл, который подключался к оптическому анализатору спектра. С другой стороны схемы был подключен суперлюминесцентный диод (SLD-1300-14BF), который использовался в качестве источника оптического излучения в области длин волн 1310 нм. Ток работы диода устанавливался равным 60 мА. Область ОВ с записанной ВРБ фиксировалась на установке с линейным транслятором Standa 7T173-25. С помощью данного устройства было произведено поверхностное натяжение оптического волокна в диапазоне от 0 до +35 мкм с шагом в 5 мкм. Каждое изменение фиксировалось с помощью анализатора спектра.

Для более удобной обработки результатов с помощью функций оптического анализатора спектра «провалы» в спектрах были преобразованы в «пики». Это было сделано следующим образом: на ось А анализатора записывается опорный спектральный отклик ОВ без ВРБ, на ось B записывается другой спектр – спектр оптического волокна с волоконной решеткой Брэгга (с «провалом»), затем находится разница между осью А и осью В и выстраивается разница двух осей. Результат отображается на оси C в виде "пика".

Полученные таким образом спектральные отклики проходили обработку в ПО MathWorks MatLab:

Из массива точек (txt) строились графики зависимости уровня мощности от длины волны на каждом этапе натяжения (рис. 4).

Рисунок 4. Спектры схемы с ВРБ при натяжениях

По данным графикам находились «провалы» уровня мощности (длины волны Брэгга – λ_Брэгга), с помощью которых проводилось измерение отклонения (Δλ) центральной длины волны Брэгга от ее нормального значения (1308,69 нм) при нулевом натяжении ОВ (рис. 5). Данные представлены в таблице 1.

Рисунок 5. Спектры опорной схемы и схемы с ВРБ

Таблица 1

Результаты изменения длины волны Брэгга при изменении натяжения

По полученным результатам строились графики зависимости изменения длины волны Брэгга от изменения натяжения (Δl) – рис. 6.

Рисунок 6. График зависимости изменения длины волны Брэгга от изменения продольного натяжения

Как видно из таблицы 1 и построенного по ней графика (рис. 6), при увеличении деформации происходит увеличение значения длины волны Брэгга в ОВ. Это подтверждает правильность поставленной задачи и собранной схемы.

При натяжении ВРБ в 5 мкм наблюдается уменьшение длины волны Брэгга, что является отклонением от общей тенденции изменения данной величины.

Отклонения длины волны Брэгга при максимальном натяжении от опорного значения составляют: в первом заходе – 0,88 нм (0,067 %), во втором – 0,86 нм (0,066 %), в третьем – 0,86 нм (0,066 %). В данном случае находился процент максимального изменения длины волны от нормального значения (1308,69 нм).

Прирост смещения длины волны на 1 мкм: в первом заходе – 0,0288 нм (3,273 %), во втором – 0,0282 нм (3,279 %), в третьем – 0,0292 нм (3,395 %). Здесь находился процент изменения длины волны при натяжении его на 1 мкм от максимального значения изменения.

Выводы

Как видно из результатов эксперимента, имеется прямая зависимость смещения длины волны Брэгга при воздействии на нее продольной деформации: увеличение воздействия на ВРБ приводит к увеличению значения длины волны, т.е. происходит смещение ее в правую сторону оптического спектра. Следовательно, разработанная схема на одномодовом оптическом волокне работает, и может быть использованная как структура для разработки волоконно оптических датчиков.

Список литературы:

1. Бурдин А. В. Результаты экспериментальных исследований маломодовых режимов волоконных Брэгговских решеток на многомодовых световодах [Текст] / А. В. Бурдин [и др.] // Инфокоммуникационные технологии. – 2016. – 15 с.
2. Кульчин, Ю. Н. Распределенные волоконно-оптические датчики и измерительные сети [Текст] / В.: Дальнаука, 1999. – 284 с.
3. Окоси, Т. Волоконно-оптические датчики [Текст] / Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 256 с.