RESEARCH OF BEHAVIOR OF OPTICAL FIBERS IN FIBER OPTIC CABLE LOOSE TUBES UNDER DEFORMATION

Abstract

Fiber optic cables with multiunit core composed of loose tubes with optical fibers are widely used over networks installed in Russia. There are different mechanical loads including crushing load that influence on fiber optic cables during their installation. Early on papers considered only single fiber loss increasing due to cable deformation produced by crushing load. However, conventional fiber optic cables usually contain from 4 to 12 optical fibers in the each loose tube. Therefore, this work is concerned on research of fiber bundle behavior under loose tube deformation. A supposition was made and then proved, that during loose tube deformation a sharp increase of fiber loss is caused by fiber-to-fiber bends instead microbends due to loose tube surface undulation. Those radiuses of fiber-to-fiber bends are determined. Sharp increase of fiber loss (more than 0.05 dB) occurs under fiber-to-fiber bend radius as less than 8 mm.

Full Text

Введение Наиболее часто применяемая конструкция оптического кабеля (ОК) в России - это кабель «модульной» конструкции (рис. 1), сердечник которого представляет собой повив модульных трубок, в каждой из которых свободно уложены оптические волокна (ОВ). В процессе строительства и эксплуатации на ОК воздействуют различные механические нагрузки, в том числе и раздавливающие. Результаты ранее выполненных исследований [1-2] показали, что при деформации модулей в конструкции ОК, вызванных раздавливающими нагрузками, прирост затухания волокон становится ощутимым (более 0,05 дБ) только при значительных деформациях модуля. Для практики производства и эксплуатации ОК представляют интерес причины, вызывающие прирост потерь ОВ. В работах [3-4] представлены результаты исследований прироста потерь ОВ при деформации модулей, выполненных из различных материалов. Однако в данных исследованиях рассматривается модель с одним ОВ в модуле, то есть не рассматривается влияние на ОВ других волокон. В настоящее время в кабелях модульной конструкции в каждом модуле, как правило, находится от 4 до 12 ОВ. Очевидно, что могут быть различия в поведении одного ОВ и пучка волокон. В данной работе рассматривается поведение пучка оптических волокон при деформации модулей. Анализ возможных причин прироста затухания ОВ при деформации модуля Как уже было сказано выше, раздавливающие нагрузки, воздействующие на ОК и вызывающие его деформацию, приводят к деформации оптических модулей в сердечнике ОК (см. рис. 1а и рис. 1б). При деформации модульной трубки в кабеле, оптические волокна также начинают испытывать негативные воздействия, что приводит при определенной степени деформации к резкому увеличению потерь ОВ [1-2]. а) б) Рис. 1. Положение модулей в ОК: а) ОК не деформирован; б) ОК деформирован в поперечной плоскости на 3,5 мм При этом характер увеличения затухания волокон является скачкообразным. Это хорошо иллюстрируют графики на рис. 2. Как видно до некой критической деформации прирост затухания ОВ незначительный и не превышает 0,05 дБ. Но начиная с некоторых деформаций затухание сразу, почти экспоненциально, растет. Рассмотрим следующие предположения относительно поведения волокон в модуле при его деформации: - оптические волокна расположены прямолинейно, прирост затухания обусловлен микроизгибами на шероховатостях, соприкасающейся с волокнами поверхности модуля; - при деформации модуля возникают изгибы малых радиусов при перегибе волокна на волокне. Рис. 2. Зависимости прироста затухания волокон модуля от деформации Если верно первое предположение, и при деформации модуля ОВ расположены прямолинейно, то прирост затухания волокон может быть вызван только микроизгибами, обусловленными шероховатостью соприкасающейся с волокнами поверхности. В этом случае при деформации модуля с одним ОВ характер кривой потерь должен быть схож с зависимостями на рис. 2. Если прирост затухания вызван перегибами волокна на волокне, то при деформации модуля с одним ОВ значительного прироста затухания наблюдаться не должно. Для того, чтобы понять, каким образом располагаются волокна в деформированном модуле, из конструкции кабеля, предназначенного для внешней прокладки, был извлечен модуль, имевший прозрачные стенки. В модуле содержалось четыре оптических волокна. Модуль был деформирован при помощи плоскопараллельных пластин в тисках и затем был выполнен снимок, на котором при увеличении хорошо видно расположение пучка ОВ. Рис. 3. Расположение волокон в деформированном модуле с 4 ОВ Как видно на фотографии рис. 3, два волокна расположены в модуле прямолинейно, а два волокна - крест-накрест относительно друг друга. Таким образом, результаты анализа снимков деформированных модулей косвенно подтверждают второе предположение - прирост затухания обусловлен изгибами волокна на волокне. Для окончательного подтверждения данной гипотезы был выполнен еще один эксперимент. Рис. 4. Схема расположения волокон на резиновых прокладках Два ОВ располагались крест-накрест между двумя резиновыми прокладками, так как это показано на рис. 4 (вид сверху). К одному из волокон подваривались измерительные катушки и волокно подключалось к оптическому рефлектометру OTDR Ando AQ7260. Прокладки зажимались в параллельных пластинах в тисках. Затем тиски сдавливались, при этом контролировался прирост затухания ОВ. По результатам эксперимента был построен усредненный график зависимости прироста затухания ОВ от деформации (см. рис. 5). Рис. 5. Зависимость прироста затухания ОВ от приложенной к резиновым прокладкам деформации Как видно из графика рис. 5, при деформации пластинок, сначала наблюдается резкий прирост затухания в исследуемых волокнах, затем затухание практически не меняется, а начиная с деформации в 1,5 мм, прирост затухания начинает уменьшаться. Тщательный осмотр образцов по окончании эксперимента, показал, что ОВ продавили резиновую поверхность пластинок, чем и было вызвано снижение прироста потерь. Затем, аналогичный эксперимент повторили с одним волокном, которое располагалось на прокладках прямолинейно. Прирост затухания ОВ был меньше погрешности измерительного прибора (менее 0,05 дБ) и не был зафиксирован. Таким образом, результаты эксперимента подтвердили сделанное предположение о том, что резкое увеличение затухания ОВ при деформации модуля, в большей степени вызвано перегибами волокон друг на друге. Однако оставался открытым вопрос о том, с каким радиусом изгибаются ОВ. Исследование радиуса изгиба волокна на волокне Для того, чтобы ответить на вопрос о том, с каким радиусом изгибаются ОВ при деформации модуля, рассмотрим следующую схему (см. рис. 6). Рис. 6. Схема изгиба волокна на волокне Как видно на рис. 6, радиус изгиба ОВ зависит от высоты h и длины участка T между двумя точками соприкосновения волокна с поверхностью плоскости. Зная T и h, можно определить радиус изгиба R: (1) При перегибе одного волокна на другом высота h равна диаметру ОВ в акриловом покрытии и составляет 250 мкм. Для расчета радиуса изгиба, требуется определить длину участка Т, при котором прирост затухания ОВ превышает порог в 0,05 дБ. Для определения значения Т, была использована разработанная экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 7. Одно волокно изгибалось на другом на гладкой отшлифованной пластине. Изгибаемое волокно прижималось к пластине демпферами. По миллиметровой шкале определялись точки соприкосновения, изгибаемого ОВ с пластиной. С двух сторон к изгибаемому волокну подваривались ОВ на двух катушках протяженностью по 400 м. Первоначально демпферы располагались так, чтобы при изгибе волокна на волокне не наблюдалось прироста затухания в исследуемом образце ОВ. Рис. 7. Схема экспериментальной установки для определения радиуса изгиба волокна на волокне Затем демпферы сдвигались по направлению друг к другу на 2 мм и проводились повторные измерения. После этого демпферы снова сдвигались с шагом 2 мм и снова выполнялись измерения прироста затухания ОВ. Поскольку волокно обладает жесткостью, при достижении определенного радиуса изгиба, оно может сломаться. Это вносит ограничения на минимальное расстояние между демпферами. Минимальное расстояние между демпферами Т, в описываемом эксперименте, составляло 2 мм. Всего прирост затухания ОВ измерялся для четырех значений Т. Измерения прироста затухания при этом выполнялись по методике измерений затухания волокон на короткой кабельной вставке [5]. Увеличение затухания при деформации определялось, как разность между оценками, определенными при полном отсутствии изгиба образца ОВ и после изгиба волокна на волокне на определенном расстоянии Т. Измерения выполнялись на длине волны 1550 нм. Для каждого значения Т было выполнено по пять измерений. Усредненные значения прироста потерь на изгибе ОВ приведены в таблице 1. Таблица 1. Зависимость прироста затухания ОВ от величины Т (λ = 1550 нм) λ = 1550 нм , дБ N Без изгиба 0 T = 0,6 см 0 T = 0,4 см 0,043 T = 0,2 см 0,32 При уменьшении радиуса изгиба ОВ до 2 мм наблюдалось резкое увеличение затухания. Такой же характер прироста потерь наблюдается и при деформации модуля с волокнами. Резкое увеличение затухания наблюдается только при достижении критической деформации модуля, до этого значения потери ОВ не превышают погрешности измерения рефлектометром. В таблице 2 приведены значения радиусов изгиба R, рассчитанные по (1). Таблица 2. Значения Т и R T, см R, мм 0,6 18,1 0,4 8,1 0,2 2,1 Как видно из таблиц 1-2, прирост затухания в волокне фиксируется при радиусе изгиба волокна на волокне менее 8 мм. Заключение В работе выдвинута и подтверждена гипотеза о том, что при деформации модулей ОК резкое увеличение потерь ОВ в модулях в большей степени вызвано перегибами волокон друг на друге, чем микроизгибами, на шероховатости поверхности модуля. Определены радиусы таких изгибов. Показано что ощутимое увеличение затухания (более 0,05 дБ) наблюдается при радиусах перегиба волокон от 8 мм и менее.