Экспериментальное исследование потерь на изгибе

Для более глубокого изучения процессов отвода мощности и потерь на изгибе волоконного световода в лабораторных условиях кафедры был проведен эксперимент, посвященный исследованию этих явлений и нахождению соответствующих зависимостей. Исследования проводились при помощи установки, схема которой показана на рис. 8.

Рис.8. Схема экспериментальной установки.

Для начала было выбрано подходящее для исследований оптическое волокно (2), имеющее диаметр сердцевины 50 мкм, диаметр оболочки 125 мкм, а также диаметр защитного покрытия 600 мкм. Все это было заключено в еще одну, резиновую внешнюю оболочку, которая была предварительно удалена. Длина световода составляла 10 м. На обоих концах световода имелись оптические разъемы. Световая мощность подавалась с помощью передающего оптического модуля (1) на основе лазерного диода, имеющего длину волны 1.55 мкм, а мощность излучения изменялась от 500 до 1000 мкВт. Также этот модуль имел устройство ввода излучения в волокно.

Для контроля выходящей мощности был использован измеритель мощности (6) «FOtest'R M712A» производства компании FOTEC, имеющий паспортную погрешность измерений 0.1%. В приборе используется германиевый фотодетектор, благодаря чему он может измерять световую мощность в диапазоне длин волн как 1.3 мкм, так и 1.55 мкм. Показания могут быть представлены в микроваттах и в dBm.

Когда волоконно-оптический тракт, состоящий из вышеописанного источника, волоконного световода и измерителя мощности, был собран, середина волокна была заведена на специально подготовленный штатив (3) с держателями (4), на котором закреплялись эталоны радиусов (5) – отрезки металлических цилиндров. С помощью держателей волокно в изогнутом вокруг эталона состоянии закреплялось на штативе. Измерение значения мощности проводилось два раза: сперва до изгиба, в незакрепленном состоянии, а затем уже в закрепленном, когда волокно уже было изогнуто. Исследования проводились при восьми разных значениях радиусов, причем их значения были взяты неравномерно. Необходимо учитывать тот факт, что вследствие наличия защитной оболочки реальный радиус изгиба волокна не равен радиусу эталонного цилиндра, а больше его на величину, равную половине толщины оболочки (в нашем случае это 0.3 мм). Теоретические исследования показывают, что в области значений радиуса изгиба 1.5-3 мм наблюдается резкое изменение характера зависимостей, поэтому в этой области были проведены дополнительные измерения. Для каждого значения радиуса сделано десять измерений; конечный результат получен при помощи метода среднеквадратичного приближения.

Результаты измерений приведены в таблице 2.

Таблица 2. Результаты эксперимента

R=2.1		R=2.3		R=3.0		R=3.3		R=3.8		R=4.0		R=5.0		R=6.0
890	637	900	736	562	483	897	770	905	815	551	526	578	551	551	526
891	674	908	752	576	487	891	743	894	784	511	500	594	580	511	500
880	641	890	722	546	437	894	775	890	795	518	498	570	564	518	498
894	661	900	784	506	420	892	750	893	805	558	523	566	551	558	523
891	648	910	770	480	431	896	784	896	816	560	528	566	562	560	528
889	667	905	785	483	431	900	774	892	763	561	538	530	500	561	538
894	614	893	707	502	435	895	767	894	813	562	523	535	531	562	523
886	604	902	720	471	422	892	775	897	816	551	516	522	515	551	516
882	622	890	702	486	424	900	785	894	786	546	507	549	545	546	507
892	580	894	714	509	415	892	791	891	788	571	514	547	536	571	514

После переработки этих данных было найдено среднее относительное значение потерь для каждого из радиусов:

Таблица 3. Результаты обработки экспериментальных данных.

Радиус R, мм	Коэффициент потерь KBL	Среднеквадратичное отклонение
2,1	0,286	0,01587
2,3	0,178	0,05488
3,0	0,142	0,0344
3,3	0,138	0,02709
3,8	0,108	0,03146
4,0	0,057	0,0899
5,0	0,022	0,0943
6,0	0,017	0,0203

График зависимости, построенной по результатам этих экспериментальных исследований, выглядит следующим образом:

Рис.9. Экспериментальная зависимость потерь от радиуса изгиба.

Серым цветом на графике показана кривая экспоненциальной аппроксимации, полученная с использованием программного средства TC-1, разработанного на кафедре ИБТС¹. С помощью этого же средства можно получить и аналитическое выражение для аппроксимирующей зависимости:

Этим выражением можно будет пользоваться и в дальнейшем для нахождения оптимального радиуса изгиба.

Для сравнения приведем также график теоретически рассчитанной зависимости, полученной на основе формулы, описанной выше:

Рис.10. Теоретическая зависимость потерь от радиуса изгиба.

Теоретическое исследование зависимостей потерь на изгибе волокна является предметом серьезных научных споров, а проделанные в этой области работы не учитывают в полной мере влияния всех эффектов, возникающих при изгибе. Поэтому в дальнейшем для расчета оптимальных углов мы будем ссылаться на экспериментально полученные данные.

Как уже было сказано выше, в случае НСД речь идет не о потерянной на изгибе мощности, а о той ее части, которую удалось собрать с помощью устройств сбора и ввести в фотодетектор нелегального приемника. Для этой задачи обычно используются различные линзовые системы, которые вместе с волокном помещаются в герметичный сосуд, заполненный жидкостью с показателем преломления большим, чем у оболочки. Тем самым создаются условия для выхода излучения из оболочки в окружающую среду. На первый взгляд такая задача кажется невыполнимой: ведь линия находится в эксплуатации, по ней передается информация, и кажется невозможным помещать ее волокна в какие-либо сосуды, да еще и заполненные жидкостью. Но на практике такая задача оказывается вполне по силам злоумышленнику. Он применяет заранее заготовленные конструкции, в которых имеются линза, фотоприемник, а также пазы для закрепления волокна в изогнутом состоянии. Такая конструкция имеет крышку. После того, как волокно будет продето, крышка герметично закрывается, а внутреннее пространство заполняется жидкостью через специальную трубку (обычно это глицерин). Коэффициент связи для такой системы на практике удается приблизить к значению 0,1.

Будем в дальнейшем полагать, что отбор мощности производится именно таким способом.