O sistema T-BOTDA foi testado em duas condições experimentais. Na primeira delas foram utilizadas três fibras monomodo padrão diferentes entre si e concatenadas. Por outro lado, na segunda configuração foi realizada uma ligação de SMF seguida de uma fibra com alta PMD – com tensão mecânica intrínseca devido ao processo de fabricação da fibra. Ambos os cenários foram realizados com duração temporal de 200 ns, o que corresponde a uma resolução espacial de 20 m. A primeira configuração, mostrada na Figura 4.1, é composta por fibras SMF com três seções distintas: SMF1 com 2,1 km, SMF2 com 100 m e SMF3 com 6,1 km de comprimento, correspondendo a uma extensão total de 8,3 km. A fibra de teste com 100 m é mostrada após 2,1 km e reconhecido pelos picos reflexão de Fresnel, acentuados no traço cinza claro da Figura 4.1. As respostas ao ganho Brillouin para este arranjo experimental foram obtidas com sinais de prova nas frequências de: 10,68 GHz (traço cinza escuro), 10,81 GHz (traço cinza médio) e 10,84 GHz (traço cinza claro). O traço tracejado mostra o traço OTDR original como referência da característica do enlace sob teste. O deslocamento de frequência 10,68 GHz coincide com ganho Brillouin nas fibras SMF1 e SMF2 (traço cinza escuro), enquanto que a mudança de frequência 10,84 GHz coincide com o ganho de Brillouin de pico de SMF3 (traço cinza claro). Por outro lado, a frequência de 10,81 GHz não mostra nenhuma região de ganho em especial, mas, é neste traço que os picos de reflexão de Fresnel estão mais acentuados, tornando mais evidente as emendas entres os segmentos de fibra óptica.
Figura 4.1 - Resposta ganho de Brillouin três frequências aplicadas: 10,68 GHz (cinza escuro), 10,81 GHz
(cinza médio) e 10,84 GHz (cinza claro).
Em um segundo experimento da técnica proposta, a fibra de cerca de 100 m (SMF2) foi aquecida até 53°C utilizando uma estufa elétrica industrial. Durante o procedimento, foi obser- vado uma mudança de na frequência de ganho máximo Brillouin para 10,73 GHz, que corres- ponde ao ganho Brillouin nesta seção fibra a esta temperatura. A curva T-BOTDA obtida é apresentada na Figura 4.2 em traço azul. Em seguida, o mesmo trecho, SMF2, foi então aque- cido a 63°C e o deslocamento de frequência que corresponde ao ganho máximo de Brillouin desta seção foi, desta vez, 10,75 GHz (traço vermelho), como pode ser visto na mesma figura. Assim, foi alcançada uma diferença de 20 MHz, para uma variação de temperatura de 53ºC para 63ºC. Nos testes que compreendem aplicação de temperatura e deformação sob a fibra óptica, procurou-se respeitar os limites superiores, que são de aproximadamente 85 ºC e 2000 µε.
Figura 4.2 – Ganho Brillouin com sinal de prova nas frequências de 10,73GHz para a temperatura de 53 ° C
(azul) e 10,75GHz, quando a fibra é testada a 63° C (vermelho).
A diferença de temperatura obtida nestes dois testes experimentais é de 10°C. Conforme relatado na literatura, é esperado um deslocamento de frequência de ~1 MHz/°C [23], o que corresponderia a mudança na frequência de ganho máximo Brillouin de 10 MHz para esta va- riação de 10ºC. Entretanto, o valor esperado de acordo com a literatura é metade do valor obtido experimentalmente. Acreditamos que esta diferença se deve a baixa precisão no ajuste do des- locador de frequência do sinal de prova, além do fato do equipamento ser ajustado manualmente de forma a garantir o ganho máximo no traço OTDR. No entanto, este experimento ainda mostra a viabilidade da proposta do T-BOTDA em uma configuração que emprega um módulo OTDR genérico disponível comercialmente, como fonte de pulsos e aparelho de recepção.
Na segunda configuração, a fibra SMF1 foi concatenada com um enlace de alta PMD (5,6 ps) com 4,3 km, formando um link de fibra total de 6,4 km. O ganho Brillouin distribuído para três frequências de deslocamento são mostrados na Figura 4.3. Como anteriormente, o ganho máximo da SMF1 ocorre em 10,68 GHz (traço cinza escuro). Dois traços foram identi- ficados na região da fibra com elevado nível de PMD, correspondendo a diferentes localizações de ganho máximo. O primeiro corresponde a um desvio de frequência de 10,48 GHz (traço cinza claro) com ganho de pico no traço T-BOTDA na faixa de 2,1 a 2,3 km. O segundo (traço cinza médio) corresponde a uma mudança de frequência de 10,54 GHz, com um ganho de pico localizado a cerca de 4,5 km da fibra de alta PMD. Estas diferenças devem-se às tensões intrín- secas devido ao processo de tração que a fibra sofre durante sua fabricação. A diferença de 60 MHz destes dois deslocamentos de frequência identificados corresponde a uma diferença de
tensão mecânica intrínseca de cerca de 0,1% (1000 µε), dado ao fato que o coeficiente de de- formação longitudinal é ~600 MHz/%. Sendo que 𝜇𝜖 = (∆𝐿 𝐿⁄ ) × 106, onde L é o compri- mento original do elemento sob deformação e ∆L é a quantidade de deformação. Isto significa que na posição de 4,5 km, esta fibra tem uma deformação longitudinal de 0,1% (1000 µε) su- perior à região em 2,2 km. De acordo com a literatura [40], trabalho este que estuda os efeitos de torção e tração em fibras ópticas com alta birrefringência, isto corresponderia a 1,3 ps de variação do atraso de grupo diferencial (DGD).
A mesma ligação de fibra SMF1 + alta PMD foi testada a partir da extremidade oposta da fibra, onde os pulsos ópticos de bombeio foram inseridos do lado onde a fibra de alta PMD estava localizada. Os resultados, mostrados na Figura 4.4, foram registrados para as mesmas frequências de deslocamento no sinal de prova vistos anteriormente. O comportamento é com- pletamente análogo ao resultado da Figura 4.3, com fibra SMF1 com ganho de Brillouin na frequência de 10,68 GHz (traço cinza escuro) e a fibra de alta PMD com ganho de 10,48 GHz (traço cinza claro) na região de 4,2 km e 10,54 GHz (traço cinza médio) na região de 1,9 km. Este resultado em particular mostra a robustez e consistência da configuração proposta e a pos- sibilidade de identificação de fibras com alta PMD no enlace de transmissão óptica.
Figura 4.3 – Ganho Brillouin para o enlace de fibra composto por SMF1 e fibra de alta PMD, onde, os traços
Figura 4.4 – Ganho Brillouin para o enlace de fibra composto por SMF1 e fibra de alta PMD, onde, os traços
são obtidos quando o sinal óptico de bombeio é inserido na fibra de alta PMD.
Nesta primeira análise, propusemos e implementamos um transponder BOTDA, deno- minado de T-BOTDA, que utiliza um módulo OTDR comercial para obter os traços Brillouin diretamente pelo equipamento. O arranjo foi testado em duas configurações diferentes. Na pri- meira configuração, três Fibras SMF foram utilizadas, sendo que a fibra de teste possuía 100 m e enlace total com 8,3 km. O sistema identificou com sucesso a fibra de 100 m quando este foi aquecido em duas temperaturas: 50°C e 60°C. A diferença de deslocamento da frequência Bril- louin foi de 20 MHz, o dobro do valor esperado na literatura. Na segunda configuração, uma fibra SMF foi concatenada com uma fibra de alta PMD (5,6 ps) com comprimento de 4,3 km e enlace total de 6,4 km. Mais uma vez o sistema teve sucesso em distinguir entre essas duas fibras e além disso, o sistema identificou a diferença de deformação intrínseca de aproximada- mente 0,1%, correspondendo à variação de 1,3 ps do atraso de grupo diferencial interno a fibra de alta PMD. O T-BOTDA proposto pode ser adaptado em termos de resolução e alcance para uma variedade de aplicações, como por exemplo: longo alcance e resolução mais grosseira para aplicações de detecção de queimadas, enquanto dezenas de quilômetros e alguns metros de resolução para aplicação de sensoriamento, como linha de transmissão subterrânea, Cabo Óp- tico de Terra da linha de transmissão (Optical Ground Wire – OPGW) ou Cabo Óptico de Fase (Optical Phase Conductor – OPPC) monitorando deformação e temperatura, monitoramento da integridade estrutural na construção civil ou na aviação. Outra possível aplicação é a detec- ção de vazamento em sistemas de distribuição a partir da variação de temperatura próximo ao
ponto de vazamento. Como demonstrado, também pode ser adaptado para identificar fibras de alta PMD em enlaces de sistemas de comunicação óptica.
4.2 DESENVOLVIMENTO DE MÉTODO SIMULTÂNEO PARA MEDIÇÃO DE TEM-