10.1. Назначение и виды измерений в волоконно-оптических линиях передачи

10.2. Методы и средства измерения затухания

10.2.1. Метод двух точек

10.2.2. Метод обрыва

10.2.3. Метод вносимых потерь

10.2.4. Измерение приращения затухания при воздействии внешних факторов

10.2.5. Измерение переходного затухания

10.2.6. Метод обратного рассеяния

10.2.7. Приборы для измерения затуханий в оптических кабелях

10.3. Методы и средства измерения полосы пропускания и дисперсии оптических волокон

10.3.1. Измерение межмодовой дисперсии

10.3.2. Измерение хроматической дисперсии

10.3.3. Измерение поляризационной модовой дисперсии

10.1. Назначение и виды измерений в волоконно-оптических линиях передачи

В общем случае весь спектр измерений в волоконно-оптических линиях передачи (ВОЛП) можно разделить на два основных типа: это системные и эксплуатационные измерения. Первые заключаются в определении целостности волокна, например при помощи оптического рефлектометра, а вторые – в определении функционирования системы с позиции параметров передачи, примерами которого являются: измерение потерь, измерение дисперсии. Для обеспечения работоспособности и соответствия проектным параметрам волоконно-оптических систем передачи необходимо проводить множество как системных, так и эксплуатационных измерений, которые, в свою очередь, отличаются методикой и используемыми средствами измерений. Не останавливаясь на детализации данных вопросов, рассмотрим основные виды измерений на этапах производства оптических кабелей (ОК), строительства и технической эксплуатации ВОЛП.

Измерения в условиях производства проводятся при входном контроле. Измеренные параметры оформляются в виде паспортных данных, которые должны соответствовать действующим нормам ГОСТ и ТУ.

На этапе строительства ВОЛП в целях контроля качества строительства и связи измеряют затухание ОВ на строительных длинах и смонтированных участках регенерации; затухание, вносимое соединениями ОВ. При необходимости устанавливают места повреждений.

При наличии в ОК металлических проводников производят измерения и испытания в соответствии с ТУ на кабель параметров электрических цепей, в частности измерение электрического сопротивления изоляции металлических элементов и наружной оболочки, испытание (изоляции между жилами, жилами и остальными металлическими элементами, металлической оболочкой и броней, броней и водой и т. п.) на постоянном или переменном токе повышенным напряжением. Измерительную аппаратуру чаще всего размещают в специально приспособленных автомашинах, что позволяет ускорять процесс монтажа и строительства.

В процессе эксплуатации измерения выполняются для определения технического состояния линейных сооружений и аппаратуры, предупреждения и устранения повреждений. Их разделяют на профилактические, контрольные и аварийные.

Профилактические измерения, проводятся по утвержденному плану. Состав, объем, и периодичность измерений устанавливаются в зависимости от местных условий, состояния ВОЛП и т. д.

Контрольные измерения и испытания, осуществляются после ремонта с целью определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Аварийные измерения, производятся с целью определения места и параметра повреждения оптического кабеля.

Согласно [23] состав измерений и испытаний на различных этапах производства оптического кабеля, строительства и эксплуатации ВОЛП приведен в таблице 10.1.

Согласно приведенной таблице, данные измерения в зависимости от типа волокна включают измерения затухания, межмодовой и хроматической дисперсии, цифровой апертуры, диаметра сердцевины, длины волны отсечки и размера модового пятна.

Многомодовое волокно. Наиболее важным параметром оптических волокон является затухание, измерение которого осложняется распространением большого количества мод в данном волокне, каждая из которых имеет свои собственные характеристики распространения. Поэтому для тестирования ВОЛП волокно должно быть возбуждено в режиме равновесного распределения мод (EMD), представляющем собой распределение мод после достаточно большой длины волокна, а измерение должно быть проведено путем сравнения вносимых потерь короткого эталонного волокна с потерями всего тестируемого волокна. Для этой цели могут использоваться источник и измеритель оптической мощности, а при необходимости получения дополнительной информации о равномерности ослабления на всей протяженности волокна необходимо проводить анализ обратно рассеянного сигнала при помощи оптического рефлектометра [14].

Межмодовая дисперсия – это технический термин для обозначения расширения (сужение полосы пропускания) вследствие неравных скоростей распространения различных мод. Основная концепция измерения межмодовой дисперсии заключается в возбуждении волокна коротким EMD импульсом с последующим измерением ширины импульса на конце волокна. При этом для измерения должен быть использован источник с узкой шириной спектра, например, как у лазерного диода [14].

Хроматическая дисперсия – это расширение импульса вследствие отличия скоростей различных длин волн, содержащихся в спектре источника, которая отражает свойство материала волокна. Поэтому при хроматической дисперсии расширение импульса непосредственно зависит от ширины спектра источника. Так как хроматическая дисперсия не может быть непосредственно измерена, для ее определения необходимо к результату измерения добавить значение межмодовой дисперсии.

Цифровая апертура (NA) и диаметр сердцевины определяют то значение мощности, которое можно ввести в многомодовое волокно. NA определяет максимальный угол направленных лучей в волокне и всегда измеряется на выходе волокна (на его отделенном конце), допуская, что максимальный угол, наблюдаемый на выходе, приблизительно равен максимальному углу на входе, а в волокно введены все моды. Диаметр сердцевины измеряется на выходном конце волокна путем измерения распределения мощности при полном возбуждении на входе [14].

Таблица 10.1. Состав измерений и испытаний на различных этапах производства ОК, строительства и эксплуатации ВОЛП

Одномодовое волокно. Если длина волны измерения больше длины отсечки одномодового волокна, в нем будет распространяться только одна мода. При таком условии измерения ослабления одномодового волокна значительно проще, чем аналогичные измерения в многомодовых волокнах, и, согласно методу обрыва, выполняются в два этапа: сначала измеряется выходная мощность на удаленном конце волокна с повторным измерением на части отрезанного у входного конца волокна. Разность уровней мощности, выраженная в оптических дБ, и является ослаблением. При необходимости получения дополнительной информации о равномерности ослабления на всей протяженности волокна необходимо проводить анализ обратно рассеянного сигнала при помощи оптического рефлектометра.

Полоса пропускания одномодового волокна зависит только от хроматической дисперсии, поэтому для ее определения влияние модовой дисперсии можно не принимать в расчет. Основная идея измерения в этом случае заключается в измерении импульсной характеристики волокна путем сравнения импульсов на его входе и выходе, а также в измерении амплитуды выходного сигнала при возбуждении волокна модулированным переменной частотой гармоническим сигналом.

Для когерентных ВОСП наряду с затуханием и дисперсией ОВ важную роль играют поляризационные характеристики волокна. При использовании одномодовых одно-поляризационных световодов возникает потребность в измерениях их параметров. Для пассивных компонентов ВОЛП (аттенюаторов, разветвителей, фильтров, разъемов) приходится контролировать спектральные характеристики и затухание отражения. Последнее имеет большое значение, поскольку РОС лазеры и лазеры Фабри-Перо чувствительны к этому параметру.

Длина волны отсечки одномодового волокна определяет самую низкую длину волны, которую следует использовать, если особую важность имеет высокая полоса пропускания, так как ниже длины волны отсечки будет распространяться большое количество мод. Поэтому длина волны отсечки измеряется вводом в короткое волокно широкого спектра излучения, например, от вольфрамовой лампы, а затем осуществляется измерение ослабления каждой спектральной составляющей. Длина волны отсечки в этом случае определяется как отсутствие непрерывности кривой ослабления, ибо наличие большого количества мод позволяет большему объему возбужденной мощности достичь конца волокна. Другой метод измерения основан на условии, что моды высокого порядка более чувствительны к изгибам волокна, чем фундаментальные моды. Для проведения этих измерений источник должен обеспечивать стабильность интенсивности излучения и постоянство длины волны, согласованной со спектральной чувствительностью детектора.

Диаметр модового пятна характеризует расстояние между двумя точками, в которых измеренная мощность составляет 1/е от максимальной мощности при условии аппроксимации излучения фундаментальной моды одномодового волокна лучом Гаусса как внутри него, так и снаружи. Особенностью луча Гаусса является то, что он полностью определяется только двумя показателями: радиусом точки и длиной волны. Поэтому характеристики излучения, в частности поле на выходе волокна, могут быть определены исходя из этих показателей.

10.2. Методы и средства измерения затухания

В процессе производства ОК, строительства и эксплуатации ВОЛП интерес представляет полное затухание ОК, которое определяется следующими причинами [18]:

• затухание, обусловленное поглощением и рассеянием ОВ;

• добавочное затухание, возникающее в процессе эксплуатации (возникающие микротрещины, микро и макро изгибы и т. п.);

• затухания отражения от входного конца, возникающие при вводе излучения в световод и на неоднородностях.

В общем виде затухание оптического сигнала определяется соотношением:

, дБ (10.1)

где и - мощности оптического сигнала в точках 2 и 1 соответственно, выраженные в Вт, mВт или mВт.

В случае, когда шкала измерителя мощности проградуирована в логарифмических единицах, т.е. в абсолютных уровнях сигнала по мощности, определяемых по формуле:

(10.2)

Затухание сигнала определяется по упрощенной формуле:

, дБ (10.3)

Для однородного волокна можно определить коэффициент затухания – затухание на единицу длины волокна в [дБ/ед. длины]:

, [дБ/ед. длины] (10.4)

которое не зависит от выбранной длины L волокна.

Из формул (10.1), (10.3) и (10.4) следует, что при определении затухания возникает задача измерения мощности оптического сигнала на выходе и входе ОВ. При этом вычисленные значения затуханий имеют отрицательные знаки. Опускание последнего является в волоконной оптике обычной практикой.

Существуют различные методы измерения затухания ОВ и ОК [19].

Классификация этих методов и соответствующая им терминология не являются однозначными. Ниже приводится классификация, в достаточной мере отражающая суть реальных методов:

• двух точек;

• метод обрыва;

• замещения;

• сравнения с отраженным сигналом;

• обратного рассеяния.

10.2.1. Метод двух точек

Метод по своей сути является наиболее простым и заключается в измерениях мощности Р₁(l) вводимой в ОВ (кабель), и мощности, излучаемой Р₂(l) на его выходе. Затухания измеряемого объекта определяются по формулам (10.1) – (10.4).

Погрешность измерения затухания этим методом зависит от двух факторов:

• погрешности прибора, измеряющего мощность;
• погрешности измерения доли мощности, вводимой в измеряемое волокно.

Первый из этих факторов является очевидным. Проанализируем второй:

Измерение мощности на выходе излучателя не является проблемой, однако эта мощность неадекватна мощности, введенной в измеряемый объект, вследствие потерь на вводе. Определение этих потерь с необходимой погрешностью затруднительно. Поэтому возможны два решения: определение и учет с необходимой погрешностью значения потерь на вводе энергии в волокно в каждом конкретном случае измерений; снижение этих потерь до заведомо малого (пренебрежимого) значения. Очевидно, как в первом, так и во втором варианте мощность измерений затухания будет ограничиваться точности учета (или обеспечения малости) значения потерь на вводе. Второе решение является более конструктивным. На рисунке 10.1 представлена функциональная схема измерения, соответствующая рассматриваемому методу [19].

Источником возбуждения измеряемого кабеля является по существу не излучатель 1, а половина калиброванного разъема на выходе поглотителя оболочечных мод. Таким образом, половина разъема представляет собой излучатель равновесной структуры поля.

Во вторую половину калибровочного разъема закладывается входной торец измеряемого волокна. Диаметр сердцевины калиброванного отрезка волокна 4 и его числовая апертура заведомо меньше таковых измеряемого волокна. Разъем снабжен микроманипулятором, дающим возможность плавно с большой точностью юстировать разъем относительно торца измеряемого волокна так, чтобы мощность (или показания приборов 7, пропорциональные мощности), контролируемая на конце кабеля l, была максимальной.

Определив показания y₂ прибора на конце кабеля, разъем размыкают и измеряют тем же прибором мощности y₁ излучения калиброванным волокном 4 в разъеме 5. Очевидно, что при соблюдении указанных выше условий (для диаметров сердцевины, числовых апертур и оптимальной юстировки) второе измерение, дающее показание y₁ определяет мощность (или пропорциональную ей величину) в начале кабеля. Тогда значение затухания может быть определено по 10.1 (вместо величин P₁ и P₂ могут фигурировать y₁ и y₂).

Обязательным условием снижения до минимума потерь в разъеме 5 является подготовка торца измеряемого волокна. Для этого используются известные приемы: контролируемое (на специальном станке) обламывание волокна, полировка торца волокна и очистка его поверхности от неизбежных жировых пленок в чистом бензине или сероуглероде. Описанный метод измерения удобен в тех случаях, когда оба конца кабеля непосредственно доступны для измерения одному оператору.

Двусторонний доступ возможен, например, при измерениях на заводе или при входном контроле, когда кабель уложен на барабане или ОВ намотано на бобине. Если кабель уложен в траншее, т.е. оба его конца разнесены, то измерение по методу двух точек усложняется, так как его должны проводить два оператора у концов кабеля. При этом необходимо, чтобы измерители мощности, разнесенные по концам кабеля, имели бы идентичные параметры. В подобных случаях более удобными являются методы, обеспечивающие измерение при одностороннем доступе.

10.2.2. Метод обрыва

Он рекомендуется ITU-T G.651, EIA/TIA и ГОСТ 26814-86, является наиболее точным из используемых, но требует разрыва волокна, и его использования при инсталляции, техническом обслуживании и в полевых условиях нежелательно, поэтому он применяется только при производстве ОВ. Метод основан на сравнении значений мощности оптического излучения, измеренной на выходе длинного волокна и на выходе короткого отрезка волокна, образованного отсечением части длины (около 2 м) со стороны источника. При измерении необходимо обеспечить постоянство мощности, вводимой в оптическое волокно измеряемого кабеля, и неизменность модового состава излучения.

Метод применяют для измерения затухания оптических кабелей, не армированных оптическими соединителями. Торцевые поверхности оптических волокон измеряемого кабеля должны быть перпендикулярны оси волокон, не иметь сколов и повреждений, препятствующих прохождению оптического излучения. В целях снижения погрешности измерения, обусловленной плохой обработкой торца волокна и некачественной установкой его в адаптере, измерения повторяют многократно, каждый раз обламывая подключаемый через адаптер к приемнику конец ОВ на длине (1…3 см), затем полученные оценки усредняют. При этом оценки, существенно отличающиеся от среднего значения, отбрасывают.

Измерение проводят на установке, схема которой представлена на рисунке 10.2, если применяют источник излучения, имеющий фиксированную длину волны (светодиод или лазер), или на установке, схема которой указана на рисунке 10.3, если применяют источник излучения с широкой спектральной полосой (лампа накаливания с монохроматором).

Положение и интенсивность источника излучения должны быть стабильными в течение всего времени проведения измерений. Длина волны и спектральная ширина источника излучения должны соответствовать требованиям, указанным в стандартах или технических условиях на измеряемый оптический кабель.

Устройство ввода излучения в измеряемое оптическое волокно кабеля должно обеспечивать юстировку входного конца волокна в трех взаимно перпендикулярных плоскостях для осуществления оптимального ввода энергии в волокно и жесткую фиксацию волокна.

Смеситель мод должен обеспечивать возбуждение измеряемого волокна с модовым составом, соответствующим установившемуся модовому распределению. При отсутствии смесителя мод уровень оптического сигнала на выходе волокна в процессе измерения может флюктуировать. Для контроля установившегося модового распределения должен быть использован метод измерения числовой апертуры. Критерием установившегося модового распределения является идентичность распределения излучения в дальней зоне на выходе модового смесителя и измеряемого волокна.

Фильтр мод оболочки должен обеспечивать вывод мод, распространяющихся по оболочке волокна измеряемого оптического кабеля. Для контроля вывода мод оболочки должен быть использован метод измерения интенсивности излучения в ближней зоне. Критерием вывода мод оболочки является отсутствие излучения в оболочке волокна после фильтра мод оболочки.

Приемник излучения должен иметь фоточувствительную площадку, достаточную для регистрации всего конуса излучения, выходящего из оптического волокна. Приемник должен быть чувствительным к излучению во всем спектральном диапазоне, используемом в измерениях. Чувствительность приемника должна быть однородна по всей его площади, а преобразовательная характеристика – линейной или известной.

Регистрирующее устройство должно обеспечивать регистрацию сигнала во всем диапазоне сигналов, поступающих с приемника излучения. Если применяют модуляцию оптического излучения, то система обработки сигнала, поступающего от приемника излучения, должна быть согласована с характеристиками модулятора (например, синхронизована с частотой модуляции сигнала источника излучения). Характеристика регистрирующего устройства должна быть линейной или известной.

Подготовку образцов к измерениям проводят в следующей последовательности:

• оба конца измеряемого кабеля освобождают от защитных покрытий: один входной – на расстоянии не менее 1 м, второй – на расстоянии не менее 0,5 м;

• концы каждого волокна измеряемого кабеля освобождают на длине 10 – 50 мм от первичной и вторичной защитных оболочек;

• торцевые поверхности оптических волокон на обоих концах кабеля обрабатывают так, чтобы они были ровными и перпендикулярными оси волокна и не имели сколов.

На расстоянии (0,5 ± 0,2) м от входного торца измеряемого волокна оптического кабеля последовательно устанавливают смеситель мод и фильтр мод оболочки.

Измеряемое волокно оптического кабеля устанавливают входным торцом в устройство ввода, выходным – вблизи фоточувствительной площадки приемника излучения так, чтобы все излучение с выходного торца попадало на площадку.

С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца измеряемого волокна по максимуму сигнала на выходе приемника излучения. Фиксируют положение входного торца и регистрируют значение сигнала на выходе приемника излучения. При проведении измерения спектрального распределения затухания изменяют длину волны вводимого в оптическое волокно излучения в заданном спектральном диапазоне; при этом регистрируют значение сигнала на выходе волокна во всем спектральном диапазоне.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, от выходного конца измеряемого волокна обламывают отрезок длиной 0,5 – 3 см. Подготовленный выходной торец вновь устанавливают вблизи фоточувствительной площадки так, чтобы все излучение попадало на площадку приемника. Повторные измерения повторяют не менее 3-х раз. Конкретное число таких измерений определяют в соответствии с требованиями к случайной составляющей погрешности измерений и в соответствии с ГОСТ 8.207-76.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, обламывают измеряемое оптическое волокно кабеля после фильтра мод оболочки на расстоянии (1±0,2) м от входного торца. Подготавливают выходной торец короткого отрезка оптического волокна и устанавливают его относительно фоточувствительной площадки приемника излучения так, чтобы на нее попадало все излучение с выходного торца. Регистрируют значение сигнала на выходе приемника излучения на фиксированной длине волны источника излучения или в спектральном диапазоне.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, от выходного торца обламывают отрезок длиной 0,5 – 3 см, подготавливают выходной торец к измерению и вновь устанавливают относительно площадки приемника излучения так, чтобы на нее попадало все излучение с выходного торца, измеряемого волокна. Эти операции также повторяют не менее 3-х раз.

Общее затухание измеряемого оптического кабеля определяют по формуле:

, (10.10.5)

где - затухание оптического кабеля, дБ;

и - оценки математических ожиданий уровней оптической мощности на выходах измеряемого оптического кабеля и его короткого отрезка соответственно;

- длина волны, на которой проведены измерения, мкм.

Коэффициент затухания измеряемого оптического кабеля на фиксированной длине волны определяется по формуле:

, (10.10.6)

где - коэффициент затухания оптического кабеля, дБ/км;

- длина короткого отрезка кабеля, км;

- длина измеряемого оптического кабеля, км.

10.2.3. Метод вносимых потерь

Метод основан на последовательном измерении мощности оптического излучения на выходе измеряемого волокна оптического кабеля и на выходе вспомогательного волокна, армированного оптическим соединителем.

Метод применяют для измерения затухания оптических кабелей, оптические волокна которых армированы оптическими соединителями.

Измерения проводят на установке, схема которой указана на рисунке 10.4

Требования к источнику излучения, устройству ввода, смесителю мод, приемнику излучения и регистрирующему устройству должны соответствовать требованиям, указанным в методе обрыва.

Оптические соединители, которыми армированы волокна измеряемого кабеля и вспомогательное оптическое волокно, должны иметь известный уровень потерь при соединении, указанный в стандартах или технических условиях.

С помощью устройства 8 регистрируют значение уровня мощности на фиксированной длине (при измерении спектральной зависимости затухания изменяют длину волны вводимого в волокно оптического излучения в заданном спектральном диапазоне, при этом регистрируют значение уровня мощности на выходе измеряемого волокна оптического кабеля во всем спектральном диапазоне). В целях уменьшения случайной составляющей погрешности, измерения повторяют не менее 3-х раз.

Вынимают измеряемое волокно оптического кабеля. Сочленяют соединитель вспомогательного волокна с соединителем приемника излучения и регистрируют значение уровня мощности на выходе вспомогательного волокна. Эти измерения тоже повторяют не менее 3-х раз.

Затухание измеряемого оптического кабеля определяют по формуле:

, (10.10.7)

где - затухание оптического кабеля, дБ;

и - значения сигналов, соответствующие уровню мощности на выходе вспомогательного и измеряемого оптического кабеля;

- среднее значение потерь в оптическом соединителе, дБ;

- длина волны, на которой проведены измерения, мкм.

Коэффициент затухания измеряемого оптического кабеля определяется по формуле:

, (10.10.8)

где - коэффициент затухания оптического кабеля, дБ;

- длина оптического кабеля, км.

10.2.4. Измерение приращения затухания при воздействии внешних факторов

Данное измерение обычно при производстве ВОК или в случае возникновения сбоев при инсталляции, или эксплуатации ВОЛП, чтобы удостовериться, что они не вызваны приращением затухания от воздействия внешних факторов. Кроме этого эти измерения могут проводиться и в исследовательских целях. Приращения затухания ВОК может возникнуть от таких внешних воздействий, как растяжение и изгиб, изменение температуры окружающей среды и других.

Измерения проводят на установке, схема которой представлена на рисунке 10.5

Требования к источнику и приемнику излучения, устройству ввода, смесителю мод, фильтру мод оболочки и регистрирующему устройству должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Источник и приемник излучения должны иметь повышенную долговременную стабильность, обеспечивающую измерения с необходимой точностью.

Измерения проводят при расположении волокна в устройстве, создающем необходимые внешние воздействия, в следующей последовательности [Д2]:

• образец измеряемого кабеля помещают в камеру внешних воздействий и выводят из установки оба конца измеряемого кабеля на длину, необходимую для подключения к источнику и приемнику излучения;

• регистрируют мощность оптического излучения на выходе волокна измеряемого ВОК до внешнего воздействия;

• дискретно, с необходимым шагом изменения, увеличивают внешний воздействующий фактор и фиксируют показания измерителя мощности на выходе волокна;

• на каждом шаге изменения выдерживают ВОК под действием внешнего фактора в течение времени, установленного соответствующим стандартом или ТУ, определяют изменение мощности оптического излучения в зависимости от внешнего воздействия;

• прерывают внешнее воздействие и определяют значение мощности оптического излучения на выходе волокна непосредственно после его воздействия, а также через заданное время.

Приращение затухания определяют по формулам:

, (10.10.9)

, 10.10.10)

, (10.10.11)

где i = 1,2,3…N-1;

, и - приращение затухания непосредственно после воздействия, в процессе воздействия и по окончании воздействия соответственно;

, , и - значение мощности на выходе оптического кабеля до начала воздействия, на i-ом шаге, в процессе воздействия и по окончании воздействия;

- время действия воздействия;

- длина оптического кабеля, км.

10.2.5. Измерение переходного затухания

Данное измерение обычно проводится при производстве ВОК, однако, как и в предыдущем случае, может возникнуть необходимость поверочных измерений. Ниже рассматривается основной метод измерения переходного затухания, которое, на дальнем конце ВОЛП представляет собой коэффициент передачи между выходами волокон при вводе оптического излучения в волокно, влияющее на кабель, а на ближнем конце представляет коэффициент передачи между входами, подверженными влиянию ближайших волокон [Д2]. В соответствии с этими определениями измерение переходного затухания осуществляют путем измерения мощности на входе волокна, влияющего на кабель, а также выходах или входах волокон, подверженных такому влиянию по схеме, представленной на рисунке 10.6.

В качестве источника излучения применяют оптические источники с мощностью, достаточной для проведения измерения в заданном динамическом диапазоне. Длина волны источника излучения должна быть указана в стандартах или технических условиях на конкретный оптический кабель.

Требования к устройству ввода, фильтру мод оболочки, смесителю мод и регистрирующему устройству должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Приемник излучения должен обеспечивать измерения в динамическом диапазоне, заданном в стандартах или технических условиях на оптический кабель.

Порядок измерения в этом случае тот же, что и в рассматриваемых ранее измерениях вносимых потерь. Волокно, подверженное измеряемому влиянию, выбирается из числа волокон, расположенных в непосредственной близости с влияющим волокном.

Процедуру измерения переходного затухания рассмотрим на примере двух оптических волокон, осуществляя следующую последовательность операций:

1. Соединяют входной конец влияющего волокна с источником излучения, а выходной конец – с приемником излучения. С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца влияющего волокна по максимуму сигнала на выходе приемника излучения. Регистрируют значение уровня мощности на выходе влияющего волокна измеряемого кабеля.

2. Выходной конец влияющего волокна отсоединяют от приемника излучения и соединяют с ним входной (выходной) конец, подверженного влиянию. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности на входе (выходе) волокна, подверженного влиянию.

3. Не изменяя положения влияющего волокна, в устройстве ввода обрывают влияющее волокно на расстоянии (1±0,2) м от входного торца. Выходной торец короткого отрезка волокна подготавливают в соответствии с требованиями, указанными в п. 1.10.10.10.

4. Выходной конец короткого отрезка волокна устанавливают относительно площадки приемника излучения так, чтобы на него попало все излучение с выходного торца. Регистрируют показания, соответствующие уровню мощности, введенной во влияющее волокно.

Переходное затухание на ближнем и дальнем концах оптического кабеля определяют по формулам:

, (10.10.12а)

, (10.10.12б)

где , и - соответственно, значения уровня мощности на входе влияющего волокна, а также входе и выходе волокна, подверженного влиянию.

Для измерения переходного затухания средства измерения оптической мощности должны иметь высокую чувствительность и позволять измерять оптическую мощность уровнем порядка – 90 дБм и ниже. В случае отсутствия таких средств, фиксируют реальный динамический диапазон измерений, как [9]

, (10.10.13)

где - динамический диапазон, дБм;

и - соответственно, уровень мощности на входе влияющего волокна или канала и минимально измеренный уровень мощности, дБм.

В некоторых случаях измерение переходного затухания может быть выполнено с помощью анализатора оптического спектра, позволяющего установить также спектральную плотность измеренного сигнала [9].

10.2.6. Метод обратного рассеяния

Общим недостатком рассмотренных ранее методов двух точек, обрыва и вносимых потерь является их неспособность дать информацию о распределении оптических потерь по длине оптического кабеля. Рассматриваемый метод обратного рассеяния пригоден для решения целого ряда задач: определения распределения оптических потерь по длине кабеля, измерений затуханий кабеля, параметров распределенных и локальных неоднородностей типа обрыва, мест сварки, а также расстояний до неоднородностей, длины волокна и расстояний до мест обрыва. Метод способен произвести диагностику и мониторинг целостности волокна и волоконно-оптической сети в целом.

Метод обратного рассеяния основан на введении в волокно импульсного оптического излучения и последующем анализе той малой части светового потока, которая возвращается на приемник в результате обратного рассеяния и отражений распространяющейся в волокне световой волны.

При реализации этого метода измеряемое волокно зондируют оптическими импульсами, вводимыми в ОВ через оптический направленный ответвитель. Из-за флюктуаций показателя преломления сердцевины вдоль волокна, отражений от рассеянных и локальных неоднородностей, распределенных по всей длине волокна, возникает поток обратного рассеяния. Измеряют уровень мощности этого потока в точке ввода оптических зондирующих импульсов в волокно в зависимости от времени задержки относительно момента посылки зондирующего импульса. В результате получают распределение мощности обратнорассеянного потока вдоль волокна – характеристику обратного рассеяния волокна. Регистрируют отдельные реализации характеристики обратного рассеяния, усредняют их по некоторому количеству зондирующих импульсов, а усредненное значение выводят на устройство отображения для дальнейшего анализа. Изображение характеристики обратного рассеяния на экране дисплея называется рефлектограммой, рисунок 10.7.

Для реализации данного метода разработаны специальные приборы – оптические рефлектометры во временной области – Optical Time Domain Reflectometer (OTDR). Они получили широкое распространение благодаря своей универсальности, так как обеспечивают одновременное определение целого ряда важнейших параметров ОВ и ОК: степени регулярности кабеля, мест неоднородностей и повреждений, потерь в местах соединений, затухания и расстояний до мест соединений, длин ОВ и др.

Обобщенная структурная схема такого прибора представлена на рисунке 10.8

В качестве источника излучения применяют лазер, генерирующий стабильные по мощности, длине волны, длительности и частоте повторения импульсы оптического излучения. Мощность оптического излучения должна быть достаточна для проведения измерений, но не приводить к возникновению нелинейных эффектов в волокне измеряемого оптического кабеля.

Направленный ответвитель должен обеспечивать эффективную передачу мощности оптического излучения в оптическое волокно измеряемого кабеля и обратнорассеянной мощности к приемнику излучения. Он должен иметь апертуру, соответствующую апертуре волокна измеряемого кабеля.

Приемник излучения должен иметь быстродействие, соответствующее длительности импульса источника излучения, остальные требования к источнику излучения должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Устройство обработки сигнала должно обеспечивать увеличение соотношения сигнал/шум на выходе приемника излучения, достаточное для регистрации обратнорассеянного сигнала. Регистрирующая система должна иметь характеристики, согласованные с устройством обработки рефлектограмм.

Зондирующие импульсы поступают от источника излучения через направленный ответвитель в оптическое волокно. Поток обратного рассеяния регистрируется в чувствительном фотоприемном устройстве и преобразуется в электрический сигнал, который после специальной обработки в записывающем и усредняющем устройствах подается на вход устройства отображения (дисплей). При использовании в качестве устройства отображения электронного осциллографа этот сигнал вызывает соответствующее отклонение луча по оси Y на экране. Вертикальная ось экрана градуируется либо в децибелах по мощности (дБм), либо в единицах измеряемого затухания (дБ). Отклонение луча по горизонтальной оси X происходит под действием пилообразного напряжения генератора развертки осциллографа. Вследствие этого положение луча по оси X изменяется в зависимости от времени запаздывания сигнала ∆ t. Зная групповое время запаздывания оптического сигнала в сердцевине ОВ, можно осуществить градуировку горизонтальной оси в единицах длины для измеряемого типа ОВ.

В приборе имеется блок управления, обеспечивающий согласованную работу лазера, каскадов обработки сигналов и электронного осциллографа. В результате генератор развертки, запускаемый тем же импульсом, что и лазер, создает возможность наблюдения потока обратного рассеяния или полностью, или по частям. Блок управления осуществляет регистрацию и занесение в память реализации временных характеристик мощности обратного рассеяния и их усреднение. Рефлектограмма на экране осциллографа строится по усредненной временной характеристике. Кроме того, указанный блок управляет работой рефлектометра по заданной программе, обрабатывает данные, а также выполняет ряд сервисных функций. Как правило, типичный комплект оптического рефлектометра включает базовый блок и набор сменных блоков, каждый из которых работает на определенных длинах волн (0,85 мкм; 1,3 мкм и 1,55 мкм) и имеет свои характеристики [19].

Рассмотрим основные принципы измерения по методу обратного рассеяния. Как уже отмечалось выше, определение пространственных координат неоднородностей осуществляется по результатам измерения интервала времени между моментом посылки зондирующего импульса и регистрацией импульса обратнорассеянной мощности.

Как видно из рефлектограммы (рисунок 10.7) от коннекторов, микротрещин и от концов волокна относительно большая часть световой энергии отражается обратно, что обуславливает наличие пиков. По разности ∆ t между двумя пиками, а также провалами, соответствующими сосредоточенным потерям, скорости света в вакууме c₀ и групповому показателю преломления n_g≈1,476 в стекле сердцевины можно рассчитать либо длину волокна, либо координаты указанных выше неоднородностей.

(10.10.13)

где L_x - измеряемая длина или координата неоднородности ОВ;

Δt - разность времени между пиками начального и конечного импульсов, с;

c₀ - скорость света в вакууме, равная 300000 км/с;

n_g - действительный групповой показатель преломления стекла сердцевины.

Реализация указанных измерений с помощью импульсного рефлектометра осуществляется путем выбора режима измерений и установки маркера в соответствующей точке рефлектограммы. При этом на устройство отображения выводится результат измерения расстояния.

Измерение коэффициента затухания ОВ по характеристикам обратного рассеяния производится на линейном монотонном участке рефлектограммы, рисунок 10.9.

Общие потери ВОЛП рассчитываются по формуле:

, [дБ] , (10.10.14)

где и - уровни оптической мощности на рефлектограмме, соответствующие концу и началу зондируемой ВОЛП, выраженные в мВт или мкВт.

Вследствие того, что свет проходит вперед и назад, здесь используется коэффициент 5 вместо коэффициента 10, используемого в аналогичном уравнении для метода светопропускания.

Дальнейшим усовершенствованием методики измерения является калибровка вертикальной шкалы прибора непосредственно в единицах измеряемых потерь. При этом потери для любого участка между точками L₁ и L₂ подсчитываются по формуле:

, [дБ] , (10.10.15)

где и - потери ВОЛП в дБ от начала до координат L₂ и L₁ соответственно.

В случае однородного волокна, т.е. когда потери остаются постоянными по всей длине, коэффициент затухания (погонные или километрические потери) рассчитываются по формуле:

, [дБ/км] (10.10.16)

В режиме измерения затухания все операции, за исключением операции размещения двух маркеров, производятся автоматически и значение затухания оптической линии на участке между маркерами выводится на отображающее устройство.

Измерения потерь в сварных соединениях. Этот вид потерь может быть вызван как отражательными, так и неотражательными событиями. В идеале потери данного типа должны иметь вид резкого изгиба рефлектограммы. Однако изменение модового состава оптического излучения и отражения в месте соединения приводит к искажению рефлектограммы в некоторой зоне вблизи места соединения. Протяженность этой зоны достаточно велика (100…200 м), поэтому оценки затухания стыка, полученные непосредственно как разность результатов измерения обратнорассеянной мощности до и после стыка, имеют большую погрешность, которая может достигать 100 % и выше. В этой связи, а также в целях уменьшения влияния собственных шумов на погрешность измерения затухания в современных рефлектометрах эффективно используются алгоритмы аппроксимации фрагментов рефлектограммы линейной (регрессионной) зависимостью по методу наименьших квадратов, рисунок 10.10.

(10.10.17)

Параметры аппроксимации a и b чаще всего определяются методом наименьших квадратов (LSA), то есть с использованием математического аппарата регрессивного анализа. При этом:

, (10.10.18а)

, (10.10.18б)

где - оценка математических ожиданий измеряемых координат L_i

- оценка математических ожиданий измеряемых значений потерь в координатах L_i

n - количество отсчетов на участке аппроксимации.

Аппроксимирующие линии регрессии экстраполируют для верхнего участка рефлектограммы вперед, а для нижнего участка назад. Оценивают уровни мощности обратного потока энергии в ОВ в конце первой (Р₁) и начале второй (Р₂) сращиваемых строительных длин, то есть в месте стыка. Затухание на стыке оценивают как разность:

, (10.10.19)

Как правило, рефлектометром автоматически измеряется затухание соединения ОВ. Наибольшее применение нашел способ пяти точек, реализованный в рефлектометрах стран СНГ, а также в рефлектометрах фирм Anritsu, Laser Precision и ряде других [19]. Согласно этому способу оператор в режиме “Измерение затухания на стыках ОВ” расставляет пять маркеров (рисунок 10.11): два (1 и 2) – на монотонно падающем участке характеристики одной строительной длины, два маркера (4 и 5) – на монотонно падающем участке другой строительной длины и один маркер (3) в месте стыка.

Важно, чтобы маркеры 1,2 и 4,5 не были установлены на выбросах и провалах характеристики. В режиме линейной аппроксимации по отсчетам рефлектограммы между границами 1 – 2 и 4 – 5 вычисляются параметры a и b линейной регрессии. Расстояние по оси ординат между этими прямыми в точке установки маркера 3 пропорционально искомому значению затухания в месте стыка.

Участки между точками 1,2 и 4,5 могут быть аппроксимированы также полиномами. В этом случае участки автоматически разбиваются на одинаковые интервалы. На границах этих интервалов автоматически измеряются уровни мощности, по которым и производится аппроксимация кривых тем или иным полиномом. Весь процесс измерения после расстановки маркеров – автоматический, результат измерения выводится на устройство отображения.

Известен двухмаркерный способ (рефлектометр ОР – 310), при котором измеритель по обе стороны от стыка на монотонных участках характеристики расставляет два маркера так, чтобы место стыка находилось между ними на одинаковом расстоянии [19]. Программа, управляющая процессом измерения, предусматривает автоматическое разбиение участка между маркерами на равные интервалы, выполнение операций измерения уровней мощности, аппроксимации, экстраполяции и расчета затухания в месте соединения ОВ.

Если выполнено сращивание волокон с различными коэффициентами затухания, то углы наклона аппроксимирующих прямых будут различны. Возможен также случай, когда обратное рассеяние после события выше, чем до него, возможен подъем “gainer” (рисунок 10.12) в месте изгиба рефлектограммы.

Основным фактором, вызывающим увеличение рассеяния в точке сращиваемых волокон, является разница коэффициентов рассеяния соединяемых волокон. Так, если последующее по ходу распространения излучения волокно будет иметь несколько более высокий коэффициент рассеяния, чем предыдущее, оно будет рассеивать большее количество света обратно на OTDR. Последний обнаружит это увеличение и, естественно, изобразит его на экране на несколько более высоком уровне, чем уровень предыдущего участка волокна.

Вторым фактором, увеличивающим рассеяние в точке сращивания волокон, является отличие геометрии их сердцевины, причем незначительные расхождения диаметров последних могут привести к увеличению возвращенного света после точки их сочленения, определяемому выражением [14]

, (10.10.20)

Следовательно, меньшее по диаметру принимающее волокно будет рассеивать меньшее количество света на OTDR, чем большее волокно будет передавать. На дисплее OTDR это отображается подъемом на рефлектограмме. Это указывает на то, что информация обратного рассеяния не всегда адекватна процессу распространения света в волокне, так как последний при распространению по оптическому волокну не усиливается. Следовательно, OTDR определяет потери, исходя из разницы в уровнях обратного рассеяния, а не из действительного состояния оптического волокна, в связи с чем различия в коэффициенте рассеяния Рэлея и коэффициенте, определяющем захваченную волокном и направленную обратно к рефлектометру часть рассеянного во всех направлениях света, оказывают влияния на сигнал OTDR и могут привести к двусмысленности в процессе интерпретации результатов измерений. Однако, если и для кабеля 1 и кабеля 2 известны, тогда действительное значение потерь сращивания может быть определено в соответствии с выражением [14]

, (10.10.21)

где и представляют собой уровни сигналов обратного рассеяния в точках A и B;

и - коэффициенты затухания 1 и 2 кабеля;

- геометрическая ширина импульса;

- коэффициент, определяющий захваченную волокном и направляемую обратно к рефлектометру часть рассеянного во всех направлениях света;

- коэффициент преломления по оси сердцевины волокна;

- параметр, определяющий профиль преломления волокна, типовое значение которого для одномодового волокна равно 4,55 [14].

Из выражения (10.10.21) следует, что его правый член определяется параметрами обратного рассеяния, приводя к тому, что измеренные OTDR потери сращивания могут иметь разные знаки и, следовательно, зависят от направления зондирования волокна. Очевидно, что при тестировании с другого конца того же волокна OTDR покажет гораздо большее значение потерь. Следовательно, измерение потерь с помощью OTDR должно проводиться с обоих концов линии при последующем усреднении полученного результата, что позволяет исключить эффект направленности. Это единственный способ убедиться в правильности прочтения потерь сращивания вне зависимости от того, присутствуют на данном отрезке волокна усиления или нет. Если усиление проявляется, становится невозможным определить точно, что представляют собой потери сращивания без осуществления тестирования с обоих концов волокна.

Измерение потерь на изгибах оптических волокон. При изгибе волокон с увеличением длины световой волны тип колебаний, распространяющихся в волокне, становится менее ограничен высоколегированной сердцевиной, а эти параметры становятся значимыми. Пример зависимости потерь от изгиба одномодового волокна, намотанного вокруг стержня диаметром 23 мм, при различных длинах волн приведен на рисунке 10.13 [14]

Как следует из рисунка, более длинные световые волны способствуют более эффективному поиску мест изгибов волокна и могут быть использованы для обеспечения надежной диагностики оптоволоконных кабелей. На практике потери, вызванные макроизгибами, становятся существенными при λ=1550 нм, и особенно при λ=1625 нм.

Измерение потерь отражательных событий. Отражения в оптическом кабеле могут быть вызваны изменениями показателя преломления, например, воздушным зазором в микротрещине, механическим сращиванием или коннектором. К дополнительным потерям приводят также некачественное соединение коннекторов, несовпадение диаметров сердцевины или цифровой апертуры, а также неконцентричность сердцевины волокна. На рисунке 10.14 представлен вид вносимых потерь коннектора, составляющих приблизительно 0,4 дБ, измеренных импульсным рефлектометром. Слегка наклонная вершина импульса указывает на то, что данная форма представляет собой сумму отраженного и трансформированного вследствие потерь прямоугольного сигнала обратного рассеяния [14].

Основные характеристики импульсного рефлектометра. Общие требования к OTDR достаточно хорошо известны и включают следующие основные параметры: динамический диапазон, дальность и пространственная разрешающая способность, мертвые зоны по отражению и ослаблению.

Динамический диапазон. Это одна из основных характеристик рефлектометра. Различают несколько оценок этой величины. Наиболее широко используются динамический диапазон по потоку обратнорассеянной мощности, определяемой по среднеквадратическому значению при отношении сигнал/шум равном единице (SNR=1) - D_S, динамический диапазон по потоку обратнорассеянной мощности оптического излучения, определяемой по среднеквадратическому значению уровня шума при отношении шум/сигнал равном 0,1 - D_0,1, эффективное значение динамического диапазона по потоку обратнорассеянной мощности – D_e, и динамический диапазон по потоку мощности, обусловленному Френелевским отражением – D4%.

Динамический диапазон D_S определяют как разность между уровнем мощности потока обратного рассеяния в точке ввода оптического излучения в ОВ и уровнем среднеквадратического значения шума как показано на (рисунке 10.15а).

Динамический диапазон D_0,1, определяют как разность между уровнем мощности потока обратного рассеяния в точке ввода мощности оптического излучения в ОВ и предельным значением уровня, при котором еще возможно выделить сачок в 0,1 дБ на характеристики обратного рассеяния. Находят значение D_0,1 по формуле

, дБ (10.10.22)

Эффективное значение динамического диапазона D_e, определяют как разность между уровнем мощности обратнорассеянного потока в точке ввода оптического излучения в ОВ и уровнем на 0,3 дБ выше максимального уровня шума (рисунок 10.15б).

Значительно реже используют оценку динамического диапазона по потоку за счет Френелевского отражения – D4%, который определяется относительно уровня мощности сигнала в точке, в которой еще можно различить 4% от уровня максимального значения отраженного оптического импульса. Графически это значение определяют, как показано на (рисунке 10.15в). При определении динамического диапазона D4% различают его оценку при отношении сигнал/шум, равном единице, и эффективное значение, которые отличаются, как и при определении динамического диапазона по обратнорассеянному потоку, выбором уровня помехи относительно которого производится отсчет.

Значения оценок динамического диапазона непосредственно (?) с длительностью зондирующего импульса, степенью сглаживания характеристики и меняются в широких пределах в зависимости от указанных величин и выбранного типа сменного блока. Для наиболее известных марок рефлектометров они изменяются в пределах:

• D_e от 6..10 дБм до 30..34 дБм;

• D_S от 9..15 дБм до 36..40 дБм;

• D_4% от 37…38 дБм до 39…45 дБм.

Дальность обнаружения неоднородности. Основной задачей импульсного рефлектометра является определение расстояний до неоднородностей в оптическом волокне, измерение которых заключается в определении времени распространения оптического излучения в прямом и обратном направлениях. При этом групповая скорость распространения оптического импульса определяется известным выражением:

, (10.10.23)

где – скорость распространения световой волны в волокне;

– коэффициент преломления;

– частота оптического излучения;

– постоянная распространения.

Как видно из данного выражения, зависит от показателя преломления среды, равного 1,5 для большинства кремниевых волокон. Такое значение обеспечивает скорость распространения =0,2 м/нс. Так как точность измерения расстояния зависит от точности измерения времени и правильного задания при измерениях значения

, (10.10.24)

максимально возможное расстояние, которое может контролировать OTDR с заданной точностью при заданной длительности тестирующих импульсов, будет равно [14]

(10.10.25)

Как уже отмечалось, дальность обнаружения неоднородности зависит от динамического диапазона рефлектометра и характеристик волокна. Кроме этого, в OTDR накладываются ограничения, вызванные тем, что мощность отраженного сигнала , при заданной мощности источника излучения зависит от длительности импульса , а самый слабый сигнал, который может быть обнаружен с отношением сигнал/шум , зависит от ширины полосы пропускания предусилителя. Для учета этого фактора рассмотрим пространственную разрешающую способность OTDR.

Пространственная разрешающая способность (). Она характеризует способность OTDR обнаружить два соседних события, одно из которых может быть отражательным, и определяет возможность выделения близко расположенных неоднородностей. Очевидно, что зависит от длительности импульса , излучаемого лазером, и ширины полосы пропускания усилителя

(10.10.26)

В ближней зоне волокна разрешающая способность показывает, насколько близко к коннектору передней панели прибора может быть расположено неотражательное событие (например, сращивание) и насколько точно оно может быть измерено.

Используя выражение для разрешающей способности, окончательно дальность обнаружения неоднородности можно определить в виде [14]

(10.10.27)

Последние выражения устанавливают связь между основными рабочими характеристиками и параметрами OTDR.

Мертвые зоны. Считается, что мертвые зоны, обнаруживаемые на рефлектограмме, зависят от одного фактора – длительности импульса светового излучения, проходящего по волокну, а так как она может быть выбрана, то каждому ее значению будет соответствовать определенная мертвая зона. В связи с этим можно констатировать, что, чем больше длительность импульса в секундах, тем больше мертвая зона в метрах (рисунок 10.16). Однако после установления предпочтительной длительности импульса для просмотра того или иного волокна становятся очевидными другие факторы. В частности, при выбранной длительности импульса мы можем столкнуться с различными мертвыми зонами для отражательных событий, причем зависящими от расстояния и интенсивности (амплитуды) отражательного события. Чтобы понять это необходимо уточнить, что детектор OTDR ежеминутно измеряет уровни возвращенного света слабой интенсивности, в связи с чем, он должен обладать очень высокой чувствительностью. Однако когда свет достигает коннектора с высокой отражательной способностью, уровень возвращенного света резко уменьшается, и это может привести к насыщению приемника. Уровень (амплитуда) возвращенного света определяется, с одной стороны, расстоянием OTDR до события, а с другой – насколько эффективна отражательная способность данного события. Очевидно, что основным фактором, определяющим степень ослабления амплитуды светового излучения, является расстояние до отражательного события, т.е., чем дальше событие, тем больше ослабляется амплитуда светового излучения, возвращающегося в детектор OTDR. В то же время, чем выше отражательная способность данного события, тем больше амплитуда возвращенного света. Следовательно, если событие характеризуется значительной отражательной способностью и находится достаточно далеко, это либо может, либо не может привести к образованию мертвой зоны.

Мертвые зоны всегда связаны с наличием отражений и вызваны насыщением приемника OTDR при поступлении на его вход отраженного сигнала высокого уровня, т.к. в этом случае ему потребуется некоторое время для восстановления чувствительности после подобной перегрузке, а это приведет к потере информации после насыщения. Как результат, определенный сегмент волокна оказывается исключенным из процесса тестирования.

При этом следует различать два типа мертвых зон – мертвую зону отражения и мертвую зону затухания:

• мертвая зона отражения определяется расстоянием между началом и точкой с уровнем – 1,5 дБ от вершины понижающегося отрезка кривой отражения, после чего последующие отражательные события могут быть легко идентифицированы;

• мертвая зона затухания определяется расстоянием от начала отражения до точки, в которой произошло восстановление чувствительности приёмника с полем в ±0,5 дБ от установившейся рефлектограммы обратного рассеяния и зависит от длительности импульса, длины волны, коэффициента обратного рассеяния, коэффициента отражения и полосы пропускания приёмника.

Таким образом, смысл термина “мертвая зона” заключается в количественном определении расстояния, на котором после значительного отражения происходит потеря информации. Обычно при определении мертвой зоны используется отражение уровнем 35 дБ, что соответствует приблизительно 0,33% отраженной в данной точке оптической мощности, которая суммируется с мощностью обратного рассеяния, являющейся функцией выбранной длительности импульса. Таким образом, действительная высота, видимая на экране OTDR, зависит как от коэффициента отражения, так и от длительности импульса данного волокна. Как следует из уравнения, меньшая длительность импульса не обязательно может привести к укорочению мертвых зон, т.к. по мере сужения импульса разница между уровнем обратного рассеяния и вершиной отражения увеличивается. При этом с ограничением ширины полосы пропускания приемника увеличивается экспоненциально падающий участок рассматриваемой кривой, а это приводит к существенному увеличению мертвой зоны. Учитывая, что короткие импульсы снижают SNR, мертвая зона ослабления OTDR, как правило, указывается для наиболее коротких импульсов. На рисунке 10.17 приводится сравнение минимально достижимых мертвых зон ослабления для трех длительностей импульса функций полосы рабочих частот приемника. График построен для 35 дБ отражения типового одномодового волокна при l=1310 нм с использованием базовой низкоскоростной модели идеального приемника. Как следует из графика для таких одномодовых OTDR с диапазоном рабочих частот приёмника от 1 до 10 МГц, кривые начинают совмещаться в области низких частот что, с точки зрения мертвой зоны ослабления, указывает, скорее, на ограничение диапазона рабочих частот, чем на ограничение продолжительности импульса. При диапазоне рабочих частот приемника, равной 10 МГц, значения мертвой зоны для 10 нс и 30 нс незначительно отличаются друг от друга, поэтому улучшение SNR на +2,4 дБ при более широких импульсах тестирования имеет явное преимущества, т.к. приводит к почти десятикратному увеличению скорости измерения. При ориентации на 3 мертвую зону с использованием одномодового OTDR необходима ширина полосы рабочих частот приемника составляющая приблизительно 50 МГц.

10.2.7. Приборы для измерения затуханий в оптических кабелях

В зависимости от применяемого метода измерения затухания используются различные приборы: оптические измерители мощности и излучатели, измерители затухания, оптические тестеры и рефлектометры. Для проведения измерений методом вносимых потерь и методом обрыва могут использоваться одни и те же приборы: оптические измерители мощности и источники излучения, работающие на требуемой длине волны, или измерители затухания, или оптические тестеры. Выбор варианта комплекта приборов для проведения измерений производится исходя из конкретных условий их проведения, динамического диапазона приборов, требуемой точности, удобства проведения ими измерений и пр.

При проведении с использованием “ваттметр-источник излучения” производится подбор пары приборов и прежде всего, по диапазону длин волн, уровням и стабильности мощности излучения. Измерители затухания и тестеры представляют собой объединенные в одном корпусе оптический излучатель и оптический измеритель мощности. Их выбор в основном производится по динамическому диапазону и погрешности. Во многих тестерах оптический излучатель и измеритель оптической мощности представляют собой автономные блоки. Современные приборы, как правило, снабжены дисплеем и имеют автономное питание. Преобладающая часть выпускаемых за рубежом приборов выполнены в полевом варианте.

Одним из условий эффективного использования измерительных приборов такого назначения является применение различных аксессуаров: разъемных соединителей, адаптеров, аттенюаторов, юстировочных устройств, оптических кабелей, армированных соответствующими оптическими разъемами, инструмента для подготовки концов оптического волокна к измерениям и др.

При проведении измерения оптических кабелей, волокна которых армированы однотипными с установленным на измерительном приборе разъемами, обычно не требуется использование каких-либо аксессуаров. В случае различия разъемов, установленных на кабеле и измерительном приборе, используется соединительный оптический кабель, армированный на каждом конце разъемом соответствующего типа, часто называемый патчкордом (patchcord), как правило, входят в комплект измерительного прибора. Если на измеряемом оптическом кабеле не имеется разъемов, то для подключения его к измерительной аппаратуре нередко используют оптический адаптер – устройство, временно устанавливаемое на конец измеряемого оптического волокна и выполняющее роль вилки разъемного соединения. Адаптеры могут устанавливаться на оптическое волокно в полевых условиях. Однако при использовании адаптера результаты измерений могут иметь большую погрешность, чем при измерениях со штатным разъемом. Поэтому чаще всего измерение затухания кабелей без штатных разъемов производят с помощью пиг-тейла (pigtail) – короткого одноволоконного кабеля, армированного с одного конца вилкой разъема, подключаемой к измерительному прибору. Другим концом пиг-тейл с помощью юстировочного устройства соосно совмещается с концом измеряемого волокна. В отличие от патчкордов и пиг-тейлов, юстировочные устройства за редким исключением не входят в комплект измерительных приборов.

Отечественной промышленностью производятся все выше перечисленные измерительные приборы за исключением рефлектометров. Перечень большинства из этих приборов и их основные параметры приведены в таблице 3.1 – 3.3 [25-29]. В таблице 3.1 представлены измерители затухания и оптические тестеры, в таблице 3.2 – оптические ваттметры, в таблице 3.3 генераторы оптических сигналов, которые могут использоваться и как излучатели при измерении затухания.

На российском рынке оптического оборудования уже давно известна фирма “ANDO”. Оптические тестеры фирмы “ANDO” в российских условиях зарекомендовали себя как надежные и точные измерительные приборы. Особенностью мультиметров ”ANDO” в отличие от приборов отечественного производства является их модульная конструкция, позволяющая гибко выбирать конфигурацию прибора для измеряемой трассы, а именно: можно установить блок источника, либо блок измерителя оптической мощности, либо и тот и другой одновременно в один основной блок. Приборы “ANDO” отличаются также наличием множества полезных сервисных функций, увеличивающих точность и облегчающих измерения. Среди таких специфических функций особо хотелось бы отметить режим быстрой компенсации шумового тока усилителя фотоприемника, необходимый для проведения особо точных измерений в различных температурных условиях, а также наличие памяти для сохранения параметров измерений и уровня опорного сигнала до следующего включения прибора. Мультиметры имеют малые размеры и могут работать как от сетевого блока питания, так и от батарейки. Приборы могут комплектоваться как светодиодными, так и лазерными источниками излучения. Ниже приведена таблица основных параметров приборов.

Прибор имеет шкалу с шагом в 0,01 дБ и, как видно из таблицы, при использовании светодиодного источника позволяет измерять затухание высококачественных сварных соединений. Именно параметры временной стабильности источника радикально отличают “ANDO” от приборов отечественного производства, у которых этот параметр на порядок хуже. Параметры временной стабильности источника и приемника выходят на первый план при проведении измерений на коротких линиях с небольшим общим затуханием, где нестабильность источника в 0,2 дБ приводит к недопустимо высоким погрешностям.

Важнейшим преимуществом мультиметров “ANDO” перед другими измерительными приборами зарубежного производства является высокое качество приборов и налаженное сервисное обслуживание. Из более чем 200 мультиметров AQ-2150, проданных в России за 5 лет работы, ни один прибор не вышел из строя. Все приборы производства “ANDO” проходят предпродажное тестирование, гарантийное и послегарантийное обслуживание в сервис-центре фирмы “Телеком Комплект Сервис”, являющийся дилером “ANDO”. Сервис-центр фирмы также обеспечивает проведение поверки приборов.

В заключении можно сделать следующие выводы:

а) с учетом технических и эксплуатационных характеристик оптические тестеры “ANDO” по соотношению цена/качество существенно превосходят отечественные приборы, позволяя проводить точнейшие измерения на линиях любой длины;

б) хорошо налаженный сервис и обслуживание оборудования “ANDO” выгодно отличает эти приборы от других измерителей зарубежного производства.

10.3. Методы и средства измерения полосы пропускания и дисперсии оптических волокон

Наряду с затуханием, важнейшим параметром волоконно-оптических систем передачи является полоса пропускания ΔF (пропускная способность), которую ограничивает явление дисперсии. В волоконной оптике дисперсией называют разницу во времени прохождения отрезка световода спектральных или модовых составляющих оптического сигнала из-за различия групповых скоростей их распространения. Дисперсия приводит к увеличению длительности световых импульсов с увеличением длины световода и, тем самым, ограничивает скорость и дальность передачи информации. Мерой дисперсионного увеличения длительности импульса является среднеквадратичное уширение, определяемое соотношением

, (10.3.1)

где t_uвых и t_uвх – длительности импульсов на выходе и входе оптического волокна соответственно, измеренные на уровне половины амплитуды импульсов.

Наличие дисперсии ухудшает амплитудно-фазовые соотношения сигналов световых волн, снижая тем самым объем передаваемой информации за счет увеличения длительности импульсов в цифровых системах и увеличения искажений сигналов в аналоговых системах. Три основных вида дисперсии, которые необходимо минимизировать при разработке волоконно-оптических систем передачи, включают[14]:

• межмодовую дисперсию (), которая ограничивает скорость передачи данных в системах, использующих многомодовое волокно, и возникает вследствие разделения сигнала на многочисленные моды, распространяющиеся по различным траекториям в ОВ;

• хроматическую дисперсию (), которая зависит от физико-топологических параметров одномодового и многомодового волокна и возникает вследствие отличия времени распространения мод с различной длинной волны;

• поляризационную модовую дисперсию (), которая становится ограничивающим фактором в одномодовых волокнах с уменьшенной хроматической дисперсией и вызвана разделением излучения на ортогональные поляризованные моды, которые распространяются по ОВ с различной скоростью.

Вклад каждой составляющей в общую дисперсию определяется соотношением:

, (10.3.2)

В свою очередь, вклад в хроматическую дисперсию вносят материальная и волноводная дисперсия.

В многомодовых световодах вклад межмодовой дисперсии, как правило, является определяющим.

В одномодовых световодах из-за отсутствия межмодовой дисперсии определяющим механизмом уширения импульсов в большинстве случаев является хроматическая дисперсия. Поляризационная модовая дисперсия может вносить заметный вклад вблизи точек нулевой хроматической дисперсии при использовании узкополосных источников светового излучения.

Ниже рассматриваются характеристики дисперсии физического уровня системы передачи, дается краткое объяснение причин её возникновения и критерия выбора методов измерения, одни из которых нашли широкое распространение, а другие рассматриваются в связи с тем, что они позволяют глубже взглянуть на явление дисперсии.

10.3.1. Измерение межмодовой дисперсии

Известно, что в многомодовом ОВ все моды распространяются по различным траекториям, в следствии чего огибающие модулированного светового сигнала различных мод по мере распространении сигнала по волокну всё больше и больше отличаются по фазе. При использовании цифровой системы каждая мода передает информационный импульс, время распространения которого отличается от времени распространения импульса другой моды, что в результате вызывает изменение формы результирующего импульса на выходе ОВ, в частности увеличение длительности и уменьшение амплитуды переданного импульса. Описываемое явление называется межмодовой дисперсией, которая обычно ограничивает расстояние передачи многомодового ОВ до 1 км и менее, обеспечивая битовую скорость до 1 Гб/с.

Методы измерения межмодовой дисперсии можно классифицировать в соответствии с временным или частотным представлением по способам реализации испытательных сигналов или их регистрации. Наиболее естественной является классификация по способам реализации испытательных сигналов. Согласно этой классификации методы измерения разделить на импульсные и частотные (методы сваппирования частоты).

Импульсный метод основан на последовательной регистрации импульсов оптического излучения на выходе волокна измеряемого кабеля и на выходе его короткого отрезка, образованного за счет обрыва в начале волокна.

Измерение передаточных характеристик импульсным методом проводят на установке, схема которой указана на рисунке 10.17.

В качестве источника излучения применяют оптические источники типа полупроводникового лазера, светодиода и т. п., позволяющие получить импульсное оптическое излучение с дли­тельностью импульса, обеспечивающей измерение передаточных характеристик конкретного оптического кабеля. Длина волны и спектральная ширина источника излучения должна соответство­вать требованиям, установленным в стандартах или технических условиях на оптический кабель.

Блок управления должен обеспечивать генерацию электрических импульсов требуемой длительности и мощностью, согласованной с источником излучения, а также вырабатывать им­пульсы синхронизации с регулируемой задержкой.

Требования к устройству ввода, фильтру мод оболочки, смесителю мод должны соответствовать указанным в методе изме­рения затухания.

Приемник излучения должен обеспечивать регистрацию всего конуса излучения, выходящего из оптического волокна и иметь полосу пропускания, обеспечивающую требуемое временное разрешение импульса источника излучения. Преобразовательная характеристика приемника должна быть линейной.

Регистрирующее устройство должно обеспечивать ре­гистрацию сигналов с приемника излучения в соответствующем диапазоне длительностей.

С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца измеряемого волокна по максимуму сигнала на выходе при­емника излучения. Регистрируют форму импульса на выходе во­локна измеряемого кабеля.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, об­ламывают отрезок волокна длиной (1±0,2) м после фильтра мод оболочки. Выходной торец короткого отрезка волокна подготав­ливают в соответствии с требованиями, указанными в п. 1.10.10.10.

Подготовленный выходной торец волокна устанавлива­ют относительно приемной площадки так, чтобы на нее попадало все излучение с выходного торца. Вновь регистрируют форму им­пульса на выходе короткого отрезка волокна. Зарегистрирован­ную форму импульса принимают за форму импульса на входе волокна измеряемого кабеля.

Передаточную характеристику в частотном представле­нии определяют по формуле:

, (10.3.3)

где и - спектральная плотность мощности импульса на входе и выходе волокна измеряемого кабеля.

Модуль комплексной функции есть амплитудно-частотная модуляционная характеристика измеряемого кабеля.

При этом значение спектральной плотности мощности входно­го (выходного) импульсов определяют по формуле

, (10.3.4)

где - зарегистрированный импульс на входе (выходе) во­локна измеряемого кабеля.

Значение ширины полосы пропускания оптического кабеля принимают равной частоте, на которой амплитуда сигнала ампли­тудно-частотной модуляционной характеристики изменилась (уменьшилась) на 3 дБ.

Коэффициент широкополосности оптического во­локна измеряемого кабеля определяют по формуле:

, (10.3.5)

где В - ширина полосы пропускания измеряемого оптического кабеля, МГц;

L - длина измеряемого кабеля, км;

m - эмпирический параметр, установленный в стандартах или технических условиях на конкретный оптический кабель.

В случае наличия на входе и выходе измеряемого ка­беля импульсов, имеющих форму кривой Гаусса, полосу пропус­кания определяют на основании имеющей место дисперсии по фор­муле

, (10.3.6)

где В - полоса пропускания, МГц;

- дисперсия импульса, нс;

, - длительность выходного и входного импульса по уровню 0,5, нс.

Для гауссова входного импульса шириной и выходного импульса из приведенных выше соотношений следует

, (10.3.7)

где отожествляется с шириной импульсной характеристики, которая определяется через инверсное преобразование Фурье

(10.3.8)

Частотный метод основан на сравнении зависимостей изменения сигнала на выходе волокна измеряемого кабеля и на выходе короткого его отрезка от частоты модуляции оптического сигнала.

Измерение передаточных характеристик частотным методом проводят на установке, схема которой указана на рисунке 10.18.

В качестве источников излучения применяют оптиче­ские источники (светодиоды, полупроводниковые или другие лазе­ры), обеспечивающие модуляцию оптического излучения в полосе частот, превышающей ширину полосы пропускания измеряемого оптического кабеля. Длина волны и спектральная ширина источ­ника излучения должны соответствовать требованиям, установленным в стандартах или технических условиях на измеряемый оптический кабель.

Задающий генератор должен иметь полосу частот пе­рестройки, превышающую ширину полосы пропускания измеряемого оптического кабеля.

Требования к устройству ввода, фильтру мод оболоч­ки, смесителю мод должны соответствовать указанным в методе измерения затухания.

Приемник излучения должен обеспечивать регистрацию всего конуса, выходящего из оптического волокна излучения, и иметь полосу пропускания, превышающую полосу пропускания измеряемого кабеля. Преобразовательная характеристика при­емника должна быть линейной.

Регистрирующее устройство должно обеспечивать ре­гистрацию сигналов с приемника излучения в соответствующем диапазоне частот модуляции источника излучения.

С помощью устройства ввода проводят юстировку входного торца измеряемого волокна по максимуму сигнала на выходе при­емника излучения.

С помощью задающего генератора устанавливают час­тоту модуляции оптического сигнала. Изменяя частоту модуля­ции, регистрируют зависимость переменной составляющей сигна­ла от частоты модуляции.

Не изменяя положения волокна в устройстве ввода, об­ламывают волокно после фильтра мод оболочки, оставляя отре­зок волокна длиной (1 ± 0,2) м. Выходной торец короткого отрез­ка волокна подготавливают в соответствии с требованиями, ука­занными в п. 1.10.10.10.

Подготовленный выходной торец волокна устанавлива­ют относительно приемной площадки так, чтобы на нее попадало все излучение с выходного торца. Вновь регистрируют зависи­мость переменной составляющей сигнала на выходе короткого отрезка волокна от частоты модуляции.

Строят график отношения значений сигналов перемен­ной составляющей на выходе короткого отрезка и всего кабеля от частоты модуляции, то есть амплитудно-частотную характе­ристику измеряемого оптического кабеля. Значение ширины по­лосы пропускания оптического кабеля принимают равной частоте, на которой амплитуда сигнала амплитудно-частотной характе­ристики уменьшилась на 3 дБ. Коэффициент широкополосности определяют по формуле (10.3.5).

10.3.2. Измерение хроматической дисперсии

В настоящее время одномодовое волокно занимает господствующее положение в технике волоконно-оптической связи. Это связано с тем, что в отличии от многомодового волокна, в одномодовом волокне поддерживается поперечная пространственная когерентность света и отсутствует межмодовая дисперсия. Хроматическая дисперсия ограничивает скорость и дальность передачи информации по одномодовому волокну с использованием одного спектрального канала.

Хроматическая дисперсия это уширение длительности светового импульса при распространении по волокну, связанное с различием групповых скоростей распространения спектральных составляющих импульса. Источником света в высокоскоростных ВОСП обычно являются полупроводниковые лазеры с достаточно узкой, но конечной шириной спектра излучения.

В одномодовом волокне хроматическая дисперсия возникает вследствие взаимодействия двух явлений – материальной и волноводной дисперсии. Материальная дисперсия возникает из-за нелинейной зависимости показателя преломления кварца от длины волны и соответствующей групповой скорости, в то время как причина волноводной дисперсии является зависимость от длины волны отношения к групповой скорости к диаметру сердцевины и отличие показателя преломления сердцевины и оболочки. Третья составляющая дисперсии, так называемая поляризационная модовая дисперсия (PMD) второго порядка, или дисперсия дифференциальная групповой задержки, определяется поляризационными характеристиками волокна и оказывает влияние, сходное с влиянием хроматической дисперсии. PMD второго порядка устанавливают крайний предел, до которого может быть компенсирована хроматическая дисперсия.

Разброс групповых скоростей, т.е. величина уширения за счет хроматической дисперсии τ_хр в линейном приближении прямо пропорционально длине волокна L и ширине спектра Δλ светового импульса.

τхр=Dλ·L·Δλ , (10.3.9)

где D_λ – коэффициент хроматической дисперсии (chromatic dispersion coefficient). Это малое изменение задержки светового импульса на участке волокна единичной длины (1 км) при единичном изменении длины волны (1 нм) несущей этого импульса. Единица измерения – пс/(нм·км). Его величина определяется как производная от спектральной зависимости групповой задержки τ_д(λ):

(10.3.10)

Скорость передачи информации волоконно-оптической системы по одному каналу связи максимальна в случае, если групповая задержка не зависит от длины волны, т.е. D_λ=0. Длина волны λ₀, соответствующая этому условию, называется длиной волны нулевой дисперсии. При этой длине волны коэффициент хроматической дисперсии принимает нулевое значение. Единица измерения - нм.

В близи точки нулевой дисперсии зависимость коэффициента хроматической дисперсии от длины волны можно аппроксимировать линейной зависимостью:

, (10.3.11)

где S₀ – наклон спектральной зависимости коэффициента хроматической дисперсии (zero-dispersion siope) на длине волны нулевой дисперсии, измеряемый в пс/(нм²·км).

В соответствии с рекомендациями ITU-T G.650 существует три регламентируемых метода измерения дисперсии:

• фазовый метод измерения (Phase shift technique);

• интерферометрический метод (Interferometric technique);

• импульсный метод измерения (Pulse delay technique).

Наиболее распространенным методом измерения дисперсии является фазовый метод и его разновидность, дифференциальный фазовый метод. Эти методы дают наибольшую точность измерений и удобство реализации[Д3].

Сущность фазового метода состоит в сравнении фазы прошедшего через измеряемый световод сигнала с фазой опорного сигнала. Полученные значения сдвига фаз φ(γ) связаны с групповыми задержками формулой:

τ(λ)=φ/(2πf) (10.3.12)

где f – частота модуляции сигнала. Измерения задержки должны быть проведены на нескольких длинах волн. Реализовать измерения можно несколькими способами:

• использовать несколько источников излучения с фиксированными длинами волн и широкополосный фотоприемник;

• использовать источник с перестраиваемой длиной волны (перестраиваемый лазер или широкополосный источник с селектором длин волн) и широкополосный фотоприемник;

• использовать широкополосный источники фотоприемник с селектором длин волн.

В случае использования измерителя хроматической дисперсии с перестраиваемой рабочей длиной волны необходимо установить границы спектрального диапазона и шаг изменения длины волны. Структурная схема фазового метода измерения хроматической дисперсии с использованием широкополосного источника излучения и фотоприемника с селектором длин волн представлена на рисунке 10.19.

Сигнал с задающего генератора модулирует мощность излучения источника. Модулированное световое излучение, прошедшее по тестируемому волокну, используется в качестве измеряемого сигнала, подаваемого на фазометр. Тот же сигнал с опорного генератора, подаваемый на фазометр по другому каналу, служит опорным сигналом. Фазометр измеряет сдвиг фаз между опорным и измеряемым сигналом. Измерения повторяются на каждой из выбранных длин волн. Из полученных значений относительного сдвига фаз по формуле (10.3.12) рассчитывается величина относительной задержки для всех длин волн, на которых проводились измерения. Обработка результатов измерения заключается в подборе функциональной зависимости τ(γ), значения которой на измеряемых длинах волн наиболее близки к измеренным значениям.

Международные стандарты рекомендуют для каждого типа волокна и спектрального диапазона измерений выбирать функциональные зависимости в виде некоторых многочленов, представляющих собой степенные функции длины волны γ с неизвестными коэффициентами. В процессе математической обработки измерений вычисляются значения этих коэффициентов. Широко используются, например, трех- или пятичленные функции Солмейера. Развитием фазового метода является дифференциальный фазовый метод (Differential Phase Shift method), когда измеряются относительные фазовые сдвиги и относительные задержки τ₁ и τ₂ двух сигналов на соседних близкорасположенных длинах волн λ₁ и λ_10.

Значение величины дисперсии на длине волны λ_1/2, равной полусумме длин волн λ₁ и λ₂, определяется линейной аппроксимацией по формуле:

. (10.3.13)

Интерференционный метод является альтернативным и реализуется по структурной схеме, использующей интерферометр Маха–Цандера и представленный на рисунке 10.20.

Излучение от широкополосного источника после селектора длин волн попадает в интерферометр Маха–Цандера. При линейном перемещении конца волокна, входящего в состав опорного плеча интерферометра, в опорный канал вносится известная разность оптических длин, значение которой позволяет вычислить групповую задержку светового сигнала в тестируемом волокне, расположенном в измерительном плече интерферометра. Интерферометрический метод применяется при измерении характеристик коротких отрезков волокна длиной несколько метров и в основном используется для контроля производственного процесса при изготовлении волокон и компонентов систем передачи.

Импульсный метод измерения хроматической дисперсии. Стандарт ITUT G650 регламентирует также метод, основанный на прямом измерении задержки световых импульсов с различными длинами волн при прохождении через волокно заданной длины (time offlight). В этом методе можно проводить измерения времени задержки оптических импульсов лазеров при прохождении заданного участка волокна «туда и обратно», т.е. при отражении от удаленного конца волокна. Точность измерения CD в этом методе ниже, чем точность измерения фазовым методом из-за меньшей точности измерения временных задержек. Схема установки для проведения измерений при этом остается почти такой же, как и при измерении фазовым методом. Вместо фазометра при измерении импульсным методом необходимо использовать другое устройство, позволяющее измерять относительную временную задержку двух импульсов.

Поскольку точность импульсного метода обратно пропорционально длительности используемых импульсов, то необходимо, чтобы их длительность была не более 400 пс.

Аппаратура для измерения хроматической дисперсии. Поскольку измерения хроматической дисперсии производятся не только на смонтированных линиях для точной компенсации, но и при производстве и разработке компонентов систем передачи, ОВ и ОК, а также для научных исследований, то на рынке существуют устройства различных категорий, предназначенные для измерения значений CD. Их технические параметры варьируются в очень широком диапазоне. Однако сравнение такого большого количества приборов выходит за рамки настоящей статьи, поэтому мы ограничимся здесь лишь измерителями CD, предназначенными для контроля ВОЛС.В настоящее время на рынке представлены приборы ведущих производителей измерительной техники, таких, как Acterna, Anritsu,EXFO, Luciol, NETTEST, Perkin Elmer и белорусского предприятия ИИТ (Институт информационных технологий). Сравнительные характеристики приборов представлены в таблице приложения 7. Приборы, представленные в таблице, условно можно разделить на полевые и стационарные. К категории полевых были отнесены сравнительно небольшие устройства, имеющие автономное питание наряду с питанием от сети. Измерение хроматической дисперсии на основе прямого измерения задержки распространения коротких световых импульсов разных фиксированных длин волн (импульсный метод измерений) представлено в приборе ν-CD1 швейцарской компании Luciol. Постоянство длины волны источников излучения обеспечивается решетками Брэгга, играющими роль узкополосного (0,1 нм) оптического фильтра излучателя. Количество источников может быть произвольным. Погрешность временных измерений составляет 5 пс. Для достижения высокой чувствительности (до 42 дБ) в приборе применяется техника счета фотонов с регистрацией сигналов на уровне 100 дБм. Единственным отечественным производителем измерителей хроматической дисперсии является компания ИИТ (Институт информационных технологий, Беларусь). В приборах этой компании ИД21 (для кабельных заводов и испытательных лабораторий) и ИД22 (для измерения проложенных линий) применяется фазовый метод с 7 источниками излучения для измерения разности фаз синусоидально модулированного сигнала на фиксированных длинах волн. При этом реализовано техническое решение с использованием лавинного фотодиода в качестве смесителя высокочастотных сигналов, что дает возможность применить низкочастотный оптический приемник для регистрации сигнала разности фаз опорного и сигнального каналов и существенно увеличить отношение сигнал/шум. Последующая цифровая обработка сигнала с помощью преобразования Фурье позволяет минимизировать искажения сигналов в приемной части устройства. Приборы ИД21и ИД22 обладают высокими техническими характеристиками (большой динамический диапазон, высокая скорость измерений, батарейное питание, малый вес) и выгодно отличаются низкой стоимостью по сравнению с зарубежными аналогами.

К типичным представителям полевых приборов для измерения CD следует отнести оптические рефлектометры Anritsu (MW9076D1) иActerna (MTS5000e), а также универсальные измерительные платформы CMA5000 компании Nettest и FTB400 с модулем FTB5800компании EXFO. Особый интерес для операторов связи представляют полевые приборы, построенные на модульной основе, так называемые портативные модульные измерительные платформы. Принцип построения таких платформ основан на использовании портативного индустриального компьютера и сменных блоков, выполняющих широкий спектр измерений, таких, как рефлектометрия, измерение вносимых потерь и потерь на обратное отражение, спектральных измерений в системах WDM, измерение ПМД и CD и т.д. Идеология построения полевых приборов на модульной основе впервые была представлена компанией EXFO в 1996 году (FTB300); в настоящее время наблюдается устойчивая тенденция построения приборов на этом принципе. Приборы компаний Anritsu (MW9076D1),Acterna (MTS5000 c модулем 5083 CD) и Nettest (CMA5000 OTDR/CD) позволяют произвести оценку хроматической дисперсии с использованием излучения лазеров на 4 фиксированных длинах волн: 1310, 1450, 1550 и1625 нм, при этом используется метод измерения временных интервалов прохождения световых импульсов через волокно. Несомненным достоинством этих приборов является малый вес, высокая скорость измерений и дополнительная возможность измерения рефлектограмм. К недостаткам следует отнести несколько меньшую точность измерения дисперсии, связанную не только с применением всего 4 фиксированных источников излучения, но и с меньшей точностью определения временных задержек импульсным методом по сравнению с фазовым, особенно в участках волокна небольшой длины(несколько км).Портативная модульная измерительная система компании Nettest CMA5000, представленная осенью 2002 года, может включать в себя также и модуль измерения хроматической дисперсии, характеристики которого приведены в таблице. Принцип измерения построен на методе измерения сдвига фаз при перестройке длины волны излучающего лазера. В полевом приборе компании EXFO также применяется метод измерения фазового сдвига сигнала, причем в качестве опорной длины волны используется выделенная фильтром компонента широкополосного излучения светодиода. Такое решение обеспечивает процесс измерения с использование модного волокна, без обратной связи с источником излучения для спектральной привязки результатов измерения. В результате появляется возможность измерения длинных участков волокна с однонаправленными элементами, такими, как изоляторы и усилители (до30 усилителей). В частности, сообщалось об успешном измерении 500километровой линии связи с восемью усилителями EDFA. Заметим, что в настоящее время несколько компаний предлагают приборы, выполненные на модульном принципе, что позволяет проводить комбинированные измерения CD и ПМД на основе одной платформы в полевых условиях (см. таблицу). В такой комплектации можно проводить весь комплекс измерений дисперсионных параметров ВОЛС в полевых условиях на базе одного переносного устройства. В заключение можно сделать вывод, что в современных телекоммуникационных системах измерение и компенсация хроматической дисперсии становятся все более насущной задачей. Большой выбор приборов на рынке измерительной техники позволяет успешно решать эту, казалось бы, не простую задачу. Следует отметить, что все основные производители измерительного оборудования, перечисленные выше, представлены в России либо напрямую, либо через российские компании, осуществляющие продажи в рамках дистрибьюторских соглашений.

10.3.3. Измерение поляризационной модовой дисперсии

Свет – это поперечные электромагнитные волны. Направление колебаний векторы электрического поля в идеально круглом волокне может быть любым в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Поэтому фундаментальная мода в одномодовом волокне содержит две ортогональные поляризованные компоненты, то есть включает в себя две ортогонально поляризованные моды. В волокне с оптически идеальной симметричной круглой сердцевиной и оболочкой как в объемной изотропной среде моды обеих поляризаций распространялись бы с одинаковой скоростью. Небольшие отклонения сердцевины волокна или оболочки от идеальной вращательной симметрии, а также возникновение механических напряжений ведут к появлению двулучепреломления.

Такие нарушения идеально круговой симметрии всегда присутствуют в реальных волокнах, поэтому в них ортогонально поляризованные компоненты световых импульсов (поляризационные моды) распространяются с несколько различными скоростями. Если входной импульс возбуждает обе составляющие поляризации, то у выхода из волокна он уширяется из-за того, что ортогонально поляризованные компоненты оказываются сдвинуты друг относительно друга. Разделение мод, а точнее их задержка друг относительно друга (в ПС), на выходе из волоконного световода называется поляризационной модовой дисперсией (ПМД). ПМД играет важную роль в высокоскоростных ВОСП, особенно при использовании усилителей для увеличения дальности передачи информации и компенсаторов для уменьшения влияния хроматической дисперсии.

Величину уширения импульсов можно оценить, используя время задержки между двумя составляющими поляризации импульса. При длине волокна значение определяется соотношением

, (10.3.14)

где и - групповые скорости распространения ортогонально поляризованных мод.

Величина является единицей измерения ПМД (аналогично межмодовой дисперсии в коротком многомодовом волокне). Для оценки значения ПМД в обычных телекоммуникационных волокнах выражение (10.3.14) использовать непосредственно нельзя. В силу случайного характера анизотропии в волокне, используемом в системах связи, в них нет выделенных состояний поляризации. Фактически, ПМД характеризуется среднеквадратичным значением , получаемым после усреднения случайных возмущений вдоль всего волокна. В результате такого усреднения для величины среднеквадратичного уширения световых импульсов в ОВ была получена формула

, (10.3.15)

где - это параметр ПМД с типичными значениями, находящимися в диапазоне =(0,1÷1)пс/.

В промышленных оптических кабелях коэффициент PMD как правило не превышает 0.5 пс/км^1/2, что устанавливает ограничение 40 ГГц на 100 км. Кабели, установленные несколько лет назад, использующие волокно со “сплющенной” оболочкой, часто обладают более высоким коэффициентом PMD, что делает проблематичным переход к более высоким битовым скоростям.

Существуют два метода, на которых основано определение параметра PMD, это временной и волновой (частотный) методы, заключающиеся в измерении PMD по средней дифференциальной групповой задержке и среднеквадратичному отклонению интервалов времени, соответственно. Первый метод, основан на поиске экстремальных точек посредством измерений поляризации и определяет исходя из анализа эволюции выходного состояния поляризации по мере изменения длины волны, анализа собственных матриц Джонса на интервалах длин волн, по скорости вращения выходного состояния поляризации вокруг оси основных состояний на сфере Пуанкаре.

Второй метод основан на преобразовании Фурье при интерферометрических измерениях и определяет временную задержку исходя из интерферограммы, получаемой путем помещения измеряемого устройства в интерферометр с низкой когерентностью.

Известны также методы измерения PMD по смещению фазы и задержке импульса, в которых определяется соответственно, исходя из измерения фазы огибающей модулированного по интенсивности сигнала и интервала времени между импульсами двух основных состояний поляризации. Метод подгона кривой полосы частот основан на использовании математической модели, в которой с целью определения кривая подгоняется до микроволновой амплитудной модуляции волокна.

Ниже будут рассмотрены три основных метода, используемых в современных измерителях PMD, учитывая, что метод сферы Пуанкаре в измерительных телекоммуникационных лабораториях вряд ли будет использоваться, из-за ограниченного применения поляриметров.

Волновые методы измерения PMD. Они включают методы измерения PMD путем сканирования длины волны и матрицы Джонса, которые относятся к волновым методам, так как позволяют извлечь информацию из изменения состояния поляризации на выходе тестируемого устройства по мере изменения длины входной световой волны.

В методе сканирования длины волны, среднее значение дифференциальной групповой задержки определяется статистически исходя из количества максимальных и минимальных значений мощности на выходе анализатора по мере сканирования длины волны.

Хотя отклонение выходной поляризации в случае использования волокна с произвольно связанными модами является неустойчивым на любой длине волны, существует два основных состояния поляризации, при небольших отклонениях от которых, выходная поляризация будет изменяться в достаточно малом интервале длины волны. На этом основано несколько альтернативных конфигураций метода сканирования длины волны приведенных на рисунке 10.21. Эти схемы отличаются типом источника излучения, а так же используемыми средствами определения ширины спектра и настройки длины волны. Для обеспечения адекватного определения характеристик, спектральное разрешение схемы должно удовлетворять требованию [14]

,

где - спектральная ширина источника или разрешение полосы пропускания приемника, м; - номинальная длина волны измерения, м; - оптическая частота, Гц; - дифференциальная групповая задержка тестируемого устройства, с.

Согласно данному методу, результаты измерений накапливаются во время сканирования или пошаговых изменений длины волны источника (или приемника, в зависимости от схемы измерения). Для коррекции зависимости мощности источника и потерь вставки устройства от длины волны, как правило, требуется проведение эталонного измерения, которое осуществляется с удаленным анализатором. В противном случае эталонное измерение может быть проведено при повороте анализатора на 90 градусов. Так как полученные результаты не являются непосредственно значением PMD, они требуют последующей автоматизированной обработки – анализа результатов, который осуществляется подсчетом экстремальных значений или преобразованием Фурье.

Анализ методом подсчета экстремальных значений при сканировании длины волны.

При подсчете экстремальных значений имеющих место при сканировании длины волны в диапазоне от до , среднее значение дифференциальной групповой задержки тестируемого устройства может быть определено в соответствии с выражением [14]

, (10.3.16)

где - количество экстремальных значений (максимальных и минимальных); - скорость света; - безразмерный коэффициент, который называется коэффициентом взаимодействия мод и равен 0.824 для волокна с произвольной связью мод и 1.0 для вырожденного волокна. Подстрочный индекс в , указывает, что дифференциальная групповая задержка определена для интервала длины волны.

Если начальную и конечную длины волн интервала заменить длинами волн первого и последнего экстремумов, количество изменений длины волны конечных точек уменьшается на одно. Несмотря на то, что количество экстремумов, как правило, достаточно велико, для получения результатов измерения, многие пользователи предпочитают определять длину волны в процессе анализа, с тем, чтобы можно было бы оценить возможность изменения в сторону уменьшения или увеличения начальной и конечной длин волн без изменения количества экстремумов.

Если тестируемое устройство показывает отсутствие связи мод, фактор объединения принимается равным единице (), а анализ основывается на первом и последнем экстремумах..

Здесь следует отметить возможность появления ложных максимальных и минимальных значений, которые могут быть вызваны зависимостью мощности оптического источника от длины волны или потерь вставки тестового волокна, что обычно вызывает необходимость в эталонном измерении.

Очевидно, что диапазон длин волн, в котором производятся измерения PMD методом сканирования длины волны, должен быть достаточно большим, чтобы выдавать статистически значимое количество экстремумов. Для оптических компонентов без связи мод, базовое измерение может включать один цикл изменения амплитуды или даже на одну пару максимального и минимального значений.

При измерении одномодового волокна точность возрастает с увеличением количества циклов, но не следует использовать более 20 циклов, при этом могут иметь место некоторые вариации результатов измерений PMD в зависимости от поляризации входной световой волны. Этого нельзя избежать, однако более точное значение может быть получено путем повторения измерения с различными ориентациями входного и выходного поляризаторов, или с другим расположением входного и выходного пигтейлов измерительного устройства. В случае оптических компонентов, количество экстремумов обычно стабильно к ориентации поляризатора, но может возникнуть необходимость его регулировки для получения хорошей взаимосвязи между двумя поляризационными модами.

Анализ методом преобразования Фурье. Анализ выходного сигнала стационарного анализатора может быть смещен во временную область с использованием преобразования Фурье. В случае использования волокна с произвольной связью мод, результирующий спектр, функционально эквивалентен интерферометрическому измерению, рассматриваемому далее, и имеет Гауссово распределение. Поэтому значение PMD определяется путем подгонки кривой Гаусса в соответствии с данными, или путем вторичного подсчета, аналогично интерферометрическому методу. Оценка выходного сигнала стационарного анализатора при помощи анализа Фурье имеет преимущество, заключающееся в том, что она графически отражает характеристики связи мод образца. Кроме этого, анализ Фурье позволяет осуществлять фильтрацию высоких частот, вызванных шумами или вибрацией, которые могут быть обнаружены как максимальные и минимальные значения при использовании метода подсчета экстремумов.

Анализ методом параметров Стокса. В рассмотренном выше методе, изменение выходного состояния поляризации от длины волны оптического излучения, определяется исходя из его передачи через анализатор. Обнаружение выходной поляризации при помощи быстрого поляриметра, дает некоторые преимущества по сравнению с использованием анализатора. Это связано тем, что значения нормализованных параметров Стокса дают полное описание выходной поляризации на данной длине волны, причем каждый параметр может анализироваться путем подсчета экстремумов или анализа Фурье, а получаемые в результате три значения дифференциальной групповой задержки усредняются. В связи с этим, по сравнению с рассмотренным выше измерением с помощью анализатора, измерения с использованием поляриметра менее зависимы от поляризации входного излучения и положения пигтейлов. Второе преимущество применения поляриметра заключается в том, что нормализованные параметры Стокса не зависят от изменений оптической мощности, в связи с чем, отпадает необходимость в проведении эталонного измерения и уровень абсолютной мощности может варьироваться во время измерения, не влияя на его точность. Поляриметр также позволяет наблюдать выходное состояние поляризации на сфере Пуанкаре с целью анализа стабильности тестового устройства. Это с одной стороны наглядно демонстрирует состояния поляризации и дисперсию, а с другой стороны исключает присущую анализатору чувствительность к механическому перемещению и изменениям температуры.

Однако при использовании поляриметра необходимо учитывать, что:

• измерение больших значений PMD требует более разнесенных длин волны и более высокого разрешения источника;

• увеличением разрешения длины волны связано с уменьшением динамического диапазона;

• диапазон длин волн должен быть достаточно широким для получения хороших статистических данных;

• когерентность источника должна быть больше измеряемого запаздывания, чтобы избежать деполяризации;

• измерение занимает очень много времени и чувствительно к вибрации волокна и температуре;

• необходима связь между входом и выходом волокна, что недопустимо в полевых условиях.

Анализ методом матриц Джонса. В отличие от рассмотренных выше методов анализа, применение матриц Джонса (JME) позволяет напрямую определить разницу групповых задержек мод с основными состояниями поляризации в зависимости от длины волны. Анализ основывается на измерении собственных матриц устройств с линейной функцией передачи, на серии длин волн. Метод может быть использован для коротких и длинных волокон, вне зависимости от степени связи мод. Ограничение линейности исключает возможность использования оптических устройств, генерирующих новые оптические частоты. При этом ограничение временной инвариантности относится только к преобразованию поляризации, вызванному устройством, и не включает абсолютную задержку оптической фазы.

Согласно методу Джонса, входной и выходной поляризованные сигналы выражаются как одноименный вектор, который состоит из двух элементов матрицы, полностью описывающей амплитуду и состояние поляризации сигнала, при характеристике линия связи матрицей 4х4. Последняя определяется из отношения измеренных выходных состояний к известным входным состояниям и описывает характеристики преобразования поляризации двухпортового устройства, включая абсолютную задержку распространения света, которая не учитывается при определении дифференциальной групповой задержки.

Схема измерения для метода JME включает настраиваемый узкополосный оптический источник излучения, поляризатор, переключаемый на три линейных состояния поляризации, быстрый поляриметр и компьютер, выполняющий функции контроля и обработки результатов измерений. Поляризация источника регулируется приблизительно до состояния окружности, чтобы сделать возможной передачу соответствующей моды через каждый поляризатор.

Матрица Джонса линии, введенной между поляризатором и поляриметром, измеряется на серии дискретных длин волн, причем значение дифференциальной групповой задержки на длине волны , подсчитывается на основе двух матриц Джонса, измеренных на двух равноудаленных от длинах волн. Получаемая в результате серия значений , изображается графически и усредняется для нахождения среднего значения дифференциальной групповой задержки . Пигтейлы волокна, идущие от поляризатора к устройству и от устройства к поляризатору обычно добавляют к результатам измерения задержку не превышающую 0.005 пс каждый.

Оптический источник, используемый в методе JME, должен быть настраиваемым и иметь достаточно узкую полосу частот, чтобы избежать деполяризации тестовым устройством. С этой целью обычно используется настраиваемый лазер с внешним резонатором.

Дифференциальная групповая задержка определяется на основе двух матриц Джонса, полученных при двух незначительно отличающихся длинах волн и определяется как [14]

, (10.3.17)

где и - групповые задержки сигналов с основными состояниями поляризации; - изменение оптической частоты, соответствующее интервалу длины волны, рад/с; и - собственные значения измеренных матриц Джонса.

Здесь необходимо отметить, что для определения дифференциальной групповой задержки не требует самостоятельного определения и .

На точность метода JME оказывает влияние паразитное двулучепреломление и стабильность тестируемой линии, точность длины волны оптического источника, точность поляриметра и повторяемость входной поляризации. Большие изменения длины волны обычно обеспечивают большую точность, однако, для того, чтобы однозначно измерить изменение поляризации, вызванное изменением длины волны, выходное состояние поляризации, создаваемое любым изменением длины волны, не должен превышать 180 градусов. Диапазон длин волн, в котором осуществляется измерение, может быть выбран в соответствии с типом тестируемого устройства.

Дифференциальная групповая задержка компонента с широкой полосой частот, как, например, оптического изолятора, часто не зависит от длины волны, и короткие серии, состоящие из от 1 до 5 переходов, позволят осуществить точное измерение. Одного перехода может быть достаточно, но серия переходов дает преимущество использования усреднения. Длинные кабели с высоким показателем объединения мод, вследствие статической природы PMD требуют более широкого диапазона длины волны, обычно полного диапазона настраиваемого лазера, и достаточно малого размера перехода для обнаружения вариации дифференциальной групповой задержки в зависимости от длины волны. Измерения PMD волокна длиной меньше метра могут быть осуществлены с использованием одного перехода между длинами волн 1300 и 1550 нм. Для кабелей короче длины объединения мод, PMD существенно не изменяется в диапазоне длин волн, в котором волокно остается одномодовым.

В соответствии с вышеизложенным, можно сформулировать основные ограничения метода сканирования длины волны, к которым, в частности, относятся:

• минимальные значения PMD ограничены спектральным разрешением, так как меньшие значения PMD требуют более высокого разрешения;

• погрешность измерения PMD пропорциональна спектральному диапазону ввиду того, что более широкий диапазон спектра требует более высокой точности и разрешения;

• определение экстремальных значений зависит от шума и других внешних воздействий;

• когерентность источника должна быть больше, чем запаздывание PMD, которое необходимо измерить, чтобы избежать деполяризации источника;

• время измерения достаточно велико и, следовательно, зависит от изменений состояния волокна во время измерения (например, к вибрации);

• необходима связь между входом и выходом волокна, что неосуществимо в полевых условиях;

• чувствительность к поляризации входного излучения.

Временные методы измерения PMD. Как было отмечено выше, в настоящее время известен ряд методов измерений PMD во временной области, к которым относятся интерферометрический метод и методы измерения по смещению фазы и задержке импульса. В последних определяется исходя из измерения фазы огибающей модулированного по интенсивности сигнала и интервала времени между импульсами двух основных состояний поляризации, соответственно.

Интерферометрический метод измерения PMD основан на измерении автокорреляции электрического поля световой волны или взаимной когерентности двух сигналов, излучаемых одним широкополосным источником. Как и методы задержки импульса и дифференциального смещения фазы, он основан на прямом измерении временной задержки [14]. На рисунке 10.22 показана обобщенная схема измерения PMD на основе интерферометра Майкельсона с установленным на выходе источника оптического излучения поляризатором и анализатором - на входе фотодетектора.

Свет от широкополосного LED или источника белого света направляется в оба канала интерферометра, а свет от перемещающегося и фиксированного зеркал накладывается в плоскости детектора. Взаимное влияние возникает, когда длина двух ответвлений различается на величину, меньшую когерентной длины источника, а максимальная видимость имеет место, когда длины каналов идентичны. При этом ширина отклика обратно пропорциональна ширине спектра источника, а амплитуда огибающей фототока является функцией временной задержки, создаваемой движущимся зеркалом, и определяемой выражением [14]

, (10.3.18)

где - расстояние от зеркала до той точки, в которой оба канала имеют равную длину.

В рассматриваемой схеме лучи интерферометра ортогонально поляризованы, а перемещение зеркала создает задержку между ними, в то время как анализатор, обеспечивает взаимное объединение выходных собственных мод тестируемого устройства на фотодетекторе.

Интерферометрический метод применим к оптическим компонентам, как с вырожденными модами, так и к оптическому волокну со связанными модами, где основные состояния поляризации являются функциями длины волны, причем, получаемые в результате измерения интерферограммы имеют существенные различия. На рисунке 10.23 приведена схема, одного из наиболее распространенных измерителей поляризационной модовой дисперсии PMD-440 компании GN Nettest Fiber Optic Division.

Данное устройство позволяет измерять значения PMD при условии превышения когерентного времени источника с представлением результата измерения во временной области в виде гистограммы (рис. 5) или гауссовского замещения (рис. 6). Для низких значений PMD или приборов обладающих особенно низкой PMD, измерения при помощи интерферометра зависят от формы спектра оптического источника и требуют введения соответствующей коррекции или использования других методов более точного определения значения PMD по измеренному отклику.

Отличительной особенностью интерферометрического метода является возможность перемещения тестируемого волокна во время измерения, так как движение изменяет только детали интерферограммы, но не всю ее форму. Вследствие того, что интерферометрический метод позволяет быстро измерять большие значения PMD и схема легко разделяется на источник и приемник, этот метод используется для измерения инсталлированного волокна. Кроме этого, введение модуляции, он позволяет проводить измерение и линий с EDFA. Таким образом, интерферометрический метод характеризуется следующими особенностями:

• измерение больших значений PMD требует пропорционального смещения подвижного зеркала;

• при измерениях когерентность источника должна быть меньше, чем измеряемая задержка и, следовательно, ширина спектра источника должна быть большой;

• измерение осуществляется быстро и независимо от вибрации волокна;

• из-за отсутствия связи между входом и выходом волокна, этот метод идеален для полевых условий;

• измерение осуществляется в широком динамическом диапазоне;

• показания зависят от состояния поляризации на входе объекта измерения.

У некоторых приборов данного типа диапазон измерения PMD составляет 30 пс с возможностью расширения до 100 пс. Динамический диапазон составляет 40 дБ, что выше, чем у большинства других приборов, используемых в интерферометрических технологиях, и ограничивающих обычно длину тестируемого волокна. Некоторые из наиболее совершенных PMD устройств имеют среднее время измерения ниже 15 с и функцию автоматического подсчета PMD.