Все методы измерения затухания в оптических волокнах делятся на две группы: методы светопропускания и методы обратного рассеяния.
4.4.1. Методы светопропускания
Имеются два способа выполнения измерений по методике с использованием светопропускания (рисунок 4.5): метод обрыва и метод вносимых потерь [12].
Рисунок 4.5 – Метод светопропускания
При методе обрыва определяется световая мощность в двух точках световода: L1 и L2. Обычно точка L2 находится на дальнем конце световода, а точка L1 – очень близко к его началу. При проведении измерений световая мощность Р сначала измеряется на конце в точке L2 (км), а затем в точке L1 (км), причем световод должен быть обрезан в точке L1, но при этом не должны изменяться условия ввода между источником света (передатчиком) и световодом. Затем коэффициент затухания α (дБ/км) световода рассчитывается по формуле
. (4.4.1)
Этот метод не лишен недостатков, так как необходимо отрезать короткий кусок волоконного световода, что, например, при использовании волоконно-оптических кабелей с соединителями нецелесообразно. В данном случае полезным является метод вносимых потерь, при котором измеряется световая мощность на дальнем конце испытуемого световода, а затем она сравнивается со световой мощностью на конце короткого отрезка световода. Такой отрезок световода служит эталоном и должен быть сопоставим с испытываемым световодом по структуре и характеристикам. Во время проведения измерения следует позаботиться о том, чтобы условия возбуждения эталонного отрезка были одинаковыми, насколько возможно с условиями ввода для испытуемого отрезка световода. Из-за этих ограничений точность и воспроизводимость метода вносимых потерь менее предпочтительны, чем у метода обрыва.
Можно считать недостатком то, что речь идет о суммарном измерении по всему отрезку световода, которое не дает информации о локальных измерениях затухания по длине световода. Кроме того должен иметься доступ к обоим концам волоконного световода.
4.4.2. Метод обратного рассеяния
При методе обратного рассеяния свет вводится и выводится на одном конце волоконного световода (рисунок 4.6). Дополнительно можно получить информацию о процессе затухания вдоль световода.
Рисунок 4.6 – Метод обратного рассеяния
В основу метода положено Рэлеевское рассеяние. В то время как основная часть рассеиваемой мощности распространяется в направлении «вперед», небольшая ее часть рассеивается назад к передатчику. Эта мощность обратного рассеяния по мере прохождения назад по волоконному световоду также претерпевает затухание. Оставшаяся часть мощности при помощи направленного ответвителя, расположенного перед световодом, выводится и измеряется. По этой световой мощности обратного рассеяния и времени прохождения по световоду можно построить кривую, на которой наглядно видно затухание по всей длине световода (рисунок 4.7).
Рисунок 4.7 – Типовая рефлектограмма ВОЛС
Если коэффициент затухания и коэффициент обратного рассеяния остаются постоянными по всей длине световода, то кривая убывает от начала световода экспоненциально. Из-за скачка показателя преломления в начале и конце световода относительно большая часть световой мощности рассеивается обратно в этих местах, что обуславливает наличие пиков в начале и конце кривой. По разности времени Δt между этими двумя пиками, скорости света в вакууме c0 и групповому показателю преломления ng ≈ 1,5 в стекле сердцевины можно рассчитать длину волоконного световода:
, (4.4.2)
где
L – длина волоконного световода, км;
Δt – разность времени между пиками начального и конечного импульсов, с;
ng – действительный групповой показатель преломления стекла сердцевины;
c0 – скорость света в вакууме 300 000 км/с.
Коэффициент затухания a для любого участка световода между точками L1 и L2 подсчитывается по формуле
,[дБ/км]. (4.4.3)
Вследствие того что свет проходит вперед и назад, здесь используется коэффициент 5 вместо коэффициента 10, используемого в аналогичном уравнении для метода светопропускания. Эта формула справедлива для случая, когда мощности Р(L1) и Р(L2) выражены в абсолютных единицах, то есть в мВт или мкВт.
Дальнейшим усовершенствованием методики измерения является калибровка вертикальной шкалы непосредственно в единицах вносимых потерь. При этом затухание a для любого участка между точками L1 и L2 подсчитывается по формуле
,[дБ]. (4.4.4)
Соответственно километрические (погонные) затухания рассчитываются по формуле
, [дБ/км]. (4.4.5)
Это уравнение имеет силу исходя из предположения, что коэффициент обратного рассеяния, числовая апертура и диаметр сердцевины остаются неизменными по длине световода. Если это не обеспечивается, то рекомендуется сделать два измерения на обоих концах световода, а результаты усреднить. Поскольку мощность обратного рассеяния относительно мала, выдвигается повышение требования к чувствительности приемника. Для улучшения принимаемого сигнала проводится многократное усреднение отдельных измеренных величин. Измерительные приборы, работающие по принципу обратного рассеяния, называются оптическими рефлектометрами, использующими метод наблюдения за отраженным сигналом. Наряду с измерением коэффициента затухания можно определить местоположение дефектов (изломов) в волоконном световоде, а также проверить оптические потери в соединительных световодах (скачки затухания из-за разъемных и неразъемных соединений).
Методы измерения затухания с использованием светопропускания на европейском уровне описаны в европейском стандарте EN 188000, методы 301/302 (национальный немецкий стандарт VDE 0888, часть 101, методы 301/302), а на международном уровне – в стандарте МЭК «IEC 793-1-C1A и -С1В».