Методы измерения основных характеристик

(параметров) ВОСП

Методы измерения параметров ВОСП, стыков определены и подробно описаны в стандартах [14, 24, 26, 27].

Эксплуатационные измерения параметров ВОСП включают в себя:

- измерение уровней оптической мощности;

- измерение затухания;

- определение места и характера повреждения оптоволоконного кабеля;

- стрессовое тестирование аппаратуры ВОСП.

Измерение уровней оптической мощности и измерение затухания являются взаимосвязанными. Как известно, измерение затухания в любой системе передачи связано с определением уровня сигнала (его мощности) на входе и выходе. Применительно к оптическим системам передачи решение этой простой задачи имеет определенные трудности, поскольку измерение уровня сигнала в ВОСП зависит от параметров оптического интерфейса (стыка) генератора тестового оптического сигнала (качества обработки торца волокна, точности юстировки излучателя относительно этого торца и др.). Кроме того, должно обеспечиваться требование по согласованию источника сигнала с оптоволокном. Все многообразие технических решений по измерению затухания в оптическом кабеле объясняется различными способами решения этих проблем.

Ниже рассмотрены несколько основных типовых схем проведения таких измерений.

Измерения по определению места и характера повреждения оптоволоконных кабелей являются важными и существенными в ходе эксплуатации и относятся к категории аварийных эксплуатационных измерений.

Стрессовое тестирование аппаратуры ВОСП – специфический вид измерений, применяемый для определения потенциального резерва по оптической мощности передатчика и других параметров ВОСП.

Метод прямого измерения затухания, вносимого оптическим кабелем.

Схема такого измерения представлена на рисунке 7.9.

Рис. 7.9. Типовая схема измерения затухания в оптическом кабеле

Это стандартная схема измерения "точка-точка", когда тестовый генера­тор и анализатор расположены по разным концам тестируемой линии. При данной схеме измерений затухание в линии определяется выражением:

где Р₀ – уровень сигнала, передаваемый стабилизированным источником сигнала в дБм;

Р_l – уровень сигнала, измеряемый ОИМ на конце измеряемого участка в дБм.

На практике обычно производят измерения не затухания в оптическом кабеле, а вносимое затухание, которое является суммой затухания в линии и потерями мощности в оптических стыках передатчика и приемника. Модификация схемы (рис. 7.9) и технические решения основаны на принципе уменьшения и учета влияния затухания в оптических стыках приборов. При проведении приемосдаточных измерений влияние оптических стыков линейного оборудования ВОСП должно измеряться и учитываться.

Существует две разновидности схемы измерения затухания: без изменения структуры ВОСП и с нарушением структуры (оптоволоконной линии).

Измерение затухания без изменения структуры в точности соответствует схеме, представленной на рисунке 7.9. Этот метод используется обычно для измерения узлов ВОСП, проведения пошагового тестирования ВОСП в точках, позволяющих подключить источник сигнала и ОИМ (ОРМ). Для повышения точности метода обычно используют статистическое накопление результатов или повторение измерений после внесения обрыва (несколько сантиметров) кабеля.

Метод измерения с нарушением структуры кабеля часто используют при проведении строительно-монтажных работ. В этом случае производят обрыв волокна на расстоянии нескольких метров от начала линии и измеряют разность значений оптической мощ-ности на всей длине кабеля и на коротком участке обрыва (рис. 7.10).

Рис. 7.10. Измерение затухания с нарушением структуры кабеля

Измеренное значение мощности на дальнем конце кабеля считают Р_l, а измеренное значение после обрыва кабеля – Р₀.

Разность этих двух значений определяет величину затухания в кабеле. Недостаток метода состоит в том, что приходится нарушать целостность волоконной линии. Для повышения точности измерения данную операцию повторяют несколько раз путем дополнительных обрывов волокна длиной несколько сантиметров.

Для измерения затухания может применяется метод обратного рассеяния, который основан на использовании оптических рефлектометров, описанных выше. В основе метода обратного рассеяния лежит явление обратного релеевского рассеяния. Сущность метода состоит в том, что в измеряемую линию подаются мощные оптические импульсы, вводимые через направленный ответвитель. Вследствие отражения от различных видов неоднородностей (обрыв, места пайки, критического изгиба и др.), распределенных по всей длине волокна, возникает поток обратного рассеяния. Регистрация этого потока позволяет определить функцию затухания по длине, а также зафиксировать местоположение и характер всех неоднородностей. Основным достоинством данного метода является то, что измерение проводится только с одного конца кабеля. Схема таких измерений представлена на рисунке 7.11.

Рис. 7.11. Схема измерений параметров оптической линии

с использованием рефлектометра

Генератор оптического сигнала посылает короткий импульс, который отражается на неоднородностях А и В, при этом возникает проходящий и отраженный сигналы. В результате на анализаторе мощности можно получить график зависимости амплитуды отраженного от неоднородностей сигнала от длины линии (рефлектограмму). На графиках этой зависимости представлены следующие изменения отраженного сигнала: отражение от А, отражение от В, интермодуляционные отражения высших порядков (В−А−В и др.), которые обычно малы по амплитуде и воспринимаются как шум. Угол наклона кривой определяет удельное затухание оптического сигнала в линии. Таким образом, при измерении с одного конца кабеля известно о затухании сигнала в зависимости от длины кабеля. Измерения с одного конца кабеля удобны, дают возможность быстрой локализации отказа в проложенном кабеле. Эти преимущества рефлектометров по сравнению с анализаторами потерь оптической мощности, которые требуют организации измерений по схеме "точка-точка", обусловили их широкую применимость в эксплуатации современных ВОСП. Кроме того, визуальный анализ качества кабелей более удобен при эксплуатации, так как обладает наглядностью. Типовая форма рефлектограммы представлена на рисунке 7.12.

Рис. 7.12. Зависимость отраженной мощности от длины кабеля

На приведенном графике видны отражения, связанные с плохим соединением кабелей, отражение от узлов сварки, областей случайного рассеяния и отражения, связанные с технологическими неоднородностями в материале кабеля, наконец, отражение от дальнего конца кабеля. Начальный выброс уровня обусловлен френелевским отражением в разъемном оптическом интерфейсе, соединяющем прибор с испытуемым кабелем. Точка соединения кабеля при отсутствии френелевского отражения вносит лишь затухание, величина которого соответствует падению уровня в этой точке. Окончание кабеля или его обрыв дают выброс, обусловленный отражением от этих неоднородностей. Но при повреждениях кабеля френелевское отражение может отсутствовать (скол волокна в наклонной плоскости к оси), и тогда место обрыва характеризуется резким падением уровня. По рефлектограмме можно определить величину затухания с учетом разности длин как половину от разности мощ-ностей сигнала на рефлектограмме, используя формулу

.

Измерения кабеля ограничены возможностями рефлектометра, который позволяют измерять затухание в диапазоне 15–20 дБ. При превышении этого значения измерение затухания следует проводить с обеих сторон. На относительно коротких отрезках кабеля это позволяет повысить точность измерений.

Основным недостатком данного метода является небольшой динамический диапазон измерений, что обусловлено малой мощ-ностью излучения обратного рассеяния. Кроме того, рефлектометры − довольно дорогие приборы, поэтому не всегда доступные для эксплуатационных служб.

При проведении аварийных и эксплуатационных измерений важно определить участки и причины деградации качества передачи сигнала. Как видно из рисунка 7.12, рефлектограмма не только описывает функцию распределения затухания по длине кабеля, но и содержит информацию о местах деградации качества и причинах. Так, участки сварочных узлов и точки случайного рассеяния, связанного с дефектами оптического волокна, на рефлектограмме отображаются как точки увеличения затухания без всплеска мощности отраженного сигнала, что характерно для релеевского рассеяния без френелевского отражения. В то же время для точек плохого соединения, обрыва или значительного повреждения кабеля характерны всплески мощности отраженного сигнала.

Рефлектометры обеспечивают анализ кабеля на предмет неоднородностей. При этом визуальный анализ формы рефлектограммы позволяет качественно оценить характер повреждения в кабеле. Спецификой оптического волокна (по сравнению с электрическим кабелем) является то, что отраженная мощность от точки повреждения зависит от угла скола волокон. В случае воздействия на волокно только растягивающей силы возникает плоская поверхность излома, а если волокно разрушается от удара, то поверхность не является плоской. Соответствующим образом будут различаться сигналы на рефлектограмме.

Промышленный анализ оптоволоконных кабелей

Данный вид анализа проводится, как правило, на этапе производства. Учитывая, что проводимые измерения имеют промышленную специфику, рассмотрим их кратко. Более подробное описание технологий, схем этих измерений и примеры оборудования можно найти в технической литературе [38].

Промышленный анализ предполагает углубленный контроль качества волоконного кабеля и включает в себя измерение следующих параметров:

- погонного затухания в оптическом волокне;

- полосы пропускания и дисперсии;

- длины волны отсечки;

- профиля показателя преломления;

- числовой апертуры;

- диаметра модового поля;

- геометрических и механических характеристик оптоволоконного кабеля;

- энергетического потенциала и чувствительности фотоприемного устройства;

- уровней оптической мощности устройств.

Измерения погонного затухания в оптическом кабеле в лабораторных условиях (без прокладки по поверхности − в бухтах, барабанах) выполняется прямым методом с использованием высокоточных анализаторов затухания.

Для измерения полосы пропускания используют частотный или импульсный метод.

При частотном методе полоса пропускания кабеля определяется по амплитудно-частотной модуляционной характеристике (АЧМХ). В схеме проведения измерений применяется генератор и фотоприемник с гармонической модуляцией интенсивности в полосе частот, превышающей ширину полосы пропускания кабеля. В результате измерений получают зависимость уровня мощности на выходе кабеля от частоты модуляции.

Импульсный метод определения полосы пропускания основан на последовательной регистрации импульса оптического излучения на выходе измеряемого кабеля и импульса на выходе его короткого отрезка, образованного путем обрыва части кабеля в начале. Форма последнего импульса принимается за форму импульса на входе кабеля. Далее вычисляются амплитудные спектры импульсов и АЧМХ измеряемого кабеля, а по ней определяют полосу пропускания.

Для измерения хроматической дисперсии одномодовых кабелей используются два метода: метод временной задержки и фазовый метод. Первый связан с измерением во временной области, а второй − в частотной. Оба метода удовлетворяют требованиям точности и воспроизводимости результатов и одобрены ITU-T. В практике измерений чаще используется фазовый метод, так как он менее сложен.

Фазовый метод основан на измерении фазового сдвига сигнала, модулированного по интенсивности излучения, на различных длинах волн. Частота модуляции интенсивности обычно фиксирована и лежит в пределах 30–100 МГц. Измерение зависимости фазового сдвига между сигналами на различных длинах волн позволяет найти зависимость временной задержки сигнала от длины волны, а последующее ее дифференцирование – хроматическую дисперсию.

Измерения длины волны отсечки выполняются следующими методами: изгиба, передаваемой мощности и диаметра модового поля.

Метод изгиба основан на зависимости потерь при изгибе волокна от длины волны распространяющегося излучения. В измеряемое волокно включается источник излучения с перестраиваемой длиной волны. Измерения проводят при слабом и сильном изгибах волокна.

Метод передаваемой мощности основан на зависимости мощности излучения от длины волны.

В методе диаметра модового поля используется явление изменения диаметра поля излучения в волокне в зависимости от длины волны. Измерение заключается в определении на выходе волокна диаметра поля на различных длинах волн и в нахождении по кривой длины отсечки. Этот метод измерения длины волны отсечки более сложен, чем два предыдущих.

Основным параметром оптического кабеля является профиль показателя преломления. Измерение профиля показателя преломления выполняется различными высокоточными методами: интерферометрическим, лучевым, рассеяния, сканирования результатов отражения от торца, пространственного распределения излучения (в ближней и дальней зонах) и др. Эти измерения довольно сложны, требуют отдельного рассмотрения, которые выходят за рамки данного пособия.

Измерение параметра числовой апертуры необходимо для уменьшения потерь в устройствах ввода-вывода и устройствах сопряжения. Несогласованность соединяемых волокон по числовой апертуре приводит к существенным потерям. Для измерения чи­словой апертуры обычно определяют апертурный угол. Апертурный угол волокна, находящегося в равновесном возбуждении мод, определяют как распределение выходящей мощности в дальней зоне. Для этого на некотором расстоянии от выходного торца устанавливают отражающий экран с градуированной шкалой. По наблюдаемому диаметру светового пятна на экране определяют апертурный угол.

Измерение диаметра модового поля − основного параметра для определения ширины диаграммы направленности и для расчета потерь на соединениях и микроизгибах − осуществляется методами ближнего поля, поперечного смещения и др.

Метод ближнего поля обеспечивает прямое измерение диаметра модового поля. Суть метода заключается в том, что с помощью хорошо сфокусированного микроскопа на выходном торце волокна измеряют распределение мощности излучения.

Метод поперечного смещения основывается на измерении мощности излучения, выходящего из двух последовательно соединенных одномодовых волокон при их взаимном радиальном смещении в месте соединения.

Измерение геометрических и механических характеристик кабеля являются сугубо промышленными и описываются в специальной литературе [38,39].

Измерение чувствительности фотоприемных устройств и уровней оптической мощности передатчиков оптического сигнала выполняются высокоточными оптическими измерителями мощ­ности и стабилизированными источниками сигнала.