Рефлектометрические измерения потерь в различных оптических коннекторах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

КУРСОВАЯ РАБОТА

Рефлектометрические измерения потерь в различных оптических коннекторах

Работу выполнил Новиков Валерий Алексеевич

Курс 4

Специальность 210401 - Физика и техника оптической связи

Научный руководитель доцент В. С. Дорош

Нормоконтролер инженер И. А. Прохорова

Краснодар 2012



Реферат

Новиков В.А. Рефлектометрические измерения потерь в различных оптических коннекторах. Курсовая работа: 47 с., 28 рис., 12 источников.

Оптическое волокно, световод, измерение затухания, рэлеевское рассеяние, рефлектометр

Объектом рассмотрения данной курсовой работы являются характеристики, свойства оптических волокон и коннекторов, методы измерения затухания в волокнах и коннекторах, принцип действия и возможности рефлектометров.

Целью работы является собрать обзор по характеристикам, свойствам оптических коннекторов, методам измерения затухания в соединениях, изучить рефлектометры, их характеристики, возможности, особенности; разработать методику рефлектометрического измерения потерь в оптических коннекторах; собрать экспериментальный измерительный стенд; произвести измерения и расчеты потерь.

В результате выполнения курсовой работы собран обзор по характеристикам, свойствам оптических коннекторов, методам измерения затухания в соединениях, изучены рефлектометры, их характеристики, возможности, особенности; разработана методика рефлектометрического измерения потерь в оптических коннекторах; собран экспериментальный измерительный стенд; произведены измерения и расчеты потерь, сделаны соответствующие выводы.



Содержание

ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОВОДЕ

1.1 Конструкции световодов

1.2 Характеристики световодов. Числовая апертура. Потери. Дисперсия сигналов оптического излучения. Поляризационные свойства световодов

1.3 Оптические коннекторы

1.4 Особенности потерь в разъёмных соединениях

2. ИЗМЕРЕНИЕ ПОТЕРЬ

2.1 Методы измерения

2.2 Измерения потерь с помощью оптического тестера

2.3 Рефлектометрические измерения

2.3.1 Принцип работы оптического рефлектометра

2.3.2 Структура оптического рефлектометра

2.3.3 Возможности оптического рефлектометра AQ7270

2.3.4 Особенности работы бриллюэновского рефлектометра

3. РЕФЛЕКТОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

3.1 Технические характеристики оптического рефлектометра AQ7270

3.2 Блок-схема экспериментальной установки

3.3 Экспериментальные измерения потерь в коннекторах

3.4 Экспериментальные измерения отражения в коннекторах

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



Обозначения и сокращения

ВОСПИ	Волоконно-оптические системы передачи информации
волс	Волоконно-оптические линии связи
ов	Оптическое волокно
ок	Оптический коннектор
ПВО	Полное внутреннее отражение
OTDR	Оптический рефлектометр
В-ОTDR	Бриллюэновский оптический рефлектометр



Введение

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

До 2015 г. в России предполагается полная интеграция существующих сетей (включая сети подвижной связи, вещания и сеть Интернет) в единую федерацию сетей. Суммарная скорость по одному оптическому волокну достигла 4 Тбит/с, а по медному кабелю 1 Гбит/с.

В настоящее время по оптическому волокну получены суммарные рекордные скорости передачи 14 Тбит/с, при этом скорость передачи в одном канале была достигнута 1 Тбит/с; количество каналов в одном волокне составило 1000 при скорости передачи 3,25Гбит/с. Однако, для коммерческого применения используется не более 100 каналов при скорости передачи 40 Гбит/с [2].



1. Физические основы распространения излучения в световоде

Световод (волновод) оптический элемент, предназначенный для пространственного ограничения светового излучения, распространяющегося в заданном направлении. Форма поперечного сечения световода может быть прямоугольной, квадратной, круглой, эллиптической и т. п. Наибольшее распространение получили световоды с круглым и эллиптическим сечениями. Световоды, представляющие собой тонкие стеклянные или кварцевые нити, часто называют оптическими волокнами.

По волокну могут распространяться меридиональные лучи (лучи, пересекающие ось волокна) и косые лучи (не пересекающие ось). Полное рассмотрение теории распространения света в волноводах достаточно сложно и трудоёмко [1, 2].

Согласно закону преломления света на границе раздела двух диэлектрических прозрачных сред (рисунок 1)

, (1)

где n_ос показатель преломления среды, контактирующей с входным торцом световода; n_с показатель преломления сердцевины световода.

Распространение излучения в световоде основано на явлении полного внутреннего отражения (ПВО) на границе сердцевины и оболочки.

ПВО осуществляется, если свет отражается от оптически менее плотной среды (n_c > n_о) и если угол падения на границе раздела превышает критическое значение

(2)

При полном отражении интенсивность отражённого луча равна интенсивности падающего.

Рисунок 1 - Схема распространения лучей света в световоде

Более полное рассмотрение явления ПВО показывает, что происходит проникновение световой волны во вторую среду (явление нарушенного полного внутреннего отражения НПВО).

1.1 Конструкции световодов

Свойства световода с круглым поперечным сечением определяются его первичной характеристикой функцией n (r). Функция n (r) может быть гладкой или кусочной. В первом случае будет градиентный, а во втором слоистый световод.

На рисунке 2 приведены примеры распределения показателя преломления для разных световодов.

Рисунок 2 - Типы световодов: а) однослойный (без оболочки); б) двухслойный; в) градиентный; г) с изменением знака градиента

Наиболее распространенными являются двухслойные (ступенчатые) световоды и градиентные световоды с параболическим законом распределения показателя преломления.



1.2 Характеристики световодов. Числовая апертура. Потери. Дисперсия сигналов оптического излучения. Поляризационные свойства световодов

Важнейшей характеристикой световода является числовая апертура, определяемая выражением:

(3)

или , (4)

где _o угол ввода излучения в световод, при котором = _кр.

Числовая апертура определяет максимальный угол непрерывного спектра углов падения (спектра пространственных частот), которые могут эффективно возбудить световод.

Номинальная числовая апертура (NA при n_oc=1) определяется формулой

, (5)

где n разность показателей преломления сердцевины и оболочки.

Для поперечно неоднородных световодов вводится понятие локальной числовой апертуры, связанной с показателем преломления в текущей точке поперечного сечения и являющейся для цилиндрических световодов функцией радиуса:

(6)

Числовая апертура определяет диапазон углов, под которыми излучение может вводиться в световод и выходить из него. Числовая апертура кварцевых световодов, используемых в кабелях связи, обычно равна 0,1 в одномодовых световодах и 0,2 в многомодовых. Числовая апертура определяется значениями показателей преломления сердцевины и оболочки (в одномодовых световодах n_c1,478, n_o1,475). Увеличение показателя преломления сердцевины обусловлено добавками к SiO₂ нескольких процентов GeO₂ или P₂O₅, а уменьшение показателя преломления в оболочке обусловлено добавками, например B₂O₃.

Потери излучения в световодах измеряются отношением интенсивности выходного (прошедшего) и входного (падающего) световых потоков:

Т = I _вых / I _вх. (7)

Потери создаются поглощением в материалах сердцевины и оболочки, неровностью отражающих поверхностей, неоднородностью показателей преломления по длине волокна, просачиванием света в оболочечные и вытекающие моды и другими явлениями [35].

Потери мощности в световоде определяются потерями в материале, из которого он выполнен, и потерями, специфическими для данного волновода. Потери в исходном материале вызваны поглощением и рассеянием и определяют минимально возможные потери в световоде.

Имеются три основных вида поглощения:

- собственное поглощение. Проявляется при идеальной структуре материала. Механизм этих потерь связан с поведением диэлектрика с идеальной структурой в электромагнитном поле. Собственное поглощение характеризует нижний предел поглощения для данного диэлектрика;

- примесное поглощение. Обусловлено наличием ионов металлов переходной группы: Fe²⁺, Cu²⁺, Cr³⁺ и др. Ионы металлов переходной группы, присутствующие в стекле, имеют электронные переходы в области рабочих длин волн и вызывают соответствующие полосы поглощения. Существенно влияющей на поглощение примесью является вода, присутствующая в виде ионов ОН;

- поглощение, обусловленное дефектами атомной структуры материала. Потери вследствие рассеяния вызываются несколькими механизмами. Во всех оптически прозрачных веществах свет рассеивается в результате флюктуаций показателя преломления. Показатель затухания, обусловленного рассеянием, можно найти по формуле:

, (8)

где n показатель преломления; k постоянная Больцмана; Т абсолютная температура; сжимаемость.

Такое рассеяние называется рэлеевским. Оно обратно пропорционально четвёртой степени длины волны и характерно для неоднородностей, размеры которых менее длины волны, а расстояние, между которыми достаточно велико.

Кроме флюктуаций плотности, существенными также являются флюктуации концентраций окислов. Добавляемые в стекло окислы изменяют показатель преломления, поэтому неоднородность концентрации создает большие флюктуации показателя преломления [8].

При достаточно большой мощности могут возникать нелинейные процессы, при которых параметры материала изменяются в зависимости от мощности, распространяющейся в данном материале. В результате может появиться возбуждённое комбинационное рассеяние. Другой причиной нелинейного рассеяния может быть вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна. Это явление вызвано тем, что выше некоторого порога мощности нелинейные процессы приводят к переходу мощности первичных волн в излучение других длин волн.

Потери в световодах зависят от длины волны света. Для кварцевых световодов наименьшие потери ( 0,2 дБ/км) соответствуют длине волны 1,55 мкм [1-3,9].

В ВОЛС информация кодируется и передается импульсами света. При прохождении импульсов по волокну изменяется не только их амплитуда, но и форма, т.е. импульсы могут уширяться. Это явление называют дисперсией импульсных сигналов [35].

Уширение импульсов определяет предельную скорость передачи информации и при малых потерях (<0,5 дБ/км) ограничивает максимальную длину волоконного кабеля. При передаче на большее расстояние потребуются ретрансляторы.

В многомодовых световодах дисперсия сигналов обусловлена так называемой межмодовой дисперсией. Появление межмодовой дисперсии связано с тем, что каждая направляемая световодная мода имеет свою скорость распространения вдоль волокна. Причём мода с большим m чаще испытывает отражения и поэтому позже выходит из световода. В результате импульс света уширяется, диспергирует.

В одномодовых световодах проявляется уширение сигналов вследствие материальной (хроматической) дисперсии, т.е. зависимости скорости света от длины волны для материала световода. Хроматическая дисперсия пропорциональна ширине спектра излучения источника и зависит от значения .

В кварцевых световодах материальная дисперсия в видимой области спектра очень велика, но для длины волны 1,3 мкм имеет минимальное, почти нулевое значение.

В одномодовых кварцевых световодах, работающих на длине волны 1,3 мкм, скорость передачи информации ограничена внутримодовой (волноводной) дисперсией. Волноводная дисперсия определяется шириной спектра излучения , однородностью световода вдоль волокна, профилем распределения показателя преломления в поперечном сечении волокна и другими факторами.

Поляризация как свойство векторных волн электромагнитного поля полностью определяется изменением во времени вектора напряжённости электрического поля Е(r,t), наблюдаемого в фиксированной точке пространства.

В цилиндрическом волоконном световоде при идеальных условиях распространяется основная мода НЕ₁₁ с поляризацией, близкой к линейной, которая плохо удерживает ориентацию вектора Е вследствие осевой симметрии. Наличие микродефектов в материале сердечника и оболочки, нерегулярностей на их границе, вибрации, изменения температуры окружающей среды приводят к вырождению одномодового режима и появлению двух мод, одинаковых по распределению поля, но ортогональных по поляризации. Их взаимодействие определяет возникновение слабо эллиптически поляризованной волны с измененным состоянием поляризации относительно входного света.

При линейной поляризации входного излучения экспериментально анализируемым параметром является коэффициент "деполяризации"

= I_п /I_o = I_x /I_y, (9)

характеризующий отклонение интенсивностей ортогональных составляющих с учётом поворота эллипса поляризации излучения, проходящего световод. Эти параметры измеряются локально (в точке) или интегрально (при приёме и анализе излучения со всего торца волновода на один фотоприёмник). Под I_о (или I_y) понимается интенсивность составляющей, соответствующей преимущественной поляризации на выходе волновода.

В многомодовых световодах из-за наличия спекловой структуры не сохраняется состояние поляризации входящего в него излучения: поляризация излучения в поперечном сечении световода изменяется от пятна к пятну по площади пятна. Если световод возбуждается линейно поляризованным лучом, то в спекловой структуре на выходе распределение поляризации окажется хаотическим.

Преобразование поляризации излучения в многомодовом световоде зависит:

- от его типа (формы поперечного сечения, профиля показателя преломления, свойств материала);

- частоты падающей волны, так как процессы, изменяющие степень поляризации поля в волноводе, являются в общем случае дисперсионными;

- ориентации оси волновода относительно направления распространения возбуждающей волны и др.

1.3 Оптические коннекторы

По конструкции соединения бывают симметричными и несимметричными (рисунок 3).

Рисунок 3 - Несимметричная (а) и симметричная (б) конструкции коннекторов (1 - соединитель гнездовой; 2 - наконечник-капилляр; 3 - соединитель штекерный; 4 - кевларовые нити; 5 - эпоксидный наполнитель; 6 - соединитель; 7 - переходная соединительная розетка (адаптер); 8 - оптический наконечник; 9 - центрирующий элемент розетки; 10 - оптическое волокно; 11 - миникабель)

При несимметричной конструкции для организации соединения требуется два элемента: соединитель гнездовой и соединитель штекерный. Оптическое волокно в капиллярной трубке коннектора - штекера не доходит до торца капилляра, а остается в глубине. Волокно в гнездовом соединителе выступает наружу. При организации соединения физический контакт волокон происходит внутри наконечника-капилляра, который обеспечивает соосность волокон. Открытое волокно, и капиллярная полость у этих соединителей являются основными недостатками, снижающими надежность несимметричной конструкции. Особенно недостатки сказываются при большом количестве переподключений.

При симметричной конструкции для организации соединения требуются три элемента: два соединителя и переходная розетка (coupling). Соединительные розетки или адаптеры (coupling) являются непосредственно соединяющей частью всей конструкции. Одной из составных частей адаптера является соединительная гильза.

Рисунок 4 - Соединительные адаптеры

Соединительная гильза расположена в адаптере и предназначена для совмещения наконечников, а следовательно и волокон. Гильзы для одномодовых волокон обычно изготавливают из керамики или сплава бериллия с медью.

Главным элементом соединителя является наконечник (ferrule). Переходная розетка снабжается центрирующим элементом, выполненным в виде трубки с продольным разрезом, т. к. должен быть контакт между наконечником и центрирующим элементом розетки. Наконечник, как самый прецизионный элемент соединителя, является самым дорогим. Наконечники обычно бывают металлические (на основе нержавеющей стали), керамические (на основе циркония или оксида алюминия). Пластиковые наконечники высокого качества должны снизить стоимость соединителя.

Чтобы обеспечить сохранность хрупкого волокна при многократном совмещении, их оконечные отрезки помещают в керамические наконечники. Большинство наконечников имеют цилиндрическую форму с диаметром 2,5 мм (коннекторы LC - 1,25 мм).Внутри наконечников существует канал, в который вводится и фиксируется химическим или механическим способом очищенный от оболочки световод. Фиксирующим составом обычно выступают эпоксидные растворы. Выступающий излишек волокна удаляется специальными инструментами (делается надрез и обламывание световода).

Современные наконечники выдерживают 100 - 1000 подключений.

1.4 Особенности потерь в разъёмных соединениях

Внутренние потери определяются факторами, которые невозможно контролировать (достичь их улучшения при заделке волокна в соединитель), а именно парной вариацией диаметров сердцевин, показателей преломления, числовых апертур, эксцентриситетов сердцевина/оболочка и концентричностей сердцевины у волокон с разных сторон. Причем следует аддитивно учитывать все эти потери. Можно ожидать случайное изменение этих факторов даже в том случае, когда волокна одинакового стандарта или с одной и той же катушки.

Внутренними причинами оптических потерь являются:

1) допуски на различные размеры световодов;

2) различие диаметров модовых полей стыкуемых световодов;

3) некруглость сердцевины.

Внешние потери в соединителях возникают вследствие несовершенства, как самой конструкции соединителя, так и процесса сборки оптического шнура. Внешние потери зависят от таких факторов как:

1) механическая нестыковка (угловое смещение, радиальное смещение, осевое смещение);

2) френелевского рассеяния на неоднородностях;

3) шероховатости на торце сердцевины;

4) загрязнение между торцами волокон;

5) в зазоре между волокнами среда имеет показатель преломления отличный от показателя преломления сердцевины волокна.

Потери мощности оптического сигнала из-за различия числовых апертур соединяемых ОВ происходят, если числовая апертура передающего ОВ больше числовой апертуры принимающего, и вычисляются по формуле:

, дБ (10)

где NAприним - апертура принимающего оптоволокна; NAпередающ - апертура передающего волокна.

Если же числовая апертура передающего ОВ меньше числовой апертуры принимающего ОВ, то рассогласование апертур не вносит потерь. При этом часть оптической мощности распространяется в покрытии принимающего ОВ. Эти потери определяются по формуле:

, дБ (11)

где D_приним - диаметр сердцевины принимающего ОВ; D_{передающ} - диаметр сердцевины передающего ОВ.

В одномодовых ОВ различие диаметров сердцевин приведёт к различию диаметра поля моды. Диаметр поля моды увеличивается по мере увеличения длины волны. Для одномодового ОВ со ступенчатым профилем показателя преломления существует взаимосвязь между радиусом поля моды (w) и радиусом сердцевины ОВ (a):



, (12)

где V - нормированная частота:

V=2р

Неконцентричность - это расстояние между центрами сердцевины и покрытия ОВ. Их несовпадение приводит к увеличению затухания в разъёмном соединении.

Рисунок 5 - Неконцентричность и овальность сердцевины волокна

Наличие овальности сердцевины приводит к тому же эффекту, что и различие диаметров сердцевин соединяемых волокон. В этом случае величина затухания будет зависеть от угла между осями d соединяемых волокон, будет максимальным при 90, и изменяться с каждым подключением. По результатам расчетов известно, что эллиптичность сердцевины в 5% приводит к величине вносимых оптических потерь до 0,1 дБ.

Потери при радиальном смещении волокон определяются по формуле:

(13)

где д - радиальное смещение; d - диаметр сердцевины волокна.



Рисунок 6 - Радиальное смещение стыкуемых волокон

Рисунок 7 - Зависимость потерь на стыке от радиального смещения волокон

Потери при угловом смещении волокон определяются по формуле:

(14)

где - угловое смещение; NA - числовая апертура; - апертурный угол.

Рисунок 8 - Угловое смещение волокон

Потери при осевом смещении волокон определяются по формуле:

(15)



где S - осевое смещение; NA - числовая апертура; - показатель преломления среды, заполняющей пространство стыка; - апертурный угол; d - диаметр светонесущей части волокна (сердцевины).

Рисунок 9 - Зависимость потерь на стыке от углового смещения волокон

ОБРАТНОЕ ОТРАЖЕНИЕ. С учетом двух скачков показателей преломления коэффициент прохождения определяется из соотношения:

(16)

В случае воздушного зазора (n = 1) потери составляют 0,35 дБ. Френелевские потери можно уменьшить, подбирая наполнитель между соединителями с показателем преломления, близким к показателю преломления световода и делая зазор много меньше длины волны.

Качество поверхности скола. Поверхность скола должна быть гладкой, не иметь дефектов типа трещин и царапин.

Наличие зазора между волокнами. При появлении зазора между волокнами появляется и френелевское отражение из-за того, что среда, заполняющая пространство между открытыми плоскостями торцов волокон имеет отличный от волокон показатель преломления.



Рисунок 10 - Зависимость потерь на стыке от осевого смещения волокон

Коэффициент френелевского отражения:

R = (17)

Рассеяние не только ведет к ослаблению проходящего сигнала, но и увеличивает обратный световой поток. Обратное отражение является вторым по пагубности фактором после вносимых потерь. Потери на обратном отражении или просто обратные потери b в дБ определяются как:

b = 10 (18)

Основным фактором, вносящим вклад в обратное отражение, является френелевское отражение вследствие зазора S (обычно воздушного) между торцами волокон.

Наиболее общее выражение для коэффициента отражения имеет вид:

= (19)

Непараллельность торцов приводит к разным значениям зазора S для разных участков сердцевины. В этом случае, происходит усреднение по осцилляциям синуса, а обратные потери определяются как b = - 10 lgR [дБ].

При малых значениях зазора S вклад френелевского отражения во вносимые потери пренебрежимо мал.

ТИПЫ КОНТАКТОВ СОЕДИНИТЕЛЕЙ. Существуют три типа поверхностей торца ОВ: плоская, сферическая, наклонная сферическая. Плоская поверхность. В месте контакта возможна недостаточная параллельность сколов волокон, попадание частиц пыли и прочие дефекты. Все пагубные влияния минимизируются при сферизации торцов волокон. Сферическая поверхность. Сферическая поверхность обеспечивает физический контакт (Physical Contact, PC). Радиус кривизны R при РС-соединении находится в диапазоне от 15 до 25 мм. Угол наклона составляет 8 - 12°. Наклонная сферическая поверхность. Наклонная сферическая поверхность - угловой физический контакт (Angled Physical Contact, АРС) - наиболее широко применяемая на практике.

КОНТАКТЫ ТИПА ANGLED PC (APC). При использовании ступенчатого одномодового волокна угол наклона составляет 8°, что приводит к потерям на обратное отражение обычно меньше 60 дБ. Что касается волокна со смещенной дисперсией, то оно имеет большие числовые апертуры по сравнению со ступенчатым. Поэтому при использовании одномодового волокна со смещенной дисперсией для того, чтобы обеспечить такие же низкие потери на обратном отражении, угол наклона делают больше - стандартизировано значение 12°. Обратная отраженная мощность составляет 0,003% от передаваемой. Излучение, отраженное под углом к оптической оси, не испытывает полного внутреннего отражения, а преломляется в оболочку ОВ и становится оболочечной модой.

2. Измерение потерь

2.1 Методы измерения

В процессе строительства и эксплуатации ВОЛС практически применяются следующие методы:

- метод обрыва;

- метод измерения вносимого затухания;

- метод обратного рассеяния (рефлектометрический метод).

Приборы, в которых используются согласованные пары источник излучения - измеритель оптической мощности, носят название оптических тестеров или измерителей оптических потерь.

Метод обрыва является наиболее точным методом измерения затухания, но из-за того, что он требует разрыва волокна, его использование при инсталляции, техническом обслуживании и в полевых условиях неэффективно, поэтому он применяется только при производстве оптических волокон. Данный метод основан на сравнении значения мощности оптического излучения, измеренной на выходе длинного отрезка волокна, со значением мощности, измеренной на выходе короткого участка волокна, образованного за счет отсечения части его длины (около 3 м) со стороны источника. При этом необходимым условием измерения является постоянство мощности и неизменность модового состава вводимого в волокно оптического излучения с тем, чтобы избежать ввода мощности в переходные моды высшего порядка. При отсутствии ввода в эти переходные моды будут измерены затухания отдельных участков, которые суммируются практически линейным образом, и поскольку эти распределения мощности существенно не изменяются, они называются распределениями в установившемся состоянии. Для обеспечения таких условий ввода существуют два метода, заключающиеся в использовании фильтра мод и системы геометрической оптики. При должном применении этих методов они дают достаточно близкие результаты.

В первом случае в качестве фильтра мод используется либо инициирующее волокно (волокно того же типа, но достаточно большой длины, равной или более 1 км), либо несколько витков (3-5 витков) намотанного с небольшим натяжением на стержень волокна. Обычно диаметр стержня составляет 15-40 мм с пятью витками волокна при длине стержня около 20 мм и выбирается в зависимости от типа волокна и его оболочки.

Во втором случае геометрическая оптика формирует световой поток, заполняющий 70% диаметра сердечника и столько же цифровой апертуры измеряемого волокна. Это максимальное распределение мощности, при котором отсутствует ввод мощности в быстро затухающие моды. Так, для градиентного многомодового волокна 50/125 мкм с числовой апертурой 0,2 такие условия ввода соответствуют диаметру однородного пятна, равному 26 мкм при числовой апертуре 0,11.

Не менее важным является выбор источника излучения, который должен отличаться высокой стабильностью как по интенсивности, так и по длине волны излучения с шириной спектральной линии (между точками при 50% интенсивности), определяемой таким образом, чтобы она была уже любой характеристики спектрального затухания волокна.

Другим важным условием измерений данным методом является обеспечение соответствующего вывода мод оболочки, заключающегося в том, что ни одна из мод излучения, распространяющаяся по оболочке, не будет обнаружена при короткой длине волокна. С этой целью часто для вывода мод используется материал, обычно иммерсионная жидкость, показатель преломления которой равен или больше показателя преломления оболочки.



2.2 Измерения потерь с помощью оптического тестера

Основное назначение тестера - измерение мощности оптического излучения на выходе ОВ, определения затухания в ОВ и на отдельных компонентах кабельной системы и их соединениях. Измерение прямых потерь. Рассмотрим самые распространенные методы. Метод вносимых потерь (метод замещения).Применяется для определения потерь на разъемном соединении и для определения потерь в оптическом кабеле. В первом случае источник соединяется с измерителем калибровочным шнуром и измеряется уровень мощности P1. Затем последовательно с калибровочным шнуром включается тестируемый объект и измеряется значение P2. Потери a в дБ, внесенные разъемным соединением, определяются как

a = 10 lg (P1 / P2), (20)

где P1 и P2 измеряются в Вт, или

a = P1 - P2, (21)

где P1 и P2 измеряются в дБм. Во втором случае измерения уровня Р1 проводятся на двух соединенных между собой калибровочных шнурах. Затем вместо второго шнура, подключенного к приемнику, включается тестируемый кабель и фиксируется значение Р2. Величина потерь a 12 определяется аналогично первому случаю. Затем выходы кабеля меняются местами и измерения повторяются, фиксируется значение a 21. Потери в кабеле определяются как среднее между a 12 и a 21. Метод обрыва. Этот метод применяется для измерения потерь в оптических кабелях до их прокладки и оконцевания коннекторами. Метод базируется на сравнении уровня мощности на выходе длинного тестируемого отрезка кабеля с уровнем, измеренным на его коротком участке, образованном путем обрыва кабеля в начале измеряемого образца. Другими словами, сначала измеряется уровень P₂ на выходе строительной длины кабеля. Затем волокно обрывают вблизи источника и проводят измерения P₁ на этом коротком участке. Потери определяются аналогично предыдущему случаю. Этот метод считается более точным, чем метод вносимых потерь, но он требует качественной подготовки торцов волокна и строгого соблюдения правил измерения. Метод сравнения (сличения). Используется для определения потерь в кабеле. Сигнал от источника при помощи равноплечного ответвителя делится на два канала, один из которых подается непосредственно на измеритель и служит реперным уровнем, а второй вводится в оптический кабель и затем на вход того же измерителя. Разница значений мощности между первым и вторым каналом дает величину потерь в кабеле. Достоинство метода в высокой точности, так как исключается влияние флуктуаций выходной мощности источника с течением времени. Используется этот метод преимущественно на заводах при выходном контроле параметров кабеля, при его испытаниях и т.д. Измерение обратных отражений и обратных потерь. Так как обратные потери много меньше прямого сигнала, для их измерений необходим тестер с большим динамическим диапазоном (не менее 60 дБ). Для повышения точности измерения обратных потерь должны быть выполнены 2 условия: во-первых, измеритель должен быть откалиброван по известному отражению; во-вторых, должны быть измерены фоновые излучения (фоновые обратные потери), которые необходимо вычесть из результатов измерения. Измерение величины обратных потерь производят по методике, получившей название в зарубежных источниках название OCWR (Optical Continuos Wave Reflectometer) - рефлектометрия непрерывным излучением. Тестируемый кабель подключается к излучателю через равноплечный ответвитель. Другой выход ответвителя подключается к измерителю, с помощью которого регистрируется уровень оптического излучения, отраженного от соединения ответвителя и тестируемого кабеля. Для того чтобы определить обратные потери на входном конце кабеля, соединенном с ответвителем, необходимо исключить из результатов измерения отражение света от дальнего конца кабеля. Для этого применяются три метода:

-Метод микроизгиба волокна ;

-Иммерсионный метод;

-Метод экспресс-контроля.

2.3 Рефлектометрические измерения

Используется метод обратного рассеяния, который предназначен для:

- контроля состояния оптических волокон (ОВ), выявления, определения характера и поиска дефектов ОВ;

- измерения затухания ОВ на строительных длинах оптических кабелей (ОК), на отдельных участках ВОЛС, на длине регенерационного участка (РУ), на стыках ОВ;

- измерения коэффициента затухания ОВ;

- измерения расстояний до мест соединений ОВ и оценки качества стыков;

- измерения характеристики обратного рассеяния ОВ и привязки ее к трассе прокладки ОК при паспортизации ВОЛС.

OTDR измеряет интенсивность отраженных от неоднородностей оптического волокна световых волн, создаваемых лазерным источником излучения, работающим в импульсном режиме, и последующем определении расстояния до неоднородности по времени прохождения светового луча.

Измерение отраженного излучения данным методом можно рассматривать в виде преобразования входного сигнала e(t) (мощности импульса лазерного источника излучения) в выходной сигнал s(t) (мощность отраженного излучения), которое осуществляется с помощью устройства, имеющего импульсную передаточную функцию h(t), что аналитически может быть представлено в виде:



s (22)

Так как мощность обратного рассеяния зависит от мощности и длительности входного излучения, для того, чтобы обеспечить высокий динамический диапазон измерений, необходимо использовать мощный лазер, малошумящий высокочувствительный фотодиод и эффективные методы усреднения. В то же время такой метод измерения отраженного излучения обеспечивает наименьшее время измерения, которое может составлять до 1 мс.

световод оптический коннектор рефлектометр

2.3.1 Принцип работы оптического рефлектометра

Принцип работы импульсного оптического рефлектометра основан на измерении мощности светового излучения, рассеянного или отраженного различными участками волоконно-оптической линии связи при распространении вдоль нее короткого зондирующего светового импульса (рисунок 11).

Рисунок 11 - Структурная схема стандартного OTDR

Формирование отраженного и рассеянного излучения в оптическом волокне иллюстрирует рисунок 12.

На рисунке 15А световой сигнал, отраженный от неоднородности в точке : форма отраженного сигнала совпадает с формой зондирующего импульса.

На рисунке 15Б сигнал обратного рассеяния от участка волокна с большим коэффициентом рассеяния: длительность сигнала обратного рассеяния равна времени двойного прохода света по этому участку.

При распространении зондирующего импульса вдоль однородного волокна мощность и энергия импульса уменьшаются из-за потерь энергии, вызванных рассеянием и поглощением [2,3] по экспоненциальному закону (закон Бугера):

P(L) = , W(L) = , (23)

где () - мощность (энергия) на входе в волокно, б - коэффициент затухания. Это явление называется затуханием света, а коэффициент затухания б на рабочей длине волны является одним из важнейших параметров телекоммуникационного оптического волокна (ОВ).

A) Б)

Рисунок 12 - Отраженное(А) и рассеянное (Б) излучение в оптическом волокне

В окнах прозрачности современных одномодовых ОВ, т.е. в спектральных областях вблизи длин волн 1300 нм и 1550 нм, основной причиной затухания света является рассеяние света на неоднородностях малого размера (неоднородности считаются малыми, если их диаметр , где - длина волны света в волокне), возникшими в силу термодинамических флуктуаций плотности в расплавленном кварце и зафиксированными в нем в процессе затвердевания при вытягивании волокна.. Закономерности рассеяния на таких неоднородностях очень хорошо совпадают с закономерностями рэлеевского рассеяния, полученными теоретически для рассеяния на сферических неоднородностях малого диаметра. Поэтому такой вид рассеяния света в волокне (когда ) называется рэлеевским рассеянием света [4].

Рэлеевское рассеяние характеризуется сферической симметрией рассеянного излучения, поэтому в однородной среде интенсивность излучения быстро уменьшается из-за расходимости излучения. В оптическом волокне часть рассеянного излучения канализируется сердцевиной и распространяется вдоль волокна с малым затуханием не испытывая дифракционной расходимости в направлении входного торца ОВ. Именно эта часть рассеянного излучения попадает на фотоприемник, регистрируется и служит источником информации об оптическом волокне.

А) Б)

Рисунок 13 - Рефлектограммы

Мощность сигнала обратного рассеяния в однородном ОВ уменьшается во времени по двум причинам:

Уменьшается мощность (энергия) зондирующего сигнала

Рассеянное излучение ослабляется во столько же раз при распространении вдоль волокна в обратном направлении.

2.3.2 Структура оптического рефлектометра

Источниками зондирующих импульсов в подавляющем большинстве рефлектометров являются полупроводниковые лазеры с прямой модуляцией током накачки. Такие лазеры при фиксированном токе накачки генерируют световые импульсы фиксированной мощности и переменной длительности, задаваемой длительностью импульса тока накачки, вырабатываемого блоком управления. Применяются полупроводниковые лазеры, генерирующие импульсы длительностью от 1 нс до 10 мкс. Блок управления (рисунок 7) вырабатывает импульсы тока накачки с частотой, задаваемой устанавливаемой вручную или определяемой автоматически максимальной длиной тестируемого участка ВОЛС. Одновременно на блок обработки данных подаются синхронизующие электрические импульсы.

Рисунок 14 - Блок-схема импульсного оптического рефлектометра

Блок управления (рисунок 14) вырабатывает импульсы тока накачки с частотой, задаваемой устанавливаемой вручную или определяемой автоматически максимальной длиной тестируемого участка ВОЛС. Одновременно на блок обработки данных подаются синхронизующие электрические импульсы.

Зондирующий световой импульс попадает в тестируемую ВОЛС через разветвитель с двумя рабочими входными и одним выходным портами. Обычно в качестве разветвителей используется устройство, выполняемое на основе четырехполюсника с двумя входными (1,2) и двумя выходными (3,4) портами, из которых задействованы только три (1,2,3). С двумя входными портами соединены импульсный лазер и приемный преобразователь, а с рабочим выходным портом соединяется тестируемый участок ВОЛС (см. рисунок 15).

Четвертый порт разветвителя не используется и закрыт специальным устройством, поглощающим падающее на него излучение без отражения.

С помощью этого же разветвителя сигнал обратного рассеяния от ВОЛС через порт (3) и порт (2) попадает на фотоприемник измерительного преобразователя. Измерительный преобразователь преобразует оптические сигналы в электрические так, что сила электрического тока преобразователя прямо пропорциональна мощности светового сигнала. В состав измерительного преобразователя наряду с фотоприемником входит смонтированный вместе с ним на одной плате и в одном корпусе предусилитель. Основные требования к приемному преобразователю - высокая чувствительность, малый уровень шумов и широкая полоса частот (последнее требование эквивалентно малой постоянной времени).

Рисунок 15 - Схема оптического разветвителя

Наряду с указанными требованиями приемный преобразователь должен иметь максимально возможную линейность преобразования в большом динамическом диапазоне мощностей светового сигнала.

Блок обработки данных - это мозг рефлектометра. В нем происходит обработка электрического сигнала от измерительного преобразователя и строится рефлектограмма, поступающая на дисплей. В этом же блоке осуществляются все виды автоматической обработки рефлектограмм и автоматических измерений.

Одним из основных компонентов блока обработки данных является схема измерения временных задержек. Поскольку расстояние до тестируемого участка ВОЛС определяется путем пересчета измеренной временной задержки соответствующего этому участку рассеянного или отраженного сигнала, то для получения высокой пространственной точности измерений необходимо обеспечить высокую точность измерения временных задержек. Для получения правильного значения расстояния при измерениях рефлектометром важно установить точное значение показателя преломления, т. к. расстояние равно произведению скорости света на групповую скорость, обратно пропорциональную показателю преломления волокна.

В современных рефлектометрах блок обработки данных состоит из аналогово-цифрового преобразователя и блока цифровой обработки - специализированного компьютера. Для уменьшения уровня шума и следовательно расширения динамического диапазона при сохранении пространственного разрешения в блоке цифровой обработки осуществляется накопление данных от большого числа отраженных сигналов. (Уровень шума уменьшается пропорционально корню квадратному из числа сигналов.)

Сформированная блоком обработки данных в электронном виде рефлектограмма подается на дисплей, либо обрабатывается в специальных блоках автоматической обработки и на дисплей подаются результаты обработки. Рефлектограмма может записываться в память рефлектометра, либо может сравниваться с хранящимися в памяти рефлектограммами.

2.3.3 Возможности оптического рефлектометра AQ7270

Широкий динамический диапазон и короткая мертвая зона. Модуль AQ7255 для одномодового волокна (длина волны:1.31/1.55 мкм) обеспечивает динамический диапазон 41,5/39,5 дБ, позволяющий производить измерения сверхдлинных кабелей. Короткая мертвая зона прибора позволяет обнаруживать отражения, встречающиеся ближе трех метров.

Высокая скорость измерений. Увеличенная скорость позволяет измерить потери на сращивании в 0,5 дБ произошедшие на расстоянии 70 км всего за 20 секунд.

Измерение линий с большим отражением (используется средний показатель отражения разделенный на наибольший). Модули AQ7254/7255 для одномодового волокна могут измерять возвратные потери на ближнем конце приблизительно до 18 дБ.

Экономичное расходование батарей. При нормальных условиях эксплуатации батарей хватает приблизительно на восемь часов. Возможность использования с различными типами оптоволокна и различными длинами волн.

Модуль трех длин волн соответствует 1,31/1,55/1,625 мкм (1,625 мкм - для измерения WDM линии). Многорежимный модуль соответствует 0,85/1,30 мкм.

2.3.4 Особенности работы бриллюэновского рефлектометра

Бриллюэновский рефлектометр (B-OTDR) - прибор, предназначенный для измерения распределения натяжения оптического волокна по всей длине, в первую очередь был сконструирован для полевых применений, т.е. для поиска напряженных участков волокон в уже проложенном кабеле. Принцип работы бриллюэновского рефлектометра таков. При прохождении светового импульса достаточной мощности по волокну в последнем возникает не только рэлеевское рассеяние (линейный эффект) на длине волны света, наполняющего импульс, но и более слабое рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, имеющее спектр, сдвинутый от исходного на частоту порядка 10-12 ГГц. Сдвиг возникает в результате нелинейного взаимодействия зондирующего импульса с продольными звуковыми колебаниями в сердцевине волокна, причем результирующий спектр обратного рассеяния этого типа имеет вид характерного резонансного пика. Частотного сдвига:

Дv= C_зв/ л, (24)

где С_зв обозначает скорость продольных звуковых колебаний в сердцевине волокна, л - длина волны света в волокне (а не в воздухе).



Рисунок 16 - Бриллюэновский сигнал

Из соотношения видно, что изменение параметров, приводящих к смещению скорости звука, т.е. механические напряжения или температура могут быть зарегистрированы по величине сдвига Дv (рисунок 19):

Бриллюэновский рефлектометр AQ8603 [12] работает следующим образом: излучение лазера, работающего на длине волны л=1,55 мкм и стабилизированного по частоте, проходит через частотосдвигатель (рисунок 20), где приобретает сдвиг частоты Дv.

Кроме того, частотосдвигатель выполняет функцию амплитудного модулятора излучения, так что в волокно вводится импульс необходимой длительности. Возникший в волокне сигнал бриллюэновского рассеяния, сдвинутый по частоте на добавочную величину Дv_Б, возвращается на фотодетектор, куда также попадает опорный (гетеродинный) сигнал, идущий непосредственно от лазера.

Рисунок 17 - Принцип работы бриллюэновского рефлектометра

В результате на фотодетекторе происходят биения с разностной частотой Дv-Дv_Б, что позволяет регистрировать одновременно с рефлектограммой и натяжение волокна. Вследствие эффекта Доплера оптическая частота рассеянного сигнала отличается от частоты лазера и, как следствие, от частоты рэлеевского рассеяния Бриллюэновский сдвиг частот ДнБ пропорционален скорости звука и зависит от натяжения волокна.

Вертикальная шкала определяет уровень потерь в логарифмических единицах. Горизонтальная ось соответствует расстоянию от рефлектометра до тестируемого участка.



3. Рефлектометрические измерения

3.1 Технические характеристики оптического рефлектометра AQ7270

Динамический диапазон оптического рефлектометра определяется как разность между уровнем мощности обратного рассеяния в самом начале волокна и определенным тем или иным способом уровнем шумов при заданном времени измерений в соответствием с формулой:

= 5 5 (25)

Мертвые зоны рефлектометра - это участки вблизи отражающих элементов, в которых затруднены измерения. Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно обнаружить другое отражающее событие, называется мертвой зоной отражения. Область вблизи отражающего события, в пределах которой невозможно точно измерить уровень мощности обратного рассеяния называется мертвой зоной затухания, т.к. этот участок волокна исключается из процесса измерения затухания.

Общеприняты следующие определения двух типов мертвых зон.

Мертвая зона отражения определяется расстоянием между началом отражения и точкой на спаде пика отражения с уровнем - 1,5 дБ относительно вершины.

Мертвая зона затухания определяется расстоянием от начала отражения до точки, в которой уровень сигнала фотоприемника отличается не более чем на 0,5 дБ от уровня обратного рассеяния (рисунок 18).

Пространственная разрешающая способность вблизи входного торца определяется как минимальное расстояние, на котором рефлектометр позволяет обнаружить и аккуратно измерить поглощающее событие.

Точность измерения расстояния. Рефлектометр измеряет время прохождения света до неисправности и обратно. Измеренное значение времени используется для вычисления расстояния от торца до неисправности вдоль волокна. Длина оптического кабеля меньше этой длины, причем отношение длин волокна и кабеля - индивидуальная характеристика кабеля.

Точность определения расстояния характеризуется величиной абсолютной и относительной погрешности измерения расстояния.

Рисунок 18 - Определение мертвой зоны отражения и мертвой зоны затухания

Точность измерения затухания. Затухание рассчитывается рефлектометром косвенно, по величине сигнала обратного рассеяния. Ошибки измерений затухания определяются ошибками измерения мощности сигнала обратного рассеяния.

В большинстве рефлектометров световой сигнал преобразуется в электрический при помощи измерительного преобразования. Измерительный преобразователь состоит из фотоприемника и предусилителя.

В идеальном преобразователе электрический ток (иногда - напряжение) должен быть прямо пропорционален мощности светового сигнала. Выходной ток (напряжение) измерительного преобразователя измеряется цифровым амперметром (вольтметром).

Ошибки измерений возникают из-за наличия шумов преобразователя и случайных ошибок измерителя, а также из-за нелинейности характеристик фотоприемника, предусилителя и амперметра (вольтметра).

3.2 Блок-схема экспериментальной установки

Блок-схема экспериментальной установки представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Блок-схема экспериментальной установки

В зависимости от необходимого измерения собирается схема из данных компонентов в различных вариантах. Измерения проводятся рефлектометром AQ 7270, результаты сохраняются на USB-носителе в формате SOR, затем открываются эти файлы с помощью установленной на ПК программы -эмулятора AQ 7932. Данная программа позволяет детально исследовать снятую рефлектограмму, не задействуя дорогостоящий рефлектометр.

3.3 Экспериментальные измерения потерь в коннекторах

Измерение 1. К оптическому порту рефлектометра подключается один конец катушки с оптическим волокном (оптическое волокно 1), ко второму концу катушки через симметричный адаптер FS подключается конец второй (малой) катушки оптического волокна (оптическое волокно 2), таким образом второй конец второй катушки остается неподключенным. Проводится измерение.



Рисунок 20 - Рефлектограмма соединения двух катушек волокон, соединенных адаптером FC

Измерение проведено на длине волны 1310 нм, диапазон расстояния 1 км. На рефлектограмме отчетливо видны мёртвая зона (маркер 1), пик отражения от коннектора, отмеченный маркером 2, и пик отражения от конца волокна (маркер 3).

Мертвая зона - первые 4-7 м волокна - уровень порядка 10 дБ.

На соединении двух коннекторов FC через адаптер, пик отраженной мощности составляет 8 дБ.

На конце волокна (обрыв), отражение от конца волокна достигло 23 дБ.

Затухание на участках 1-2 и 2-3 при данном диапазоне измерения (5 дБ/дел) визуально определить затруднительно. Участок 1-2 (катушка 1) определяется длиной 550 м, участок 2-3 (катушка 2) - 126 м.

Увеличивается масштаб рефлектограммы средствами эмулятора AQ 7932 (рисунок 24). Маркер 1 соответствует отметке 100 м от начала волокна, маркер 2 -- 500 м от начала. Таким образом, на участке длиной 400 м затухание составляет порядка 0,1 дБ, то есть, 0,25 дБ/км.

Рисунок 21 - Участок рефлектограммы (рисунок 23), диапазон расстояний 50 м/дел, диапазон уровней 0,2 дБ/дел

На рисунке 22 рассмотрен следующий увеличенный участок рефлектограммы в области соединения двух волокон. Расстояние между маркерами 1 и 2 порядка 30 м, 1 маркер находится перед коннектором, 2 маркер - на устоявшемся участке характеристики после соединения. По перепаду уровней между этими участками делается вывод, что потери на соединении 0,4дБ.

Таким образом, учитывая, что общая длина трассы 676 м, оценивается суммарное затухание трассы как 0,4 + (0,676 = 0,57 дБ.

Рисунок 22 - Увеличенный участок рефлектограммы (рисунок 23) в области коннектора

Рисунок 23 - Катушки 1 и 2 поменялись позициями в схеме

Измерение 2. На стенде катушки меняются местами (рисунок 23). К оптическому порту рефлектометра подключается катушка 2, а к ней через адаптер FC - катушка 1, второй конец которой остается свободным.

Уровни пиков отражения не изменились (в сравнении с предыдущей схемой), а вот затухание на соединении в этот раз оценивается в 0,8 дБ.