Вимірювання в волоконо-оптичних системах

Про методи вимірювання втрат в волоконно-оптичному

кабелі і оптичних соединителях.

Ігор ЖДАН

У олоконно-оптичні системи використовують для передачі даних сигнали зі стандартними довжинами хвиль: 850, 1310, 1550, 1650 нм - і два основних типи оптичного волокна: одномодове (SM) з діаметром перетину приблизно 9,5 нм і многомодовое (MM) з діаметрами 50 і 62,5 нм.

Типові показники втрат для цих волокон залежать від довжини хвилі тестового сигналу. Наприклад, для одномодового волокна - приблизно 0,35 дБ / км при довжині хвилі 1310 нм. Треба сказати, що допустимі сумарні втрати в лінії при довжині хвилі 1310 нм складають в середньому 20 дБ (при використанні стандартного оптичного джерела 1310 нм). Зіставивши ці дані, можна зробити висновок, що максимальна дальність передачі сигналу в даному випадку складе 57 км. Розрахунок, звичайно, приблизний, так як ми не беремо до уваги втрати, що вносяться іншими елементами волоконно-оптичної системи (волоконно-оптичними з'єднувачами, зварювальними з'єднаннями і т.д.).

Якщо в волоконно-оптичної системи використовується сигнал з довжиною хвилі 1550 нм, максимальна дальність передачі збільшується в середньому на 70%.

Саме здатність передавати сигнали на велику відстань без застосування регенераторів і підсилювачів і є основною перевагою волоконно-оптичних систем.

представлені на Мал. 1 графіки ілюструють частотну характеристику одномодового (а) і багатомодового (б) оптичних волокон при ідеальних умовах поширення сигналу. Додаткові втрати пов'язані з впливом різних факторів: соединителями, фізичним ушкодженням волокна, напругою, перегрівом або переохолодженням, тріщинами, перегинами і т.д.

Слід зазначити, що одномодові волокна дуже чутливі до микроизгибах, перегинів і інших механічних впливів на волокно, особливо на довжинах хвиль до 1480 нм. Тому базовим тестом будь-яких вимірювальних систем є вимір втрат на довжині хвилі 1310 нм.

Стандартна волоконно-оптична система складається з безлічі елементів, кожен з яких вносить свої втрати в показник сумарного загасання. У таблиці наведено орієнтовні рівні втрат, що вносяться елементами волоконно-оптичних систем.

Наведені тут досить умовні дані залежать від типу застосовуваних компонентів. Наприклад, втрати, внесені однієї і тієї ж парою оптичних роз'ємів, можуть відрізнятися в залежності від зовнішніх умов їх застосування. Для визначення реального загасання в оптичних роз'ємах, соединителях застосовується статистичний метод вимірювання.

На рис. 2 - результати використання статистичного методу визначення рівня втрат для з'єднувача типу E 2000. Обсяг вибірки становила 5000 з'єднувачів (дані надані компанією OPTOKON).

Контроль на всіх етапах

Основним елементом оптичної системи, навіть якщо це тільки з'єднувальний шнур, є волоконно-оптичний кабель. Слід сказати, що волоконно-оптичні кабелі потребують більш частого і ретельного тестування, ніж їх мідні «побратими». Вимірювальні роботи з оптичним кабелем можна розбити на три групи: вимірювання, що виконуються виробником оптичних волокон при їх виготовленні; вимірювання при виробництві кабелю і вимірювання при інсталяції кабелю.

Власне оптичне волокно, головний компонент волоконно-оптичного кабелю, проводиться лише кількома компаніями в світі, зокрема, Corning, Draka і Alcatel. Основні виробники оптичних кабелів тільки «закочують» його в захисну оболонку і домагаються заданих параметрів кабелю. За своєю технологією цей процес мало чим відрізняється від виробництва звичайного «мідного» кабелю. Саме таким методом виробляє волоконно-оптичний кабель наш вітчизняний виробник АТ «Одескабель».

При виробництві оптичного волокна контролюються якість і відповідність специфікаціям, тобто такі параметри:

• числова апертура волокна;

• діаметр ядра волокна і оптичної оболонки;

• показник заломлення;

• загасання;

• допустиме навантаження на розрив;

• збіг центрів ядра волокна і оптичної оболонки, і т.д.

Виробник же оптичного кабелю тестує в основному його механічні характеристики і вплив на кабель навколишнього середовища. Механічні характеристики дозволяють оцінити, наскільки оптичний кабель стійкий до зовнішніх впливів і прикладеним зусиллям, а також які фізичні та механічні навантаження він може витримувати. Вплив навколишнього середовища оцінюється по зміні параметрів волокна при зміні температури або вологості.

В ході інсталяції волоконно-оптичного кабелю проводиться його тестування, але вже в складі інсталюється оптичної системи.

Вимірювання втрат в волокні

Існує два методи вимірювання втрат в волоконно-оптичному кабелі: метод «розрізу» і метод «порівняння».

Метод «розрізу» має на увазі використання для вимірювань єдиного волокна. Спочатку вимірюється потужність сигналу на повному ділянці волокна, потім волокно розрізається і вимірюється потужність, що передається через залишився сегмент. Втрати, виражені в децибелах на кілометр, визначаються за формулою IL = (Р2-Р1) / L, де Р1 (дБм) - свідчення, отримані в ході першого виміру, Р2 (дБм) - результат другого виміру, L - різниця початкової і кінцевої довжини кабелю в кілометрах. Даний метод знайшов своє застосування при оцінці втрат в кабельних системах великої довжини.

Метод «порівняння» заснований на порівнянні результатів вимірювань оптичної потужності, що проходить через тестоване волокно і волокно з відомими характеристиками. Даний метод є ідеальним при вимірюванні втрат у великій кількості волоконно-оптичних з'єднувальних кабелів.

Методика проведення вимірювань в волоконно-оптичних системах визначається міжнародним стандартом I ЄС 874-1, розділ 4 - «Вимірювальні та тестові методи».

Всього стандарт визначає 10 вимірювальних методів, застосовуваних в волоконно-оптичних системах. Ми зупинимося на двох з них:

1. Метод IEC 874-1 4.4.7.4. Insertion loss (IL) - «вимір прохідного загасання».

2. Метод IEC 874-1 4.4.12. Return loss (RL) - «вимір втрат при відображенні сигналу».

Перш, ніж говорити про ці вимірювальних системах, необхідно сказати, що в них застосовується три види вимірювальних приладів.

1. Джерело оптичного сигналу ( Мал. 3 ) Випромінює оптичний сигнал певних довжини хвилі і потужності. Можлива наявність інших сервісних функцій: модуляція сигналу, «оптичний телефон», ідентифікатор волокон і т.д.

2. Вимірювач потужності оптичного сигналу ( Мал. 4 ) Вимірює потужність оптичного сигналу в залежності від довжини хвилі.

3. Вимірювач відбитого сигналу (RL) - досить складний оптичний прилад ( Мал. 5 ), Який дозволяє випромінювати оптичний сигнал і вимірювати його потужність по одному оптичному порту одночасно з великою (до 40 дБ) ізоляцією приймального і передавального трактів.

Втрати, виражені в децибелах, вимірюються за формулою IL = 10 log (P 1 / P 0).

на Мал. 6 представлена ​​схема для вимірювання втрат відповідно до IEC 874-1 4.4.7.4 - Insertion loss (IL).

Джерело оптичного сигналу випромінює сигнал заданої частоти і потужності. За різницею оптичної потужності на вході (джерело сигналу) і на виході системи (вимірювач потужності) оцінюють сумарні втрати у вимірюваному і майстер-соединителе. Застосування майстер-з'єднувачів з відомими параметрами дозволяє зафіксувати втрати без тестованого з'єднувача і з ним. Дана схема застосовується для вимірювань втрат в волоконно-оптичних системах для одномодового і багатомодового оптичних волокон.

Для оцінки втрат в багатомодових волоконно-оптичних системах при малій довжині оптичного кабелю необхідна умова - досягнення рівноважного розподілу мод в системі. Для цієї мети в вимірювальну систему, зображену на рис. 6, включається оптичний коректор (Mode Scrambler), в найпростішому випадку представляє собою 10 витків оптичного волокна ( Мал. 7 ) З діаметром намотування близько 2,5 см. Проходячи через цю ділянку, сигнали, що переносяться «неефективними» модами, губляться в оптичній оболонці. Цей пристрій необхідно для компенсації похибок вимірювання в багатомодових системах при малих довжинах кабелю. Як правило, в багатомодових системах використовуються джерела на основі світловипромінювальних діодів (СІД). Таке джерело, маючи більш широкий спектр, випромінює світловий потік на «корисних» модах і тих, які неефективні для перенесення світлової енергії. Енергія цих мод швидко поглинається оболонкою вже на невеликих відстанях. Але при малій довжині з'єднувача на вхід вимірювача потужності надходить енергія всіх мод, що вносить в вимір значну похибку (до 40%). Про таке волокні кажуть, що воно «переповнене» і в ньому відсутня рівноважний розподіл мод.

Вимірювання втрат при відображенні оптичного сигналу

Треба сказати, що до сих пір ми говорили тільки про втрати, що вносяться елементами волоконно-оптичної системи, коли оптичний сигнал проходив через них. Але другим, не менш важливим, параметром є втрати при відображенні оптичного сигналу (Return Loss - RL). Ця проблема особливо актуальна при використанні лазерних передавачів великої потужності (Ultra Stable Laser, DBF - Laser).

на Мал. 8 зображена система для вимірювання втрат при відображенні оптичного сигналу. Як я вже говорив, цей параметр важливий для одномодових систем великої потужності і при передачі сигналів, критичних до затримок поширення оптичного сигналу (наприклад, системи кабельного телебачення). У деяких випадках, якщо відображення більше допустимого, може статися пошкодження передавача. На виході вимірювальної системи використовується елемент, що забезпечує 100% -ве поглинання опіческой енергії. На цій посаді застосовується спеціальний гель. У лабораторних умовах при тестуванні великої кількості з'єднувачів використовується спеціальний пристрій - оптичний термінатор, що забезпечує роз'ємне з'єднання з вимірюваним соединителем. Передбачається, що вся оптична енергія, що досягла виходу вимірювальної системи, розсіюється, а не відбивається. Тобто частина оптичного сигналу, прийнятого вимірником відображення, може класифікуватися, як втрати при відображенні оптичного сигналу від тестованого з'єднувача.

Про рефлектометром

Говорячи про тестування оптичних систем, не можна не згадати таку групу вимірювального обладнання, як рефлектометри ( Мал. 9 ). Важливим етапом тестування волоконно-оптичної системи служить вимірювання часових характеристик оптичних сигналів в волокні. Дану функцію виконує оптичний рефлектометр (Optical time - domain reflectometer - OTDR). Принцип роботи цього приладу заснований на зворотному розсіянні оптичного сигналу при його проходженні через волокно. Прилад, приймаючи відбитий сигнал, вибудовує на моніторі тимчасову характеристику розподілу сигналу в оптичній лінії. Вертикальна розгортка відображає потужність сигналу, горизонтальна - тимчасові інтервали. Загасання у волокні визначається кривою амплітуди сигналу, що спадає зліва (від вхідного кінця волокна) направо (до вихідного кінця волокна). Потужність сигналу зменшується з відстанню. За окремим «сплесків» відбитого сигналу судять про якість роз'ємних або зварних з'єднувачів оптичної лінії. Основне застосування оптичних рефлектометрів - оцінка якості з'єднувачів і втрат на одиниці довжини, а також пошук місця пошкодження на лінії. Основна перевага рефлектометра перед звичайним вимірником оптичної потужності при вимірюванні втрат в лінії - великі вимірювальні відстані і необхідність отримання доступу тільки до одного кінця оптичного кабелю.

Треба сказати, що в статті розглянуті далеко не всі вимірювальні методики. Сподіваюся, що в наступних публікаціях представиться можливість більш повно висвітлити вимірювальні методи, що застосовуються в волоконно-оптичних системах як в «польових», так і в лабораторних умовах. Думаю, що ми зможемо «трохи підняти завісу секретності» і обговорити також процес фабричного виготовлення оптичних з'єднувачів, методику поліровки, закладення і т.д. - в загальному, все ті операції, які виробляють, наприклад, з оптичним з'єднувальним шнуром перш, ніж він потрапить до нас в руки.

Ігор ЖДАН,

директор компанії «Оптокон Україна»,

тел. (044) 263-79-18,

e - mail: igorz @ukr .net

№ 3 & 4 (серпень-вересень) 2002