Оптичні вимірювачі потужності

1. оптичний детектор
2. Точність вимірювань і графік калібрування
3. динамічний діапазон
4. Лінійність і точність
5. Можливість підтримки різних оптичних інтерфейсів
6. Лазерні джерела оптичного сигналу
7. Світлодіодні оптичні джерела
8. Джерела білого світла з використанням вольфрамової лампи

Оптичні вимірювачі потужності (Optical Power Meter - ОРЗ) використовуються для вимірювання оптичної потужності сигналу, а також для вимірювання загасання в кабелі. Ці вимірники є настільки ж поширеним приладом для інженерів, пов'язаних з оптоволоконними системами, як мультиметр для інженерів-електронників.

Мал. 1. Оптичний вимірювач потужності "GN 6000"

Оптичні вимірювачі потужності забезпечують як вимір кабельних ліній, так і аналіз роботи термінального обладнання, що передає сигнал в оптичну лінію. У парі зі стабілізованою джерелом сигналу OPM забезпечує вимір загасання - основного параметра якості оптичної лінії. Особливо важливим класом вимірювань для OPM є вимірювання параметрів вузлів оптичної лінії (ділянок кабелю, інтерфейсів, зварювальних вузлів, аттенюаторов і т.д.).

Основними параметрами OPM є:

• тип детектора
• лінійність підсилювача
• точність і графік необхідної калібрування
• динамічний діапазон
• точність і лінійність роботи
• можливість підтримки різних оптичних інтерфейсів

оптичний детектор

Найбільш важливим елементом оптичного вимірювача потужності є оптичний детектор, який визначає характеристики самого приладу.

Мал. 2. Схема пристрою оптичного вимірювача потужності

Оптичний детектор являє собою твердотільний фотодіод, який приймає вхідний оптичний сигнал і перетворює його в електричний сигнал заданої інтенсивності. Отриманий електричний сигнал йде через АЦП на сигнальний процесор, де проводиться перерахунок отриманого електричного сигналу відповідно до характеристики твердотільного фотодіода в одиниці вимірювань (дБм або Вт), що подаються потім на екрані приладу (рис. 2). Для забезпечення стабільної роботи твердотільного фотодіода використовується термостабілізірованіе. Основною характеристикою приладу є характеристика залежності вихідного сигналу фотодіода від потужності вхідного оптичного сигналу на різних довжинах хвиль, точніше рівномірність цієї характеристики. Залежно від цього сигнальний процесор в більшій чи меншій мірі повинен компенсувати можливу нелінійність характеристики. В результаті, якщо характеристика фотодіода сильно нерівномірна, для її компенсації сигнальний процесор повинен мати більш складну структуру. З іншого боку, більш високотехнологічний фотодіод буде мати більш рівномірну характеристику, при цьому сигнальний процесор може бути досить простим. При розробці OPM основним питанням є вибір "золотої середини" між вартістю високотехнологічного фотодіода і складністю / вартістю сигнального процесора. Необхідно також враховувати, що неякісний фотодіод може мати низьку стабільність характеристики за часом, що потребують регулярної калібрування приладу. Іншою важливою характеристикою фотодіодів є спектральна характеристика, тобто залежність ефективності роботи фотодіода від довжини хвилі сигналу, що передається, де ефективність роботи фотодіода визначається відношенням струму на виході до потужності сигналу. Ця характеристика визначає діапазон використання різних фотодіодів в приладах. На рис. 3. представлені характеристики для трьох основних типів фотодіодів: кремнієвого (Si), германієвого (Ge) та на основі сплаву арсеніду галію (InGaAs).

Мал. 3. Характеристики залежності вихідного сигналу фотодіода від довжини хвилі сигналу

З малюнка видно, що кремнієвий фотодіод може з успіхом використовуватися при вимірах оптичного сигналу від 800 до 900 нм. На практиці, оптичні вимірювачі потужності, що використовують цей тип детектора калібровані на більш широкий діапазон - від 400-450 до 1000 нм. Для вимірювань в одномодових волоконних кабелях 1310 і 1550 нм, які отримали найбільше поширення в сучасних системах зв'язку, зазвичай використовуються германієві детектори або фотодіоди на основі сплаву InGaAs (табл. 1). Відповідно, OPM, що використовують ці фотодіоди, калібровані в діапазонах від 780 до 1600 нм для Ge і від 800 до 1700 нм для InGaAs. З огляду на, що детектори на основі Ge і InGaAs мають подібну смугу пропускання, виникає закономірне питання про переваги і недоліки того або іншого фотодіода. З малюнка видно, що детектори на основі InGaAs мають ширший спектр вимірювання по довжинах хвиль, що дозволяє створювати універсальні OPM, калібровані на всі три довжини хвилі: 850, 1310 і 1550нм.

Таблиця 1.

Типи детекторів OPM в залежності від довжини хвилі в ВОСП Робоча довжина хвилі Оптимальний тип детектора 850 нм Si (кремній) 850/1300 нм Ge (германій) і InGaAs 1300/1550 нм InGaAs 850/1300/1550 нм InGaAs

Важливим параметром ОРЗ є стійкість його роботи при різних рівнях шумів. Основні джерела шумів в оптичних детекторах - квантовий шум, залишковий струм і поверхневий струм витоку. Квантовий шум обумовлений статистичної конверсією фотонів в електрони на поверхні детектора. Залишковим струмом називається потік заряджених частинок при відсутності світлового сигналу. Струм витоку залежить від наявності дефектів на поверхні детектора, чистоти поверхні і напруги зсуву. У детекторів на основі сплаву InGaAs залишковий струм набагато менше, ніж у детекторів на основі Ge.

Мал. 4. Оптичний вимірювач потужності FOD 1202

Додатковим фактором збільшення рівня шумів є температура (температурний шум). Так, наприклад, залишковий струм детекторів на основі Ge значно залежить від температури, в той час як для детекторів InGaAs він практично не залежить від неї. Таким чином, OPM на основі детекторів InGaAs можуть стійко працювати в широкому діапазоні температур без необхідності додаткової стабілізації. У той же час детектори на основі InGaAs є досить дорогими, що забезпечило високу поширення OPM на основі Ge при прокладці і експлуатації оптичних кабелів в польових умовах, оскільки такі OPM мають ефективне співвідношення ціна / якість. OPM на основі InGaAs використовуються в основному в лабораторіях для проведення вимірювань з високою точністю, але можуть успішно використовуватися і при експлуатації.

Мал. 5. Оптичний вимірювач потужності FOD 1 204

Іншим важливим параметром OPM є принцип роботи підсилювача електричного сигналу детектора, який впливає на лінійність роботи OPM, його чутливість і функціональність.

У практиці сучасної техніки посилення використовуються два основні принципи посилення:

• логарифмічна
• лінійне

Використання логарифмічного підсилення не забезпечує належної точності вимірювань і характеризується рядом недоліків. Зазвичай OPM представляє результати вимірювань в дБм або в Вт, прилади з логарифмічним підсилювачем не дозволяють представляти результати вимірювань в Вт, а технологія логарифмічного посилення, що використовує зазвичай транзисторний р-n перехід, призводить до додаткової залежності роботи підсилювача від температури. Для проведення вимірювань на декількох довжинах хвиль логарифмічні підсилювачі вимагають до 4-6 потенціометрів, що також призводить до небажаних наслідків у результаті окислення потенціометрів. Таким чином, використання принципів логарифмічного підсилювача призводить до низької точності ОРЗ і необхідності частої калібрування приладу.

Мал. 6. Оптичний вимірювач потужності "LP 5000"

Всіх перерахованих недоліків практично позбавлені підсилювачі, побудовані на основі лінійного посилення. Зазвичай вони добре стабілізовані, що дає можливість компенсувати як помилки початкового зсуву, так і зрушення сигналу в процесі вимірювань через кліматичні та інших причин. Сучасні OPM містять спеціально калібровані дані в EEPROM, які використовуються в режимі автокалибровки лінійних підсилювачів в процесі вимірювань.

Мал. 7. Оптичний вимірювач потужності "PM 1100"

Точність вимірювань і графік калібрування

Точність вимірювань і графік калібрування для оптичних датчиків потужності є ще одним важливим параметром, оскільки в залежності від точності виготовлення детектора і параметрів роботи підсилювача його характеристики можуть змінюватися. Цей параметр визначає стабільність роботи приладу в процесі експлуатації. Як вже зазначалося вище, прилади мають лінійний підсилювач і систему автокалибровки, є кращими ще й тому, що не вимагають частої перевірки.

Мал. 8. Оптичний вимірювач потужності "АЛМАЗ 21"

динамічний діапазон

Найбільш істотними характеристиками OPM, які необхідно враховувати при виборі приладів, є динамічний діапазон, роздільна здатність і лінійність роботи. Всі перераховані параметри безпосередньо пов'язані з описаними вище параметрами елементів OPM і особливо важливі при виборі обладнання.

Лінійність і точність

Найважливішим критерієм вибору ОРЗ є лінійність його роботи і точність. Під точністю розуміється метрологічна точність, тобто відповідність між виміряним значенням параметра і значенням, виміряним еталонним каліброваним приладом. Лінійність приладу визначається стабільністю результатів вимірювань в залежності від рівня сигналу, температури, дозволу по довжині хвилі і т.д.

Можливість підтримки різних оптичних інтерфейсів

Можливість підтримки різних оптичних інтерфейсів в сучасних оптичних системах передачі також є важливою умовою вибору приладу. Сучасні оптоволоконні мережі використовують різні оптичні інтерфейси. Найбільш поширені типи оптичних інтерфейсів представлені на рис. 9.

Мал. 9. Найбільш поширені типи оптичних інтерфейсів

Всі перераховані параметри визначають характеристики оптичних вимірників потужності, представлених на вітчизняному ринку.

Основні характеристики оптичних вимірників потужності Модель
(Виробник) Тип детектора Діапазон,
дБм Довжина
хвилі, нм Точність,
Дб Габарити,
мм Вага,
г Алмаз 21
(Н / д) н / д -70 ... + 3 850/1310/1550 0.5 200x100x40 280 GN 6000 (C)
(Nettest) InGaAs -70 ... + 5
(-60 ... + 20) 850/1300/1310/1550 0.25 160x83x33 220 GN 6025 (C)
(Nettest) InGaAs -70 ... + 3
(-60 ... + 20) 850/1300/1310/1550 0.2 150x85x40 500 LP 5000
(Nettest) Ge -55 ... + 10
-60 ... + 10 850/1300
1310/1550 0.3 146x76x38 295 LP 5000 (C)
(Nettest) Ge -40 ... + 20
-45 ... + 20 850/1300
1310/1550 0.3 146x76x38 295 PM 1101
(Exfo) Si -100 ... + 10 450-1100 0.2 38x262x120 630 PM 1102
(Exfo) Ge -75 ... + 25 750-1700 0.2 38x262x120 630 PM 1103
(Exfo) InGaAs -100 ... + 10 800-1700 0.2 38x262x120 630 ОТ-30
(ОПТЕЛ) н / д -60 ... + 3 850/1300/1550 н / д 160х85х30 400 OLP-6
(Wavetek) н / д -60 ... + 5 780/850/1300/1310/1550 н / д 140х73x28 200 OLP-8
(Wavetek) н / д -50 ... + 23 980/1300/1310/1480/1550 н / д 140х73x28 200 1202
(FOD) InGaAs -60 ... + 3 850/1310/1550 н / д 150х90x30 300 1202Si
(FOD) Si -60 ... + 3 660/780/850 н / д 150х90x30 300

Стабілізовані джерела оптичного сигналу (Stabilized Light Source - SLS) виконують роль введення в оптичну лінію сигналу заданої потужності і довжини хвилі. Оптичний вимірювач потужності приймає цей сигнал і, таким чином, оцінюється рівень загасання, що вноситься оптичним кабелем. Іноді в якості стабілізованих джерел оптичного сигналу використовуються джерела сигналу лінійного обладнання. Це має місце в розгорнутою працюючої мережі.

Мал. 10. Джерело оптичного сигналу "Алмаз 11"

Структурна схема SLS представлена ​​на рис. 11. Основним елементом SLS є випромінювач, - джерело оптичного сигналу. Стабільність генерується сигналу випромінювача підтримується шляхом регулювання струму випромінювача по сигналу неузгодженості джерела опорного напруги і напруги еталонного фотоприймача. Фотоприймач служить для контролю потужності, що генерується випромінювачем. Для цього частину випромінюваного оптичного сигналу через оптичний ответвитель подається на еталонний фотоприймач. Стабілізація робочої точки випромінювача здійснюється компаратором. Температурний режим роботи випромінювача підтримується Термостабілізатори. У ряді методик вимірювання параметрів оптичних систем передачі використовуються модульовані оптичні сигнали, для забезпечення генерації яких до складу SLS включається комутатор, що забезпечує модуляцію оптичного сигналу за рахунок керування струмом випромінювача від зовнішнього або внутрішнього генератора.

Мал. 11. Схема пристрою стабілізовані джерела оптичного сигналу

Існує три основних типи SLS, що розрізняються за типами використовуваного випромінювача:

• лазерні джерела,
• світлодіодні джерела (LED),
• джерела білого світла з вольфрамової лампою.

Ці джерела відрізняються, головним чином, характеристикою добротності джерела - шириною смуги випромінювання. Лазерні джерела мають найвищу добротність, джерела білого світла - найнижчу.

Нижче докладно розглядаються характеристики джерел перерахованих типів. На рис. 10. показана порівняльна характеристика добротності лазерного і світлодіодного джерела сигналу.

Мал. 12. Спектральна характеристика лазерного і світлодіодного джерел

Лазерні джерела оптичного сигналу

Ці джерела мають вузьку смугу випромінювання і генерують практично монохроматичне сигнал. На відміну від світлодіодних джерел сигналу, лазерні джерела не мають постійної характеристики в випромінюваному діапазоні. Характеристика лазерного джерела має кілька дискретних частот випромінювання по краях основної частоти. Таким чином, спектральна характеристика лазерних джерел характеризується значною нерівномірністю, що може призводити до спотворень при вимірах (див. Про це нижче). Ці джерела є найпотужнішими, проте найдорожчими. Вони використовуються для вимірювання оптичних втрат в одномодовому кабелі на великій відстані (рівень втрат більше 10 дБ). Для вимірювання багатомодових кабелів зазвичай не рекомендуються лазерні джерела через дисперсії в кабелі.

Мал. 13. Джерело оптичного сигналу "GN 6150"

Світлодіодні оптичні джерела

Цей тип оптичних джерел сигналу має більш широкий спектр випромінювання, зазвичай в межах 50-200 нм. У світлодіодних джерелах використовується принцип спонтанного випромінювання світла, тому сигнал світлодіода є некогерентним і спектрально більш однорідним. Для стабілізації рівня вихідної потужності LED досить стабілізувати ланцюг харчування джерела, тому світлодіодні джерела відрізняються підвищеною стабільністю вихідного рівня. Вони дешевше лазерних і часто застосовуються для аналізу втрат в кабелях малої довжини, наприклад, в додатках аналізу кабелів ЛВС. Однак використання їх для аналізу найгіршого випадку поширення сигналу, коли потрібна значна потужність сигналу, що передається, недоцільно.

Джерела білого світла з використанням вольфрамової лампи

Ці джерела є альтернативними LED дешевими джерелами сигналу. У поєднанні з кремнієвим детектором вони можуть використовуватися для вимірювання рівня загасання в оптичному кабелі на довжині хвилі 850 нм, в поєднанні з детектором InGaAs - на довжині хвилі 1310 нм, оскільки суперпозиція спектральної характеристики OPM і джерела білого світла дають центральну частоту 1300 нм.

Джерела білого світла можуть використовуватися для вимірювань, що не вимагають особливої ​​точності, а також для візуального виявлення обривів або деградації кабелю без небезпеки пошкодження очей, яка є при використанні лазерних джерел.

В даний час джерела білого світла практично витіснені з телекомунікаційного ринку в зв'язку зі значним зниженням ціни на лазерні і світлодіодні джерела.

Основними технічними характеристиками стабілізованих джерел є:

• стабільність роботи
• Вихідна потужність
• частота модуляції

Стабільність роботи SLS - технічна характеристика SLS як приладу - включає в себе як стабільність по вихідній рівню, так і спектральну стабільність в залежності від часу і температури і є основною. Стабільність роботи в часі визначає частоту калібрування SLS, а температурна стабільність є характеристикою застосовності приладу в експлуатаційних вимірах. Дані параметри приладу залежать як від самого джерела оптичного сигналу, так і від механізму введення оптичного сигналу в волоконно-оптичний кабель. Найбільш істотним зовнішнім фактором впливу на роботу SLS є температура, це особливо важливо для лазерних джерел сигналу. Для компенсації температурного впливу в SLS зазвичай використовується термостатирование.

Вихідна потужність SLS залежить від параметрів джерела сигналу і від ефективності механізму введення оптичного сигналу в кабель. У лазерних джерелах сигналу забезпечується висока ефективність введення (до 30%) за рахунок використання спеціального завантажувального кабелю (pigtail), що додатково збільшує їх вартість, в світлодіодних SLS, що представляють більше дешеві кошти, ефективність введення невелика і складає зазвичай 5%. Як вже зазначалося вище, ширина спектральної характеристики лазерних джерел сигналу становить зазвичай 2-5 нм, для світлодіодних - 30-100 нм (деякі моделі забезпечують до 170 нм на довжині хвилі 1310 нм). Велика спектральна характеристика призводить до значних помилок при передачі, головним чином за рахунок впливу дисперсії.

Гранична частота модуляції визначається часом наростання і спаду сигналу. Якщо час наростання сигналу пов'язана з роботою ланцюгів харчування, то час спаду визначається характеристиками джерела. Найбільш високу частоту модуляції сигналу забезпечують лазерні джерела.

Мал. 14. Тестр ОТ-2-1

Аналізатор загасання, що вноситься оптичним кабелем (Optical Loss Test Set - OLTS), являє собою комбінацію оптичного вимірювача потужності і джерела оптичного сигналу. Розрізняють інтегровані і окремі вимірники втрат. Інтегровані мають джерело сигналу і вимірювач потужності в одному пристрої, а розділені вимірювачі представляють собою набір з джерела сигналу і ОРЗ. Відповідно, технічні параметри аналізаторів втрат містять всі перераховані параметри для джерел сигналу і оптичних датчиків потужності.

Мал. 15. Тестер FOT-920 MaxTester

Аналізатори втрат оптичної потужності забезпечують покроковий аналіз оптичної лінії передачі, включаючи ділянки кабелю, місця з'єднань і сварок. Це в першу чергу стосується роздільних експлуатаційних аналізаторів втрат оптичної потужності. У той же час інтегровані аналізатори втрат, які зазвичай застосовуються для промислового аналізу, мають підвищену функціональністю і точністю вимірювань. Наприклад, багато двох-частотні аналізатори можуть виконувати вимірювання на довжинах хвиль 1310 і 1550 нм автоматично.

назад Зміст вперед