CC BY
422
ОБЗОР МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ПЕРВИЧНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА С.М. Иванова, О.В. Елисеев, А.С. Михайличенко, О.Л. Студеникин Научный руководитель - к.т.н. В.Н. Фролков
Рассматриваются методы измерения характеристик оптических волокон, в частности, измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь. Приводится краткое описание способов контроля параметров оптического волокна.
Введение
На сегодняшний день особняком стоит проблема передачи данных. Существует большое количество способов передачи информации. Один из них - передача данных с помощью оптического волокна. Этот вариант имеет ряд неоспоримых преимуществ: большая скорость, высокое качество, перспективность, удельная дешевизна и т.д.
Создание современных волоконно-оптических линий связи требует все более высокого качества оптического волокна и жесткого контроля за его параметрами, каждый из которых обеспечивает те или иные функции системы [1].
Оптическое волокно нуждается в многократном тестировании. Производитель волокна должен убедиться в том, что волокно соответствует специфицированным характеристикам. Поскольку контроль качества осуществляется только при производстве волокна, производитель должен постоянно его тестировать с целью определения соответствия спецификации. К числу контролируемых в этих тестах параметров относятся:
• диаметр ядра волокна,
• диаметр оптической оболочки,
• апертура (КА),
• профиль показателя преломления,
• допустимая растягивающая нагрузка.
Другие тесты, выполняемые с волокнами или волоконно-оптическими кабелями, связаны с их механическими характеристиками и влиянием окружающей среды. Влияние окружающей среды оценивается по изменению затухания в волокне при экстремальных температурах, повторяющихся циклических изменениях температуры и от относительной влажности [2].
Рассмотрим основные методы измерения параметров оптических кабелей (ОК) и линейных трактов волоконно-оптических систем связи (ВОСП).
Классификация методов измерений
Методы измерения параметров ОК и линейных трактов ВОСП классифицируют по месту и цели проведения измерений, измеряемому параметру и методу измерения. По месту и цели проведения измерений
Лабораторные измерения в научно-исследовательских институтах и заводских лабораториях отличаются высокой точностью, разнообразием применяемых методов и аппаратуры. Основная цель измерений - разработка новых типов и конструкций ОК, технологий их изготовления с целью улучшения параметров или придания им новых свойств.
Особенность заводских измерений, осуществляемых на производственных предприятиях в процессе изготовления ОВ - использование специализированной аппаратуры и автоматизация методов измерений. Выходными параметрами являются паспортные данные.
Измерения в процессе строительства, монтажа ВОСП и приемосдаточные испы-
тания. Число измеряемых параметров ОК и линейного тракта в процессе строительства и монтажа ограничивается обычно двумя-тремя в зависимости от типа ОК и назначения ВОСП. Приемосдаточные испытания проводятся при передаче ВОСП в эксплуатацию по заданной программе и определенной методике.
По измеряемому параметру
Измерение оптических характеристик ОВ, к которым относятся числовая апертура, профиль показателя преломления, диаметр модового поля и длина волны отсечки (для одномодовых ОВ), коэффициент затухания и дисперсия (полоса пропускания).
Измерение оптических характеристик линейного тракта, в первую очередь, измерение распределения неоднородностей, вносимых потерь и определение расстояния до места обрыва ОВ.
Измерение конструктивных и механических характеристик ОВ, а также их зависимостей от различных факторов, возникающих в процессе изготовления, прокладки, монтажа и эксплуатации: растяжение, изгиб, сжатие, удары и вибрация, диапазон рабочих температур, герметичность и т.д.
Измерение оптической мощности
Измерение оптической мощности осуществляется на всех стадиях производства ОВ, изготовления ОК, строительства; монтажа и эксплуатации ВОСП,
Различают измерение абсолютной и относительной мощности, В первом случае мощность выражается в единицах мощности (в ваттах), а во втором - в относительных (логарифмических) единицах по отношению к мощности 1 мВт (в децибелометрах).
К ЭО
Рис. 1. Схема измерителя оптической мощности
Для измерения оптической мощности используют специальный прибор - измеритель мощности (оптический ваттметр), структурная схема которого приведена на рис. 1. Сигнальный ток фотодетектора (фототок) после усилителя поступает на вход электронного осциллографа (ЭО), на экране которого можно наблюдать сигнал, пропорциональный мгновенному значению измеряемой мощности. Для получения результата измерения в цифровой форме используется аналого-цифровой преобразователь и устройство отображения. Для вывода результата в логарифмических единицах используется лога-рифматор [5].
Для расширения функциональных возможностей измерителя оптической мощности он обычно дополняется источником излучения, что позволяет использовать его для измерения потерь (затухания). Прибор, в котором используется согласованная пара источник излучения-измеритель оптической мощности, называется оптическим тестером или измерителем оптических потерь. Очевидно, что, выполняя измерение оптической мощности или уровня мощности на входе Р1, р1 и выходе Р2, р2 оптического кабеля, можно определить его затухание и коэффициент затухания:
Р а а = 101§—1 = Р1 - Р2,дБ;а--,дБ/км, (1)
Р2 I
где I - длина оптического волокна, км.
В соответствии с ГОСТ 26814-84 и Рекомендациями МСЭ-Т О 651 и О 652 разли-
чают три основных метода измерения затухания: метод обрыва, метод вносимых потерь и метод обратного рассеяния [7].
Измерение затухания методом обрыва
Метод обрыва основан на сравнении значений оптической мощности, измеренной на выходах длинного и короткого отрезков ОВ (порядка 2 м), обломанного от его начала. Метод обеспечивает высокую точность измерений затухания, но его использование в полевых условиях и при техническом обслуживании затруднительно, Поэтому его обычно применяют при производстве ОВ и ОК.
Упрощенная схема установки для измерения по методу обрыва представлена на рис. 2. Излучение оптического источника проходит через смеситель мод, фильтр вытекающих мод и через устройство ввода поступает в ОВ. Выходную оптическую мощность ОВ или короткого отрезка определяют измерителем оптической мощности.
Рис. 2. Схема установки для измерения затухания по методу обрыва
Процесс измерения заключается в следующем. Оба конца измеряемого оптического волокна освобождают от защитных покрытий и обрабатывают так, чтобы они были ровными, перпендикулярными оси и не имели сколов и трещин. С помощью устройства ввода проводят юстировку и фиксацию входного торца и измеряют значение выходной мощности P2. Затем, не изменяя положения оптического волокна в устройстве ввода, обламывают измеряемое оптическое волокно на расстоянии 1,5-2 м от входного торца. Обрабатывают конец короткого отрезка и измеряют значение выходной мощности. Эту мощность принимают равной мощности Р1 на входе измеряемого оптического волокна. По формулам (1) определяют затухание и коэффициент затухания.
Важным является выбор источника оптического излучения. Мощность Р1 и длина волны излучения X должны быть высокостабильными. Кроме того, Р1 должна быть достаточно большой, а спектр излучения - узким. Это увеличивает диапазон измерений затухания и обеспечивает единство измерений разными приборами.
В многоходовых оптических волокнах измеряют некоторое среднее затухание, обусловленное всеми направляемыми модами. Поскольку направляемые моды изображаются лучами, проходящими различные пути вдоль сердцевины оптического волокна, затухание их различно. Очевидно, что измеряемое затухание зависит от степени взаимодействия мод, т.е. от распределения передаваемой энергии между ними. Равновесное распределение устанавливается на длине установившейся связи Ьу, которая превышает 5 км. Поэтому, чтобы результаты измерения затухания в многомодовых оптических волокнах не зависели от длины (особенно при малых длинах), необходимо искусственно обеспечить равновесное распределение энергии между модами на всем протяжении измеряемого оптического волокна. С этой целью обычно используют дополнительные оптические волокна с длиной Ь > Ьу или специальные смесители мод, которые представляют собой стержень диаметром 15-40 мм и длиной порядка 20 мм с несколькими витками ОВ, намотанными с небольшим натягом.
При измерении затухания на коротких оптических волокнах возникает погрешность за счет вытекающих мод, которые, хоть и затухают значительно быстрее направляемых мод, могут распространяться на большие расстояния. На выходе отрезка опти-
ческого волокна измеритель оптической мощности зарегистрирует дополнительную мощность вытекающих мод. Эта погрешность может быть большой в одномодовых оптических волокнах. Для устранения вытекающих мод обычно используют фильтр вытекающих мод, который представляет собой отрезок оптического волокна, освобожденный от защитных покрытий и помещенный в иммерсионную жидкость. Если показатель преломления иммерсионной жидкости п > п2, где п2 - показатель преломления оболочки оптического волокна, вытекающие моды покидают оптические волокна и рассеивают свою энергию в иммерсионной жидкости.
Измерение затухания методом вносимых потерь
Метод вносимых потерь менее точен, чем предыдущий, но не требует обрыва оптического волокна и поэтому обычно используется в полевых условиях. Для измерения затухания используется тестер, у которого измеритель оптической мощности и источник излучения оборудованы оптическими разъемными соединителями. Разъемными соединителями также армированы измеряемое оптическое волокно и оптический поводок (ОП) (эталонное оптическое волокно) [9].
Рис. 3. Схема установки для измерения затухания методом вносимых потерь
Схема установки для измерения затухания представлена на рис. 3. Выполняют два измерения. Сначала определяют оптическую мощность на выходе оптического поводка Р1. Затем между источником излучения и измерителем мощности подключают измеряемое оптическое волокно и определяют мощность на его выходе Р2. Затухание и коэффициент затухания оптического волокна при коротком поводке определяют по формулам (1). При длинном поводке В результаты измерения входит заданное затухание оптического поводка ап:
а = аЬ = 101ё Р +ап, дБ. (2)
Р2
В условиях эксплуатации при измерениях в проложенном оптическом кабеле, когда вход и выход оптического волокна разнесены на значительное расстояние, при определении вносимого затухания возникает необходимость использования двух измерителей оптической мощности, показания которых предварительно сравнивают по одному источнику оптического излучения.
Кроме погрешности, вызванной нестабильностью параметров оптического источника и разъемных соединителей, на результаты измерений существенно влияют изгибы оптического волокна. Однако в целом точность измерений по данному методу оказывается вполне приемлемой для практических целей.
Измерение вносимых потерь оптических элементов
Вносимые потери таких оптических элементов, как оптические соединители, фильтры, компенсаторы дисперсии, разветвители, мультиплексоры и т.п., при вводе их в
линейный тракт ВОСП существенно влияют на энергетический потенциал системы. При измерении вносимых потерь приходится учитывать, что разные измеряемые элементы (ИЭ) отличаются типом оптических входов и выходов. Как правило, они представляют собой гибкие одноволоконные шнуры, армированные разъемными соединителями. В этом случае измерения проводят на установке, схема которой представлена на рис. 3.
Процесс измерения состоит из двух последовательных этапов. На первом этапе измеряют мощность на входе ИЭ. Для этого источник излучения и измеритель мощности соединяют между собой оптическим поводком, желательно того же типа, что и шнуры ИЭ. На втором этапе вместо оптического поводка включают ИЭ и измеряют мощность на его выходе, Величину вносимых потерь определяют как отношение измеренных значений мощности, выраженное в децибелах. При таком методе измерений, как и при методе, описанном в предыдущем пункте, в результат входит затухание оптического поводка. Чтобы избежать этого, можно на втором этапе включить ИЭ между поводком и измерителем мощности.
Метод обратного рассеяния
Наиболее универсальным и информативным методом измерения параметров оптического волокна является метод обратного рассеяния. В настоящее время он получил наибольшее распространение при строительно-монтажных работах и в процессе эксплуатации ВОСП, Приборы, основанные на методе обратного рассеяния, называют оптическими рефлектометрами [8]. Упрощенная структурная схема и принцип действия оптического рефлектометра представлены на рис. 4.
Рис. 4. Упрощенная структурная схема и принцип действия оптического рефлектометра Измерение конструктивных и механических параметров ОВ
Конструктивные и механические параметры ОВ и ОК имеют первостепенное значение для обеспечения высокой надежности и требуемых параметров передачи линейных трактов ВОСП.
Измерение конструктивных параметров ОВ состоит в определении диаметров сердцевины и оболочки на концах ОВ и их изменений по его длине. Измерение изменения диаметра ОВ по его длине осуществляется в процессе вытяжки ОВ в датчике, где используется лазерная система измерения диаметра. Измерение диаметров сердцевины и оболочки ОВ и отклонение сечения от концентрической формы на концах производят визуальным путем с применением микроскопа с измерительной сеткой. Эти измерения часто выполняют при монтаже неразъемных и разъемных соединителей [3, 6].
В процессе изготовления, прокладки, монтажа и эксплуатации ОК подвергаются растяжениям, изгибам, вибрационным и ударным нагрузкам, сжатиям и другим воздействиям статического механического характера. Стойкость ОВ к этим видам нагрузок, пригодность ОК различных типов для строительства и эксплуатации в требуемых условиях определяют путем соответствующих испытаний и измерений механических параметров опытных образцов на специальных стендах.
Заключение
Измерения первичных параметров оптоволокна можно провести с помощью специальной установки для измерения возвратных потерь.
Тесты проводятся в течение и после прокладки волоконно-оптической линии. Такие тесты гарантируют, что установленная система соответствует требованиям производительности. Затухание в соединителях, например, не должно превышать определенной величины. В ходе установки каждый соединитель должен быть протестирован.
Таким образом, целью данной статьи было краткое описание способов контроля параметров оптического волокна.
Литература
1. J. Beller. OTDRs and bacskscatter measurements // Fiber Optics Test and Measurements. Editid by D. Derricson. - New Jersey, Prentice Hall PTR, 1998. - 434 p.
2. Gardner W.B., Nagel S.R. // The Bell Syst. Tech. J. - 1981. - Vol. 60. - №6. - Р. 859.
3. Берлин Б.З. Волоконно-оптические системы связи на ГТС. - М., 2004. -386 с.
4. Гроднев И И. Линии связи. - М., 1995. -227 с.
5. Воронцов А.С. Оптические кабели связи российского производства. - М., 2003. - 321 с.
6. Иванов А.В. Волоконная оптика. - М.: Компания Сайрус системс, 1999. - 342 с.
7. Исаев С.К. Физика волоконно-оптических устройств. - М.: МГУ, 1986. - 219 с.
8. Корниенко Л.С., Наний О.Е. Физика лазеров. - М., МГУ, 1996. - 334 с.
9. Стерлинг Д. Техническое руководство по волоконной оптике. - М.: Лори, 1998. -542 с.
