Измерение вносимого затухания методом сравнения уровней

Этот метод имеет несколько разновидностей в зависимости от конкретных условий измерения. При научно-исследовательских лабораторных измерениях часто ставятся задачи определения зависимости коэффициента затухания от длины волны, особенностей технологии производства, температуры, механических напряжений, наличия ионизирующих излучений и т.п. Это требует создания сложных измерительных комплексов, включающих мощные неселективные источники излучения, монохроматоры, вычислительные устройства. Измерения проводятся на экспериментальных образцах ВС обычно сравнительно небольшой длины. Такие установки не пригодны для измерений в полевых условиях в процессе строительства и эксплуатации ВОЛС.

Надо отметить, что практикам чаще всего необходимо измерять либо полное вносимое затухание ВС на строительной длине или на смонтированном участке, либо коэффициент затухания при известной длине ВС. Эти измерения имеют много общего, но имеются и особенности.

Отечественный стандарт [6] рекомендует две разновидности метода сравнения уровней на входе и выходе ВС (ОК):

¨ метод обрыва;

¨ метод вносимых потерь.

Первый метод, более точный, связан с разрушением испытуемого ВС, который уменьшается на 3-5 метров после каждого измерения. Этот метод применяют для измерений коэффициента затухания на ВС известной длины, не армированных оптическими соединителями (обычно на строительных длинах при входном контроле).

Второй метод применяют для измерения вносимых потерь на смонтированных участках, когда ВС армированы оптическими соединителями.

Так как величина коэффициента затухания a зависит от средней длины волны l источника излучения, а также от ширины спектра источника излучения Dl, то эти параметры должны быть точно известны (стандартизованы). В процессе измерения необходимо обеспечить постоянство мощности излучения, вводимой в ВС и неизменность модового состава при измерении на многомодовых ВС.

Метод обрыва

Для измерений отбирают отрезки ВС (ОК) с известной длиной L. Необходимо помнить, что погрешность определения коэффициента затухания увеличивается при уменьшении длины ВС. Измеряемый ВС (ОК) выдерживают в нормальных климатических условиях не менее 3 ч. (ГОСТ 20.57.408-81). В соответствии с ГОСТ 26814-86 для подготовки образцов необходимо:

¨ оба конца измеряемых ВС освободить от защитных покрытий, входной на расстоянии не менее 1 м, выходной на расстоянии не менее 0.5 м;

¨ концы каждого ВС освободить на длине 10-50 мм от первичных и вторичных защитных покрытий (оболочек);

¨ торцевые поверхности ВС на обоих концах ОК обработать так, чтобы они были ровными, перпендикулярными оси ВС и не имели сколов и трещин.

Перпендикулярность сколов и отсутствие дефектов определяют под микроскопом с увеличением не менее ´20.

Упрощенная схема установки для измерения по методу обрыва представлена на рис. 4.9. Источник излучения (ИИ) через смеситель мод (СМ), фильтр оболочечных мод (ФОМ) и устройство ввода (УВ) освещает входной торец ВС. Прошедшее ВС излучение поступает на фотоприемник (ФП), электрический сигнал с которого поступает на регистрирующий прибор (РП).

Рис. 4.9. Схема установки для проведения измерения по методу обрыва

Измерение проводится следующим образом. С помощью УВ проводят юстировку входного торца измеряемого ВС по максимуму сигнала на входе ФП. Фиксируют положение входного торца и регистрируют значение выходного сигнала P₁.

Не изменяя положения ВС в устройстве ввода, от выходного конца измеряемого ВС обламывают отрезок длиной 0.5-3 см. Вновь обрабатывают выходной торец ВС и повторяют измерение P₁. Количество измерений определяют исходя из допустимой случайной погрешности измерения S_dp, но не менее трех раз. Эта процедура позволяет исключить грубые ошибки из-за плохого состояния выходного конца исследуемого ВС.

Не изменяя положения ВС в устройстве ввода, обламывают измеряемый ВС после ФОМ на расстоянии 1±0.2 м от входного торца. Подготавливают (обрабатывают) выходной конец короткого отрезка ВС. Регистрируют мощность излучения, выходящего из короткого ВС P₂. Повторяют измерения для исключения грубых погрешностей.

Результаты измерений оформляются протоколом, в котором указывают:

· результаты измерения затухания и коэффициента затухания в каждом ВС;

· длину волны и спектральную ширину источника излучения;

· марку и длину оптического кабеля;

· тип, заводские номера и дату поверки (аттестации) использованного оборудования;

· погрешность результата измерения при выбранной доверительной информации.

Главным достоинством измерения затухания методом обрыва является исключение (значительное уменьшение) погрешности от неопределенности уровня введенной в ВС мощности.

В качестве ИИ для измерения затухания на одной длине волны могут использоваться светодиоды, полупроводниковые лазеры, а для измерений затухания в широком спектре длин волн - лампы накаливания или газоразрядные в сочетании с монохроматором. К источникам излучения предъявляется ряд требований.

¨ Мощность излучения, которую можно ввести в ВС, должна быть достаточно большой, так как с увеличением мощности возрастает динамический диапазон измерения полного затухания;

¨ Источник должен иметь строго определенную и стабильную длину волны и узкую полосу излучаемых длин волн. Это обеспечивает единство измерений разными приборами;

¨ Средняя мощность излучения и длина волны источника должны мало зависеть от времени и окружающей температуры. Для уменьшения этой зависимости используют системы стабилизации температуры излучателя и стабилизации выходной мощности.

В многомодовых ВС затухания различных мод отличаются [2]. Обычно моды более высокого порядка, которые проходят по ВС больший путь, имеют большее затухание. Измерению обычно подлежит некоторое среднее затухание, обусловленное всеми возможными модами. В связи с различными затуханиями мод измеренная величина затухания зависит от распределения энергии проходящего излучения между различными модами. Для обеспечения единства измерений на одних и тех же многомодовых ВС необходимо обеспечить во всем исследуемом ВС так называемое равновесное распределение мод (РРМ), которое обычно устанавливается в ВС при любых условиях ввода через расстояние, равное длине установления L_уст, которое для разных ВС может составлять от сотен метров до нескольких километров. Это особенно важно при определении коэффициента затухания на малых (меньше 1 км) длинах ВС.

Для формирования РРМ могут использоваться дополнительные ВС с длиной или специальные смесители мод (СМ) [7].

При измерении коэффициента затухания a на коротких участках ВС возникает также погрешность за счет мод оболочки, вытекающих мод. Эта погрешность может быть особенно существенной для одномодовых ВС. Моды оболочки возникают, если источник излучения имеет излучающую площадку, превышающую размеры сердцевины ВС, и если ширина диаграммы направленности источника превышает апертурный угол ВС. Оболочечные моды, хотя и имеют значительно больший коэффициент затухания по сравнению с модами сердцевины (модами распространения), тем не менее, способны распространяться на большие расстояния. При измерении мощности источника излучения через короткий ВС, например поводок, приемник зарегистрирует оболочечные моды. Так как это излучение фактически постороннее при измерении коэффициента затухания (регистрации подлежат только направляемые моды), то возникает погрешность измерения коэффициента затухания. Эта погрешность может иметь очень большую величину в одномодовых ВС. В одномодовых ВС можно бороться с ней с помощью объектива (Об), формирующего увеличенное изображение торца ВС, и установки в плоскости изображения полевой диафрагмы (ПД), отсекающей оболочечные моды, перед приемной площадкой ФП (рис. 4.10, а).

Чаще для борьбы с оболочечными модами используют фильтр оболочечных мод (ФОМ) (рис. 4.10, б) [2], который обычно представляет собой отрезок ВС, освобожденный от защитных покрытий, сложенный петлей (изогнутый) радиусом порядка 10 см и помещенный в кювету с иммерсионной жидкостью, смачивающей оптическую оболочку ВС на длине 5-10 см. Иммерсионная жидкость должна иметь показатель преломления , где n₂ - показатель преломления оболочки. Тогда оболочечные моды без отражения на границе оболочка-жидкость будут переходить в жидкость, поглощаться и рассеиваться в ней.

Для измерения затухания по методу обрыва можно использовать серийно выпускаемые источники и приемники излучения [10], параметры которых приведены в табл. П1 и П2.

О серийном изготовлении смесителей мод и фильтров мод оболочки для измерений по методу обрыва нет информации. Их надо изготавливать самостоятельно.

Рис. 4.10. Способы подавления оболочечных мод

Измерение вносимых потерь

Метод основан на последовательном измерении мощности оптического излучения на выходе измеряемого ВС и на выходе источника излучения, который присоединяется к приемнику излучения непосредственно или с помощью вспомогательного ВС, который так же, как и измеряемый ВС, армирован оптическим соединителем.

Оптические соединители, которыми армированы измеряемый ВС и вспомогательный ВС, должны иметь известный уровень потерь a _р при соединении. Должна быть также известна длина ВС L.

При подготовке к измерениям необходимо протереть торцы всех сочленяемых соединителей спиртом.

Основное отличие метода измерения вносимых потерь от метода обрыва заключается в использовании для измерений оптических разъемов. На практике используют две разновидности метода измерения вносимых потерь.

В первом варианте (рис. 4.11, Схема I) используется источник излучения с выходом в виде гибкого оптического поводка. Проводятся два измерения. При первом измеряемый ВС подключают между выходом источника и ФП и проводят измерение мощности P₁ или уровня p₁. При втором измерении источник непосредственно подключается к приемнику. Проводится измерение уровня p₂.

Для определения затухания a L вычисляют разность двух измеренных уровней

(4.13)

В результат входит среднее значение потерь в оптическом разъеме a _р, соединяющем два ВС.

Во втором варианте (рис. 4.11, Схема II) используется источник излучения, выходной оптический разъем которого установлен на передней панели излучателя. Для измерений используется оптический поводок.

Рис. 4.11. Схема установки для измерения вносимых потерь

Проводятся два измерения. При первом оптический поводок непосредственно подключается к приемнику и измеряется уровень оптической мощности р₁. При втором измерении вместо оптического поводка между источником и приемником излучения включается измеряемый ВС. В результат измерения входит затухание оптического поводка a_pv.

(4.14)

Результаты измерений оформляются протоколом, содержащим те же сведения, что и в методе обрыва.

При измерении вносимых потерь обычно используют специальные приборы - оптические тестеры (ОТ). Они предназначены для измерений в процессе строительства и эксплуатации ВОЛС. Для измерений необходимо использовать раздельные, разнесенные в пространстве приемник и источник излучения. Повысить точность и расширить измерительные возможности можно, используя оптические тестеры (оптические мультиметры), которые в одном корпусе содержат источник и приемник излучения. Это позволяет проводить измерения затухания смонтированного участка ВТ одновременно в двух ВС, а в каждом из них во встречных направлениях, повысить точность измерения благодаря возможности калибровать источники излучения по собственным приемникам. Технические параметры оптических тестеров, выпускаемых отечественными и зарубежными производителями, приведены в табл. П3.

Проведение измерений на протяженной линии осуществляют два человека. Для координации их действий часто используют устройство служебной связи по двум ВС. Существуют также устройства дуплексной служебной связи по одному ВС, которые своим динамическим диапазоном перекрывают всю длину участка регенерации на одномодовом волокне. Сведения об устройствах оптической связи (оптических телефонах) различных производителей приведены в табл. П5. Некоторые оптические тестеры помимо измерения вносимого затухания выполняют также функцию оптического телефона.