Виды измерений в волоконно-оптических системах передачи

В общем случае весь спектр измерений в волоконно-оптических системах передачи можно разделить на два основных типа: апертурные и линейные. Первые включают следующие измерения:

· измерения параметров источников излучения;

· измерения параметров фотоприемника;

· битовой скорости, коэффициента ошибок (BER), дрейфа фазы (вандера) и фазового дрожания (джиттера) цифрового сигнала.

Измерения параметров источника излучения определяются типом источника и включают измерение выходной мощности, центральной длины волны, количества мод, ширины спектра излучения, полосы частот модуляции, ЛЧМ оптического импульса, ширины линии, поля гауссовского луча, размера источника и поля удаленной зоны, а также временных параметров импульсов и шумов оптического излучения.

Светодиоды (LED) характеризуются почти линейной зависимостью мощности излучения от тока возбуждения, контролируемой посредством измерителя мощности, по показаниям которого может быть определен коэффициент передачи и нелинейность преобразования. Вследствие большой ширины спектра излучения, точность измерения определяется зависимостью длины волны фотодетектора от составляющих спектра (см. раздел: светоизлучающие диоды).

При измерении полосы частот модуляции, LED модулируется генератором, а PIN диод используется для преобразования модулированного оптического сигнала в электрический сигнал измеряемый осциллографом, который отображает частотную характеристику. Лучшим решением в этом случае является анализатор сети с оптико-электронным преобразованием на входе приемника.

Центральная длина волны и ширина спектра могут быть измерены при помощи оптического анализатора спектра. Это измерение является очень важным, потому что его результат позволяет оценить влияние дисперсии на передачу импульсов.

Размер излучающей области и излучение на удаленном конце должны быть измерены непосредственно на микросхеме LED, т.е., без волокна. Размер может быть определен путем анализа его изображения, тогда как измерение углового распределения мощности должно производиться на некотором расстоянии от источника. Для обеспечения высокой эффективности соединения необходимы узкие ближнее и дальнее поля [14].

Зависимость выходной мощности от тока лазерного диода (LD) может быть измерена при помощи различных источников тока и измерителя мощности. Основным измерением в данном случае является определение значения порогового тока, так как оно определяет начало стимулированной эмиссии лазера (см. раздел: лазерные диоды). Другим важным результатом измерения является определение коэффициента передачи преобразователя, выраженного в Вт/А. Вместо возбуждения LD постоянным током в этом случае из-за исключения перегрева микросхемы лучше использовать импульсное возбуждение.

Полоса частот модуляции LD может быть измерена описанным выше способом, за исключением того, что для выполнения измерений требуется соответствующее измерительное оборудование из-за значительно более высокой полосы пропускания LD.

Центральная длина волны и количество мод должны быть измерены при помощи анализатора оптического спектра. Этих измерений обычно достаточно для использования LD в системах использующих модуляцию по интенсивности излучения с последующим прямым детектированием. Измерение ЛЧМ импульса, рассматриваемого как нежелательное смещение длины волны, вызванного модуляцией интенсивности, может оказаться важным для обеспечения высокого уровня функционирования при прямом детектировании. Для когерентных систем необходимы лазерные диоды, излучающие одну длину волны (продольную моду). В этом случае особое значение приобретают измерения спектральной ширины линии, что позволяют осуществить интерферометрические методы.

Характеристики излучения лазерного диода в удаленной зоне могут быть аппроксимированы эллиптической формой луча Гаусса, которая связана с тем фактом, что излучающая область представляет собой длинную полосу вместо идеального круга. Удаленное измерение, т.е., анализ интенсивности на некотором расстоянии от излучающей области, дает параметры луча Гаусса, которые в дальнейшем позволяют осуществить подсчет эффективности соединения, особенно эффективности соединения с одномодовым волокном.

Измерения параметров фотоприемника, также как источников излучения, определяются типом фотодиода и включают измерение спектральной чувствительности, полосы пропускания, коэффициента усиления (для лавинного – APD фотодиода), темнового тока, эквивалентной мощности шумов (NEP) и избыточного шума.

Оптические детекторы созданы для выполнения двух целей - обнаружения сигнала в телекоммуникационных приемниках и измерения оптической мощности. В первом случае, необходим как можно меньший диаметр активной области, потому что NEP пропорциональна его значению, а полоса пропускания обратно пропорциональна площади активной области. В случае измерения мощности необходима большая активная область, так как это способствует повышению точности измерения.

Чувствительность фотодетектора – это отношение генерируемого тока к входной мощности оптического излучения, причем чувствительность PIN и APD фотодиодов в значительной степени зависит от длины волны. В связи с этим, измерение проводится обычно с использованием вольфрамовой лампы и перестраиваемого монохроматора калиброванной длины волны. При использовании APD, приложенное к нему высокое напряжения вызывает умножение количества генерированных носителей, что приводит к эффекту усиления, который также может быть измерен с применением вышеописанного метода.

Полоса пропускания (демодуляции) фотодетектора может быть определена с помощью лазерного источника гармонических колебаний, а лучше всего с помощью сетевого анализатора с электронно-оптическим преобразованием сигнала генератора. Более сложным из-за ограниченной полосы пропускания модуляции лазерных диодов является измерение детекторов с полосой пропускания равной нескольким ГГц. Единственно возможным решением является внешняя модуляция LD при помощи модулятора и смешения двух лучей лазерных диодов с узкой шириной линии посредством нелинейного электрического преобразования поле-ток тестируемого детектора. В этом случае частота генерируемого фототока будет равна разности двух используемых оптических частот.

Очень важной характеристикой фотодетектора является эквивалентная мощность шума (NEP) из-за ее влияния на предельную чувствительность приемника. В идеале, NEP пропорциональна квадратному корню темнового тока, что и позволяет выполнять ее измерение. Более точным является измерение, проводимое при помощи электрического анализатора спектра для того, чтобы охарактеризовать спектральную плотность NEP. В APD фактор дополнительного шума вызывается процессом умножения и может быть измерен при помощи того же анализатора спектра.

Линейные измерения включают в себя:

· измерения параметров оптического волокна;

· измерения вносимых и возвратных потерь.

В зависимости от типа волокна первая группа включает измерение затухания, межмодовой и хроматической дисперсии, цифровой апертуры, диаметра сердцевины, длины волны отсечки и размера модового пятна [14].

Многомодовое волокно. Наиболее важным параметром оптических волокон является затухание, измерение которого осложняется распространением большого количества мод в данном волокне, каждая из которых имеет свои собственные характеристики распространения. Поэтому, пользователи волоконно-оптических сетей пришли к мнению, что для тестирования ослабления, волокно должно быть возбуждено в режиме равновесного распределения мод (EMD), представляющем собой распределение мод после достаточно большой длины волокна, а измерение должно быть проведено путем сравнения потерь вставки короткого эталонного волокна с потерями всего тестируемого волокна. Для этой цели могут использоваться источник и измеритель оптической мощности, добиваясь идентичной эффективности соединения в обоих случаях. При необходимости получения дополнительной информации о равномерности ослабления на всей протяженности волокна, необходимо проводить анализ обратно рассеянного сигнала при помощи оптического рефлектометра.

Межмодовая дисперсия – это технический термин для обозначения расширения импульса (сужения полосы пропускания) вследствие неравных скоростей распространения различных мод. Основная концепция измерения межмодовой дисперсии заключается в возбуждении волокна коротким EMD импульсом, с последующим измерением ширины импульса на конце волокна. При этом, для измерения должен быть использован источник с узкой шириной спектра, например, как у лазерного диода. Хроматическая дисперсия – это расширение импульса вследствие отличия скоростей различных длин волн, содержащихся в спектре источника, которое отражает свойство материала волокна. Поэтому при хроматической дисперсии, расширение импульса непосредственно зависит от ширины спектра источника. Так как хроматическая дисперсия не может быть непосредственно измерена, для ее определения необходимо к результату измерения добавить значение межмодовой дисперсии.

Цифровая апертура (NA) и диаметр сердцевины определяют, то значение мощности, которое можно ввести в многомодовое волокно. NA определяет максимальный угол направленных лучей в волокне и всегда измеряется на выходе волокна (на его отделенном конце) допуская, что максимальный угол, наблюдаемый на выходе, приблизительно равен максимальному углу на входе, а в волокно введены все моды. Диаметр сердцевины измеряется на выходном конце волокна путем измерения распределение мощности при полном возбуждении на входе.

Одномодовое волокно. Если длина волны измерения больше длины волны отсечки одномодового волокна, в нем будет распространяться только одна мода. При таком условии измерения ослабления одномодового волокна значительно проще, чем аналогичные измерения многомодовых кабелей и согласно методу обрыва, выполняются в два этапа: сначала измеряется выходная мощность на удаленном конце волокна, с повторным измерением на части отрезанного у входного конца волокна. Разность уровней мощности, выраженная в оптических дБ, и является ослаблением. При необходимости получения дополнительной информации о равномерности ослабления на всей протяженности волокна необходимо проводить анализ обратно рассеянного сигнала при помощи оптического рефлектометра.

Полоса пропускания одномодового волокна зависит только от хроматической дисперсии, поэтому для ее определения, влияние модовой дисперсии можно не принимать в расчет. Основная идея измерения в этом случае заключается в измерении импульсной характеристики волокна путем сравнения импульсов на его входе и выходе, а так же в измерении амплитуды выходного сигнала, при возбуждении волокна гармоническим сигналом переменной частоты.

Длина волны отсечки одномодового волокна определяет самую низкую длину волны, которую следует использовать, если особую важность имеет высокая полоса пропускания, так как ниже длины волны отсечки будет распространяться большее количество мод. Поэтому длина волны отсечки измеряется вводом в короткое волокно широкого спектра излучения, например, от вольфрамовой лампы, а затем осуществляется измерение ослабления каждой спектральной составляющей. Длина волны отсечки в этом случае определяется, как отсутствие непрерывности кривой ослабления, ибо наличие большего количества мод позволяет большему объему возбужденной мощности достичь конца волокна. Другой метод измерения основан на условии, что моды высокого порядка более чувствительны к изгибам волокна, чем фундаментальные моды. Для проведения этих измерений источник должен обеспечивать стабильность интенсивности излучения и постоянство длины волны согласованной со спектральной чувствительностью детектора.

Диаметр модового пятна характеризует расстояние между двумя точками, в которых измеренная мощность составляет 1/е от максимальной мощности при условии аппроксимации излучения фундаментальной моды одномодового волокна лучом Гаусса как внутри него, так и снаружи. Особенностью луча Гаусса является то, что он полностью определяется только двумя показателями: радиусом точки и длиной волны. Поэтому характеристики излучения, в частности, поле на выходе волокна может быть определено исходя их этих показателей.

Измерения вносимых потерь включают измерение потерь вставки, возвратных потерь и при необходимости повторяемости потерь, вносимых вводимым в линию связи компонентом.

потерь вносимых вводимым в линию связи компонентом.

Данные измерения рассмотрим на примере оптических коннекторов, которые могут существенно ухудшить функционирование систем передачи и осуществление волоконно-оптических измерений. Поэтому потери вставки коннекторов являются наиболее важной характеристикой соединения, а их измерение выполняется посредством LED источника излучения, двух коротких волоконно-оптических кабелей с двумя тестируемыми коннекторами и измерителя мощности. На первом этапе производится измерение оптической мощности, излучаемой от одного конца первого кабеля и первого коннектора. Затем осуществляется соединение, и измеряется мощность на конце второго кабеля. Разница между двумя измеренными значениями мощности (выраженная в оптических дБ) и определяет потери вставки. В случае использования многомодовых коннекторов результаты измерений должны учитывать характер возбуждения, а при использовании одномодовых коннекторов - должно контролироваться распространение только фундаментальной моды [15].

Для процесса измерения особое значение имеет повторяемость потерь вставки. Она может быть протестирована путем измерения потерь вставки при ряде соединений коннекторов.

Возвратные потери одномодовых коннекторов так же представляют существенный интерес, что связано с чувствительностью лазера к обратному отражению, которое вызывает дополнительный шум и изменение излучаемого спектра. Другой причиной является то, что предельные возвратные потери всегда сопровождаются помехами в соединении коннекторов, что влечет за собой невозможность воспроизведения измерений. Возвратные потери определяются как отношение передаваемой оптической мощности к отраженной оптической мощности, и выражается в оптических дБ. Они могут быть измерены при помощи рефлектометра с высокой разрешающей способностью. Более простым способом является измерение с помощью лазерного источника и измерителя мощности с разделением отражения от тестируемой пары коннекторов с помощью волоконно-оптического ответвителя.