Назначение и виды измерений в волоконно-оптических линиях передачи

В общем случае весь спектр измерений в волоконно-оптических линиях передачи (ВОЛП) можно разделить на два основных типа: это системные и эксплуатационные измерения. Первые заключаются в определении целостности волокна, например при помощи оптического рефлектометра, а вторые – в определении функционирования системы с позиции параметров передачи, примерами которого являются: измерение потерь, измерение дисперсии. Для обеспечения работоспособности и соответствия проектным параметрам волоконно-оптических систем передачи необходимо проводить множество как системных, так и эксплуатационных измерений, которые, в свою очередь, отличаются методикой и используемыми средствами измерений. Не останавливаясь на детализации данных вопросов, рассмотрим основные виды измерений на этапах производства оптических кабелей (ОК), строительства и технической эксплуатации ВОЛП.

Измерения в условиях производства проводятся при входном контроле. Измеренные параметры оформляются в виде паспортных данных, которые должны соответствовать действующим нормам ГОСТ и ТУ.

На этапе строительства ВОЛП в целях контроля качества строительства и связи измеряют затухание ОВ на строительных длинах и смонтированных участках регенерации; затухание, вносимое соединениями ОВ. При необходимости устанавливают места повреждений.

При наличии в ОК металлических проводников производят измерения и испытания в соответствии с ТУ на кабель параметров электрических цепей, в частности измерение электрического сопротивления изоляции металлических элементов и наружной оболочки, испытание (изоляции между жилами, жилами и остальными металлическими элементами, металлической оболочкой и броней, броней и водой и т. п.) на постоянном или переменном токе повышенным напряжением. Измерительную аппаратуру чаще всего размещают в специально приспособленных автомашинах, что позволяет ускорять процесс монтажа и строительства.

В процессе эксплуатации измерения выполняются для определения технического состояния линейных сооружений и аппаратуры, предупреждения и устранения повреждений. Их разделяют на профилактические, контрольные и аварийные.

Профилактические измерения, проводятся по утвержденному плану. Состав, объем, и периодичность измерений устанавливаются в зависимости от местных условий, состояния ВОЛП и т. д.

Контрольные измерения и испытания, осуществляются после ремонта с целью определения качества ремонтно-восстановительных работ.

Аварийные измерения, производятся с целью определения места и параметра

повреждения оптического кабеля.

Согласно [23] состав измерений и испытаний на различных этапах производства оптического кабеля, строительства и эксплуатации ВОЛП приведен в таблице 10.1.

Согласно приведенной таблице, данные измерения в зависимости от типа волокна включают измерения затухания, межмодовой и хроматической дисперсии, цифровой апертуры, диаметра сердцевины, длины волны отсечки и размера модового пятна.

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 для тестирования ВОЛП 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 вносимых потерь короткого эталонного волокна с потерями всего тестируемого волокна. Для этой цели могут использоваться источник и измеритель оптической мощности, а при необходимости получения дополнительной информации о равномерности ослабления на всей протяженности волокна необходимо проводить анализ обратно рассеянного сигнала при помощи оптического рефлектометра [14].

Межмодовая дисперсия – это технический термин для обозначения расширения (сужение 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 [14].

Хроматическая дисперсия – это расширение импульса вследствие отличия скоростей различных длин волн, содержащихся в спектре источника, которая 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 распределения мощности при полном возбуждении на входе.

Состав измерений и испытаний на различных этапах производства ОК, строительства и эксплуатации ВОЛП

Одномодовое волокно. Если длина волны измерения больше длины отсечки одномодового волокна, в нем будет распространяться только одна мода. При таком условии измерения ослабления одномодового волокна значительно проще, чем аналогичные измерения в многомодовых волокнах, 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 также в измерении амплитуды выходного сигнала при возбуждении волокна модулированным переменной частотой гармоническим сигналом.

Для когерентных ВОСП наряду с затуханием и дисперсией ОВ важную роль играют поляризационные характеристики волокна. При использовании одномодовых одно-поляризационных световодов возникает потребность в измерениях их параметров. Для пассивных компонентов ВОЛП (аттенюаторов, разветвителей, фильтров, разъемов) приходится контролировать спектральные характеристики и затухание отражения. Последнее имеет большое значение, поскольку РОС лазеры и лазеры Фабри-Перо чувствительны к этому параметру.

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 большое 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 большого 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, могут быть определены исходя из этих показателей.