Оптический рефлектометр как устройство для измерения затухания в оптическом волокне

ОПТИЧЕСКИЙ РЕФЛЕКТОМЕТР КАК УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗАТУХАНИЯ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ

A.B. Ландорф, Д.В. Соловьев, В.Н. Фролков Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Ю.А. Гатчин

Данная статья - краткий обзор оборудования, обычно использующегося в полевых условиях для прокладки, проверки и эксплуатации волоконно-оптических систем, в частности, к такому оборудованию относится оптический рефлектометр. Здесь обсуждаются методы измерения затухания в волокне и потерь, связанных с включением в систему соединителей.

Введение

Развитие телекоммуникационных технологий, использующих оптические волокна в качестве среды передачи информации, заставляет уделять очень серьезное внимание выбору средств измерений и контроля линий связи.

Оптический рефлектометр

Оптический рефлектометр измеряет временные характеристики оптических сигналов в волокне (измерения затухания в волоконных световодах и их соединениях, длины волоконных световодов или волоконно-оптических линий и расстояния до любого их участка) [12].

Ниже приводится краткий обзор параметров оптических рефлектометров.

1. Диапазон длин волн:

- для многомодовых волокон - 0,85 и 1,3 мкм;

- для одномодовых волокон - 1,31 и 1,55 мкм;

- для контроля работающих линий - 1,625 мкм.

2. Динамический диапазон - одна из наиболее важных характеристик рефлектометра, определяющая максимальную длину оптического волокна, которая может быть исследована. Существует несколько методов определения динамического диапазона, но практически все компании, производящие рефлектометры, приводят значение RMS (Root Mean Square) динамического диапазона, также называемого динамическим диапазоном.

3. Разрешающая способность («мертвая зона») по расстоянию - возможность различить две неоднородности, находящиеся рядом на минимальном расстоянии.

4. Разрешающая способность («мертвая зона») по затуханию - возможность измерить минимальные потери между двумя точками линии.

5. Сервисные параметры - эргономические и массогабаритные характеристики приборов, которые являются не менее важными параметрами, влияющими на выбор средства измерения [13].

К классическим возможностям рефлектометра относятся:

• определение местоположения аномалий, вызванных подключениями к проводке или закладками;

• обнаружение местоположения некачественных сращиваний;

• обнаружение местоположения неизвестных сращиваний;

• определение составляющих входного сопротивления;

• нахождение мест, где в кабеле содержится вода или влага;

• помощь в измерениях и проверки новых или частично использованных катушек с кабелем;

• нахождение смятых, продавленных или образующих узлы кабелей;

• нахождение обрывов или коротких замыканий в кабеле;

• нахождение мест расположения прожженных отверстий в кабеле;

• измерение децибел обратных потерь (ёБКЬ) при повреждениях;

• выявление пест повреждений, сделанных строительными компаниями;

• документирование параметров при целостности кабеля;

• документирование карты кабельной сети;

• выявление проблем, вызывающих чрезмерные потери ВЧ мощности или потери в сети электропитания переменного тока;

• документирование прокладки кабеля до приемки его у подрядчика

ит.д.

Для выполнения перечисленных работ может использоваться любой рефлектометр. Однако точность результатов, достоверность выводов и затраченное на диагностику время в существенной степени зависят от набора дополнительных функций, большая часть которых появилась недавно, и качества их реализации [6].

Рефлектометры используются при производстве оптического волокна (ОВ) и оптических кабелей, а также при монтаже и эксплуатации волоконно-оптических линий связи, могут работать в лабораторных и полевых условиях.

На рис. 1 показана упрощенная блок-схема устройства ОТБК К его основным компонентам относятся источник света, разделитель световых пучков, фотодетектор и осциллограф. Короткий, достаточно интенсивный пучок света инжектируется через разделитель пучков в волокно. Свет по мере распространения по волокну рассеивается назад. Разделитель направляет этот световой сигнал на фотодетектор. Усиленный выходной сигнал из фотодетектора подается на вертикальную развертку осциллографа. Из-за незначительной мощности детектора с помощью электронных устройств ОТБЯ производятся повторные измерения; БКК определяется на основе усреднения полученных данных, затем результат высвечивается на дисплее.

Рис. 1. Блок-схема оптического рефлектометра (ОТйР), рисунок предоставлен

Р^оЬупе

На экране дисплея ОТБЯ показывается вертикальная развертка сигнала в зависимости от его мощности и горизонтальная временная развертка. Затухание в волокне определяется кривой амплитуды сигнала, спадающей слева (от входного конца волокна) направо (до выходного конца волокна). Оба сигнала, входной и рассеянный назад, затухают с расстоянием, при этом сигнал со временем уменьшается [3].

Время или рас стояние

Рис. 2. Типичная рефлектограмма импульсного оптического рефлектометра

Соединитель или концевой скол волокна, равно как любое несовершенство волокна, проявляются в виде увеличения амплитуды сигнала на дисплее, при этом вклад эффекта френелевского отражения в рассеянный назад сигнал значительнее по сравнению с вкладом релеевского рассеяния. Качество выполненного соединения может быть оценено по амплитуде рассеянного назад сигнала: большее рассеяние означает более высокие потери на соединении. Включение соединителя обусловливает как появление некоторого дополнительного рассеянного сигнала, так и спад мощности из-за дополнительных потерь. Величина вносимых соединителем потерь определяет его качество [9].

На рис. 2. приведена типичная рефлектограмма сигнала обратного рассеяния линейного тракта ВОСП. На ней можно выделить однородные участки Ь, которые обусловлены уменьшением уровня мощности за счет затухания в ОВ. Эти участки имеют наклон, определяющий коэффициент затухания. Кроме того, на рефлекто-грамме имеются некоторые особенности, обусловленные различными неоднородно-стями линейного тракта. Начальный выброс сигнала а вызван отражением от входного торца ОВ. Неразъемные соединители, от которых практически нет отражения, отображаются на рефлектограмме скачком затухания с. Выброс сигнала с перепадом затухания d возникает при наличии в линейном тракте разъемных соединителей, а также при наличии в ОВ дефектов (микротрещины, изменения показателя преломления, инородные включения и т.д.). Конец линейного тракта или место повреждения определяют по наличию отражения от выходного торца е и следующего за ним участка с резкими случайными перепадами уровня мощности, которые обусловлены шумами фотодетектора и усилителя [1,2].

Блок управления обеспечивает согласованную работу лазера и устройства отображения. Это, в частности, позволяет наблюдать рефлектограмму обратного рассеяния полностью или по частям.

По рефлектограмме можно определить;

• общее затухание линейного тракта или его участков и распределение затухания по длине,

• расположение неразъемных и разъемных соединителей и вносимые потери в них,

• длину линейного тракта или его участков и место повреждения ОВ.

Использование оптического рефлектометра для коротких ВОСП ограничивается наличием так называемой мертвой зоны, которая вызывается отражением от входного торца ОВ. В пределах мертвой зоны невозможно обнаружить неоднородности ли-

нейного тракта и измерить затухание. Размер мертвой зоны зависит от длительности импульса лазера, используемого в рефлектометре. При длительности импульса порядка 10-20 не она составляет приблизительно 5 м. Можно исключить влияние мертвой зоны, если перед измеряемым ОВ включить достаточно длинный поводок.

Измерение затухания с помощью оптического рефлектометра основано на том, что каждая точка однородного участка ОВ дает один и тот же уровень мощности обратного рассеяния. Уменьшение на рефлектограмме уровня оптической мощности с увеличением расстояния (времени) вызвано общим затуханием, а не только рассеянием. Затухание сигнала между точками 1 и 2 (см. рис.2) равно половине разности соответствующих уровней мощности 0,5-(р1-р2). Множитель 0,5 вводится потому, что оптическое излучение дважды проходит путь между точками 1 и 2. Однако, как правило, в современных оптических рефлектометрах масштаб вертикальной оси выбирают таким, чтобы этот множитель можно было не учитывать.

Таким образом, коэффициент затухания ОВ между точками 1 и 2 определяется по формуле

а= А - р = р - р , дБ/км

А - 12 п(*2 - О

Вид формулы (1) определяется градуировкой горизонтальной оси. Скорость распространения сигналов в ОВ определяется через скорость света в вакууме и эквивалентный показатель преломления п0 = с/п. Последний зависит от структурных параметров ОВ и длины волны излучения.

Выбор точек 1 и 2 осуществляется с помощью двух курсоров на экране, Если точки лежат на однородном участке ОВ, то формула (1) определяет коэффициент затухания ОВ, в остальных случаях определяется средний коэффициент затухания участка. Коэффициент затухания можно определить точнее, если измерить затухания с двух концов и рассчитать его как среднее значение двух результатов измерений. (Попутно отметим, что измерение с разных концов позволяет исключить влияние мертвой зоны).

Для определения вносимых потерь в неразъемных и разъемных соединителях измерения также следует проводить с обоих концов линейного тракта или его участка. Вносимые потери определяют по рефлектограмме как скачок затухания в месте расположения соединителей. Особенность рефлектограммы разъемного соединителя -наличие в месте соединения выброса сигнала, При измерении вносимого затухания этот выброс не учитывается.

Измерение расстояния вдоль линейного тракта или место повреждения (обрыва) ОВ осуществляется с помощью одного или двух курсоров, которые отмечают соответствующие точки на рефлектограмме. Расстояние, которое необходимо найти, определяют по формуле

Ь = ¡2 - ¡х = - ^ = ^^^.

п

Возможности измерений по методу обратного рассеяния определяются параметрами передачи ОВ и величиной динамического диапазона оптического рефлектометра. Современные серийные отечественные и зарубежные оптические рефлектометры, предназначенные для работы при Л = 1,3-1,6 мкм, имеют динамический диапазон 30-35 дБ. В зависимости от типа ОВ они обеспечивают измерение расстояния до 250 км при мертвой зоне не более 30 м. Погрешность измерения затухания не превышает 0,05 дБ, а расстояния - 5 м [10].

Свет распространяется по волокну со скоростью около 5 нс/м в зависимости от показателя преломления ядра. Время распространения коррелирует с расстоянием в соответствии с соотношением

» = С-,

2п

где Б - расстояние, проходимое светом вдоль волокна, с - скорость света, ^ - период прохождения входного импульса и п - среднее значение показателя преломления ядра волокна. Большинство ОТОЯ использует курсор для обозначения места нахождения особых точек на линии и показывает на дисплее расстояние до них в единицах времени или физической длины [4]. Например, можно измерить расстояние до соединителя с точностью до фута. Если кабель наматывается на некоторый центральный элемент, его измеряемая длина будет несколько больше действительной длины.

Величина диапазона длин, для которого пригодно использование ОТБЯ, зависит от двух характеристик. Во-первых, это динамический диапазон, который определяется минимальным и максимальным значениями оптической мощности, воспринимаемой детектором. Кроме того, определенную роль играют затухание волокна и потери на соединителях. Динамический диапазон ОТБЯ и потери внутри волоконной системы определяют максимальную длину оптического кабеля, которая еще может быть проверена на основе анализа улавливания рассеянного назад сигнала. В типичных для телекоммуникационных приложений волокнах с малыми потерями ОТБЯ может работать на длинах от 20 до 40 км [8].

Ввиду того, что рефлектометр использует встроенный процессор для анализа и представления на дисплее результатов, можно хранить в памяти форму сигнала.

Таким образом, ОТБЯ предоставляет большой объем информации о линии в целом и позволяет детально исследовать некоторые ее элементы.

Принципы работы ОТБЯ были адаптированы для использования в более дешевых устройствах. Например, оптический определитель повреждений также использует рефлектометрию для определения расстояния до повреждения. Обычно, однако, он указывает лишь расстояние до повреждения. К его достоинствам относятся низкая стоимость, компактность, возможность питания от гальванических элементов[5].

Как упоминалось выше, основные преимущества достигаются при использовании приборов с расширенным функциональным набором. Прибор, максимально соответствующий требованиям сегодняшнего дня, обязательно должен иметь два канала, режим сравнения, дифференциальный режим, цифровой отсчет по ёВКЬ, память (минимум 16 рефлектограмм) и, главное, компьютерный интерфейс. Такой рефлектометр не только полностью обеспечит сегодняшние потребности, но и позволит создать базу для квалификации и санации абонентских шлейфов под развертывание хОБЬ-оборудования.

Каждая кабельная линия, как и живой организм, обладает индивидуальными особенностями (тип и качество кабеля, его состояние, число соединений и т.п.), совокупность которых определяет ее параметры. Сотни мелких дефектов вносят свой вклад в итоговую ее характеристику, причем среди них один или несколько играют главную роль и определяют работоспособность линии. Один из самых сложных моментов в диагностике неисправностей кабельных линий - поиск таких дефектов среди всех имеющихся. Не менее сложен и важен поиск дефектов, которые с течением времени увеличиваются. Решить эту проблему с помощью классических мостовых измерителей емкости или сопротивления невозможно или чрезвычайно трудно [7].

Заключение

Развитие высокоскоростных волоконно-оптических сетей связи и внедрение на них технологии оптического усиления требует проведения высокочувствительных из-

мерений отражения с различением местоположения отражательных неоднородностей внутри компонентов систем передачи на субмиллиметровом уровне. Измерения первичных параметров оптоволокна можно провести с помощью оптического рефлектометра по величине соответствующего выброса сигнала на рефлектограмме или с использованием специальной установки для измерения возвратных потерь.

Именно для этих целей предназначена система рефлектометрии, которая обеспечивает возможность анализа внутренней структуры интегральных оптических устройств.

Литература

1. Gardner W.B., Nagel S R. // The Bell Syst. Tech. j. 1981. Vol. бе. №б. P.859.

2. Новохатко С.М. // Электротехническая промышленность. Кабельная техника. 1984. №12. С. 248.

3. Katsuyama Y., Mitsunaga Y., Ishida Y. // Appl. Optics. 198C. Vol. 19. № 24. P. 12CC

4. Алексеева Е.И., Гусев А.И., Милявский Ю.С. и др. // Высокомолекулярные соединения. 198б. № б. С.415.

5. Мурадян А.Г., Гольдфарб И.С., Иноземцев В.П. Оптические кабели многоканальных линий связи. М.: Радио и связь, 1987. 215 с.

6. Абрамов A.A., Бубнов М.М., Вечканов H.H. и др. Волоконная оптика. М.: Наука, 1987. 72 с.

7. Olshanshy R. // Appl. Optics. 1975. Vol. 14. №1. p.20.

8. Schultz P. // J. Am. Cer. Soc. 1974. Vol. 57. P.309.

9. Beller J. OTDRs and bacskscatter measurements. / In: Fiber Optics Test and Measurements / Editid by D. Derricson. New Jersey, Prentice Hall PTR, 1998, p.434.

10. Шаронин С.Г. Возможности современных рефлектометров. // Вестник Связи. 2CCC. № 08. С.З27.

11. Исаев С.К. Физика волоконно-оптических устройств. М.: МГУ, 198б. 328 с.

12. Сивухин Д. В. Общий курс физики - оптика. М.: Наука, 1980. С.201, 408-418.

13. Иванов A.B. Волоконная оптика. М.: Сайрус системе, 1999. 233 с.