Вимірювання у волоконно-оптичних системах передач

У процесі будівництва та технічної експлуатації ВОЛЗ проводиться комплекс вимірювань для визначення стану оптичного кабелю, лінійних споруд, якості функціонування апаратури лінійного тракту, попередження пошкоджень, а також накопичення статистичних даних з метою розробки заходів підвищення надійності зв`язку.

Специфіка техніки волоконно-оптичного зв`язку потребує спеціальних засобів вимірювання. Розроблена серійна апаратура для вимірювання характеристик та параметрів таких елементів ВОСП, як оптичний кабель, джерела випромінювання, розподільники оптичної потужності, пристрої оптичної комутації.

Вимірювання та контроль параметрів ОК починаються з його виробництва. У процесі виробництва контролюються параметри штабіків (заготовок, з яких витягується оптичне волокно), в цьому разі вимірюється профіль показника заломлення, апертурний кут. У процесі витягування ВС з заготовки здійснюється безперервний контроль діаметрів серцевини та оболонки. Після нанесення на ВС захисних покриттів вимірюються загасання та дисперсія ВС, профіль показника заломлення, апертурний кут. Для цих вимірювань використовується високоточна вимірювальна апаратура, що працює в автоматичному режимі.

Параметри та характеристики ОК та апаратури ВОСП, що вимірюються в умовах їх виробництва, оформляються у вигляді паспортних даних, які повинні відповідати діючим стандартам та технічним умовам.

На етапі будівництва ВОЛЗ здійснюється вхідний контроль кабелю, в ході якого перевіряється його зовнішній стан, наявність заводських паспортів, виконуються контрольні вимірювання параметрів ОК, перевірка ОВ на наявність неоднорідностей. На цьому етапі вимірюються такі параметри: загасання ОВ на будівельних довжинах та змонтованих дільницях регенерації; загасання, що вноситься з`єднанням ОВ (загасання зростків); рівні оптичної потужності на вихідних ПОМ та вхідних ПрОМ, коефіцієнт помилок.

При наявності в ОК металевих провідників проводяться вимірювання та випробування у відповідності з технічними умовами на кабель параметрів електричних кіл (електричного опору ізоляції металевих елементів) на постійному або змінному струмі.

В процесі експлуатації вимірювання виконуються для визначення технічного стану лінійних споруд та апаратури, попередження та усунення пошкоджень. Вимірювання поділяються на профілактичні, аварійні, контрольні.

Профілактичні вимірювання проводяться згідно з затвердженим планом. Ці вимірювання проводяться не рідше, ніш двічі на рік, вимірюється загасання в обох напрямках всіх ОВ, не підключених до діючих ВОСП. У разі відсутності вільних ОВ дозволяється вимірювати загасання ОВ, підключених до діючих ВОСП. Склад та обсяг вимірювань залежать від місцевих умов, стану кабелю.

Аварійні вимірювання проводяться з метою визначення місця пошкодження кабелю. Методи знаходження пошкоджень ВОЛЗ наведено в табл. 1.

Таблиця 1 - Методи знаходження пошкоджень у ВОЛЗ

Дані	Пошкодження	Метод вимірювання	Метод відновлення
А-Б>P	Збільшення загального загасання ділянки, на якій виконуються вимірювання	Вимірювання оптичними тестерами	Ремонт ОК
	Збільшення загасання окремих будівельних довжин	Вимірювання рефлектометром	Заміна будівельних довжин з підвищеним
	Збільшення загасання у місцях з`єднання ОВ	Вимірювання рефлектометром	Перемонтаж муфт з підвищеним загасанням
	Збільшення втрат у шнурі світловодному з`єднувальному (ШСЗ)	Вимірювання рефлектометром	Заміна ШСЗ з підвищеним
А-Б> 70 дб (Б-А)	Обрив ОВ	Вимірювання оптичними тестерами	Ремонт ОК
	Обрив ОВ у муфті	Вимірювання рефлектометром	Перемонтаж муфти
	Обрив ОВ в ОК	Вимірювання рефлектометром	Монтаж вставки в ОК
А-Б>>Б-А (Б-А) (А-Б)	Пошкоджений роз`єм ШСЗ на станції А (Б)	Вимірювання оптичними тестерами	Заміна ШСЗ на станції А (Б)

Примітка: Р - енергетичний потенціал системи, дБ; - загасання кабелю.

Контрольні вимірювання здійснюються після ремонту з метою визначення якості ремонтно-відновлювальних робіт, відповідність параметрів ОК встановленим нормам.

2. Вимірювання потужності оптичного випромінювання

Вимірювання оптичної потужності необхідно на стадіях будівництва та експлуатації ВОЛЗ. Для вимірювання оптичної потужності використовуються непрямі методи, в яких оптична енергія перетворюється в інші види, що легко вимірюються.

Одним з таких методів є тепловий. Енергія оптичного випромінювання в цьому разі за допомогою термоелектричних перетворювачів перетворюється в електричний струм. Перевагою цього методу є неселективність до довжини хвилі оптичного випромінювання (діапазон хвиль складає 0,33-10,6 мкм), недоліком методу є його мала чутливість (Р10 -3 Вт) та велика похибка вимірювань (5-6 %). Слід зазначити, що у ВОСП доводиться вимірювати досить малі значення оптичної потужності, які складають близько одного нановата. У сучасних приладах використовують фотоелектричні вимірювачі оптичної потужності (ВОП), що значно перевищують теплові за чутливістю.

У фотоелектричних ВОП оптична потужність перетворюється в електричний струм, або напругу, які реєструються. Фотоперетворювачами є напівпровідникові фотодіоди. Якщо на світлочутливу площадку падає потужність випромінювання Р, у колі навантаження ФД протікає електричний струм

І=ІФ+ІТ=Р/SІ+ІТ, (1)

де ІФ - струм, що пропорційний оптичній потужності Р, ІТ - темновий струм, SІ - інтегральна струмова чутливість ФД, А/Вт, на робочій довжині хвилі.

В залежності від вікна прозорості використовують кремнієві (1-е вікно) та германієві (2-е, 3-є вікна прозорості) детектори. Чутливість вимірювача обмежується темновим струмом.

Потужності, що необхідно реєструвати, дуже малі (1 нВт), струм, що генерується ФД також досить малий (1 нА), тому необхідне його підсилення. Структурна схема ВОП, що може працювати в широкому діапазоні потужностей (1 нВт-1 мВт), наведена на рис. 1.

У схемі використовується перетворювач «струм-напруга», що виконується на операційному підсилювачі. Перемикач П змінює опір резистора у колі зворотного зв`язку.

Вибираючи відповідні значення опору зворотного зв'язку RЗЗ, можна на виході підсилювача одержати напругу, що легко вимірюється ( 0,1 В). Індикатор градуюється в одиницях потужності.

Рисунок 1 - Структурна схема ВОП для широкого діапазону потужностей

Напруга на виході підсилювача при ІФ<<ІТ дорівнює

U= I RЗЗSI . (2)

Серійно випускається декілька різновидів ВОП, що звуться оптичними тестерами, для кожного вікна прозорості (ОМЗ-66, ОМЗ-76А, ОМЗ-76В та ін.). Ці прилади мають цифрову індикацію. Структурна схема оптичного тестера наведена на рис. 2.

Рисунок 2 - Структурна схема оптичного тестера

Кабель, загасання якого вимірюється, через оптичні роз`єми 4 підключається до ПОМ 1 та ПрОМ 2. Оптичний тестер дозволяє вимірювати оптичну потужність як у абсолютних одиницях (Вт), так і у відносних (дБп). Власна похибка вимірювань оптичної потужності не перевищує 0,5 дБп. Похибка при вимірюванні залежить від загасання в оптичних з`єднувачах, тому при вимірюванні важливо забезпечити надходження усього потоку випромінювання з одного боку на об`єкт вимірювання, з іншого - на світлочутливу поверхню ФД. Недоліком фотоелектричних ВОП є вузький спектральний діапазон, що потребує окремих комплектів для кожного вікна прозорості, температурна нестабільність, неможливість вимірювати високі рівні потужності, перевагою цих приладів є висока чутливість, широкий діапазон потужностей, що вимірюються (10 -9 -10 -2 Вт), портативність.

3. Вимірювання геометричних параметрів ОВ

До геометричних параметрів ОВ належать розміри серцевини ОВ, оболонки ОВ (поперечні параметри) та його довжина (подовжній параметр).

Зміна розмірів серцевини ОВ по його довжині суттєво впливає на процес передачі енергії, відхилення ж діаметра оболонки від номінального, особливо при її достатній товщині, на розповсюдження світлової енергії практично не впливає.

На процес розповсюдження хвиль впливають такі дефекти ОВ, як несоосність серцевини та оболонки, еліптичність серцевини та оболонки, відхилення діаметрів серцевини та оболонки від номінальних значень. Ці дефекти спричиняють додаткові втрати при з`єднанні ОК. Найбільш суттєво дефекти ОВ впливають при виготовленні пасивних елементів трактів ВОСП на основі волоконної технології.

Вимоги до стабільності геометричних параметрів ОВ значно збільшуються для одномодових ОВ. Норми на відхилення геометричних параметрів встановлені МККТТ.

Оптичне волокно виготовляється методом витягування із заготовки, в якій сформовано потрібний профіль показника заломлення. Усі викривлення її геометричної форми, а також профіль показника заломлення передаються ОВ, що витягується. Тому на стадії виготовлення ОВ ретельно контролюються параметри заготовки. В одномодових ОВ вимірюється також діаметр модової плями.

4. Вимірювання числової апертури

Числову апертуру необхідно визначати для кращого узгодження при з`єднанні ОВ між собою, а також з джерелами оптичного випромінювання. Неузгодженість числових апертур ОВ, що з`єднуються, може викликати додаткові втрати приблизно 1 дБ, що перевищує кілометричне загасання кабелю.

Існує декілька методів вимірювання числової апертури: метод кілець, метод ближньої зони та метод дальньої зони. Найбільш простим методом, що не потребує спеціального обладнання, є метод дальньої зони. Принцип вимірювання числової апертури наведено на рис. 3.

Апертурний кут ОВ, в якому існує рівноваговий розподіл мод виміряється шляхом спостереження розподілу оптичної потужності в дальній зоні, або на відстані L > 104b2/ від вихідного торця ОВ. Для 1 мкм, b =125 мкм, L>15см. На цій відстані встановлюється екран. Поверхня торця ОВ повинна мати скіл нормальний до подовжньої осі ОВ та бути гладкою. Якщо діаметр світової плями, що спостерігається на екрані, дорівнює d, то визначимо апертурний кут та числову апертуру NA

= arctg d/2L, NA= sin.

На рис. 4 наведена схема експериментальної установки для вимірювання числової апертури.

Рисунок 4 - Схема установки для вимірювання числової апертури

З джерела когерентного випромінювання 1 за допомогою трикоординатного маніпулятора 2 світло вводиться в ОВ, для досягнення рівновагового розподілу мод та прискорення їх витікання з оболонки використовується фільтр мод оболонки (ФМ) (або модовий фільтр) 3. Вимірювач оптичного випромінювання 4 з ФД переміщується по координаті . Графік залежності нормованої потужності випромінювання в дальній зоні (в частині тілесного кута) від спрямованості наведений на рис. 5.

Рисунок 5 - Залежність потужності випромінювання кута

Апертурний кут 0,1 визначається як половина площинного кута при верхівці світлового конуса вихідного випромінювання, що складає рівень 0,1 від максимального. Числова апертура дорівнює NA = sin0,1.

5. Вимірювання профілю показника заломлення

Профіль показника заломлення є одним з основних параметрів ОВ, що визначає його смугу пропускання. Для вимірювання профілю показника заломлення використовуються різні методи: інтерферометричні, променеві, розсіювання, сканування відбиття від торця світловода, просторового розподілу випромінювання (в ближній та дальній зонах).

Найбільш точними є інтерферометричні засоби вимірювання, однак вони потребують спеціальної обробки торців ОВ та складного обладнання.

Найчастіше використовується метод просторового розподілу випромінювання в ближній зоні (метод ближнього поля). Сутність методу в тому, що при рівномірному збудженні всіх мод, яке можливе при використанні ламбертового випромінювача, потужність випромінювання в будь-якій точці перетину волокна пропорційна різниці показників заломлення в даній точці та оболонці, тобто пропорційна квадрату локальної числової апертури. При рівномірному збудженні ОВ на вхідному торці ОВ методом сканування вимірюється потужність в різних точках перетину вихідного торця, профіль показника заломлення можна знайти за формулою

, (3)

де Р(0) - потужність оптичного випромінювання, виміряна по центру ОВ, Р(r) - на відстані r від центру ОВ, a - радіус серцевини ОВ.

Засобами відеодіагностики досить просто реалізується метод просторового розподілу у дальній зоні. Схема вимірювань наведена на рис. 6.

Оптичне випромінювання надходить на торець ОВ, приймається об`єктивом відеокамери на другому кінці та відображається на моніторі у вигляді плями. Інтенсивність свічення кожної точки пропорційна потужності випромінювання в ближній зоні вихідного торця світловода. На екрані осцилографа спостерігається зміна інтенсивності свічення уздовж будь-якого вибраного рядка.

Рисунок 6 - Структурна схема вимірювання профілю показника заломлення засобами відеодіагностики

6. Вимірювання загасання ОВ та втрат на зростках

Принцип вимірювання коефіцієнта загасання за характеристикою зворотного розсіювання ОВ полягає в наступному. На лінійній монотонній дільниці характеристики будівельної довжини ОВ виділяють дві точки, в яких вимірюють потужності зворотнорозсіяного потоку (рис. 6). Загасання дільниці визначається як різниця рівнів (Р1- Р2 ), коефіцієнт загасання визначається згідно з (5).

Більшість рефлектометрів передбачає режим вимірювання загасання, при якому оператор на рефлектограмі розміщує два маркери. Подальші операції виконуються автоматично, на пристрій відображення виводиться значення коефіцієнта загасання.

В місці з`єднання ОВ виникають зміни модового складу оптичного випромінювання, що веде до спотворення рефлектограми в деякій зоні поблизу місця з`єднання. Протяжність цієї зони сягає 100-200 м, тому оцінка загасання стика, що одержується безпосередньо як різниця рівнів оптичної потужності зворотного розсіювання до та після стика, має велику похибку, що може сягати 100% та більше.

Засіб вимірювання загасання на стиках ОВ, що застосовується у більшості рефлектометрів, полягає у наступному. Дільниці характеристики зворотного розсіювання в ОВ у будівельних довжинах до та після стика апроксимуються відомою залежністю (найчастіше лінійною). Потім шляхом екстраполяції вперед (характеристика до стика) та назад (характеристика після стика) оцінюються рівні оптичної потужності зворотнорозсіяного потоку в кінці першої (Р1) та на початку другої (Р2) будівельних довжин ОВ, що з`єднуються, тобто на місці стика.

Загасання стика оцінюється як різниця

Більшість рефлектометрів виконують це вимірювання в автоматичному режимі. Найчастіше застосовується засіб п`яти точок, що реалізований у рефлектометрах фірм «Anristu», «Wavetek» та ін. Оператор в режимі «Вимірювання загасання на стиках ОВ» розміщує п`ять маркерів (рис. 7): два (1, 2) на монотонно спадаючій характеристиці однієї будівельної довжини, два (4, 5) - на монотонно спадаючій характеристиці наступної будівельної довжини та один маркер (3) в місці стика.

Важливо, щоб маркери 1, 2 та 4, 5 не були встановлені на викидах та провалах характеристики. В режимі лінійної апроксимації через точки 1, 2 та 4, 5 начебто проводяться прямі лінії. Відстань уздовж осі ординат між цими прямими Р в точці встановлення маркера 3 пропорційна значенню втрат в місці стика. Весь процес вимірювання після встановлення маркерів автоматизовано, результат вимірювань виводиться на пристрій відображення.

Як відзначено вище, вигляд дільниці характеристики зворотного розсіювання в місці нероз`ємного з`єднання ОВ визначається втратами енергії та френелівським відбиттям в місці з`єднання ОВ з різними показниками заломлення серцевин. Відбиття значно більше впливають на рівень потоку зворотного розсіювання, ніж прямого потоку. Фактично при вимірюванні загасання стика за характеристикою зворотного розсіювання вони вносять систематичну похибку. При вимірюваннях з протилежних кінців лінії ця похибка входить в одержані оцінки з різними знаками. Тому з метою виключення цієї похибки загасання в зростку вимірюється з протилежних кінців лінії, кінцевий результат дорівнює середньоарифметичному значенню результатів вимірювань з урахуванням їх знака. Згідно з рис. 7 маємо:

загасання стика при вимірювання з кінця А дорівнює

;

загасання стика при вимірюванні з кінця Б дорівнює

;

загасання, що вноситься нероз`ємним з`єднанням, дорівнює

Сучасні пристрої для зварювання оптичних волокон забезпечують досить низькі втрати. Так, наприклад, вітчизняний пристрій «Сова-20», забезпечує втрати у зварному з`єднанні, що не перевищують 0,08 дБ для багатомодових ОВ та 0,03дБ для одномодових ОВ. Апарат FSM-305 фірми «Fujikura» забезпечує втрати у зварному з`єднанні, що не перевищують 0,02 дБ для багатомодових ОВ, та 0,01 дБ для одномодових ОВ.

Вимірювання відстані до місця неоднорідності виконується безпосередньо за допомогою рефлектограми шляхом вибору режиму вимірювань та встановлення маркера у відповідному місці рефлектограми, результат вимірювань виводиться на пристрій відображення.