Методы измерения затуханий в оптическом волокне

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеоальное агенство связи РФ

ВГОБУ ВПО «СибГУТИ»

Кафедра «Линий связи»

Индивидуальное задание

«Методы измерения затуханий в ОВ»

Выполнил: ст.гр. М-03

Масалов Алексей

Проверил: Бутенков В.В

Новосибирск

2014

Методы измерения затуханий в ОВ

Затухание является мерой уменьшения оптической мощности в волокне. Оно зависит от характера и длины волокна, на него также влияют условия измерения. При неконтролируемых условиях ввода обычно возникают моды утечки высшего порядка, которые вызывают переходные потери и приводят к затуханию, не пропорциональному длине волокна. Контролируемые условия ввода, создающие распределение мод, соответствующее установившемуся состоянию, приводят к затуханию, пропорциональному длине волокна. В таких условиях установившегося состояния может быть определено линейное значение затухания волокна. Затухания соединенных волокон складываются линейным путем.

Таблица1-Методы измерения передающих и оптических параметров

Затухание А(л) (дБ) на длине волны л между двумя плоскостями поперечного сечения 1 и 2, расстояние между которыми равно L, определяется следующим образом:

где P1 - оптическая мощность, проходящая через площадь поперечного сечения 1; P2 - оптическая мощность, проходящая через площадь поперечного сечения 2. оптический затухание волокно спектральный

Для однородного волокна в состоянии равновесия можно определить затухание (дБ) на единицу длины, или коэффициент затухания:

который не зависит от выбранной длины волокна.

Для измерения затухания применяют три метода:

1) обрыва;

2) вносимых потерь;

3) обратного рассеяния.

Метод обрыва применяется непосредственно для определения затухания, причем уровни мощности P1 и P2 измеряются в двух точках волокон без изменения условий ввода. P2 является мощностью, излучаемой в конце световода, а P1 - мощность, излучаемая у ввода в точке среза волокна. Принцип измерения не позволяет получить информацию о распределении затухания вдоль волокна. Трудно также измерить изменения затухания под действием различных условий. Но в определенных условиях этот метод обеспечивает наиболее точное измерение затухания, строго отвечающее его определению. В некоторых случаях разрушающий характер этого метода делает его неприемлемым.

Метод вносимых потерь в принципе аналогичен методу обрыва, но P1 является мощностью, излучаемой на выходе системы ввода. Измеренное значение затухания испытываемого волокна, включающее влияние измерительной аппаратуры, должно быть скорректировано по дополнительным потерям в соединении, соответствующим потерям на эталонной длине волокна. Этот метод также не позволяет анализировать затухание по длине волокна, но по предварительно известной мощности P1 возможно непрерывно измерять изменение затухания в зависимости от изменений условий окружающей среды, таких как температура или прикладываемая нагрузка. Этот метод применим также для измерений на кабелях, имеющих соединители.

Методом обратного рассеяния измеряется оптическая мощность, которая рассеивается в обратном направлении к началу волокна из различных его точек. Измерение проводится с одной стороны. На измерение влияют скорость распространения света в волокне и его поведение в режиме обратного рассеяния. Если эти два параметра являются постоянными, что обычно наблюдается для отдельных длин волокон, то результат измерения затухания может быть достаточно точным, если соблюдаются установленные условия ввода. Измерение позволяет анализировать затухание вдоль всего волокна или на отдельных отрезках, а также на линиях, образованных соединенными волокнами, и определять затухание соединений. В некоторых случаях следует проводить измерение с обоих концов, чтобы исключить эффекты обратного рассеяния, зависящего от направления распространения. Кроме того, этим методом может быть измерена длина волокна.

Метод обрыва

Условия ввода должны быть такими, чтобы избежать ввода мощности в переходные моды высшего порядка. При отсутствии ввода в эти переходные моды испытываемого волокна будут измерены затухания отдельных участков, суммирующиеся практически линейным образом. Поскольку эти распределения мощности существенно не изменяются волокном, они называются распределениями в установившемся состоянии.

Существуют два метода для обеспечения условий ввода в установившемся состоянии для измерения затухания: фильтры мод и ввод с помощью систем геометрической оптики. При соответствующем применении этих методов могут быть получены сравнимые результаты. Типовой пример схемы ввода, использующей фильтр мод, приведен на рис 1.

Рис.1-Аппаратура для измерения затухания на установленной длине волны: 1 - светоизлучающий диод или лазер; 2 - смеситель мод; 3 - лампа; 4 - линза; 5 - фильтр мод; 6 - устройство выделения мод оболочки; 7 - ввод.

Вывод мод оболочки обеспечивает то, что ни одна из мод излучения, распространяющаяся в зоне оболочки, не может быть обнаружена после короткого расстояния по длине волокна. Часто для вывода мод оболочки применяется материал, показатель преломления которого равен или более показателя преломления оболочки волокна. Это может быть достигнуто применением жидкости для согласования показателей преломления на отрезке волокна, с которого снята оболочка, вблизи его концов; само покрытие волокна также может обеспечивать вывод мод оболочки.

Мощность, вводимая до фильтра мод, должна представлять существенно однородное распределение. При таком источнике как светодиод или лазер, не удовлетворяющем этому условию, необходимо использовать смеситель мод. Он должен иметь соответствующее устройство из волокна (например, цепочку профилей показателей преломления: ступенчатый - градиентный - ступенчатый).

В качестве примера условий ввода можно использовать фильтр мод в виде инициирующего волокна. Волокно выбирается того же типа, что и испытываемое волокно. Его длина должна быть достаточной (обычно равной или более 1 км), чтобы распределение мощности, передаваемой по этому волокну, было стабильным при применении соответствующего источника ввода.

Другой тип фильтра мод представляет собой стержень с несколькими витками (обычно 3-5 витков) испытываемого волокна, намотанными со слабым натяжением. Диаметр стержня выбирается таким, чтобы обеспечить затухание переходных мод, возбуждаемых в испытываемом волокне, до достижения устойчивого состояния.

Измерение в поле дальней зоны должно проводиться для сравнения распределения мощности, излучаемой на выходе испытываемого волокна большой длины (более 1 км), когда она возбуждается источником, обеспечивающим однородное насыщение, с распределением мощности, излучаемой на выходе волокна короткой длины, намотанного на стержень. Диаметр стержня выбирается таким, чтобы получить распределение в поле дальней зоны на короткой длине, приблизительно соответствующее распределению в поле дальней зоны на большой длине волокна.

Числовая апертура (измеряемая в соответствии с методом распределения света в дальнем поле) диаграммы излучения на конце короткой длины должна находиться в диапазоне 94-100 % числовой апертуры диаграммы, соответствующей большой длине.

Диаметр стержня может быть различным в зависимости от типа волокна и покрытия. Обычно диаметр стержня составляет 15-40 мм с пятью витками волокна, при длине стержня около 20 мм. Сочетание функций смесителя и фильтра мод может быть реализовано с помощью устройства, содержащего определенное число металлических шариков (размером 1-5 мм), расположенных произвольно, нос выровненной общей поверхностью. Волокно такого же типа, что и испытываемое, кладется на эту поверхность шариков и прижимается сверху на длине около 0,5 м. Регулированием силы нажима можно обеспечить регулирование распределения мощности, излучаемой на конце волокна короткой длины.

Ввод с пространственным ограничением (ПО) определяется как ввод, производимый геометрической оптикой, заполняющий одинаково 70 % диаметра сердечника и 70% числовой апертуры испытываемого волокна.

Это максимальное геометрическое распределение мощности, которое невводит мощность в быстро затухающие моды. Так, в случае многомодового градиентного волокна 50/125 мкм с числовой апертурой 0,2 условия ввода ПО соответствуют диаметру однородного пятна 35 мкм и числовой апертуре 0,14.

На рис. 2 приведен пример оптической схемы, используемой для ввода ПО. Следует обеспечить совпадение оси вводимого пучка с осью волокна, при этом пятно и конус падающего света должны быть сцентрированы с сердечником волокна. Кроме того, оптическая система ввода должна быть рассчитана на используемые длины волн для обеспечения правильного измерения.

Рис.2 - Аппаратура для измерения спектрального затухания: 1 - лампа; 2 - промежуточная линза; 3 - апертура, определяющая пятно; 4 - линза; 5 -апертура, определяющая числовую апертуру; 6 - ИК визир; 7 - линза; 8 - ввод

Измерения могут проводиться на одной или нескольких длинах волн. В качестве варианта может потребоваться спектральная кривая затухания для всего диапазона длин волн. На рис. 1, 2 в качестве примера представлены схемы монтажа испытательной аппаратуры.

Выбор оптического источника (лампа, лазер или светоизлучающий диод) зависит от типа измерения. Источник должен быть устойчивым по положению, интенсивности и длине волны в течение достаточно длительного периода, во время которого проводится измерение. Ширина спектральной линии (между точками при 50 % оптической интенсивности используемого источника) должна быть определена таким образом, чтобы она была узкой по отношению к любой характеристике спектрального затухания волокна. Это волокно должно быть ориентировано по конусу ввода или соединено коаксиально с волокном ввода.

Должна использоваться большая детектирующая поверхность, чтобы захватывать любое излучение конуса или конусов на выходе. Если приемное устройство уже имеет приемный вывод, то он должен иметь диаметр сердечника и числовую апертуру, достаточные для поглощения всего света, выходящего из эталонного и испытываемого волокон.

Спектральная чувствительность должна быть совместимой со спектральными характеристиками источника. Детектирование должно быть однородным и иметь линейные характеристики.

Как правило, источник света модулирует с целью улучшения соотношения сигнала (шум при приеме). Если принимается такой метод, то детектор должен быть соединен с системой обработки сигнала, синхронизированной с модулирующей частотой источника. При этом необходимо, чтобы система обнаружения была практически линейной или имела известные характеристики.

Для подавления оптической мощности, распространяющейся в оболочке, должна использоваться соответствующая техника, если это оказывает заметное влияние на принимаемый сигнал.

При проведении измерений испытываемое волокно монтируют на измерительном устройстве, фиксируют выходную мощность P2. Поскольку условия ввода сохраняются постоянными, волокно обрезают на требуемой длине (например, в двух метрах от точки ввода). Фиксируют выходную мощность P1 для длины обрезанного волокна. Затухание волокна между точками, в которых измерены P1 и P2, может быть вычислено по известным P1 и P2

Метод вносимых потерь

Альтернативным методом измерения затухания является метод вносимых потерь. В этом методе, как и в предыдущем, условия ввода в эталонное и испытываемое волокно должны быть одинаковыми.

Измерения могут проводиться на одной или нескольких длинах волн; в качестве варианта спектральный отклик может быть рекомендован по всему диапазону длин волн. Схемы монтажа испытательной аппаратуры представлены в качестве примера на рис. 3 (калибровка) и рис.4 (измерение).

Рис.3 - Калибровка при измерении вносимых потерь: 1 - светоизлучающий источник; 2 - цепь питания; 3 - система ввода; 4 - детектор с дополнительным подводящим волокном; 5 - эталонное волокно; 6 - усилитель; 7 - измеритель уровня

Рис.4 - Измерение вносимых потерь: 1 - светоизлучающий источник; 2 -цепь питания; 3 - система ввода; 4 - детектор с дополнительным подводящим волокном; 5 - усилитель; 6 - измеритель уровня.

Метод вносимых потерь требует применения очень точного устройства соединения волокна с волокном, чтобы свести до минимума потери, вносимые соединением, и обеспечить надежные результаты. Это соединительное устройство может быть в виде механической подвижной системы, контролируемой визуально, или в виде соединителя с регулированием положения сердечник-сердечник. Эталонное волокно может быть того же типа, что и испытываемое.

При проведении измерений измерительное устройство калибруют для получения эталонного уровня на входе P1. Для начальной калибровки используют тот же тип волокна, что и эталонное волокно. Длина эталонного волокна должна быть незначительной (например, 2 м), чтобы можно было пренебречь его затуханием. Испытываемое волокно соединяют с измерительным устройством, и соединение регулируют с целью получения максимального уровня на оптическом детекторе. Мощность на выходе P2 фиксируют. Затухание испытываемого волокна (дБ) вычисляют по формуле:

Если затуханием эталонного волокна нельзя пренебречь, его следует прибавить к вычисленному значению. В результате испытаний фиксируют спектральное затухание, дБ, или линейное затухание, дБ/км, в зависимости от длины волны или одной или нескольких заданных длин волн, в соответствии с установленным в технических условиях.

Метод обратного рассеяния

Другим альтернативным методом измерения затухания в однородном образце оптического волокна является метод обратного рассеяния. Он может быть использован для контроля оптической целостности, физических дефектов, мест сварки и обратного рассеяния в оптических волокнах, а также для определения длины волокна.

Для измерения затухания может быть использована методика, описанная в методе обрыва. Для контроля других параметров условия ввода излучения могут зависеть от параметров, которые подвергаются проверке. Во всех случаях, для того чтобы снизить френелевское отражение на входе волокна, могут быть использованы различные устройства, например поляризаторы или материалы с близкими показателями преломления. Вносимые потери должны быть минимальными.

Уровень оптического сигнала обратного рассеяния обычно невелики близок к уровню шума. Для улучшения отношения сигнал-шум и динамического диапазона измерений используют мощный источник света совместно с устройством для обработки детектированного сигнала.

Кроме того, для получения компромиссного значения между разрешающей способностью и энергией импульса точная пространственная разрешающая способность может потребовать регулирования ширины импульса. Особое внимание должно быть уделено минимизации френелевского отражения. Оптические нелинейные эффекты должны быть исключены для волокна, подвергаемого испытанию.

Пример устройства показан на рис. 5. Источник оптического излучения должен быть стабильным мощным источником с соответствующей длиной волны, таким как полупроводниковый лазер. Длина волны источника должна быть зафиксирована. Ширина импульса и частота повторения импульсов должны соответствовать требуемой пространственной разрешающей способности и длине волокна. Детектор должен обеспечивать максимальный захват мощности обратного рассеяния. Чувствительность детектора должна соответствовать уровню и длине волны детектируемых сигналов. При изменении затухания чувствительность детектора должна быть, в основном, линейной.

Для улучшения соотношения сигнал-шум необходима обработка сигнала и желательно иметь в системе детектирования логарифмическую чувствительность. За оптическим детектором должен быть установлен соответствующий усилитель, что делает уровень сигнала достаточным для его обработки. Ширина полосы пропускания усилителя выбирается как среднее между временной разрешающей способностью и требованиями по снижению уровня шума.

Рис.5 - Схема устройства обратного рассеяния: 1 - источник света; 2 - оптическая система; 3 - устройство соединения; 4 - испытываемое волокно; 5 - оптический детектор;6 - усилитель; 7 - устройство обработки сигналов; 8 - осциллограф; 9 - система сбора данных.

При проведении испытаний испытываемое волокно устанавливают на одном уровне с устройством соединения. Мощность, рассеянную в обратном направлении, анализируют с помощью устройства для обработки сигналов и регистрируют на логарифмической шкале. На рис. 6 представлена типичная кривая. Если зарегистрированная кривая имеет приблизительно постоянный наклон (зона b), затухание (дБ) между двумя точками А и В кривой, соответствующими двум площадям поперечного сечения волокна, можно выразить следующим образом:

где PA и PB - соответствующие уровни мощности, представленные на логарифмической шкале. В приведенном уравнении в точках А и В использованы одни и те же коэффициенты обратного рассеяния. При необходимости могут быть проведены двунаправленные измерения совместно с числовыми расчетами с целью повышения точности результата и учета влияния на затухание дефектов волокна.

Рис.6 - Кривая мощности, рассеянной в обратном направлении

В результате измерений регистрируется кривая на логарифмической шкале, указывающая затухание в образце в децибелах, и, при необходимости, коэффициент затухания (дБ/км). Анализ этой кривой (см. рис. 6) показывает, что кроме измерения затухания, с помощью метода обратного рассеяния могут контролироваться:

- отражение, причиной которого является устройство соединения на входном конце волокна;

- прерывность за счет локальных дефектов, сростков или соединений;

- отражение за счет диэлектрических дефектов;

- отражение на конце волокна.

Метод обратного рассеяния является одним из основных методов измерения как для многомодовых, так и для одномодовых волокон. По сравнению с другими методами измерения затухания, такими как метод вносимых потерь, данный метод позволяет получить единое значение полных потерь, а также произвести оценку волокна или соединений волокон по всей длине.

Поскольку метод обратного рассеяния дает не только прямые потери, но и потери при обратном рассеянии, измеренное значение включает в себя значение потерь волокна и характеристики рассеяния. Характеристики обратного рассеяния зависят от длины волны, в результате чего измерения на различных длинах волны дают различные результаты. Рассмотрим интерпретацию характеристик обратного рассеяния.

На рис. 7 представлена кривая обратного рассеяния, отражающая большую часть наиболее часто встречающихся явлений. В приведенных примерах вертикальная ось (Y) логарифмическая. Поэтому кривая обратного рассеяния с постоянным наклоном характерна для волокна с постоянным коэффициентом затухания. В диапазоне от А до В (диапазон а) кривая обратного рассеяния имеет постоянный наклон. Это свидетельствует об однородности волокна и поэтому, хотя измерения должны выполняться в обоих направлениях, позволяет провести измерение с одного конца. Затухание вычисляется между двумя точками А и В, причем обе должны находиться вне вероятных мертвых зон. Измеренное с обеих сторон среднее значение есть затухание. В этом случае может быть определен также коэффициент затухания. Даже если наклон по всей длине волокна не является строго постоянным (а)-(d), характеристики волокна могут быть аппроксимированы с помощью общих средних квадратических расчетов с учетом коэффициента корреляции.

Рис.7 - Пример кривой обратного рассеяния: 1 - экстраполяция; 2 - длина.

В диапазоне b перепад в точке В свидетельствует об изменении локализованных потерь, вызванных внешними воздействиями, например сращиванием, или внутренними причинами. Если этот диапазон вызван сращиванием, он может быть положительным (b2) или отрицательным (b1). Он суммирует потери при сращивании и различия обратного рассеяния у двух волокон. По этой причине измерения должны выполняться на обоих концах. Локальные потери определяются как среднее значение двух измерений.

Для точного определения результата достаточно экстраполировать кривые на обеих сторонах относительно точки В. При этом длина перепада зависит от ширины импульса. Если данный перепад длиннее рассчитанного по ширине импульса, дефект может располагаться в участке волокна с более высоким затуханием или же может быть несколько перепадов, расстояние между которыми настолько мало, что его невозможно определить путем таких измерений.

Нерегулярности, подобные представленным на участке (с) (см. рис. 7), образованы за счет резкого увеличения обратного рассеяния. Их вклад в затухание может быть определен тем же путем, что и для диапазона (b).

В диапазоне (d) в некоторых случаях наклон кривой непостоянен подлине волокна, в результате чего появляется изгиб, который может быть или выпуклым (d2) или вогнутым (d1). Такой изгиб для ближнего конца волокна может образоваться в результате распространения оболочечных мод вследствие недостаточной их фильтрации. Изгиб может быть вызван внутренними и внешними воздействиями. Если воздействие является внутренним и не вызывает изменения затухания за счет поглощения, то причина заключается в постоянном изменении числовой апертуры для многомодовых волокон или в постоянном изменении диаметра поля моды для одномодовых волокон. Если воздействие является внешним, то причина может быть связана с увеличивающимся воздействием на волокно покрытия или кабеля в процессе его прокладки.

Внутренние и внешние воздействия обычно можно различить, приложив к волокну или кабелю дополнительную силу или изменив температуру. Характеристики, не изменяющиеся в этом случае, присущи самому волокну, изменяющиеся характеристики определяются внешними воздействиями.

В диапазоне (e) конец волокна или любая неоднородность волокна вызывают сильное положительное отражение (e1) за счет эффектов Френеля или большие потери мощности обратного рассеяния (e2) при отсутствии эффектов Френеля. Отражение также свидетельствует об изменении значения показателя преломления, которое может иметь место при механическом сращивании.

В некоторых случаях наклон непостоянен, и на кривой имеют место пульсации продолжительностью порядка одной ширины импульса. Обычно такого рода пульсации не формируются под действием периодических флуктуаций профиля показателя преломления, например числовой апертуры в многомодовых волокнах и диаметра поля моды в одномодовых волокнах. Они связаны со свойствами измерительного оборудования, и предполагается, что они могут усиливаться по мере приближения испытываемой длины волокна к предельной длине, определяемой динамическим диапазоном оборудования для обратного рассеяния. Указанные нерегулярности могут быть исключены с помощью аппроксимации методом наименьших квадратов. В этих случаях измерения должны выполняться на обоих концах волокна.

Внешние воздействия влияют на кривую обратного рассеяния. Внешние воздействия - это растягивающие усилия или поперечные нагрузки, прилагаемые к кабелю и передаваемые волокну или волокнам в кабеле, или температурные изменения.

Изменения затухания (обычно только на одном конце волокна) измеряют до, во время и после воздействия внешних сил на волокно или кабель. Характеристики кривой обратного рассеяния, которые являются следствием внутренних эффектов в волокне, остаются неизменными. Это такие неоднородности, как (b) и (c), волнистость и изгибы (d) внутреннего происхождения. Изгиб (b), вызванный сращиванием, может измениться. Изгиб, образовавшийся вследствие приложенных ранее внешних сил, может также измениться под действием дополнительных внешних сил.

По изменению кривизны изгиба можно определить, вызван он внутренними или внешними воздействиями. Если изгиб является результатом внутренних причин, его кривизна остается постоянной на участке (рис. 8, а, б), хотя средний наклон всей кривой (пунктирная линия) может линейно возрастать вдоль ее длины вследствие равномерных внешних воздействий. Изменения кривизны изгиба происходят в результате внешних причин (рис. 8, а и в).

Рис.8 - Исследование изгиба: 1 - причина образования изгиба; 2 - внутренняя; 3 - внешняя; 4 - до воздействия; 5 - после воздействия.

В случае постоянного наклона кривой до воздействия внешних сил (см. участок (а) на рис. 8) может происходить следующее:

1) наклон остается неизменным, затухание без изменения;

2) наклон изменяется, но остается плавным линейное увеличение затухания (рис. 9, а);

3) участок с постоянным наклоном превращается в дугу вдоль длины волокна - постоянное увеличение затухания, которое может быть вызвано слишком плотной намоткой кабеля. Количественная оценка в данном случае невозможна (рис. 9, б);

Рис.9 - Изменение обратного рассеяния: 1 - до воздействия; 2 - после воздействия.

4) наклон увеличивается вдоль длины, постоянное увеличение затухания на отдельном участке волокна (рис. 9, в);

5) в дополнение к вышеуказанному на кривой обратного рассеяния образуется ступенька - волокно зафиксировано, и давление на волокно создается в определенном месте (рис. 9, г). Необходимо исследовать, вызвано это внешними или внутренними причинами.

Размещено на Allbest.ru