Измерване на преносните параметрите на оптичните влакна

[Mozo]

ИЗМЕРВАНЕ НА ОСНОВНИТЕ ПРЕНОСНИ ПАРАМЕТРИ НА ОПТИЧНИ ВЛАКНА, КАБЕЛИ И ДРУГИ ОПТИЧНИ КОМПОНЕНТИ
12.1. Общи сведения
Основните преносни характеристики на оптичните влакна и кабели, оптичните предаватели и приемници и другите компоненти, влизащи в състава на ОКС за предаване на информация са амплитудни и честотни.
Когато става въпрос за оптични влакна и кабели първите (амплитудните) се определят от затихването на сигнала при разпространението му, а вторите (честотните) – от честотната характеристика на това затихване. Преносните характеристики се формират вследствие влиянието на редица фактори, като:
профил на показателя на пречупване;
материал и размер на сърцевината и обвивката и в крайна сметка се сравняват чрез показателя на затихването (α, dB/km), числената апертура (NA), честотната лента (B, MHz/km), собственото време на нарастване (tr, ns) и др.
При многомодовите оптични вълноводи важна характеристика е профила на показателя на пречупване, т.е. зависимостта на последния от разстоянието до оста на вълновода n(r). Тази характеристика е важна за определянето на модовата дисперсия (multimode). За потребителя на оптични кабели е важна честотната характеристика на влакната, но в етапа на производството следенето и регулирането на процесите е от голяма важност за постигане на добри резултати.
Могат да се изброят няколко метода за измерване на профила.
1. Метод с интерференционна микроскопия – по интерференчната картина се пресмята n.
2. Използване на разстров електронен микроскоп – анализира се разпределението на примесите. Показателят на пречупването се изчислява във основа на концентрацията на добавките. Този метод е труден за използване при многокомпонентните дотиращи елементи.
3. Чрез измерване на коефициента на отражение – като се измерва Ротр по формулите на Френел се изчислява зависимостта на n(r).
4. Метод на близкото поле. При този метод се измерва разпределението на плътността на мощността (irradiance) на края на влакното. С този метод може да се измери и модововoто мощностно разпределение.
Измерване на затихването на оптични влакна и кабели.
Съществуват няколко термина за характеризиране намалението на оптичната мощност по време на разпространението по оптичните кабели. Използват се „затихване”, „оптични загуби” и по-малко „отслабване”. Ще използваме затихване и коефициент на затихване, като затихването се измерва в децибели, а коефициентът на затихването е затихването за единица дължина и в оптичните линии за връзка е прието тя да е 1 km.
Използват се няколко метода за измерване на затихването.
1. Един от най-разпространените е методът на внeсените загуби (insertion loss). Ако с Фt означим оптичната мощност в началото на едно оптично влакно с дължина L, а с Фr - в края на влакното, то затихването е:
А = αL = 10.lg(Фt/Фr), dB,
а коефициентът на затихването е α = A/L, dB/km.
2. Двуточков метод (метод на срязванe, cut-back).
3. Рефлектометричен метод (OTDR - optical time domain reflectmeter).

Фиг. 12.1. Оптичен рeфлектометър
Физична основа на този метод е обратното разсейване на сигнала, дължащо се на така нареченото Релеево разсейване (Raleigh scattering) и на разсейване от нееднородности в оптичното влакно.
Същността на метода се състои във въвеждането на сравнително кратки оптични импулси в измерваното влакно през сравнително големи времеви интервали и измерване от същата страна на влакното на върналата се мощност. За тази цел оптичните рефлектометри съдържат насочен отклонител (например, полупрозрачно огледало под 45о спрямо оста на лъча – фиг.12.1.).
Един правоъгълен импулс с мощност Фr и продължителност Т0 се разпространява по направление z на оптичното влакно със скорост vgr, която е приблизително 200000 km/s.
vgr = .
Така в даден момент от време той се разпростира на разстояние z0 = vgrT0. При импулс с продължителност 10 ns това разстояние е приблизително 2 m (фиг.12.2).
В момента t/2 оптичният импулс е достигнал до разстояние z от началото на влакното. Ако разглеждаме обратно върнат сигнал само от тази перпендикулярна на оста равнина, която се намира на разстояние z от началото на влакното, то в момента t/2 + T разпространяващият се в права посока импулс e достигнал координатата z + z0, а обратно разпространяващият се - координата z - z0. След време t движещият се в права посока на влакното оптичен импулс достига координатата 2z, а движещият се в права посока – началото на влакното.
Разпространявайки се по влакното мощността намалява (затихва) по закона
Ф(z) = Фte-αz, W
където P0 e мощността на импулса в началото на влакното, α е коефициентът на затихване в dB/km, а z е разстоянието от началото в km. Горната зависимoст може да се нарече още разпределение на мощността по оста z (разстоянието).
Мощността, върнала се в началото на влакното от разстояние z може да се запише като:
Ф(z) = εФte-2αz, W.


Фиг. 12.2. Разпространение на оптичен импулс във влакното

Тук двойката в степенния показател, показва, че разстоянието z е изминато два пъти, в права и обратна посока. Ефективността на обратно пренасочване на оптичното лъчение се изразява чрез коефициента ε, като той се определя от:
.
Тук as е коефициентът на затихване поради разсейване. Общият коефициент на затихване се получава от две съставни части, поради поглъщане (absorption) aa и поради разсейване:
α = as + aa, dB/km,
като преобладаващ е първият член.
Сигналът, който се получава в началото на влакното след време t не е продукт на отражение само от равнината, намираща се на разстояние z от началото. В същия момент на времето до входното чело достигат и "отражения" от точки на влакното, които се намират в интервала z-zο/2 до z. От разстояние z се получава обратно разсеян сигнал от началото на оптичния импулс, а от разстояние z - z0/ 2 - от края на импулса. Разпространението на импулса се извършва във времето и пространството (z), затова общият сигнал в момента t може да намерим като извършим интегриране по z в рамките от z-zο/2 до z, т.е. от t – T до t.

Целият материал: