Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра метрології та стандартизації
РЕФЕРАТ
На тему:
"Оптичні рефлектометри. Оптичні вимірювачі потужності"
МІНСЬК, 2008
Оптичні рефлектометри
Оптичні рефлектометри діють за принципом локатора. В лінію надсилається імпульс малої тривалості, частина якого поширюючись по волокну, повертається або розсіюється до входу внаслідок релєєвського розсіювання та френелевскіх відбиттів від неоднорідностей ОВ (дефекти волокна, зварювання, з'єднувачів та інших). Рефлектометр реєструє відбитий (розсіяний тому) сигнал в координатах: прийнята потужність - час (відстань) і вимірює його параметри. Структурна схема оптичного рефлектометра представлена на малюнку 1.
ОІВ - оптичний джерело сигналу; АЛЕ - спрямований відгалужувач;
ОС - оптичний з'єднувач; ФП - фотоприймач;
БуіОС - блок посилення і обробки сигналу; РС - реєструюча система.
ОІВ складається з потужного лазера, який генерує повторювані імпульси тривалістю від 5 до 100нс, потужністю від 100МВт до декількох Вт, з частотою повторення кілька кілогерц, яку задає УУ.
Світлові імпульси вводяться в ОВ через ОС. ПОР через ОС ІНО надходить на чутливий ФП, який перетворить оптичні імпульси в електричний сигнал. Причому, АЛЕ перешкоджає попаданню світлового імпульсу в ФП до його проходження через оптичне волокно. Після обробки електричного сигналу в БУіОС він подається на вхід у осцилографа РС, викликаючи в кожен момент часу відхилення променя пропорційно миттєвому значенню рівня потужності ПОР. При цьому рівень в початковий момент часу Р0 визначається відображенням зондуючого сигналу від торця ОВ.
На малюнку 2, представлені дві типові криві ПОР.
Крива а відповідає ідеальному ОВ і характеризується поступовим зменшенням ПОР. Крива б характерна для реального ОВ. Початковий викид Про обумовлений френелевскім відображенням в ОС, що з'єднує прилад з ОМ. На однорідних ділянках ОВ крива являє собою спадаючу експоненту 1ПОР. Стрибки загасання 2 зазвичай обумовлені дефектами ОВ в місцях його зварювання. Маленькі сторонні включення, а також бульбашки повітря у волокні викликають відображення у вигляді невеликих викидів 3. Інтенсивний відбитий сигнал 4 виникає у кінця ОВ. При неузгоджених роз'ємах або зрощуванні ОВ виникають відбиття і стрибок загасання 5. У разі зварювання волокон з різними потоками зворотного розсіювання виникає стрибок загасання 6, який може бути позитивним при більшій величині зворотного розсіяння другого відрізку в порівнянні з першим.
Вимірювання загасання оптичних волокон і оптичних кабелів методом зворотного розсіювання
За осцилограмі (рефлектограмм), отриманої на екрані оптичного рефлектометра (малюнок 3), можна визначити загасання всього волокна або окремих його ділянок.
Вимірювання загасання відрізка ОВ довжиною l визначається наступним чином:
1) якщо вісь У проградуйована в одиницях потужності, то загасання в дБ визначається за формулою
, (ДБ) (1)
а кілометріческое загасання в (дБ / км) визначається за формулою
, (ДБ) (2)
2) якщо вісь у рефлектометра проградуйована в логарифмічному масштабі, то формули (2.23) і (2.24) набувають наступний вигляд
, (ДБ) (3)
, (ДБ / км) (4)
Вимірювання дисперсії оптичних волокон методом зворотного розсіювання.
Вимірювання дисперсії здійснюється при зондуванні ОВ короткими імпульсами і спостереженні на екрані осцилографа вхідних і вихідних імпульсів. На рисунку 5 наведена структурна схема вимірювання дисперсії.
На кінці ОВ встановлюється дзеркало, відображає світловий імпульс з коефіцієнтом відображення близьким до 1. При вимірі дисперсії осцилограф працює в режимі очікування. Він повинен мати достатню швидкість розгортки, що дозволяє спостерігати імпульси піко - і наносекундной тривалості.
Частота проходження імпульсів визначається ДЕІ. Вхідний імпульс, відбитий від торця ОВ, затримується на час проходження зондуючого імпульсу до кінця волокна і назад і разом з відбитим імпульсом фіксується на екрані ЕО.
Управління роботою ЕО здійснюється за допомогою БЗСіУ. Необхідність цього блоку обумовлена тим, що тривалість вимірюваних імпульсів для широкосмугових систем становить 3. .8 Нс, що на 3-4 порядки більше часу затримки вхідного і вихідного імпульсів. Тому щоб мати можливість одночасного спостереження на екрані ЕО вхідного і вихідного імпульсів, необхідно мати точну, практично плавну, регульовану лінію затримки, за допомогою якої можна забезпечити затримку вхідного імпульсу до моменту приходу вихідного імпульсу. Такі функції дозволяють забезпечити лінії з цифровою затримкою з плавним регулюванням затримки. Це дозволяє поєднувати на екрані ЕО фронти вхідного і вихідного імпульсів.
Значення дисперсії або розширення імпульсу визначається за формулою:
, (З / км). (5)
За виміряним значенням дисперсії можна визначити широкополосность ОВ:
,
. (6)
Оптичні вимірювачі потужності
ГІМ є найбільш поширеними приладами при вимірах параметрів волоконно-оптичних ліній зв'язку (ВОЛЗ). Разом зі стабілізованою джерелом оптичного сигналу їх використовують для вимірювання загасання оптичних кабелів.
Оптичні вимірювачі потужності (ГІМ) будуються на базі спеціально сконструйованих оптичних приймачів. Як правило, прилад комплектується кількома змінними приймачами на різні рівні потужності і довжини хвиль. Ці приймачі в основному і визначають метрологічні та технічні характеристики даного приладу.
Свої особливості має вимірювання потужності лазерного випромінювання. Як правило, лазерні джерела є потужними, що створює нелінійні ефекти в приймачах. Щоб їх зменшити перед приймачами встановлюють напівпрозорі дзеркала, які більшу частину потужності відображають, а тільки частину пропускають на приймач.
Структурна схема ГІМ наведена на малюнку 6.
В якості оптичних детекторів (ОД) в основному використовуються твердотільні фотодіоди. Вони повинні мати рівномірну частотну характеристику, а також високу температурну та часову стабільність і малий рівень власних шумів.
ОД перетворить вхідний оптичний сигнал в електричний, який посилюється і перетвориться до цифрового увазі. У сигнальному процесорі проводиться перерахунок отриманого електричного сигналу в результати вимірювання потужності, які потім подаються на екрані цифрового дисплея.
Основний характеристикою ГІМ є рівномірність залежності вихідного сигналу ОД від потужності вхідного оптичного сигналу на різних довжинах хвиль. У залежності від цього сигнальний процесор повинен більшою чи меншою мірою компенсувати нерівномірність характеристики детектора.
Якщо ОД володіє хорошими характеристиками, то сигнальний процесор може мати менш складну структуру. Тому при розробці вимірювача завжди вирішується оптимізаційна задача між вартістю ОД і складністю і вартістю сигнального процесора.
Залежно від моделі діапазон вимірювання потужності знаходиться в межах від декількох мкВт до одиниць Вт Похибка вимірювання - одиниці відсотка.
Метод прямого вимірювання загасання, що вноситься оптичним кабелем
Схема такого виміру наведена на рисунку 7.
При вимірюванні потужності цим методом вимірюється потужність сигналу на вході кабелю Р0 і на його виході Р l.
За визначенням, загасання кабелю в дБ і кілометріческое загасання в дБ / км визначається за формулами:
, (ДБ) (7)
, (ДБ / км) (8)
На практиці зазвичай проводять вимірювання не власного загасання кабелю, а внесеного загасання, яке є сумою власного загасання кабелю і загасань в ОС.
Існує два різновиди аналізованих методу і схеми вимірювання затухання:
1) без руйнування кабелю (метод внесених втрат);
2) з руйнуванням кабелю (метод обламування).
Вимірювання загасання без руйнування кабелю
Цей метод використовують для вимірювання загасання оптичних кабелів і окремих ділянок ВОЛЗ в точках, що дозволяє підключити джерело оптичного сигналу і оптичний вимірювач потужності. Метод дає добрі результати, коли значення загасання має велике значення від 20 до 40 дБ і більше.
У цьому випадку виходить хороша відтворюваність результатів. На рисунку 8 представлена схема вимірювання затухання цим методом.
ИОС - джерело оптичного сигналу;
ГІМ - оптичний вимірювач потужності;
СМ - змішувач мод;
ФМО - фільтр мод оболонки;
ФП - фотоприймач;
РУ - реєструючий пристрій.
Як ИОС зазвичай використовують напівпровідниковий лазер, який генерує вимірювальний сигнал постійної потужності Р0, яка контролюється ГІМ. Генератор накачування лазера визначає параметри вимірювального сигналу, який може бути одночастотних (при вимірюванні загасання на одній частоті) або змінюватися в заданій смузі частот (при вимірюванні частотної характеристики загасання).
ОС забезпечує введення світлового сигналу в ОК, а на виході ОК встановлюється ФП.
Для зменшення втрат на відбиття при з'єднанні кабелю з ФП часто використовується імерсійна рідина.
Для швидкої стабілізації модового складу в оптичному волокні на його вході встановлюють СМ і ФМО.
Часто при вимірі загасання оптичних волокон його визначають в обох напрямках передачі оптичного сигналу, тобто визначають α12 і α21. За результат приймають значення:
Дані вимірювання використовують для вибору напрямку передачі оптичного сигналу з ОК.
Вимірювання загасання з руйнуванням кабелю (з обламуванням решт оптичного волокна)
Цей метод використовується у випадку вимірювання параметрів оптичних волокон з малими втратами (1дБ/км і менше).
Схема вимірювання аналогічна представленої на малюнку 2.30. При цьому методі застосування імерсійної рідини, СМ та ФМО стає обов'язковим.
Вимірювання проводять в наступній послідовності.
Спочатку вимірюють значення потужності на виході ОВ Pl. При малих значеннях загасання якість обробки торців ОВ набуває великого значення. Тому для підвищення точності вимірювання потужності її вимірюють кілька разів, обламуючи кінець ВВ на кілька сантиметрів у точках Х6, Х5 і Х4, як показано на малюнку 10.
Перед кожним вимірюванням потужності готують торець волокна, порівнюючи виміряні значення потужності Р l 4, Р l 5, Pl 6, можна встановити вплив погано підготовлених торців або їх забруднення.
Як результат вимірювання Pl вибирають найбільше з отриманих значень Р l 4, Р l 5, Pl 6.
Аналогічно вимірюється і потужність на вході волокна в точках Х1, Х2, Х3, але на її значення має вплив не тільки якість підготовлених торців, але і неповне встановлення модового складу на вході волокна. Тому Р0 вимірюють на відстані 3-4м від вхідного торця ОВ. Похибка вимірювання цим методом має значення порядку 0,1 ... 0,05 дБ.
ЛІТЕРАТУРА
Метрологія та Електровимірювання в телекомунікаційних системах: Підручник для вузів / А.С. Сігов, Ю.Д. Бєлік. та ін / Під ред.В.І. Нефедова. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: Вищ. шк., 2005.
Бакланов І.Г. Технології вимірювань у сучасних телекомунікації. - М.: ЕКО-Трендз, 2007.
Метрологія, стандартизація і вимірювання в техніці зв'язку: Учеб. посібник для вузів / Під ред. Б.П. Кульгавого. - М.: Радіо і зв'язок, 2006.