Измерения в волоконно-оптических системах передачи информации. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Измерительная техника

 Комментарии к статье

Современные волоконно-оптические системы передачи обладают большими скоростными возможностями и широкополосностью, стабильностью и надежностью, высокой степенью достоверности передачи информации. Чтобы отвечать этим качествам, все их элементы должны функционировать в строгих технических рамках. Но как проконтролировать многочисленные параметры оптического кабеля, оптических нитей, в которых носителем информации является поток фотонов, а не электронов, как в линиях электрической связи? Здесь традиционные измерительные устройства не пригодны. О методах и приборах, применяемых при измерении и контроле параметров в таких линиях связи, и рассказывается в публикуемой статье.

Для волоконно-оптической системы передачи (ВОСП), как и для любой кабельной системы (на коаксиальных или симметричных кабелях), существуют общие параметры, измерять которые необходимо при строительстве, пуско-наладочных работах, сертификационных и пусковых испытаниях, а также в процессе эксплуатации при проведении профилактических работ. Вместе с тем ВОСП присущи существенные особенности, обусловленные тем, что носителем информации является поток фотонов.

Для работы в оптическом диапазоне применяются оптические квантовые генераторы (лазеры), генерирующие когерентное излучение, квантовые фотоприемники (фотодиоды и фототранзисторы), само оптическое волокно и ряд других элементов. На них созданы не только оконечное оборудование для ВОСП, но и измерительные приборы. На ВОСП необходимо измерять следующие обобщенные параметры:

1) среднюю относительную мощность оптического излучения, вводимую в линию, в дБм (дБ относительно 1 мВт);

2) затухание оптического сигнала в линии в дБ;

3) чувствительность системы передачи в дБм при заданном коэффициенте ошибок в тракте передачи;

4) длину волны оптического излучения в мкм или нм;

5) ширину спектральной линии излучения, нм;

6) дисперсию оптического импульса в оптическом тракте, пс/нм*км.

Кроме измерения этих параметров, в системе контролируется автоматическое отключение лазера при аварии (например, обрыве оптического кабеля), а также периодичность и длительность его временного включения при тестировании восстановленной линии.

Специфическими особенностями обладают также измеряемые характеристики квантовых и оптических элементов ВОСП, особенно параметры излучателя - полупроводникового лазера: длина волны излучения lизл (мкм или нм), ширина спектральной линии Dl (нм), средняя мощность излучения Ро(мВт) и др.

Важно знать и параметры фотоприемников: спектральный диапазон чувствительности фотоприемника (мкм), чувствительность (А/Вт), величину темнового тока (нА), собственную емкость фотодиода (пФ), размер (диаметр) фоточувствительной площадки (мкм), квантовую эффективность (h).

В оптическом волокне и кабеле измеряют следующие параметры: километрическое затухание ОВ или ОК, вносимое на длине 1 км, в дБ/км; дисперсию оптического импульса, пс/нм · км; вид профиля показателя преломления; диаметр ОВ с защитной оболочкой и при необходимости без нее, в мкм; для многомодовых ОВ - числовую апертуру.

Те параметры, которые в настоящей статье названы обобщенными, являются основными и подлежат измерениям на различных этапах проектирования, строительства и эксплуатации ВОСП.

Измерение средней оптической мощности Ро.Для измерения этого параметра необходим датчик, чувствительный к оптическому излучению в соответствующем спектральном диапазоне волн. В нашем случае это три диапазона (по принятой терминологии - три окна прозрачности): I ОП - Dl1=0,82...0,86 мкм; II ОП - Dl2=1,31...1,35 мкм; III ОП - Dl3=1,53...1,56 мкм.

Для измерения средней мощности оптического излучения применяются специально разработанные для этого фотодиоды. К прибору могут подключаться оптические волокна, как одномодовые, так и многомодовые, диаметр которых может доходить до 500 мкм. Измерение оптической мощности с помощью фотодиода основано на соотношении фототока I ФД, вызванного оптическим излучением, который пропорционален средней мощности оптического излучения и обратно пропорционален длине волны. В соответствии с этим шкала измерителя мощности градуируется в милливаттах (мВт) или в дБм для соответствующего окна прозрачности.

В настоящее время измерители средней оптической мощности выпускаются отечественной промышленностью и рядом зарубежных фирм. Почти все такие приборы имеют малые габариты, вес, автономное питание и могут быть использованы как в лабораторных или заводских условиях, так и при строительстве, пуско-наладочных работах, а также в процессе эксплуатации ВОСП. Табло приборов выполнено на основе цифровых индикаторов, чаще всего жидкокристаллических. Они имеют переключатели диапазонов измерений для трех окон прозрачности - 0,85 мкм, 1,3 мкм и 1,55 мкм, переключатели градуировки мВт/дБм, а также лимб установки нуля. Измеряемое оптическое излучение подается с помощью оптического волокна, оконцованного оптическим разъемом (чаще всего типа FC или РС), для чего на одной из боковых стенок приборов установлены розетки (гнезда) оптического разъема.

Оптические параметры, габариты, вес и условия эксплуатации приборов представлены в таблице, а общий вид некоторых из них - на рис. 1 и 2.

(нажмите для увеличения)

Измерение затухания в ОК и в линии. Затухание (или потери) энергии оптического сигнала в оптическом волокне (ОВ) и в оптическом кабеле (ОК) обусловлено поглощением, рассеянием света на локальных неоднородностях и рэлеевским (молекулярным) рассеянием света на молекулах материала. Кроме того, при повышенных уровнях мощности, вводимой в ОВ (более 13 дБм), к факторам, определяющим потери, добавляются такие физические явления, как, например, называемое вынужденное комбинационное рассеяние.

Затухание за счет поглощения из-за дефектов материалов стали столь малыми, что они трудно поддаются измерениям и при мощности оптического сигнала менее 10 мВт, потери в ОВ определяются главным образом рэлеевским рассеянием. Этот тип рассеяния происходит на молекулах кварца SiO2. Его мощность обратно пропорциональна четвертой степени длины волны, т. е. с ростом длины волны такие потери быстро уменьшаются.

Дополнительные потери возникают в ОК при сращивании строительных длин. Они проявляются на локальных неоднородностях, местах сварки или склеивания торцов оптических волокон. К локальным неоднородностям относятся и плоские торцы на концах ОВ, от которых происходит отражение энергии в обратную (внутреннюю) сторону. Для кварцевого ОВ эти потери составляют примерно 4 % (или -14 дБ) от падающей мощности.

Существует несколько методов измерения затухания оптического излучения при его распространении в ОВ: двухточечный, замещения, обратного рэлеевского рассеяния во временной области, вытяжки ОВ.

Из перечисленных методов наиболее простым и достоверным, который применяется в строительстве, наладке и эксплуатации, является двухточечный. Он, в свою очередь, подразделяется на три разновидности: метод обламывания, безобрывный и метод калиброванного рассеяния.

Наибольшее распространение в строительной, а также исследовательской практике получил метод обламывания волокна. Во входной торец ОВ (который должен быть плоским и перпендикулярным оси ОВ) вводится оптическое излучение. При этом источник излучения и входной конец ОВ жестко фиксируются так, чтобы в процессе измерений условия ввода энергии в ОВ не нарушались. Берется ОВ известной длины L0. Выходной торец вводится в приемный узел измерителя и жестко в нем фиксируется. После этого измеряется величина оптической мощности Р1, выходящая из выходного торца ОВ. Эта величина записывается. Далее от ОВ методов скалывания отделяется волокно длиной L1. Выходной торец оставшегося волокна длиной L2= L0- L1 также должен быть плоским и перпендикулярным оси ОВ, что контролируется специальным микроскопом. Если качество выходного торца неудовлетворительное, повторно скалывают и контролируют волокно. После получения торца нужного качества он вновь вводится в приемный узел измерителя оптической мощности и фиксируется оптическая мощность Р2. Таким образом, определены величины оптической мощности Р1 на выходе волокна длиной L1 и на его входе P2. Затухание в волокне длиной L1 определяется по формуле к=Р2/Р1 (раз) или a=10lgP2/P1 (дБ).

Достоинство этого метода состоит в том, что он не требует специальных приборов, так как для его осуществления подходят любые стандартные регистрирующие устройства. Но этот метод имеет и существенный недостаток: он относится к "разрушающим" видам и у него низкая оперативность.

В практике более часто применяют вторую разновидность двухточечного метода - неразрушающее измерение. При этом методе источник оптического излучения на заданной длине волны снабжают выходным оптическим одноволоконным кабелем, конец которого заделан в оптический разъем. Так как современные оптические волокна и оптические разъемы имеют весьма малые разбросы геометрических и оптических параметров, то разброс величин затуханий при подключении одного оптического разъема к другому не превышает 0,1 дБ. Из сказанного следует, корректными являются измерения затухания в 0В или ОК, проводимые по следующей схеме. К выходному разъему излучателя подключают измеритель оптической мощности и записывают полученные данные. Затем выходной разъем подключают к входному торцу 0В (которое является составной частью ОК), также заделанному в ОР, а к его выходному торцу - измеритель мощности. По измеренному значению мощности вычисляется затухание по вышеприведенной формуле.

Для измерения затухания описанным методом промышленность выпускает оптические тестеры. Такие приборы в одном корпусе содержат стабильный калиброванный источник излучения и измеритель оптической мощности. Некоторые фирмы производят оптические тестеры, состоящие из двух раздельных блоков - излучателя и измерителя мощности. Оптический тестер, состоящий из двух отдельных блоков, в ряде случаев оказывается более удобным, поскольку он позволяет измерять на разных концах линии. Оба типа тестеров изготавливает, например, фирма SIMENS. Ко второму типу тестеров относятся отечественные приборы типа "Алмаз". Этот прибор позволяет проводить измерения мощности оптического сигнала и затухания в ОК на одной из пяти длин волны: 850, 1310, 1540, 1550 и 1560 нм. Диапазон измеряемых величин -50...+3 дБ при абсолютной погрешности не выше +0,2 дБ.

Наибольшее применение при оценке уровня затухания в современных ВОЛС нашел метод рефлектометрии, основанный на измерении обратного рэлеевского рассеяния во временной области. Для этого в оптическое волокно вводится периодическая последовательность оптических импульсов длительностью t и периодом следования Ти. К входному торцу будут возвращаться импульсы энергии. Их амплитуда пропорциональна мощности оптических импульсов, отстоящих от входного импульса (опорного) на время, равное времени пробега импульса в прямом и обратном направлениях. Если эти сигналы смотреть на экране осциллографа, увидим некоторую кривую, заполненную шумом, среднее значение которого экспоненциально уменьшается по шкале времени. Такая кривая не дает возможности производить точный отсчет показаний и неудобна для пользования. Однако периодическое повторение кривой дает возможность многократного накопления результатов, благодаря чему удается получить чистую линию зависимости затухания от длины измеряемого волокна. Поскольку в технике связи все относительные параметры измеряются в дБ, эту кривую в каждой ее вертикальной координате логарифмируют, благодаря чему она приобретает вид наклонной прямой. Описанная зависимость величины затухания от длины волокна называется оптической рефлектограммой.

Очевидно, что по рефлектограмме можно определить не только затухание, но и длину оптического волокна, расстояние до локальных неоднородностей, в том числе и до места повреждения 0 В.

Метод рефлектометрии обладает целым рядом преимуществ по сравнению с другими способами измерения затухания: измерение производится на одном конце линии или с одного конца оптического кабеля или волокна; оперативность; возможность определения длины 0В или ОК, места положения локальной неоднородности (например, трещины 0В или изгиба малого радиуса); возможность постоянного контроля всей трассы и ее диагностирования.

Оптические рефлектометры (рис. 3 и 4) производятся различными фирмами мира (табл. 2).

Измерение чувствительности современных систем передачи. Основной параметр, определяющий качество передачи, - вероятность ошибки при передаче цифровой информации. В настоящее время нормой считается вероятность ошибки для заданного числа передаваемых символов (нулей и единиц), равная 10-9...10-12 (в зависимости от скорости передачи). Под чувствительностью цифровой системы передачи понимается та минимальная мощность сигнала на приеме, при которой еще соблюдается указанная величина вероятности ошибки. Для волоконно-оптических систем передачи измерение чувствительности производится с помощью оптических переменных аттенюаторов. Они работают по следующей схеме (рис. 5).

На электрический вход группового цифрового сигнала аппаратуры STM от измерителя коэффициента ошибки (ИКО) подается псевдослучайная последовательность цифрового сигнала в коде, соответствующем тому, что передается в реальной линии. В аппаратуре STM этот сигнал преобразуется в цифровой, который поступает на оптический разъем блока передачи, К этому выходу с помощью одноволоконного оптического кабеля (ОК) подключается вход оптического переменного калиброванного аттенюатора (АТТ), выход которого также через оптический кабель соединяется с блоком приема оптического сигнала аппаратуры STM. С электрического выхода приемного тракта принятый цифровой сигнал подключается ко входу ИКО.

Перед началом измерений с помощью измерителя оптической мощности на входе приемного тракта устанавливается максимально допустимый уровень оптический мощности для данного типа оборудования STM. Делается это путем уменьшения затухания, вносимого в линию переменным калиброванным аттенюатором. При этом фиксируются показания АТТ. Затем линейный кабель отключается от измерителя мощности ИМ и подключается на оптический вход приемного тракта STM. После измерения коэффициента ошибки в этом режиме, результат которого запоминается, аттенюатором АТТ в оптический тракт вводится затухание до тех пор, пока коэффициент ошибок (его еще называют вероятностью ошибки) не возрастет до величины Pош>10-9 (10-10).После этого линейный оптический кабель отключается от оптического входа приемного тракта STM и вновь подключается к измерителю мощности ИМ. Эта мощность и будет величиной, определяющей чувствительность системы. Запоминают также величину затухания, вносимого АТТ в оптический тракт.

Промышленность производит переменные калиброванные аттенюаторы для измерений на ВОЛС. В качестве примера можно назвать переменный оптический аттенюатор типа OLA-15 Е-0004 фирмы HEWLET PACKARD. Аттенюатор этого типа может вносить затухание в ВОЛС от -3 до -60 дБ. Отсчет величины затухания отображается в цифровом виде. Изменение затухания в указанном диапазоне производится плавно с шагом 0,1 дБ.

Отечественная промышленность также выпускает такие аттенюаторы, например, типа НТГВ243. Диапазон вносимого им затухания -1 до -45 дБ. Отсчет показаний - нониусный.

Измерение длины волны и спектральной полосы оптического излучения. Известно, что в зоновых и местных сетях ВОЛС используются 0В, в основном имеющие второе окно прозрачности, в магистральных - третье. В различных системах ВОЛС могут применяться волоконно-оптические усилители той или иной длины волны, не совпадающей с данным окном прозрачности. Это может быть причиной того, что строящаяся или ремонтируемая система работать не будет. Поэтому понятна важность измерения длины волны излучения. Кроме длины волны, важно также знать и ширину спектральной линии (т. е. ширину полосы оптического излучения). Несоответствие различных участков ВОЛС этому параметру приводит к дисперсии (т. е. ушире-нию) оптических импульсов при их распространении в оптической линии. Несоответствие ширины спектральной линии особенно сильно влияет на качественную работу в системах передачи STM-4, STM-16, STM-64 и т. д.

Длина волны оптического излучения и ширина спектральной линии измеряется с помощью специального прибора - оптического анализатора спектра. Эти приборы серийно производятся рядом зарубежных фирм, например, HEWLET PACKARD.

Измеряют дисперсию оптических импульсов также при производстве и заводских испытаниях оптического волокна и оптического кабеля. Промышленность выпускает также специальные приборы для измерения дисперсии оптических импульсов в ВОЛС. К таким приборам относится, например, прибор типа ИД-3, выпускаемый Исследовательским институтом теплообмена (г Минск).

Здесь был назван только ряд параметров, измеряемых в системах ВОЛС, на практике же измеряются и другие характеристики, присущие также и обычным системам связи.

Автор: О.Скляров, канд. техн. наук, г.Москва

Смотрите другие статьи раздела Измерительная техника.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива Водородное топливо из света 11.12.2024 Ученые из Аргоннской национальной лаборатории и Йельского университета сделали значительный шаг вперед в использовании света для производства водородного топлива. В центре их внимания - уникальный биогибридный катализатор, объединяющий биологические и нанотехнологические компоненты для эффективного синтеза водорода. Биогибридный катализатор включает в себя две ключевые части: фотосистему I (PSI), заимствованную из растений и некоторых бактерий, и платиновые наночастицы. Фотосистема I, способная улавливать солнечный свет, играет роль "поставщика" электронов, которые затем передаются на платиновые наночастицы. В результате этого взаимодействия происходит выделение газообразного водорода - чистого и перспективного источника энергии. В ходе исследования ученые провели детальный структурный анализ катализатора. Они определили точное расположение и конфигурацию платиновых наночастиц на поверхности PSI. Как оказалось, платиновые частицы связываются с фотосистемой I в двух разных участках комплекса. Это открытие позволяет лучше понять механизмы взаимодействия компонентов и процессы передачи энергии внутри катализатора. Полученные структурные данные имеют важное значение для дальнейших разработок. Знание точных мест связывания и принципов взаимодействия PSI и платины открывает возможности для улучшения дизайна катализатора. Исследователи планируют изменить свойства белка PSI и контролировать характеристики платиновых наночастиц. Это позволит оптимизировать их взаимодействие и значительно повысить эффективность производства водородного топлива. Эта работа является важным шагом на пути к созданию экологически чистых энергетических технологий. Фотосинтез - природный процесс, вдохновляющий ученых на разработку инновационных решений. Используя его возможности в сочетании с передовыми материалами, такими как платиновые наночастицы, можно добиться устойчивого и чистого производства энергии. Открытие исследователей из Аргоннской лаборатории и Йельского университета приближает нас к реализации технологий будущего, где свет станет ключевым источником энергии, а водород - ее экологически чистым носителем. Продолжение работы в этом направлении может сыграть ключевую роль в решении глобальных энергетических проблем и сокращении выбросов углерода.

Другие интересные новости:

▪ Электрогенератор на каплях дождя

▪ Экзоскелет Hypershell ProX

▪ Ткань уничтожает запахи

▪ Июль-2019 - самый жаркий месяц в истории метеонаблюдений

▪ Бетон, работающий как аккумулятор

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электрику. Подборка статей

▪ статья Трубка мира. Крылатое выражение

▪ статья Почему Землю называют голубой планетой? Подробный ответ

▪ статья Дерен белый. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Бегущие огни с автореверсом. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Угадайте, сколько получится. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026