Методы и средства измерения в оптических телекоммуникационных системах

ных внешних воздействий, таких как сдавливание, кручение и изгиб, возникает явление двулучепреломления.

Рисунок 7.6 – Распространение линейно поляризованной световой волны вдоль одномодового оптического волокна

В результате симметрия нарушается, появляется анизотропия и, как следствие, в волокне распространяются две ортогонально поляризованные волны, обладающие разными фазовыми и групповыми скоростями (см. рисунок 7.6). Различие скоростей этих мод приводит к возникновению временной задержки , которую принято называть дифференциальной групповой задержкой. Среднеквадратическое значение дифференциальной групповой задержки называют поляризационно-модовой дисперсией. Поля- ризационно-модовая дисперсия приводит к увеличению длительности импульса на выходе волокна и определяется выражением

PMD kPMD L ,

где kPMD – коэффициент удельной поляризационной дисперсии, пс км .

При определенных условиях поляризационная модовая дисперсия может быть соизмерима с хроматической дисперсией. Поэтому результирующая дисперсия одномодового оптического волокна должна определяться в соответствии с выражением

Влияние поляризационной модовой дисперсии на искажение информационного сигнала в одномодовом волокне сходно с влиянием хроматической дисперсии, но есть и существенное различие. Так, хроматическая дисперсия представляет собой относительно стабильное явление, позволяющее определить ее влияние на систему передачи и, как следствие, она может быть скомпенсирована соответствующим расположением компенсаторов дисперсии. В отличие от хроматической дисперсии, поляризационная модовая дисперсия на любой длине волны сигнала в одномодовом оптическом волокне не является стабильной, что не позволяет осуществить пассивную компенсацию ее влияния.

После прокладки кабеля поляризационная модовая дисперсия по ряду причин (деформации волокна, температурные изменения, натяжение и т. д.) может испытывать отклонения от паспортных данных. Кабели, установленные несколько лет назад, могут обладать высокой ПМД, что делает проблематичным для них переход к более высоким битовым скоростям. Все это требует измерений ПМД в процессе инсталляции эксплуатации и модернизации линий связи на более высокие скорости передачи информации.

Коэффициент РМD в промышленных оптических кабелях, как правило, не превышает 0,5 пс/км1/2, что ограничивает полосу передачи значением 40 ГГц на 100 км.

7.7 Измерение поляризационной модовой дисперсии

Для оценки ПМД в волоконном кабеле и волоконно-опти- ческих системах передачи применяется целый ряд анализаторов ПМД, построенных на базе различных методов измерений. Рассмотрим некоторые методы измерения ПМД.

Метод, основанный на сканировании длин волн. Данный метод является косвенным методом измерений ПМД. Он основан на сканировании длин волн с последующим подсчетом экстремумов или выполнением преобразования Фурье в зависимости от применяемой схемы. На рисунке 7.7 представлены две схемы, возможные для использования рассматриваемого метода.

92

Согласно схеме (рисунок 7.7, а) измерителем оптической мощности измеряется мощность сигнала на выходе из оптического волокна в зависимости от длины волны. Поляризатор задает поляризацию света на входе в оптоволокно. В случае отсутствия анизотропных свойств в волокне линейно поляризованное излучение от перестраиваемого источника всегда приходило бы на анализатор под одним и тем же углом. Поэтому при сканировании длины волны измеряемая мощность была бы постоянной.

б

Рисунок 7.7 – Схемы измерения ПМД методом, основанным на сканировании длин волн

Но так как волокно обладает двулучепреломлением, то при перестройке длины волны мощность на измерителе будет периодически меняться вследствие разного фазового соотношения ортогонально поляризованных мод для различных длин волн. Далее производят подсчёт количества экстремумов N на полученной реализации и вычисляют среднее значение ПМД для заданного спектрального диапазона ( 1 2 ).

Среднее значение времени задержки определяется в соответствии с выражением

где N – количество экстремальных значений (максимальных или минимальных); c – скорость света; k – безразмерный коэффициент, который называется коэффициентом взаимодействия мод и

93

равен 0,824 для волокон с произвольной связью мод. Временная задержка определяется для интервала длин волн ( 1 2 ).

Диапазон длин волн, в котором производятся измерения ПМД методом сканирования длины волны, должен быть достаточно большим, чтобы выдавать статистически значимое количество экстремумов.

В случае использования широкополосного источника излучения (рисунок 7.7, б) сканирование длины волны производится с помощью анализатора оптического спектра. После чего выполняют преобразование Фурье полученной реализации и извлекают значение ПМД как среднеквадратическое отклонение аппроксимирующей Гауссовой кривой разложения Фурье.

Метод задержки импульса. Данный метод является прямым методом измерений ПМД. Метод основан на непосредственном измерении временной задержки между двумя короткими импульсами оптического излучения, вводимыми в исследуемый объект вдоль «быстрой» и «медленной» осей. Схема измерения ПМД методом задержки импульса представлена на рисунке 7.8.

Генератор Осциллограф

Рисунок 7.8 – Схемы измерения ПМД методом задержки импульса

В состав аппаратуры входят: импульсный лазер, контроллер состояния поляризации, тестируемое волокно, скоростной фотоприемник и осциллограф. Измерение производится следующим образом. Лазер генерирует короткий оптический импульс, который последовательно вводится в волокно в двух взаимно

94

ортогональных линейных состояниях поляризации. С помощью скоростного фотодетектора импульсы выводятся на экран осциллографа, позволяющего измерить временную задержку между ними. Зондирующие импульсы должны быть достаточно короткими для измерений ПМД требуемой величины. Это значит, что полуширина импульса не должна превышать значения измеряемой ПМД. Основные ограничения рассматриваемого метода заключаются в трудности получения стабильного ультракороткого оптического импульса.

95

8МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ВОЛОКОННО ОПТИЧЕСКОЙ РЕФЛЕКТОМЕТРИИ

8.1 Метод обратного рассеяния

Для обеспечения эффективной работы волоконно-оптических систем передачи очень важным является быстрое установление и, соответственно, устранение обрыва волокна. Обрыв в канале с высокой информационной емкостью может привести к закрытию большого количества коммуникационных каналов. Не менее важным является и вопрос определения потерь в строительных длинах оптических кабелей, а также потерь, вносимых коннекторами и другими компонентами линии при настройке и эксплуатации систем передачи. Причем проводить эти измерения приходится в полевых условиях. В настоящее время сделать это можно только с помощью оптического импульсного рефлектометра (OTDR – Optical Time Domain Reflectometer).

Импульсная рефлектометрия – метод измерения параметров ВОСП, основанный на реакции линии связи на зондирующее оптическое излучение. Реакция оптического волокна на зондирующий световой импульс может проявляться в виде потока обратного излучения, обусловленного эффектами френелевского отражения (когда размер неоднородностей много больше длины волны) или рэлеевского рассеяния (когда размер неоднородностей сравним или меньше длины волны). Распространение светового излучения в оптическом волокне приведено на рисунке 8.1.

Наиболее перспективным и разработанным методом импульсной рефлектометрии является метод, основанный на измерении мощности обратного рэлеевского рассеяния (OTDR-метод). Принцип измерений основан на введении в волокно импульса оптического излучения и последующем анализе той малой части светового потока, которая возвращается на вход волокна в результате обратного рэлеевского рассеивания и френелевских отражений. В результате математической обработки сигнала фотоприемника на экране рефлектометра формируется изображение, которое называется рефлектограммой. Рефлектограмма представ-

96

ляет зависимость уровня сигнала от расстояния вдоль волокна и позволяет определить затухание и разрыв волокна, потери, вносимые компонентами линии передачи, наличие механических воздействий на волокно, а также другие важные характеристики линии связи. Типичная рефлектограмма ВОЛС приведена на рисунке 8.2.

Оболочка

Сердцевина

Потери Обратное рассеяние Тестирующее излучение

Рисунок 8.1 – Распространение светового излучения в оптическом волокне

Рассмотрим теоретические основы метода обратного рэлеевского рассеяния.

Пусть на вход оптического волокна в момент t0 подается световой импульс прямоугольной формы длительностью t и энергией Е0, а световая энергия, дошедшая до точки х, равна Е(х) (рисунок 8.3).

Будем считать, что на участке длиной dl энергия светового импульса Е(x) меняется незначительно. Тогда энергию, рассеянную назад участком dl волокна и поступившую на вход волокна, можно записать в виде

где р эффективный коэффициент рассеяния, который учитывает рэлеевское рассеяние, определяемое рабочей длиной волны света, локальными неоднородностями (примесями, наличием микроизгибов) и дефектами волокна; S(x) – фактор обратного

97

рассеяния, характеризующий, какая часть общей рассеянной мощности захватывается апертурой волокна и распространяется по нему в обратном направлении.

α, Дб

-35.0

-40.0

Рисунок 8.2 – Типичная рефлектограмма ВОЛС

dl

E0 E(x)

Ep(x) * x

dEp(x)

Рисунок 8.3 – Прямая и обратная световые волны в оптическом волокне

где n0 – показатель преломления на оси сердцевины волокна; q – параметр, определяющий профиль показателя преломления во-

98

локна, типичное значение которого для одномодового волокна равно 4,55.

Энергия света в точке рассеяния Е(x) связана с входной энергией Е0 соотношением

где (x) среднее значение коэффициента затухания световой волны при прямом распространении света на участке (0, x) от входной плоскости волокна до точки рассеяния.

Энергия, поступившая на вход волокна за счет обратного рассеяния от участка dl, составляет:

где (x) – среднее значение коэффициента затухания на участке (x, 0) от точки рассеяния света до входной плоскости волокна.

Коэффициенты (x) и (x) определяются по формуле

где тек – текущее значение коэффициента затухания волокна, зависящее от модового состава излучения для многомодовых волокон, и в общем случае может быть, что тек тек.

В случае симметричного оптического волокна тек тек и уравнение (8.4) примет вид

Здесь мы считаем, что = + = – среднее значение коэффициента затухания при распространении прямой и обратной волны.

Формула (8.6) связывает интенсивность обратно рассеянного излучения, пришедшего на вход волокна с параметрами волокна. Однако экспериментально определяется временная форма обратно рассеянного сигнала, поэтому необходимо установить связь между пространственной координатой x и временной t. Это задача о распространении светового импульса в неоднородном

99

световоде, и при строгом подходе ее решение сложно. Задачу можно упростить, если сделать следующие предположения:

1)световой импульс движется по волокну со средней групповой скоростью Vгр;

2)за величину уширения оптического импульса примем среднеквадратичное уширение (x) при распространении света

по волокну на расстояние x и будем считать, что (x) t, где

t длительность импульса по уровню 0,5 максимальной интенсивности на входной грани волокна.

Тогда, переходя от переменных энергии Е и координаты x к мощности Р и времени t и учитывая, что E0 P0 t,

2x Vгрt, dx 12Vгрdx , уравнение мощности обратно рассеянной световой волны запишем в виде

где Р0 – значение мощности оптического излучения на входной плоскости волокна.

Запишем последнюю формулу через расстояние (координату х):

Из уравнений (8.7) и (8.8) следует, что мощность обратно рассеянного сигнала зависит от входной мощности P0, длительности импульса t оптического излучения, параметров S и p опти-

ческого волокна, а также от среднего коэффициента затухания и групповой скорости Vгр.

Две последние формулы являются основными в методе импульсной рефлектометрии. Они позволяют по величине сигнала обратного рассеяния Pp (t) изучать распределение параметров во-

локна по его длине. Ценную информацию могут дать и спектральные измерения. Например, сравнение распределений коэффициента затухания волокна на разных длинах волн позволяет исследовать распределение по длине волокна различных поглощающих примесей (Fe, радикалов OH и других), даже если содержание этих примесей низкое.

100