Методы измерения затухания

В процессе эксплуатации ВОЛС интерес представляет полное затухание ОК, которое определяется следующими причинами:

- затухание, обусловленное поглощением и рассеянием ОВ;

- добавочное затухание, возникающее в процессе эксплуатации (возникающие микротрещины, микро и макро изгибы т.п.);

- затухания отражения от входного конца, возникающие при вводе излучения в световод и на неоднородностях.

В общем виде затухание сигнала между точками 1 и 2 ВОЛП определяется соотношением:

А = А₁ - А₂;

где А₁ и А₂ - абсолютные уровни сигнала по мощности в точках 1 и 2 соответственно.

А₁ = 10 lg P₁/P₀;

где P₁ - мощность сигнала в точке 1 Вт;

P₀ - мощность нормального генератора 1× 10^-3 Вт.

Следовательно, при определении затухания возникает задача измерения мощности оптического сигнала на входе и выходе ОВ. При этом наибольшее затруднение вызывает неопределенность уровня оптической мощности введенной в ОВ. Она зависит от качества обработки входного торца световода, точности юстировки возбуждающего пучка излучателя, соотношения между показателем преломления сердечника световода и среды заполняющей пространство между сердечником и излучателем, стабильности выходной мощности излучателя и т.д. Поэтому определять мощность оптического излучения на входе ОВ сложно.

Наряду с этим, для однозначного определения затухания многомодовых ОВ необходимо на входе обеспечить такой режим распространения излучения, при котором сохраняется постоянное распределение мощности между его модами - равновесное распределение мод (РРМ). Особенно это важно при измерении коэффициента затухания ОВ. При вводе излучения в волокно наряду с направляемыми модами в сердцевине возбуждаются излучаемые и оболочечные моды, что приводит к перераспределению мощности излучения между модами. Излучаемые и оболочечные моды могут так же возникать на неоднородностях, макроизгибах ОВ и т.п. Таким образом, для обеспечения режима РРМ на входе ОВ необходимо подавить излучаемые и оболочечные моды. Эти функции выполняют смесители мод, иногда их называют скремблерами. Это устройство в виде отрезка ОВ с равномерно распределенными неоднородностями, на которых возрастает затухание излучаемых и оболочечных мод, а также возникают связи между отдельными модами излучения, приводящие к переходу энергии от одних мод к другим. При этом часть энергии высших мод переходит в энергию низших, увеличивая их мощность. В результате такого перехода между модами устанавливается равновесное распределение мощности. Очевидно, что скремблер вносит достаточно большое затухание, но его значение не входит в результат измерения. Наибольшее распространение получили смесители мод с макроизгибами волокна. Конструктивно они представляют собой 5¸10 витков ОВ намотанного на один или несколько цилиндров радиусом (10¸20) R, где R - критический радиус изгиба, при котором ОВ разрушается.

Для устранения оболочечных мод используется модовый фильтр. Он представляет собой отрезок волокна изогнутый в виде петли погруженной в сосуд с иммерсионной или абсолютно поглощенной жидкостью. Показатель преломления иммерсионной жидкости близок к показателю преломления оболочки, в результате чего оболочечные моды излучаются в иммерсионную жидкость, где затухают.

Исключить систематическую погрешность измерения затухания связанную с неопределенностью ввода мощности в ОВ позволяет ряд известных методов. Согласно рекомендациям МСЭ-Т G651 и G652 и ГОСТ 26814-86 (Кабели оптические, методы измерения параметров) на практике получили применение три метода измерения затухания:

- метод обрыва (среза) - эталонный метод;

- метод вносимого затухания - 1 альтернативный метод;

- метод обратного рассеяния - 2 альтернативный метод.

Метод обрыва (среза) - это метод, при котором производится непосредственное измерение мощностей Р₁ и Р₂ в двух точках волокна (в начале и в конце ОВ) без изменений условий ввода излучения.

Обобщенная структурная схема измерения затухания методом обрыва

1 - быть применен полупроводниковый лазер (ПЛ) или светоизлучающей диод (СИД). Основные требования к нему - стабильность характеристик в течение всего времени измерения;

2 - смеситель мод, обеспечивающий равновесное распределение мод (РРМ) излучения при возбуждении измеряемого волокна. При его отсутствии погрешность измерения может доходить до 1 дБ/км;

3 - устройство - источник оптического излучения, в качестве которого может ввода излучения обеспечивает юстировку входного конца измеряемого ОВ в трех взаимно перпендикулярных плоскостях для достижения максимально вводимой энергии и жесткой фиксации волокна во время измерений;

4 - измеряемое ОВ;

5 - фильтр мод, предназначенный для ввода оболочечных мод. В случае его отсутствия на результат измерения оказывают влияние моды, распространяющиеся по оболочке ОВ, т.к. диаметр светочувствительной площадки фотодиода приемника излучения значительно превышает диаметр ОВ;

6 - адаптер (соединитель оптический) предназначен для подключения неоконцованного ОВ к приемнику излучения;

7 - приемник излучения (оптический ваттметр).

Присоединение измеряемого ОВ к блоку излучателя осуществляется либо путем приваривания к технологическому кабелю, либо с помощью координатно-юстировочного устройства.

Измерение затухание производят в следующем порядке. К выходу технологического кабеля источника излучения присоединяют вход измеряемого ОВ. Измерение уровня мощности Р₂ осуществляется с помощью измерителя мощности, подключенного к выходу испытуемого ОВ с помощью адаптера. Оставляя условия ввода излучения без изменений, подготавливают выходной торец ОВ, обламывая отрезок волокна 1¸3 см. Вновь измеряют уровень мощности Р₂ на выходе ОВ. Измерение мощности Р₂ производят не менее трех раз. Если абсолютная разница между двумя любыми измерениями превышает 0,1 дБ, исключают один из результатов и увеличивают количество измерений. Такая процедура направлена на уменьшение случайной погрешности, вызванной плохой обработкой торца волокна и некачественной установкой его в адаптере. Не изменяя условий ввода излучения обламывают оптическое волокно кабеля на расстоянии »1м от места сварки с технологическим кабелем, подготавливают выходной конец короткого отрезка ОВ и измеряют уровень мощности А₁ на его выходе. Измерение мощности А₁ также производят не менее трех раз, обламывая отрезок ОВ длиной 1¸3 см при неизменных (начиная с начала измерений) условиях ввода сигнала.

Затухание А и коэффициент затухания a рассчитывают по следующим формулам:

Аср = (А1)ср - (А2)ср,

Где:

(A1)ср =

(A2)ср =

, (дБ/км) ,

где:

(А1)_i - уровень мощность на выходе короткого (»1 м) участка ОВ при i-ом измерении (dB);

(А2)_i - уровень мощность на выходе испытуемого ОВ длиной L при i-ом измерении (dB);

А_ср - среднее значение затухания при n измерениях (дБ), n_min = 3;

a - коэффициент затухания (дБ/км);

L - длина испытуемого ОВ (км).

Данный метод предполагает постоянство мощности вводимой в ОВ и стабильность модового состава излучения. Поэтому необходимо соблюдать постоянство условий ввода излучения, сохранять неизмененным положение волокна в юстировочном устройстве, принимать меры по стабилизации параметров излучения источника сигнала.

Эталонный метод обрыва относится к наиболее точным. Абсолютная погрешность измерения затухания, при соответствующих метрологических характеристиках компонентов структурной схемы может составлять (0,02 ¸ 0,03) дБм.

К недостаткам метода следует отнести его разрушающий характер (при каждом измерении теряется от 1 до 5 м оптического волокна), а также возможность применения только для неоконцованного волокна. Поэтому он находит применение при лабораторных исследованиях ОК, измерении затухания оптических кабелей не армированных оптическими соединителями.

Метод вносимого затухания основан на последовательном измерении мощности на выходе испытуемого волокна и на выходе вспомогательного ОВ, армированного оптическим соединителем. Метод рекомендован для измерения затухания ВОЛС, оптические волокна которых армированы оптическими соединителями. Метод основан на измерении мощности оптического излучения первоначально при непосредственном подключении приемника излучения к источнику, а затем через исследуемое ОВ, концы которого армированы оптическими соединителями.

Структурная схема измерения вносимого затухания сравнением уровня мощности оптического излучения на выходах "эквивалентного источника излучения" (а) и измеряемого ОВ (б).

1 - источник оптического излучения;

2 - приемник оптического излучения;

3 - индикатор уровня мощности, принимаемого приемником оптического излучения;

4 - короткий отрезок (1¼3 м), армированный по концам;

5 - измеряемое ОВ, армированное по концам;

6 - проходная розетка для разъемного соединения армированных волокон

Первое измерение производится по схеме а.

При этом измеряют уровень мощности А_вх оптического излучения на выходе «эквивалентного источника». Он представляет собой источник излучения с подключенным к нему вспомогательным коротким отрезком ОВ, армированным по концам.

Второе измерение производится по схемеб.

Измеряется уровень мощности на выходе исследуемого ОВ - А_вых, . В этом случае излучение вводится в измеряемое ОВ с выхода «эквивалентного источника излучения» путем соединения через проходную розетку армированных концов вспомогательного и измеряемого ОВ. Уровни мощностей А_вх и А_вых измеряются не менее трех раз. Вносимое затухание определяется как разность уровней

,

где (A_вх)_ср = ,

(А_вых)_ср = n ³ 3.

(А_вх)_i и (А_вых)_i – уровни мощности оптического излучения при “i – ом” измерении.

В условиях эксплуатации, когда вход и выход ОВ разнесен на значительные расстояния, при определении вносимого затухания возникает необходимость использования двух измерителей оптической мощности, показания которых необходимо сличить по одному источнику оптического излучения.

Основными источниками погрешности измерения в данном методе являются:

- стабильность уровня мощности на выходе излучателя;

- стабильность и повторяемость характеристик оптических соединителей;

- точность обеспечения режима РРМ, либо условий ввода основной моды для одномодовых волокон;

- погрешность сличения показаний двух измерителей мощности;

- нелинейность измерителей мощности;

- погрешность от переключения пределов;

- зависимость затухания ОВ от длины волны;

- потери от изгибов.

В целом, погрешность данного метода оказывается, как правило, большей, чем в методе обрыва, но вполне удовлетворительной для практических измерений затухания.