Характеристика обратного рассеяния оптического волокна

Принцип действия оптических рефлектометров обратного рассеяния, работающих во временной области, основан на зондировании волокон оптическими импульсами и прямых измерениях на ближнем конце зависимости уровня мощности обратного потока от времени. Эту зависимость называют характеристикой обратного рассеяния оптического волокна или коротко – рефлектограммой. При этом ось ординат градуируют в децибелах по мощности, а ось абсцисс в единицах длины, учитывая, что отсчитываемое вдоль волокна расстояние прямо пропорционально времени.

Одной из основных операций при работе с оптическим рефлектометром является идентификация характеристики обратного рассеяния оптического волокна. Таки образом, сопоставление изменении характеристики с вызвавшими их причинами - «событиями». На рисунке представлен типичный вид характеристики обратного рассеяния оптического волокна, отображаемой на экране оптического рефлектометра.

Характеристика обратного рассеяния

Здесь участки рефлектограммы могут быть идентифицированы следующим образом:

1 - начальный выброс уровня обратного потока оптической мощности, обусловленный Френелевским отражением при вводе оптического излучения в волокно;

2 - участки рефлектограммы, соответствующие квазирегулярным участкам волокна, на которых нет отражений и изменения уровня обратного потока оптической мощности обусловлены потерями за счет поглощения и Рэлеевского рассеяния, а также флюктуациями коэффициента обратного рассеяния;

3 - изменения мощности обратнорассеянного потока на локальной нерегулярности без отражений (сварные соединения, изгибы);

4 - изменения уровня обратного потока за счет отражения и потерь на локальной неоднородности (механические соединения, микротрещины и т.п.);

5 - изменение уровня обратного потока оптической мощности на конце оптического волокна;

6 - шумы.

Рассмотрим типичные формы характеристики обратного рассеяния волокна подробнее. Изменения характеристики обратного рассеяния квазирегулярных участков оптического волокна, измеряемой в пределах динамического диапазона рефлектометра, хорошо согласуются с теоретическими положениями.

. Рефлектограмма флюктуирует около своей средней характеристики, которая носит монотонный линейный характер. В дальнейшем будем называть эту прямую аппроксимирующей прямой характеристики обратного рассеяния оптического волокна. Тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс равен коэффициенту затухания волокна. Чем больше коэффициент затухания, тем больше угол. Степень флюктуации определяется значением среднеквадратического отклонения коэффициента обратного рассеяния для данного оптического волокна. Такой вид рефлектограмм характерен для волокон одной строительной длины кабеля, не имеющих дефектов. Характеристики волокон даже в одной строительной длине, а тем более в разных длинах, не одинаковы. Это касается, в том числе, коэффициента затухания, среднего значения и среднеквадратического отклонения коэффициента обратного рассеяния. Соответственно угол наклона характеристики и степень флюктуации - «шум», для каждого волокна свои. Примеры характеристик обратного рассеяния ОВ строительной длины кабеля приведены на рис. 2.4 а и 2.4б.

В местах соединения оптических волокон, включения в линию элементов различного назначения (оптических соединителей, разветвителей, переключателей и т.п.), а также на дефектах волокон параметры оптической линии существенно меняются - нарушается ее регулярность. На характеристике обратного рассеяния эти нарушения отображаются ее отклонениями от квазилинейной зависимости и (или) изменением угла наклона последней на соответствующих участках. Причем изменения параметров оптической линии в некоторой точке вызывают изменения не только в соответствующей точке характеристики обратного рассеяния, но и на прилегающих к этой точке участках характеристики. Это обусловлено конечной длительностью зондирующего импульса, взаимодействием и преобразованием мод на нерегулярностях оптического волокна, насыщением фотодиода и рядом других факторов, которые в основном носят случайный характер. Поэтому в некоторой прилегающей к нерегулярности области характеристика обратного рассеяния неадекватно отображает события, которые имеют место на линии. Она искажена. Использовать ее значения из этой области для определения параметров линии нельзя. В противном случае погрешность может быть очень велика.

(а) (б) Рефлектограммы ОВ строительных длин ОК

К нерегулярностям, на которых нет отражений, относятся изгибы и сварные соединения оптических волокон. На изгибах волокон увеличиваются потери на излучение. Уровень мощности обратного рассеяния в месте изгиба скачком падает. Соответствующее изменение характеристики обратного рассеяния имеет вид ступеньки между двумя прямыми - аппроксимирующими характеристики участков квазирегулярного волокна до и после изгиба

(а) (б) Типичные рефлектограммы сварного соединения 0В

Характеристика обратного рассеяния сварных соединений оптических волокон также имеет вид ступеньки. Но в отличие от внутренних нерегулярностей, здесь может иметь место как уменьшение, так и увеличение уровня мощности обратного рассеяния (ступеньки «вниз» и «вверх») (рис. а,б). Это объясняется тем, что изменения уровня мощности обратного рассеяния на сварных соединениях обусловлено не только потерями, но и различием характеристик стыкуемых оптических волокон. Изменение уровня мощности обратного рассеяния на стыке двух волокон равно

где:

p₁, p₂ – уровни мощностей потоков обратного рассеяния до и после стыка [дБ];

a - затухание на стыке [дБ];

k_A, k_B - средние значения коэффициентов обратного рассеяния сращиваемых волокон, расположенных до и после стыка, соответственно, при измерениях со стороны А.

Знак величины Dk определяется соотношением значений k_A, k_B. Для k_A £ k_B величина Dk £ 0. Для k_A ³ k_B величина Dk ³ 0. Отсюда, с учетом (2.5), следует, что в зависимости от знака величины Dk и соотношения абсолютных значений величин а и Dk, результирующее изменение уровня мощности потока обратного рассеяния может быть как положительным, так и отрицательным. Следовательно, на стыках может иметь место, как уменьшение, так и увеличение уровня мощности потока обратного рассеяния. Следует подчеркнуть, что это справедливо только для потока обратного рассеяния. Мощность прямого потока оптического излучения не может быть увеличена пассивными элементами линии, каковыми являются стыки. При оценке затухания оптического излучения, распространяющегося в прямом направлении, по результатам измерений потока обратного рассеяния, величина Dk является методической систематической погрешностью, которую необходимо исключить.

Очевидно, что если на стыке в одном направлении переходим от волокна с меньшим значением коэффициента обратного рассеяния к волокну с большим значением коэффициента, то в другом направлении на этом же стыке переходим от волокна с большим значением коэффициента к волокну с меньшим значением коэффициента, и наоборот. Следовательно, при измерениях на линии в противоположных направлениях соотношение между k_A и k_B на стыке и соответственно знак величины Dk меняются на противоположные. Другими словами, при измерениях изменений мощности обратного рассеяния на стыке с двух сторон величина Dk входит в результаты измерений с разными знаками. Это наглядно демонстрируется на рис. 2.6 а,б, где представлены рефлектограммы, измеренные с двух концов участка, составленного из отрезковОВ, один из которых существенно отличается по характеристикам (в частности, по среднему значению коэффициента обратного рассеяния).

При , значение Dр » а и рефлектограммы стыков, полученные с двух сторон, будут совпадать. При малых потерях на стыке и существенном отличии характеристик сращиваемыхОВ, когда Dр » Dk изменения характеристик обратного рассеяния, измеренных с двух сторон линии, совпадут по величине, но будут отличаться по знаку.

(а) (б) Рис. 2.6Рефлектограммы участка оптической линии, измеренные с двух концов

Во всех случаях справедливо:

1. Если при измерении с одного конца линии, место стыка оптических волокон отображается ступенькой вверх, то на характеристике обратного рассеяния, регистрируемой с другого конца волокна, оно всегда отобразится ступенькой вниз.

2. Если на характеристике обратного рассеяния, регистрируемой с одного конца линии, место стыка отображается ступенькой вниз, то на характеристике, регистрируемой с другого конца, оно отображается либо ступенькой вверх, либо вниз.

В общем случае из-за отличия коэффициентов затухания сращиваемых волокон в точке рефлектограммы, соответствующей месту соединения волокон, изменяется угол наклона квазилинейной характеристики (рис. 2.7 а,б). Однако, как правило, при достаточно близких значениях коэффициентов затухания волокон эти изменения незначительны и заметить их на фоне флюктуации характеристики нелегко.

Если изменения параметров волокна, и, в первую очередь, показателя преломления сердцевины, приводят к существенному изменению волнового сопротивления оптической линии, то имеют место отражения. Это характерно для механических соединений оптических волокон, таких дефектов волокон как микротрещины, воздушные включения и т.п. Неоднородности отображаются на рефлектограмме как положительные выбросы оптической мощности. В общем случае рефлектограммы неоднородностей имеют вид рефлектограмм соответствующих нерегулярностей без отражений, на которые наложены импульсы отраженной мощности.

(а) (б) Рис. 2.7 Рефлектограммы участков со сварными соединениями волокон

Если потери на неоднородности равны нулю, то квазилинейная характеристика участка за неоднородностью является как бы продолжением характеристики участка до неоднородности (рис. 2.8 б).

(a) (б) Рис. 2.8 Рефлектограммы участков с локальной неоднородностью

Характеристика обратного рассеяния механических соединений оптических волокон определяется отражением и, также как и для сварных соединений, потерями на стыке и отличием характеристик обратного рассеяния сращиваемых волокон (среднего значения коэффициента обратного рассеяния, коэффициента затухания). Отсюда следует, что приведенный ранее анализ рефлектограмм сварных соединений справедлив и для механических соединений, но в последнем случае на рефлектограммах стыков добавляются импульсы отраженной мощности. Типичные характеристики обратного рассеяния участков с механическими соединениями представлены на рис. 2.9 а.б.

Рис. 2.9 Рефлектограммы участков с механическими соединениямиОВ

Отраженный сигнал во много раз превышает по мощности сигнал обратного рассеяния. Причем переход от низкого уровня сигнала обратного рассеяния к высокому уровню сигнала отражения происходит на входе фотоприемника скачком. Фотодиод, настроенный на прием обратнорассеянного потока малой мощности, не успевает адаптироваться к высокому уровню мощности отраженного потока и насыщается. Он находится в этом состоянии в течение времени воздействия отраженного импульса и вследствие инерционных процессов некоторое время после того, как оно снято. В результате на характеристике обратного рассеяния в точке, соответствующей неоднородности, образуется так называемая «мертвая» зона. Значения характеристики из этой зоны нельзя использовать для определения параметров затухания.

Если на линии есть неоднородность, то в соответствующей точке рефлектограммы есть «мертвая» зона. В том числе, в начале рефлектограммы, где отображается ввод излучения в волокно через разъемный соединитель оптического выхода рефлектометра. В этом случае говорят о «мертвой» зоне на ближнем конце. Каждая рефлектограмма начинается с выброса мощности и «мертвой» зоны, обусловленных неоднородностью на вводе (рис. 2.3).

(а) (б) Рис. 2.10 Рефлектограммы конца ОВ

Примеры участков характеристики обратного рассеяния, соответствующих концу волокна приведены на рис. 2.10 а, б. Для случая Френелевских отражений от торца волокна на рис. 2.10 а (волокно оконцовано стандартным соединителем, перпендикулярный скол волокна и т.п.). Для случая, когда, отражение оптического излучения от торца ОВ мало, на рис. 2.10 б (конец ОВ опущен в иммерсионную или абсолютно поглощающую жидкость, скол волокна выполнен в наклонной плоскости к его оси, волокно сломано). Когда работа идет на пределе динамического диапазона рефлектометра и при этом Френелевское отражение слабое, то конец волокна идентифицировать на рефлектограмме крайне сложно, так как из-за малого отношения сигнал/помеха рефлектограмма конца ОВ искажена и меняется нелинейно.

При наличии в оптической линии неоднородностей на рефлектограмме могут появляться «искусственные импульсы» или, как их еще называют «фантомы». Они возникают, если есть по меньшей мере две неоднородности с достаточно большим коэффициентом отражения. Принцип образования «искусственных импульсов» поясняет рис. 2.11. Их надо уметь отличать от отраженных импульсов. Это можно сделать, воспользовавшись следующими признаками «искусственных» импульсов.

Рис. 2.11 К образованию «искусственных импульсов»

- В линии должно быть по меньшей мере две неоднородности с большим коэффициентом отражения. Расстояние между импульсами, отраженными от этих неоднородностей равно расстоянию от дальней неоднородности до «искусственного импульса».

- Параметры аппроксимирующей прямой при прохождении через «искусственный импульс» не изменяются.

- При измерении с двух концов местоположения «искусственного импульса» на рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии.

Наиболее сложный случай имеет место при больших коэффициентах отражения по концам линии, «фантомы», обусловленные этими неоднородностями, особенно трудно распознать. Принцип их образования поясняет рис. 2.12. Подобные «искусственные» импульсы можно отличить по следующим признакам.

- Параметры аппроксимирующей прямой на «искусственном импульсе» не меняются;

- Изменение периода развертки может приводить к изменению места положения «искусственного импульса» на рефлектограмме;

- Изменение условий ввода, в частности, снижение неоднородности за счет иммерсионных гелей, применение вспомогательного волокна и т.п., - изменяют рефлектограмму: «искусственный импульс» исчезает, меняет свое место положение на рефлектограмме;

- При измерении с двух концов местоположения «искусственного» импульса на рефлектограмме соответствует двум разным точкам линии;

Рис. 2.12 К образованию «искусственных импульсов»

Рассмотрим факторы, определяющие вид характеристики обратного рассеяния оптического волокна. К ним относятся параметры оптическою волокна, характеристики зондирующего сигнала, а также параметры усреднения.

Из параметров волокна это, прежде всего, коэффициент затухания и дисперсия коэффициента обратного рассеяния волокна, а также микро- и макроизгибы оптических волокон. Из характеристик зондирующего оптического сигнала - длина волны оптического излучения и длительность оптического импульса. Из параметров усреднения - способ и степень усреднения.

Коэффициент затухания оптического волокна определяет угол наклона аппроксимирующей прямой, а дисперсия (среднеквадратическое отклонение) коэффициента обратного рассеяния - степень флюктуации характеристики около аппроксимирующей прямой после исключения случайной погрешности.

Микроизгибы оптических волокон возникают за счет свободной укладки, скрутки волокон в оптических кабелях и носят случайный характер. Это периодически распределенные вдоль длины кабеля изгибы волокон с радиусом порядка нескольких миллиметров. Они приводят к увеличению коэффициента затухания оптических волокон и, соответственно, отображаются на рефлектограмме увеличением угла наклона аппроксимирующей прямой.

Макроизгибы оптических волокон - это изгибы волокон с радиусом порядка единиц сантиметров, которые могут иметь место на механических повреждениях кабеля, в кассетах для укладки волокон кабельных муфт и оптических кроссов. На рефлектограммах они отображаются как нерегулярность без отражений.

Отличие характеристик обратного рассеяния одного и того же волокна, измеренных на разных длинах волн, обусловлено зависимостью затухания оптических волокон от длины волны. По этой причине измерения затуханий волокон должны выполняться на рабочей длине волны системы передачи. Однако иногда, в целях анализа состояния одномодовых волокон, при поиске мест их повреждений, представляет интерес сравнение рефлектограмм, измеренных в окнах прозрачности 1,3 мкм и 1,55 мкм. Потери Рэлеевского рассеяния снижаются с увеличением длины волны. Соответственно коэффициент затухания и потери на стыках волокон на длине волны 1,55 мкм меньше, чем на длине волны 1,3 мкм. Реакция на микроизгибы зависит от показателя преломления сердцевины, который в свою очередь, зависит от длины волны. Как следствие, изгибы изменяют групповой показатель преломления. При том коэффициент затухания изменяется за счет микроизгибов волокон в кабеле на разных длинах волн не одинаково.

Таблица 1

В таблице 1 приведен пример изменения затухания оптических волокон за счет укладки в конструкции кабеля на разных длинах волн. Основные отличия характера рефлектограмм одномодовых волокон на разных длинах волн иллюстрирует рис. 2.13.

Рис. 2.13 Рефлектограммы волокна, измеренные на разных длинах волн

Возможности анализа рефлектограмм при измерениях в окнах 1,3 мкм и 1,55 мкм поясняет таблица 2.

С увеличением длительности зондирующего импульса увеличивается мощность принимаемого сигнала (потока обратного рассеяния). Соответственно увеличивается отношение сигнал/шум и динамический диапазон. При этом, ухудшается разрешающая способность. И наоборот, уменьшение длительности зондирующего импульса уменьшает динамический диапазон и улучшает разрешающую способность.

Способ и степень усреднения определяют эффективность подавления случайных помех. В частности увеличение времени усреднения (числа усреднений) снижает уровень помехи и тем самым увеличивает динамический диапазон.

Таблица 2.

К факторам, определяющим изменения характеристики обратного рассеяния на стыках оптических волокон, следует отнести следующие.

- Потери и неоднородности, обусловленные качеством выполнения соединения (потери за счет осевого, радиального и углового смещений, непараллельности торцов волокон, плохого качества сколов и т.п.).

- Отличие характеристик сращиваемых волокон (параметров коэффициентов обратного рассеяния - среднего значения и среднеквадратического отклонения, которые в свою очередь обусловлены флюктуациями по длине вследствие технологических факторов диаметров сердцевины и оболочки волокон, числовой апертуры, профиля показателя преломления, эксцентриситета и некруглости).

- Преобразование мод, перераспределение энергии между модами на нерегулярностях, к которым относятся и соединения. Этот фактор случайным образом изменяет характеристику на прилегающих к нерегулярности участках.