Измерение оптической мощности и вносимых потерь оптического кабеля

Измерение оптической мощности и вносимых потерь оптического кабеля

Министерство образования и науки Украины

Харьковский национальный университет радиоэлектроники

Кафедра Основ радиотехники

Реферат

Тема «Измерение оптической мощности и вносимых потерь оптического кабеля»

Дисциплина «Средства технической защиты информации микроволнового диапазона»

Выполнил                                                                   Проверил

студент группы СТЗИ-11-1                                        канд. техн. наук, доцент

Павлик                                                                        Щербина

Николай Леонидович                                                 Александр Алексеевич

Харьков 2014

РЕФЕРАТ

Реферат содержит: 23 стр., 3 рис., 3 табл., 4 формулы, 3 источника.

Цель работы: получение теоретических знаний о методах измерения оптической мощности и вносимых потерь оптического кабеля.

Методы исследования: работа с книгами.

МОЩНОСТЬ, ВНОСИМЫЕ ПОТЕРИ, ОВ, ФД, ТФД.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

. ПОНЯТИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

.1 Оптическая мощность

.2 Измерение оптической мощности

.2.1 Измерители оптической мощности с термофотодиодами

.2.2 Измерители оптической мощности с фотодиодами

.3 Источники оптической мощности

. ИЗМЕРЕНИЕ ВНОСИМЫХ ПОТЕРЬ ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ

.1 Вносимые потери

.2 Общий метод измерения вносимых потерь

.3 Методы измерения вносимых потерь

ВЫВОДЫ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Особая актуальность и народнохозяйственное значение развития волоконно-оптической связи состоят в том, что ресурсы меди и свинца в мировом балансе добычи крайне ограничены, а кабельная промышленность потребляет до 50% меди и 25% свинца от общих ресурсов. Оптические кабели в отличие от широко применяемых электрических кабелей с медными проводниками, не требуют дефицитных материалов и изготавливаются, как правило, из стекла и пластмассы.

Технология оптоволоконных сред передачи является новой, быстро развивающейся и наиболее перспективной, а измерения в этой области наиболее важными.

Комплекс измерений выполняется в процессе строительства и технической эксплуатации волоконно-оптических линий связи локальных и корпоративных сетей и предназначен для определения состояния кабельной системы и качества функционирования оптических трансиверов активного оборудования, для предупреждения повреждений и накопления статистических данных, используемых при разработке мероприятий по повышению надежности связи. Проверяют затухание, вносимое сростками кабелей, затухание, вносимое полностью смонтированной кабельной трассой, уровни мощности оптического излучения на выходе передатчика и входе приемника оптоэлектронных модулей оконечного оборудования, а также коэффициент ошибок. При необходимости определяют места повреждений и неоднородностей. В анализе оптоволоконных кабелей и узлов существенно различаются две категории задач: промышленный и эксплуатационный анализ.

Измерения, выполняемые в процессе эксплуатации делятся на профилактические, аварийные и контрольные. Их проводят с использованием специальной контрольно-измерительной аппаратуры и встроенных программно-аппаратурных тестов компьютерного оборудования.

Измерение оптической мощности является метрологической основой волоконной оптики, а измерительный преобразователь оптической мощности в той или иной форме используется практически в каждом средстве измерения параметров световой волны. Различают измерение абсолютной и относительной мощности: первое - используется для определения характеристик источников и приемников оптического излучения, а второе - для измерения его ослабления, усиления, возвратных и вносимых потерь. Например, измерение абсолютной мощности оптического передатчика или чувствительности оптического усилителя (ОУ), позволяет определить запас мощности, а измерение относительной мощности позволяет установить потери ОВ, коэффициента усиления оптического усилителя и другие. Оптическая мощность обычно определяется на основе измерений электрической мощности, так как последняя может быть точно определена по току и напряжению [1, c.159].

1 ПОНЯТИЯ ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

1.1 Оптическая мощность

Основной единицей измерения, используемой в волоконной оптике, является мощность света. Как и электрическая мощность, оптическая мощность измеряется в ваттах.

Свойства света похожи на электрические. Световая энергия, как и электрическая энергия, теоретически принимает форму синусоидальных волн. Поэтому основные компоненты математических формул, использующихся для вычисления связанных с мощностью электрических измерений, могут также использоваться для вычисления связанных с мощностью оптических измерений.

К оптическим измерениям применяются следующие аналогии [1, с.163]:

мощность является мерой скорости передачи энергии (где энергия Q измеряется в Джоулях), то есть:

=dQ/dt;

мощность является функцией напряжения (U) и тока (I). У световой волны есть электрический компонент и магнитный компонент, что аналогично компонентам напряжения и тока в электрической энергии. Поэтому для электрической энергии:

Р = UI;

для световой энергии:

D = εЕ,

B = μH,

S = EH,

где D- электрическое смещение; В - магнитная индукция; Е - напряженность электрического поля; Н - напряженность магнитного поля; ε - диэлектрическая проницаемость среды; μ -магнитная проницаемость среды; S - плотность энергии (ватт/квадратный метр);

световая энергия прямо пропорциональна квадрату амплитуды электромагнитной волны. Мощность электрической энергии прямо пропорциональна квадрату амплитуды напряжения или тока:

=V2/R=I2*R;

В случае световой энергии сопротивление фактически является проницаемостью стекла. Для света общая энергия Q вычисляется по формуле:

= N Qp;

где Qp - энергия одного фотона; N- число фотонов.

Следовательно:

=d(N*Q)/dt;

Мощность света обычно измеряется и указывается в децибелах.

Оптический передатчик передает сигнал в форме импульсов. Уровень мощности передаваемого сигнала постоянно меняется. Можно измерить мгновенное пиковое значение или среднее значение этой мощности. Это показано на рис. 1.1.

Рис.1.1 - Мощность полученного сигнала

Мощность также прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине электромагнитной волны (С = λ х f). Теоретически свет представляется в форме крошечных частиц, называемых фотонами, которые излучаются атомами при переходах электронов между энергетическими уровнями, окружающими атомы. С возрастанием частоты (то есть снижением длины волны) пропорционально увеличивается энергия фотона. Фактически это означает, что для возбуждения электрона для излучения фотона с высокой частотой необходимо больше энергии, чем для излучения фотона с низкой частотой. Следовательно, поскольку измерение оптической энергии есть мера потока фотонов в единицу времени, оптическая мощность прямо пропорциональна частоте и обратно пропорциональна длине волны. Эта зависимость описывается законом Планка:

=h*F;

где Q - энергия фотона, a h - постоянная Планка.

1.2 Измерение оптической мощности

Различные материалы, использующиеся при производстве детекторов света, чувствительны к различным длинам волн. Например, кремниевые детекторы интенсивно отвечают на сигналы 850 нм, тогда как детекторы из арсенида индия и галлия (InGaAs) дают сильные ответы на сигналы 1300 и 1550 нм. Поэтому детекторы света, используемые для целей измерений, должны быть откалиброваны для той частоты, которую они измеряют.

Детекторы обеспечивают линейный ответ лишь в ограниченном динамическом диапазоне уровня входного сигнала. Поэтому они должны быть откалиброваны для определенного применения и ожидающегося на входе в детектор из волоконно-оптического кабеля диапазона мощностей.

Время ответа детектора в экспонометре очень большое по сравнению со скоростью входных импульсов. Поэтому большинство экспонометров калибруется для измерения средней мощности.

Можно выделить две основные группы измерителей оптической мощности, представленные в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Основные группы измерителей оптической мощности:

Измерители мощности на фотодиодах используются чаще вследствие своей высокой чувствительности. Измерители мощности на термофотодиодах лучше использовать в метрологических лабораториях из-за их высокой стабильности и независимости показаний от длины волны оптического излучения в широком динамическом диапазоне.

Характеристики этих типов измерителей приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2 - Характеристики типов измерителей

1.2.1 Измерители оптической мощности с термофотодиодами

Известны различные принципы измерения оптической мощности с помощью ТФД, наиболее распространенный из них основан на радиометрическом методе замещения, являющемся в общем случае методом автокалибровки. Согласно этому методу измеритель мощности сначала подвергается воздействию оптического излучения, а затем излучение отсекается (при помощи шторки или прерывателя) и заменяется электрическим источником, мощность которого контролируется так, чтобы поддерживать постоянную температуру. Так как электрическая мощность может быть измерена с высокой точностью, то обеспечивается высокая точность данного метода измерения оптической мощности.

В этом методе поглощающий слой, например, поверхность, покрытую черной краской, сначала облучают падающим светом, а затем нагревают его резистором, имеющим контакт с поглощающим слоем. Одна сторона резистора имеет изолированный слой серебра, покрытого черной краской для уравнивания колебаний температуры. Температура измеряется при помощи термобатареи (последовательно соединенных термоэлементов, расположенных в непосредственной близости от серебряной пластины), вырабатывающей напряжение, пропорциональное разности температур между поглощающим слоем и поверхностью с достаточно большой тепловой массой. При этом необходимо обеспечить следующее:

необходимую площадь поверхности с большой тепловой массой для поддержания постоянной температуры во время измерения;

блокирование фонового и рассеянного светового излучения;

оптимизацию теплового потока между поглощающим слоем и нагревателем;

высокую поглощающую способность поверхности;

точное измерение электрической мощности.

Существует второй способ реализации данного метода, при котором ТФД непрерывно электрически нагревается, потребляя мощность несколько большую оптической мощности, которую предстоит измерить, при этом фиксируется напряжение на ТФД. Затем он подвергается оптическому воздействию, а электрическая мощность уменьшается посредством обратной связи до тех пор, пока напряжение на ТФД не станет таким же, как и прежде. Результат измерения оптической мощности представляет собой разницу значений электрической мощности в этих двух процедурах.

Наибольшая трудность при использовании ТФД заключается в их низкой чувствительности и большой продолжительности измерения. Лучшие результаты возможны при использовании термочувствительных элементов, выполненных на полупроводниковых материалах. Такие характеристики позволяют использовать тепловые измерители мощности для проведения калибровки, для других измерений в волоконно-оптической технике они используются довольно редко.

Особым типом теплового измерителя мощности является криогенный радиометр, представляющий собой ТФД, помещенный в вакуум и охлажденный жидким гелием до 6° К. Криогенные радиометры являются наиболее точными измерителями мощности благодаря тому, что:

при 6° К энергия, необходимая для увеличения температуры на 1° К, значительно снижается, что уменьшает постоянную времени и, следовательно, время измерения;

тепловые потери от излучения существенно уменьшаются (энергия излучения пропорциональна T4);

тепловое излучение соединительных проводов резистора, можно устранить, сделав их сверхпроводящими;

потери от тепловой конвекции устраняются путем эксплуатации ТФД в вакууме

На практике криогенные радиометры при измерении мощности позволяют достичь погрешности, равной ±0,01%, однако вследствие высокой стоимости оборудования и сложности его эксплуатации они обычно используются только в национальных калибровочных лабораториях.

1.2.2 Измерители оптической мощности с фотодиодами

Большим преимуществом фотодиодов является то, что они способны измерять модулируемую высокочастотную мощность уровня менее 1 пВт (-90 дБм), однако из-за значительной зависимости от длины волны их полоса пропускания обычно не превышает одной октавы. В настоящее время вследствие высокой чувствительности, малой инерционности и простоты использования ФД является наиболее распространенным фоточувствительным элементом. Эти элементы широко используются в большинстве измерительных средств, применяемых в телекоммуникациях.

При рассмотрении фотодиодов пользуются понятием чувствительности, так как в результате воздействия оптического излучения на ФД он создает фототок, интенсивность (оптическая мощность) которого пропорционально числу фотонов.

Чувствительность ФД определяется отношением фототока к оптической мощности:

γ=I/P;(1.1)

а при наличии усиления M выражением:

=M* γ;(1.2)

Используя выражение для оптической мощности фотона за время Dt при частоте световой волны v, вместо (1.1) получим:

γ=eh/hc*η;(1.3)

где h - постоянная Планка, c - скорость света, e - заряд электрона; - квантовая эффективность, равная 1 для PIN-диода,  - длина волны

Мгновенное значение тока фотодиода определяется выражением:

(t)=R|E(t)|2;(1.4)

где E(t)-напряженность поля излучения.

На практике фотодиоды отклоняются от этой зависимости, так как:

существует верхняя критическая длина волны, за пределами которой энергия фотона становится ниже энергии запрещенной зоны п/п материала, что приводит к резкому снижению чувствительности;

при короткой длине волны некоторые фотоны поглощаются за пределами i-области фотодиода;

происходит снижение чувствительности вследствие промежуточной рекомбинации;

любые отражения от поверхности или внутри фотодиода уменьшают чувствительность.

Последний фактор очень важен, так как отражения могут создавать значительные погрешности при измерении оптической мощности и вносимых потерь. Так, чистый InGaAs имеет показатель преломления, равный 3,5, что приводит к 31% отражений, для уменьшения которых обычно используются антиотражательные, например, четвертьволновые однослойные покрытия. Они уменьшают уровень отражений до 1% в пределах ограниченного диапазона длин волн. Если такой уровень отражений необходим в более широком диапазоне длин волн, используют многослойные покрытия. Следует отметить, что в некоторых случаях наблюдается периодическая структура отражений, что приводит к возникновению трудно устранимых оптических помех.

1.3 Источники оптической мощности

Существует три разновидности источников оптической мощности:

1. Лазерный диод. Он излучает свет, спектр которого заключен в узком диапазоне 1-5нм. Такой спектр близок к монохроматическому, т.е. имеющему единственную основную (центральную) длину волны. Однако чаще всего с каждой стороны центральной длины волны имеется несколько отчетливых всплесков на дополнительных длинах волн. Лазерные диоды наиболее часто применяются для измерений протяженных одномодовых волокон с потерями, превосходящими 10 дБ. Для измерений многомодового волокна лучше использовать светодиодный источник, особенно на коротких длинах волн и при небольшой протяженности кабеля. Уровень мощности излучения источников с лазерными диодами составляет от -6 дБм до +3 дБм (в волокне). В некоторых случаях эта величина может выходить за указанные пределы, например в источниках излучения приборов, предназначенных для кабельного телевидения <#"891901.files/image002.gif">

Рис. 2.1 - Четыре главных вида внешних потерь в соединителе :

а) потери при угловом смещении;

б) потери при радиальном смещении;

в) потери при осевом смещении;

г) потери из-за френелевского рассеяния на неоднородностях

Некачественная полировка торцов волокон, а также трение, возникающее при многократном переподключении соединителей (имеющих физический контакт), может привести еще к одному типу потерь - потерь, связанных с рассеянием на микротрещинах.

Обычно суммарные потери в соединителе составляют до 0,3-0,4 дБ для одномодового и многомодового волокон. При этом, естественно, более жесткие требования предъявляются к качеству одномодового соединителя.

Таблица 2.1. - Уровни потерь, вносимых элементами волоконно-оптических систем

2.2 Общий метод измерения вносимых потерь

оптический мощность волоконный фотодиод

Процесс измерения вносимых потерь представляет два последовательно выполняемых этапа. На первом проводится калибровка, то есть измеряется эталонная мощность или мощность на входе тестируемого элемента. На втором этапе в разрыв соединения вводится тестируемый элемент и измеряется мощность на его выходе. Величину ослабления проходящего через элемент оптического излучения (то есть вносимые им потери) определяют как отношение измеренных значений мощности, выраженное в дБ.

Нужно учитывать, что разные типы элементов отличаются типом оптических входов и выходов (оптическими портами), требующим использовать различные методы измерений. Как правило, порты оптических элементов представляют собой два оконцованных коннектором оптоволоконных шнура. Однако существует множество других типов портов, из которых в настоящее время наиболее распространены порты со шнурами с оголенным волокном и прикрепленные к корпусу элементы фланцевые коннекторы. Помимо конструктивных особенностей оптические элементы отличаются и размерами оптических портов.

2.3 Методы измерения вносимых потерь

Для измерения вносимых потерь в оптической кабельной линии применяется несколько методов. В основном используется метод тестирования с использованием одной эталонной перемычки, который рекомендуется также и для тестирования оптической кабельной линии в СКС.

Метод обрыва. Этот метод применяется для измерения потерь в оптических кабелях до их прокладки и оконцевания коннекторами. Он основан на сравнении уровня мощности на выходе длинного тестируемого отрезка кабеля с уровнем, измеренным на его коротком участке, который получается путем обрыва кабеля в начале измеряемого образца [3, с.156]. Другими словами, сначала измеряется уровень P2 на выходе строительной длины кабеля. Затем волокно обрывают вблизи источника и измеряют P1 на этом коротком участке. Этот метод считается более точным, но он требует качественной подготовки торцов волокна и строгого соблюдения правил измерения.

Рис. 2.2. - Измерение потерь методом обрыва

а - измерение полных потерь в измеряемом устройстве

б - обрыв волокна вблизи источника

Место обрыва волокна

в - измерение введенной в измеряемое волокно мощности

Метод сравнения (сличения). Используется для определения потерь в кабеле. Сигнал от источника при помощи равноплечного ответвителя делится на два канала, один из которых подается непосредственно на измеритель и служит реперным уровнем, а второй вводится в оптический кабель и затем на вход того же измерителя [3, с.138]. Разница значений мощности между первым и вторым каналами дает величину потерь в кабеле. Достоинство метода - высокая точность, так как исключается влияние флуктуаций выходной мощности источника с течением времени.

Метод сопряжения волокон. Применяется для определения потерь в кабеле с числом волокон не менее трех. Источник и приемник подключаются к волокнам кабеля на одной стороне линии [3, с.119]. На другой стороне линии волокна поочередно стыкуются между собой, так что сигнал, пришедший с первой стороны по одному волокну, возвращается обратно по другому волокну этого же кабеля.

Метод легко распространить на любое количество волокон. Его преимущество заключается в проведении всех измерений с одной стороны кабеля. Для тестирования кабелей на линиях большой протяженности можно пользоваться одним комплектом приборов (источник и измеритель). Легко повторить измерения в обратном направлении. Ограниченная точность измерений этим методом обусловлена разбросом потерь на стыковке волокон с другой стороны кабеля. Поэтому метод используется при достаточной длине световодов в кабеле, когда вкладом этой погрешности можно пренебречь.

ВЫВОДЫ

Мы убедились, что роль потерь при эксплуатации оптического кабеля имеет большое значение, ведь их величина определяет способность волокон справляться с трансляцией потока передаваемой информации на необходимое расстояние, в том числе при усложнении структуры сети или увеличении скорости работы передающих систем. Знание величины потерь необходимо для контроля запаса кабельной системы на ремонт и модернизацию. При прокладке кабеля знание затухания мощности передаваемого сигнала в оптических волокнах имеет огромное значение, ведь от этого впоследствии зависит способность среды распространения света передавать сигналы без искажения на большие расстояния. Поэтому процедура тестирования кабеля после его получения с завода-изготовителя очень важна, так же как и контроль потерь при инсталляции.

Потери оптической мощности (затухание) - это уменьшение светового сигнала, распространяющегося в среде по мере увеличения пройденного расстояния, включающее в себя все потери, возникающие при передаче. Поэтому понятно, что даже небольшой выигрыш по затуханию при инсталляции кабеля приведет к значительному увеличению пропускной способности волокна, поскольку уменьшение потерь эквивалентно увеличению оптической длины кабеля, а также снижению верхней границы его полосы пропускания [2, с.185]. В предельных случаях решающую роль может приобрести даже небольшое снижение потерь, составляющее сотые доли децибел. Поэтому в высокоскоростных системах передачи точное знание затухания в кабеле и компонентах кабельной системы является определяющим для оценки его работоспособности и определения запаса оптической среды по скорости передачи и бюджету потерь. Кроме того, при расчете оптической кабельной системы, особенно в локальных сетях небольшой протяженности, необходимо точно знать влияние среды распространения сигнала на энергетические возможности приемопередающей аппаратуры, т.е. правильно оценить влияние передаваемых сигналов на приемник и передатчик.

В современном мире проблемы передачи информации, в том числе и на большие расстояния, играет достаточно существенную роль. Связано это с вопросами автоматизации общества и резким увеличением пользователей, желающих подключиться к той или иной передающей системе.

Человек прилагает массу усилий, чтобы обеспечить беспрепятственный, а главное, в достаточной степени скоростной доступ. И в этом отношении наибольших успехов достигли разработчики волоконных оптических линий связи. В литературе их можно встретить под аббревиатурой ВОЛС.

Такой процесс как построение оптических сетей <http://ezvyazok.com/svarka-optovolokna> по своей сути обеспечивают следующие особенности волоконно-оптических линий связи:

высокая несущая частота, которая составляет порядка 10 в 14 степени Гц, что позволяет обеспечить широкополосность необходимых оптических сигналов;

практически отсутствие затухания в волоконной линии, средний показатель оказывает порядка 0,25 ДБ на километр;

скорость передачи данных в идеале составляет порядка 10 в 12 степени;

практически полное отсутствие природных затуханий, а это играет существенную роль, так как перепады температур, влажности существенно влияют на состояние, как изоляции, так и возможности передачи данных;

оптические линии достаточно устойчивы к внешним помехам, что особенно актуально в городских условиях, где фон присутствует всегда, в любое время дня;

время эксплуатации нормального волоконно-оптического волокна может составлять 25, а то и 30 лет;

ВОЛС состоит из стекла, а это дает возможность монтировать оптоволоконное волокно, точнее, линии из него, можно монтировать по классическим электрическим линиям.

Не последним фактором, а может быть и основным, является тот факт, что волоконные оптические линии постоянно дешевеют.

В заключение необходимо отметить, что даже самые передовые технологии в любом случае должны монтировать и обслуживать исключительно профессионалы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Бейли Д. Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика [Текст] / Д. Бейли Э. Райт - М.: КУДИЦ - ПРЕСС, 2008. - [ стр. 151-172 ]

2.      Скляров О.К. Волоконно-оптические сети и системы связи [Текст] / О. К. Скляров - СПб.: Лань, 2010. - [ стр. 165-240 ]

3.      Фриман Р. Волоконно оптические системы связи [Текст] / Р. Фриман -

М.: Техносфера, 2003.- [ стр. 103-177, 235-288 ]