ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ КАБЕЛЕЙ (часть 1)

Измерение затухания

Обычно измеряют полное затухание a ОВ или кабеля. Иногда измеряют и составляющие полного затухания: a_п и a_р , полное затухание a = a_п + a_р .

Соответствующая доля мощности полных потерь рассеивается в окружающее пространство и поглощается в пассивных элементах конструкции ОК. Необходимость в определении составляющих полного затухания возникает:

· при оценке степени влияния источников кабельных потерь, т.е. дополнительных потерь, возникающих в результате изготовления кабеля на основе данного волокна (с ростом a_р такие потери возрастают);

· при необходимости учета влияния a_р на ширину полосы частотной характеристики многомодового волокна и определения ширины полосы в зависимости от длины ОК.

При измерении затухания необходимо, чтобы структура поля на всей измеренной длине волокна (или кабеля) была бы установившейся, т.е. однородной. Для получения правильных результатов измерений необходимо обеспечить на всей длине измеряемого волокна установившуюся структуру поля и устранить оболочечные моды. Для этой цели при измерении затухания применяют смеситель мод (скремблер) и модовый фильтр, называемый также поглотитель оболочечных мод.

Скремблер – устройство в виде небольшого отрезка волокна, в который внесены равномерно распределенные неоднородности, например, в виде микроизгибов постоянной формы (в частности в виде синусоиды) или в виде распределенных по длине регулярных неоднородностей (путем помещения отрезка волокна в металлическую оболочку с остаточным, сжимающим это волокно, напряжением). Скремблер также изготавливают в виде отрезка волокна, намотанного на цилиндр, радиус которого ~(10¸20)Rmin , где Rmin – критический радиус, при котором данное волокно разрушается. Число витков ~5¸10.

Механизм действия скремблера заключается в том, что благодаря внесению в него регулярных неоднородностей происходят следующие процессы:

· моды высоких порядков интенсивно излучаются;

· на неоднородностях скремблера возникают связи между отдельными модами, приводящие к частичному переходу энергии от одних мод к другим, а также к появлению мод, которые не могут распространяться в данном волокне и поэтому излучаются в окружающее пространство, что создает дополнительные потери на рассеяние

· в это же время часть энергии высших мод переходит в энергию низших, увеличивая их мощность. В результате такого преобразования мод диаграмма излучения нормализуется и возникает установившееся поле излучения.

Скремблер обладает повышенным затуханием (в сравнении с волокном, на основе которого он выполнен), но его значение не входит в измеренное затухание.

Наиболее простым и удобным фильтром, устраняющим оболочечные моды, является небольшая часть волокна в виде петли, погруженной в сосуд, наполненный иммерсионной жидкостью, имеющей тот же показатель преломления, что и оптическая оболочка волокна. Оболочечные моды высвечиваются в иммерсионную жидкость. Иммерсионная жидкость может быть заменена абсолютно поглощающей (роль которой может выполнять черная тушь).

Другой возможный вариант фильтра – намотанное на цилиндрическую основу волокно с числом витков 4-5. Минимальное значение диаметра цилиндра:

,

где NA - числовая апертура; a - радиус сердцевины. Затухание такого фильтра в (1+2a/D_min) раз больше затухания волокна.

Возможным решением, обеспечивающим установившуюся структуру поля и одновременно устраняющим оболочные моды, является использование отрезка волокна (с параметрами, идентичными тем, которые имеет измеряемое волокно), длина которого не менее длины нормализации l_N этого волокна. Такой отрезок волокна применяется в компактном виде (цилиндрическая намотка). Так как длина нормализации от сотен метров до нескольких километров, то применение такого устройства имеет ограниченный характер.

Существуют различные методы измерений затухания ОВ и ОК

1) метод двух точек.

2) метод двух длин

3) метод замещения

4) метод сравнение с отраженным сигналом

5) метод обратного рассеяния

Метод двух точек

Этот метод – наиболее простой; заключается в измерениях мощности P₀ , вводимой в ОВ (или кабель), и мощность P_l , излучаемой на выходе.

Затухание, дБ:

.

Коэффициент затухания, дБ/км:

.

Точность измерения этим методом зависит от двух факторов: точности показаний прибора, измеряющего мощность, и точности определения доли мощности, вводимой в измеряемое волокно.

Остановимся на втором факторе. Возможны два решения:

· определение и учет с нужной точностью значения потерь на воде энергии в волокно в каждом случае измерений;

· снижение этих потерь до заведомо малого значения.

Второе решение является более конструктивным. Обязательное условие снижения потерь на вводе является подготовка торца измеряемого волокна. Для этого используется, контролируемое на специальном станке обламывание волокна, полировка торца волокна и очистка его поверхности от неизбежных жировых пленок в чистом бензине или сероуглероде.

Метод двух точек удобен в тех случаях, когда оба конца кабеля непосредственно доступны для измерения одному оператору. Например: при измерениях на заводе или при входном контроле (когда кабель уложен на барабане).

Если кабель уложен в траншее, то измерение методом двух точек усложнится, т.к. его должны проводить два оператора у концов кабеля.

В подобных случаях более удобны методы измерения при одностороннем доступе.

Метод двух длин(«обрывной метод»).

Этим методом определяется коэффициент затухания, на основании измерений мощности на выходе двух различных длин l₁ и l₂ образца. Основное достоинства метода: отсутствие необходимости в измерении мощности на входе, что исключает ошибку, связанную с условиями обеспечения ввода энергии в волокно с малыми потерями, значение которых остается неизвестным. Единственное условие, которое необходимо соблюдать при измерениях этим методом, сохранение постоянства мощности, излучаемой лазером при стабильности состояния устройства ввода энергии.

.

При качественном состоянии торцов на конце длин l₁ и l₂ точность этого метода удовлетворяет требованиям контрольных измерений. Очевидное неудобство метода в нарушении целостности ОВ; кроме того, он не применим для ОК.

Метод Замещения

Метод основан на сравнении измеряемого затухания с затуханием калиброванного переменного ослабителя. В качестве ослабителя возможно применение градуированного оптического аттенюатора, который вводится в опорный канал. Мощность излучения на выходе этого канала регулируется аттенюатором до значения, равного мощности на выходе измеряемого канала, содержащего ОВ или ОК. Измеряемое затухание будет равно затуханию аттенюатора.

В другом варианте этого метода вместо оптического используется электрический калиброванный аттенюатор, вносящий затухание в электрический сигнал на выходе опорного канала. Производится сравнение электрических сигналов на выходе этого канала с выходным сигналом измерительного канала. Показание аттенюатора, при котором имеет место равенство сигналов, соответствует измеряемому затуханию.

На рис.13.3 приведена упрощенная схема измерения затухания методом замещения по модулирующей частоте. Излучение лазера 1 после скремблера 2 и фильтра 3 оптическим делителем 4 разделяется по двум каналам. Измерительный канал состоит из стыковочного юстируемого устройства 5, измеряемого оптического волокна 6, фотодетектора 7 и усилителя модулирующей частоты 8. Опорный канал включает в себя фотодетектор и усилитель модулирующей частоты, идентичные тем, которые входят в измерительный канал. Источник модулирующей частоты 9 модулирует импульсное излучение. Калиброванный электрический аттенюатор 12 на частоте модуляции вносит в коммутатор затухание в пришедшие по опорному каналу импульсы. При равенстве вносимого затухания измеряемого образца и аттенюатора результирующее напряжение, фиксируемое осциллографом, будет равно нулю.

Электрические импульсы 13, 14 из обоих каналов поступают синхронно, но в противофазе на балансный синхронный коммутатор 10, на выходе которого включен осциллографический нуль-индикатор 11.

Метод обеспечивает диапазон измерения до 50 дБ при погрешности ±(0.1…0.2) дБ. Реализация – достаточно сложна. Применение этого метода в условиях эксплуатации нецелесообразно. Его можно рассматривать как один из лабораторных методов измерений.