eng
Выпуск #6/2024
С. Б. Бычков, А. О. Погонышев, С. В. Тихомиров, В. Р. Сумкин
Методы измерения обратных потерь в волоконно-оптических линиях и компонентах
Методы измерения обратных потерь в волоконно-оптических линиях и компонентах
Просмотры: 1315
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.6.470.484
В статье рассматриваются 3 метода измерения величины обратных потерь (ORL) в волоконно-оптических системах, применяемые в современных измерительных приборах – метод измерений на непрерывном излучении (CW), метод рефлектометрии во временной области (OTDR) и метод рефлектометрии в частотной области (OFDR). Проводится сравнительный анализ этих методов, рассматриваются преимущества и ограничения.
В статье рассматриваются 3 метода измерения величины обратных потерь (ORL) в волоконно-оптических системах, применяемые в современных измерительных приборах – метод измерений на непрерывном излучении (CW), метод рефлектометрии во временной области (OTDR) и метод рефлектометрии в частотной области (OFDR). Проводится сравнительный анализ этих методов, рассматриваются преимущества и ограничения.
Теги: measurements metrological support ofdr optical return loss orl otdr reflectometry измерение метрологическое обеспечение оптические обратные потери рефлектометрия
Методы измерения обратных потерь в волоконно-оптических линиях и компонентах
С. Б. Бычков, А. О. Погонышев, С. В. Тихомиров, В. Р. Сумкин
«ВНИИОФИ»), Москва, Россия
«НПП «Измерительная техника связи»,
г. Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматриваются 3 метода измерения величины обратных потерь (ORL) в волоконно-оптических системах, применяемые в современных измерительных приборах – метод измерений на непрерывном излучении (CW), метод рефлектометрии во временной области (OTDR) и метод рефлектометрии в частотной области (OFDR). Проводится сравнительный анализ этих методов, рассматриваются преимущества и ограничения.
Ключевые слова: измерение, оптические обратные потери, ORL, рефлектометрия, OTDR, OFDR, метрологическое обеспечение
Статья получена: 08.02.2024
Статья принята: 26.07.2024
Введение
Одной из важных характеристик волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и волоконно-оптических устройств является уровень создаваемых ими обратных потерь (return loss, ORL, потерь на отражение) – величины, равной отношению мощности создаваемого в устройстве сигнала обратного рассеяния к мощности оптического сигнала на его входе, выраженной в децибелах (ГОСТ Р 54417-2011). Сигналы обратного рассеяния могут вызывать нестабильности и шумы в лазерных излучателях, используемых в волоконно-оптических системах связи, что может приводить к сбоям в работе телекоммуникационного оборудования или даже выходу лазерных излучателей из строя. В связи с этим уровни создаваемых элементами и устройствами ВОЛС обратных потерь обычно нормируются, а измерители обратных потерь находят широкое применение в измерительной технике волоконно-оптической связи. В статье рассматриваются методы измерения обратных потерь, используемые в таких измерительных приборах, и проводится их сравнительный анализ.
В настоящее время наиболее распространены 3 метода измерения величины обратных потерь в оптическом волокне:
Рассмотрим эти методы подробнее.
CW-метод измерения
CW-метод является наиболее очевидным способом измерения величины обратных потерь в ВОЛС. Схема, поясняющая принцип работы CW-измерителя представлена на рис. 1.
Лазер (ЛИ) генерирует непрерывное оптическое излучение, имеющее постоянную, известную мощность PЛ, [дБм]. Через ветвь 1 разветвителя (сплиттера) СП это излучение поступает на его выход 3. К нему же подключается тестируемая волоконно-оптическая линия или тестируемое волоконное устройство. При этом СП вносит потери А13, [дБ], в сигнал, и в ветвь 3 поступает мощность Pл-dut < Рл. При прохождении излучения через ВО-линию, часть его отражается назад из-за рассеяния на неоднородностях среды передачи (рэлеевское рассеяние) и на зеркальных поверхностях (френелевское отражение). На вход 3 СП поступает сигнал обратного рассеяния и, терпя потери А32, [дБ], поступает на вход оптического ваттметра ИОМ, позволяющего измерить среднюю мощность Pов этого сигнала. Таким образом, зная среднюю мощность оптического излучения на выходе ЛИ Рл, потери А13 и А32, по показаниям ИОМ Pов, [дБм], можно вычислить значение величины интегральных обратных потерь в тракте RL, [дБ], по формуле (1).
RL = Pов − Pл + A13 + A32 + 2 · α, [дБ], (1)
где α, [дБ] – величина потерь на оптическом разъеме, соединяющем исследуемую ВО-линию и выходную ветвь СП (считается постоянной и составляет примерно 0,15 дБ).
Измеряемые таким образом потери возникают благодаря всем оптическим компонентам, входящим в волоконно-оптическую линию. Для того, чтобы определить обратные потери от заданного участка линии, например, от места соединения оптических разъемов, используют т. н. мандрель. Мандрель представляет собой стержень заданного диаметра, на который наматывается оптическое волокно. Диаметр стержня таков, что в намотанном на него оптическом волокне нарушается условие полного внутреннего отражения, и излучение выходит из световода, не создавая обратных потерь, а на 5–7 витках намотки, обратные потери от следующего за мандрелью участка ВО-линии уменьшаются более чем на 70 дБ. Диаметр стержня мандрели определяется рабочей длиной волны и типом оптического волокна. Например, для оптического волокна класса G.652 он составляет 8 мм при проведении измерений на длине волны 1 310 нм и 10 мм при проведении измерений на длине волны 1 550 нм. Таким образом, например, в схеме, показанной на рис. 1, для измерения значения величины обратных потерь от оптического разъема Р, соединяющего два участка исследуемой ВО-линии, необходимо при помощи мандрели М убрать обратные потери от волокна, расположенного после разъема Р, затем измерить величину интегральных обратных потерь RLsumm, [дБ], от разъема Р и оптического волокна перед ним. После чего измерить величину RLbefore, [дБ] – обратных потерь от участка трассы перед Р, намотав на мандрель волокно между измерителем и разъемом Р как можно ближе к разъему. Искомую величину обратных потерь RLP можно вычислить по формуле (2).
RLp = 10 log 10 10RLsumm / 10 − 10RLbefore / 10, [дБ]. (2)
Описанный CW-метод измерения обратных потерь в оптическом волокне достаточно прост в реализации. Единица обратных потерь, измеренная таким способом, в Российской системе метрологического обеспечения прослеживается к Государственному специальному эталону единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем передачи информации (ГЭТ 170–2024) через единицы средней мощности и ослабления оптического излучения. Диапазон измерения обратных потерь CW-методом определяется:
диапазоном измерения средней мощности оптического ваттметра ИОМ,
потерями сигнала в разветвителе СП,
уровнем «нулевого» сигнала обратных потерь, возникающего в результате отражения излучения ЛИ от выходного разъема 3 (см. рис.) измерителя и разветвителя СП, а также благодаря наличию перекрестной помехи между линиями 1 и 2 разветвителя СП (crosstalk, isolation).
На практике, лимитирующим оказывается именно последний фактор. Если динамический диапазон современных оптических ваттметров обычно превышает 80 дБ, потери и в разветвителе СП составляют порядка 3 дБ, то уровень взаимной изоляции портов сильно зависит от конструкции. Эта характеристика нормируется далеко не для всех доступных на рынке разветвителей, обычно производителем указывается именно уровень обратных потерь. Вопрос применимости разветвителей разных типов к задаче измерения ORL был рассмотрен в ходе совместной работы ФГБУ «ВНИИОФИ» и НПП «ИТС». В табл. 1 представлены минимальные значения нулевого уровня, полученные в CW-измерителе обратных потерь с использованием измерителей трех различных типов: сварные разветвители Y-типа (имеющие 1 вход и 2 выхода – FBT 1x2), планарные разветвители Y-типа (PLC 1х2) и сварные разветвители X-типа (имеющие 2 входа и 2 выхода – FBT 2x2). Все разветвители имели коэффициент деления 50% – 50%. Неиспользуемый порт X-разветвителя наматывался на мандрель, что обеспечивало фактическое отсутствие обратных отражений от торца оптического волокна. Измерения проводись на длине волны 1 550 нм.
Высокий уровень «нулевого» сигнала, получаемый при использовании сварного разветвителя FBT 1x2 можно объяснить тем, что сплиттеры данного типа выполняются сплавлением двух оптических волокон, затем один из портов откалывается для получения Y-конфигурации. Место скола при этом может создавать большие обратные потери, определяющие низкий коэффициент межканальной изоляции. Технология планарных разветвителей позволяет получить большую изоляцию каналов за счет более высокой точности и повторяемости производственных процессов. Наилучший результат обеспечил X-разветвитель, «лишний» порт которого был заглушен. Это позволило расширить диапазон измерения обратных потерь до уровня −70 дБ и можно утверждать, что, подобрав более качественный разветвитель, возможно расширить диапазон еще сильнее. Тем не менее, данный показатель можно считать близким к предельному для CW-измерителей. В процессе использования выходной разъем измерителя «затирается», в результате чего френелевское отражение от него увеличивается, что в конце концов приводит к возрастанию нулевого сигнала до уровня, превышающего −70 дБ. Другим значительным недостатком CW-метода является необходимость использования мандрели для измерения потерь от заданного участка тракта, что портит оптическое волокно, кроме того, это не всегда представляется возможным.
Тем не менее, динамический диапазон в 70 дБ вполне достаточен для ряда приложений, а цена CW-измерителей обратных потерь весьма конкурента. Кроме того, величина обратных потерь, измеренная описанным способом, очевидным образом прослеживается к единице ослабления для оптического волокна. Поэтому данный метод традиционно используется в эталонной технике, в частности, в рабочих эталонах единицы обратных потерь в оптическом волокне (РЭОП, регистрационный номер в реестре СИ: 52363-13, 35981-07), производимых и поставляемых ФГБУ «ВНИИОФИ» в метрологические центры России.
Рефлектометрические методы
В последнее время все чаще стали встречаться приборы, предназначенные для измерения распределенных обратных потерь – потерь от выбранного участка трассы, конкретного разъема или компонента. Такие приборы оказались востребованными, например, на производствах оптических патч-кордов, кабелей и сборок – для тестирования качества полировки разъемов. Эта область применения не позволяет портить тестируемое волокно, наматывая его на малый радиус. Здесь находят применение приборы, реализующие временной и фазовый рефлектометрические методы (OTDR и OFDR). К приборам, использующим OTDR-рефлектометрический метод, например, относятся MAP‑200 (VIAVI, Франция) и Op‑940 (OptoTest, США). OFDR-рефлектометрический метод использует, например, OVA‑5000 (Luna, США). Данные системы могут измерять как интегральные обратные потери, так и потери от заданного участка ВОЛС и имеют более широкие динамические диапазоны, чем измерители CW-типа.
OTDR-метод
На рис. 2 представлена обобщенная структурная схема OTDR-рефлектометра. Импульсный лазерный излучатель ИЛИ генерирует зондирующие оптические импульсы, поступающие через волоконно-оптический разветвитель СП в исследуемую ВО-линию. Распространяясь в ней, импульсы подвергаются обратному рассеянию, регистрируемому высокоскоростным фотоприемным устройством ФПУ, сигнал с которого усиливается при помощи широкополосного усилителя УС и подается на быстродействующий аналого-цифровой преобразователь АЦП [1]. Управление запуском ИЛИ и обработку сигналов АЦП осуществляет модуль цифровой обработки сигналов ЦОС. Отсчеты АЦП синхронизированы по времени с моментами запуска ИЛИ, каждому отсчету АЦП, произведенному через время n Δt, [с] (где Δt – время между преобразованиями АЦП, n – целое число) после излучения оптического импульса ИЛИ соответствует сигнал обратного рассеяния зондирующего импульса от конкретного участка ВО-трассы. Таким образом формируется рефлектограмма – зависимость относительной мощности сигнала обратного рассеяния от расстояния между измерителем и местом рассеяния. При проведении измерения излучатель ИЛИ генерирует последовательность оптических зондирующих импульсов, период следования которых настраивается таким образом, чтобы сигнал обратного отражения от самой удаленной точки ВО – трассы успевал попасть на фотоприемное устройство ФПУ до того, как будет сформирован следующий зондирующий импульс. Для каждой точки рефлектограммы производится множество усреднений измеренного значения сигнала обратного рассеяния, что позволяет снизить влияние шумов канала фотоприемника.
Описанный принцип работы одинаков для большого числа OTDR, применяющихся для измерения длины ВОЛС и поиска неисправностей на линиях, однако если рефлектометры оптимизированы для работы на большие дистанции (от 1 до 100 км), то OTDR-измерители обратных потерь оптимизируются для работы в ближней зоне. Для них характерными являются более высокое пространственное разрешение, более высокая точность и более широкий диапазон измерения уровней сигнала обратного рассеяния, но меньший диапазон рабочих длин оптических линий.
Принцип OTDR позволяет нивелировать факторы, ограничивающие динамический диапазон CW-измерителей обратных потерь – влияние перекрестных помех разветвителя и выходного оптического разъема. Для системы OTDR эти помехи могут не учитываться за счет выбора минимального интервала τ временной отстройки запуска АЦП относительно момента генерации зондирующего импульса. Это позволяет расширить динамический диапазон измерителя распределенных обратных потерь до значений, соответствующих рэлеевскому рассеянию от участка оптического волокна (обычно составляет от –70 дБ до –80 дБ на 1 м). Однако, требование к увеличению пространственного разрешения OTDR вступает в противоречие с требованием увеличения динамического диапазона измерителя.
Так как увеличение пространственного разрешения достигается за счет уменьшения длительности зондирующих оптических импульсов, уменьшается и мощность сигнала обратного рассеяния. Мощность же излучателей, применяемых для генерации зондирующих импульсов, ограничена сверху как техническими возможностями самих излучателей, так и нелинейными эффектами в оптическом волокне (и составляет обычно не более нескольких сотен мВт). Все это усложняет процесс измерения мощности сигнала обратных потерь и заставляет производителей OTDR использовать лавинные фотоприемники, обладающими худшими характеристиками стабильности при более высоких характеристиках чувствительности. Другим аспектом, препятствующим получению высокого пространственного разрешения, является быстродействие АЦП. Так для получения разрешения в 10 см должна измеряться амплитуда сигнала обратного рассеяния каждые Δt ≈ 1 нс, что требует частоты преобразования более 1 ГГц и соответствующего ей быстродействия от фотоприемника ФПУ и усилителя УС.
Вопрос определения динамического диапазона OTDR подробно рассмотрен в [1]. В отличии от классических рефлектометров, OTDR-измерители обратных потерь рассчитаны на работу как при низких, предельно-детектируемых значениях мощности сигнала обратных потерь, так и при более высоких значениях (например, для Op‑940 производства Optotest, США – от –10 дБ). Нижняя граница чувствительности OTDR-измерителя может быть рассчитана из эквивалентной плотности мощности шума сигнала фотодетектора NEP, Вт / √—Гц. Для фотодетекторов на основе p-i-n – фотодиодов и лавинных фотодиодов значение данной характеристики определяется по формуле (3).
∆I
NEPpd =− , (3)
S ∙ G
где ΔI – спектральная плотность шумового тока фотодиода, A / √—Гц, S – его спектральная чувствительность на рабочей длине волны, [А / Вт], G – коэффициент лавинного умножения (обычно составляет от 1 до 100). Типовое значение NEP быстродействующих фотодиодов составляет порядка 10−15–10−13 Вт / √—Гц. Таким образом, мощность шума в полосе 1 ГГц может составлять порядка –75...–55 [дБм]. Если мощность зондирующего импульса составляет 100 мВт (20 дБм), то ее отношение к мощности шума составит соответственно от 95 дБ до 75 дБ, что позволяет, учитывая требования к точности измерений, определить нижнюю границу измеряемых обратных потерь. Таким образом можно сделать вывод, что значение величины обратных потерь в –80 дБ при пространственном разрешении OTDR в 10 см является вполне реализуемым. Однако, при этом, попадание в фотодиод ФПУ импульса оптического излучения мощностью 100 мВт должно перенасытить фотодиод и является недопустимым, что объясняет тот факт, что верхняя граница измерения величины обратных потерь у OTDR-измерителей обычно находится ниже –10 дБ.
В России для метрологического обеспечения OTDR функционирует большой парк рабочих эталонов средней мощности оптического излучения, ослабления и времени распространения сигналов в световоде, а единицы прослеживаются к Государственному специальному эталону ГЭТ 170-2024.
OFDR-метод
Другим рефлектометрическим методом измерения распределенных обратных потерь является метод с использованием оптической рефлектометрии в частотной области (OFDR). Аналогично OTDR, OFDR лишен недостатков CW-метода в виде влияния перекрестных помех сплиттера и выходного оптического разъема. Кроме того, метод OFDR лишен некоторых недостатков OTDR-метода таких, как описанное выше противоречие между пространственным разрешением и динамическим диапазоном при измерении распределенных обратных потерь, однако, имеет ограничения по длине исследуемых ВО-линий (для коммерческих образцов рассматриваемых приборов эта величина ограничена значением 2 000 метров).
OFDR – интерферометрический метод измерений, в котором используется высоко когерентный лазерный источник оптического излучения с непрерывно перестраиваемой длиной волны. Анализ интерференционной картины производится при помощи преобразования Фурье, позволяющего получить зависимость интенсивности отраженного и рассеянного оптического излучения от расстояния до точки введения зондирующего оптического излучения [2]. Структурная схема прибора, реализующего метод OFDR измерения распределенных обратных потерь в волоконно-оптических системах, приведена на рис. 3.
Блок источника лазерного излучения ПЛИ представляет собой высоко когерентный лазер, который обеспечивает спектральную перестройку оптического излучения по линейному от времени закону. Устройство регистрации состоит из основного интерферометра с поляризационным разнесением сигнала, вспомогательного интерферометра, фотодетекторов ФП1 – ФП3 и устройства обработки и сбора данных. Наконец, катушка оптического волокна КОВ является частью вспомогательного интерферометра, предназначенного для контроля оптической частоты излучения во время перестройки лазера по длине волны.
Оптическое излучение от перестраиваемого лазера при помощи волоконно-оптического разветвителя СП1 делится на две части, причем 90% мощности направляется в основной интерферометр, а 10% – во вспомогательный. В основном интерферометре половина мощности оптического излучения от волоконно-оптического разветвителя СП2 поступает на волоконно-оптический циркулятор и затем – в исследуемую ВО-линию, дифференциальные и абсолютные задержки распространения оптического излучения в которой подлежат предварительному определению и измерению. Оптическое излучение, обратно рассеянное или отраженное от неоднородностей в исследуемой ВО-линии, объединяется с излучением второй (опорной) ветви основного интерферометра на волоконно-оптическом разветвителе СП4 и поступает в поляризационный делитель. Здесь излучение разделяется на две ортогональные поляризационные s- и р- составляющие и детектируется двумя фотодетекторами (ФП1, ФП2), которые подключены через усилитель к устройству обработки и сбора данных АЦП / ЦОС. Устройство сбора данных представляет собой высокоскоростной трехканальный аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство, предназначенное для математической обработки собранных данных.
Если рассмотреть упрощенную модель процесса измерения, можно сказать, что на площадке фотодетектора измерительного интерферометра происходит интерференция сигнала опорного канала интерферометра и сигналов обратного отражения или рассеяния (обратных потерь) от каждой точки тестируемой линии. То есть каждая неоднородность ВО-линии рассматривается как индивидуальный отражатель. При линейной перестройке длины волны лазера мощность суммарного сигнала опорного канала и сигналов обратных потерь от каждой неоднородности будет меняться по синусоидальному закону. Частота синусоиды будет зависеть только от скорости перестройки длины волны лазера и разности длин оптических путей в ветвях интерферометра, а амплитуда – от интенсивности сигнала распределенных обратных потерь. Таким образом сигнал фотодетекторов ФП1 и ФП2 позволяет восстановить зависимость мощности сигнала обратных потерь от длины ВО-линии. Поляризационное разнесение сигнала обеспечивает независимость измеренного сигнала от изменений состояния поляризации излучения, вызванных рассеянием или отражением от неоднородностей в исследуемой ВО-линии [3]. Сигналы поляризационных составляющих излучения Es, Ep, приходящие на фотодетекторы основного интерферометра, описываются соотношениями (4) и (5).
Es(ω) =∑i 2rτi gs(τ)T˙s EиT˙s Eоп cos ω(t)τi + ϕτi , (4)
Ep(ω) =∑i 2rτi gp(τ)T˙p EиT˙p Eоп cos ω(t)τi + ϕτi , (5)
где rτi, ϕτi – амплитуда и фаза комплексной отражательной способности неоднородности внутри исследуемой ВО-линии; gs(τ), gp(τ) – коэффициенты усиления измерительных каналов; T˙s , T˙p – операторы, описывающие поляризационное разделение сигнала; Eи, Eоп – амплитуды векторов электрического поля измерительной и опорной ветвей основного интерферометра соответственно; ω(t) – мгновенная частота излучения перестраиваемого лазера; τi – разность временных задержек между измерительной и опорной ветвями основного интерферометра.
Уравнения (4), (5) описывают связь сигналов обратных потерь в исследуемой ВО-линии и наблюдаемого интерференционного сигнала в частотной области. Если преобразовать (с использованием прямого преобразования Фурье) сигналы Es(ω), Ep(ω) в сигналы Es(τi), Ep(τi) во временной области, то можно описывать указанные неоднородности как функцию интенсивности отраженного и рассеянного оптического излучения от временной задержки оптического излучения относительно точки его введения [2]. В результате итоговый сигнал E(τi) примет вид, показанный в уравнении (6).
_____________
E(τi) = √ Es(τi)2 + Ep(τi)2 . (6)
Полученный сигнал E(τi) является ничем иным, как функцией распределения обратноотраженной (или рассеянной) оптической мощности от положения соответствующих неоднородностей в исследуемой ВО-линии. Для прецизионных измерений распределенных обратных потерь с помощью рассматриваемого метода производится калибровка величины E(τi) при помощи меры – волоконно-оптического элемента с известным коэффициентом отражения и, соответственно, обратных потерь. В качестве данного волоконно-оптического элемента, как правило, используется волоконно-оптическое зеркало c золотым покрытием, коэффициент отражения которого известен с высокой степенью точности, что дает возможность производить измерения распределенных обратных потерь методом OFDR с погрешностью не хуже 0,1 дБ.
Динамический диапазон измерений ограничен в основном собственным шумом используемого перестраиваемого лазера. Использование перестраиваемых лазеров с низким относительным уровнем шума (RIN) порядка –160 дБ / Гц позволяет получить динамический диапазон измерений обратных потерь порядка 80 дБ. Также, следует отметить, что OFDR-метод обладает на порядок лучшим пространственным разрешением по сравнению с методом OTDR. Пространственное разрешение OFDR-рефлектометра ΔL, м, определяется длиной волны лазера и может быть оценено с помощью соотношения (7).
λ2
ΔL =− , (7)
2 ∙ n ∙ Δλ
где λ – центральная длина волны перестраиваемого лазера, [м] (рис. 3); Δλ – диапазон спектральной перестройки перестраиваемого лазера, [м]; n – показатель преломления исследуемой ВО-линии.
Таким образом, в соответствии с соотношением (7) высокое пространственное разрешение измерений распределенных обратных потерь OFDR-типа не противоречит высокому динамическому диапазону измерений величины обратных потерь, в отличие от OTDR-измерителей. Так в измерителях OBR 4600 (Luna, США) OFDR-метод позволяет производить измерения распределенных обратных потерь с пространственным разрешением порядка 20 мкм при длине исследуемой ВО-линии до 70 метров и 1 мм при соответствующей длине до 2 000 метров, что является наилучшим значением характеристики пространственного разрешения относительно других рассмотренных методов. К недостаткам описанного метода можно отнести то, что диапазон длин ВО-трассы ограничен длиной когерентности лазера. Так же, с ростом длины трассы возрастает ширина полосы частот сигнала интерференции при той же скорости перестройки лазера. Это требует использования более высокопроизводительных АЦП, работающих на частоте дискретизации в сотни МГц, и значительно повышает требования к вычислительной аппаратуре. Другим недостатком является высокая стоимость перестраиваемых лазеров с большой длиной когерентности. Однако, успехи современной лазерной техники приводят к тенденции на ее снижение.
Существующая в настоящее время в Российской Федерации эталонная база не предусматривает метрологическое обеспечение шкал длины OFDR-рефлектометров с точностями, заявляемыми производителями, однако работа в этом направлении ведется [4]. Для полноценного метрологического обеспечения таких приборов требуется разработка соответствующего рабочего эталона.
Сравнение областей применения описанных методов
В табл. 2 приводится информация о технических и метрологических характеристиках упомянутых в статье измерительных приборов, реализующих OTDR, OFDR и CW-измерения обратных потерь в оптическом волокне. Необходимо отметить, что для большинства приборов данные взяты из спецификаций от производителей, т. е. эти приборы не проходили испытаний с целью утверждения типа на территории РФ. Однако, приведенные характеристики позволяют подтвердить выводы об ограничениях и преимуществах описанных методов измерения. Символ «*» рядом с названием измерительного прибора указывает, что прибор вносился в государственный реестр средств измерений (как тип или как единичный образец).
Выводы
Развитие систем волоконно-оптической связи повышает требования к измерительной технике, необходимой для их строительства и эксплуатации. Непрерывное улучшение характеристик лазеров, фотодетекторов и информационно-измерительной техники, а также желание производителей измерительных приборов удовлетворить возрастающие потребности волоконно-оптической связи приводят как к совершенствованию и переосмыслению существующих методов измерений, так и к появлению новых методов измерения, а также к воплощению их в серийно-выпускаемых измерительных приборах. Рассмотренные методы измерения обратных потерь в оптическом волокне формировались от более простого CW-метода к высокотехнологичному методу OFDR-рефлетометрии, однако в настоящее время нельзя сказать о полном преобладании какого-то одного из них, они имеют свою специфику и области применения.
CW-измерители обратных потерь занимают нишу портативных приборов, обладающих ограниченным функционалом, но конкурентной стоимостью и эталонных измерителей, обладающих малыми погрешностями измерений, но предназначенных для редкого использования. Они применяются для измерения интегральных обратных потерь и имеют большие ограничения при измерении обратных потерь от заданного участка трассы. Если погрешность CW-рабочих средств измерения достаточно велика и составляет обычно около 0,5 дБ, то высокая точность эталонных измерителей достигается хорошей полировкой оптических разъемов и использованием специальных эталонных мер. Диапазон измерений обратных потерь CW-измерителями обычно составляет от 0 до –65...–70 дБ. Портативные CW-измерители обратных потерь часто входят в состав оптических тестеров, предназначенных для измерения вносимых потерь и средней мощности оптического излучения в волокне и находят применение при монтаже и обслуживании линий ВО-связи.
OTDR-измерители обратных потерь являются, по сути, адаптацией OTDR для работы в ближней зоне и в более широком диапазоне сигналов обратного рассеяния. Такие приборы позволяют измерять величину обратных потерь от заданного участка трассы, и находят применение, например, на производствах оптических компонентов и соединительных патч-кордов. Погрешность OTDR-измерителей, в среднем, несколько выше, чем погрешность CW-измерителей, однако она обеспечивается в более широком диапазоне измерений (до −80 дБ). Пространственное разрешение составляет от единиц до десятков сантиметров.
OFDR чаще представляют из себя достаточно габаритные многофункциональные измерительные системы (оптические векторные анализаторы) которые помимо обратных потерь могут измерять вносимые потери, дисперсионные характеристики, поляризационную экстинкцию и поляризационно-зависимые потери в волоконно-оптических линиях. Но главной особенностью этих приборов является пространственное разрешение, сравнимое с длиной волны оптического излучения (порядка десятков мкм) на дистанциях порядка сотен метров. Диапазон измерения обратных потерь OFDR составляет от 0 до –80 дБ, а погрешность измерения составляет 0,1–0,2 дБ. Описанные характеристики делают OFDR идеальным решением для измерений на коротких дистанциях, в том числе, для приложений интегральной фотоники. Разрешение субмиллиметрового диапазона, характерное для OFDR, является для OTDR-измерителей принципиально недостижимым, однако, в настоящее время OTDR могут иметь компактную реализацию, более низкую стоимость и позволяют производить измерения на наборе различных дискретных длин волн, тогда как OFDR работают в не очень широком спектральном диапазоне перестраиваемого лазера.
АВТОРЫ
Бычков С. Б., м. н. с., Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГБУ «ВНИИОФИ»), Москва, Россия.
ORCID: 0009-0000-5118-6368
Погонышев А. О., м. н. с., ФГБУ «ВНИИОФИ», Москва, Россия.
Web of Science Researcher ID: HJB‑3251-2022
Scopus Author ID: 57204943217
Тихомиров С. В., д. т. н., преподаватель аспирантуры ФГБУ «ВНИИОФИ», Москва, Россия.
Сумкин В. Р., генеральный директор, ООО «Научно-производственное предприятие «Измерительная техника связи», Санкт-Петербург, Россия.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
С. Б. Бычков, А. О. Погонышев, С. В. Тихомиров, В. Р. Сумкин
«ВНИИОФИ»), Москва, Россия
«НПП «Измерительная техника связи»,
г. Санкт-Петербург, Россия
В статье рассматриваются 3 метода измерения величины обратных потерь (ORL) в волоконно-оптических системах, применяемые в современных измерительных приборах – метод измерений на непрерывном излучении (CW), метод рефлектометрии во временной области (OTDR) и метод рефлектометрии в частотной области (OFDR). Проводится сравнительный анализ этих методов, рассматриваются преимущества и ограничения.
Ключевые слова: измерение, оптические обратные потери, ORL, рефлектометрия, OTDR, OFDR, метрологическое обеспечение
Статья получена: 08.02.2024
Статья принята: 26.07.2024
Введение
Одной из важных характеристик волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) и волоконно-оптических устройств является уровень создаваемых ими обратных потерь (return loss, ORL, потерь на отражение) – величины, равной отношению мощности создаваемого в устройстве сигнала обратного рассеяния к мощности оптического сигнала на его входе, выраженной в децибелах (ГОСТ Р 54417-2011). Сигналы обратного рассеяния могут вызывать нестабильности и шумы в лазерных излучателях, используемых в волоконно-оптических системах связи, что может приводить к сбоям в работе телекоммуникационного оборудования или даже выходу лазерных излучателей из строя. В связи с этим уровни создаваемых элементами и устройствами ВОЛС обратных потерь обычно нормируются, а измерители обратных потерь находят широкое применение в измерительной технике волоконно-оптической связи. В статье рассматриваются методы измерения обратных потерь, используемые в таких измерительных приборах, и проводится их сравнительный анализ.
В настоящее время наиболее распространены 3 метода измерения величины обратных потерь в оптическом волокне:
- CW-метод – метод, основанный на измерении средней мощности обратных отражений от исследуемой волоконно-оптической линии при постоянном зондирующем оптическом сигнале;
- OTDR-метод – метод оптической рефлектометрии во временной области, основанный на измерении изменения мощности отраженного сигнала при импульсно-модулированном зондирующем сигнале;
- OFDR-метод – метод оптической рефлектометрии в частотной области, основанный на анализе интерференционной картины, линейно перестраиваемого по длине волны лазера, используемого как источник зондирующего сигнала и сигнала обратного отражения.
Рассмотрим эти методы подробнее.
CW-метод измерения
CW-метод является наиболее очевидным способом измерения величины обратных потерь в ВОЛС. Схема, поясняющая принцип работы CW-измерителя представлена на рис. 1.
Лазер (ЛИ) генерирует непрерывное оптическое излучение, имеющее постоянную, известную мощность PЛ, [дБм]. Через ветвь 1 разветвителя (сплиттера) СП это излучение поступает на его выход 3. К нему же подключается тестируемая волоконно-оптическая линия или тестируемое волоконное устройство. При этом СП вносит потери А13, [дБ], в сигнал, и в ветвь 3 поступает мощность Pл-dut < Рл. При прохождении излучения через ВО-линию, часть его отражается назад из-за рассеяния на неоднородностях среды передачи (рэлеевское рассеяние) и на зеркальных поверхностях (френелевское отражение). На вход 3 СП поступает сигнал обратного рассеяния и, терпя потери А32, [дБ], поступает на вход оптического ваттметра ИОМ, позволяющего измерить среднюю мощность Pов этого сигнала. Таким образом, зная среднюю мощность оптического излучения на выходе ЛИ Рл, потери А13 и А32, по показаниям ИОМ Pов, [дБм], можно вычислить значение величины интегральных обратных потерь в тракте RL, [дБ], по формуле (1).
RL = Pов − Pл + A13 + A32 + 2 · α, [дБ], (1)
где α, [дБ] – величина потерь на оптическом разъеме, соединяющем исследуемую ВО-линию и выходную ветвь СП (считается постоянной и составляет примерно 0,15 дБ).
Измеряемые таким образом потери возникают благодаря всем оптическим компонентам, входящим в волоконно-оптическую линию. Для того, чтобы определить обратные потери от заданного участка линии, например, от места соединения оптических разъемов, используют т. н. мандрель. Мандрель представляет собой стержень заданного диаметра, на который наматывается оптическое волокно. Диаметр стержня таков, что в намотанном на него оптическом волокне нарушается условие полного внутреннего отражения, и излучение выходит из световода, не создавая обратных потерь, а на 5–7 витках намотки, обратные потери от следующего за мандрелью участка ВО-линии уменьшаются более чем на 70 дБ. Диаметр стержня мандрели определяется рабочей длиной волны и типом оптического волокна. Например, для оптического волокна класса G.652 он составляет 8 мм при проведении измерений на длине волны 1 310 нм и 10 мм при проведении измерений на длине волны 1 550 нм. Таким образом, например, в схеме, показанной на рис. 1, для измерения значения величины обратных потерь от оптического разъема Р, соединяющего два участка исследуемой ВО-линии, необходимо при помощи мандрели М убрать обратные потери от волокна, расположенного после разъема Р, затем измерить величину интегральных обратных потерь RLsumm, [дБ], от разъема Р и оптического волокна перед ним. После чего измерить величину RLbefore, [дБ] – обратных потерь от участка трассы перед Р, намотав на мандрель волокно между измерителем и разъемом Р как можно ближе к разъему. Искомую величину обратных потерь RLP можно вычислить по формуле (2).
RLp = 10 log 10 10RLsumm / 10 − 10RLbefore / 10, [дБ]. (2)
Описанный CW-метод измерения обратных потерь в оптическом волокне достаточно прост в реализации. Единица обратных потерь, измеренная таким способом, в Российской системе метрологического обеспечения прослеживается к Государственному специальному эталону единиц длины и времени распространения сигнала в световоде, средней мощности, ослабления и длины волны для волоконно-оптических систем передачи информации (ГЭТ 170–2024) через единицы средней мощности и ослабления оптического излучения. Диапазон измерения обратных потерь CW-методом определяется:
диапазоном измерения средней мощности оптического ваттметра ИОМ,
потерями сигнала в разветвителе СП,
уровнем «нулевого» сигнала обратных потерь, возникающего в результате отражения излучения ЛИ от выходного разъема 3 (см. рис.) измерителя и разветвителя СП, а также благодаря наличию перекрестной помехи между линиями 1 и 2 разветвителя СП (crosstalk, isolation).
На практике, лимитирующим оказывается именно последний фактор. Если динамический диапазон современных оптических ваттметров обычно превышает 80 дБ, потери и в разветвителе СП составляют порядка 3 дБ, то уровень взаимной изоляции портов сильно зависит от конструкции. Эта характеристика нормируется далеко не для всех доступных на рынке разветвителей, обычно производителем указывается именно уровень обратных потерь. Вопрос применимости разветвителей разных типов к задаче измерения ORL был рассмотрен в ходе совместной работы ФГБУ «ВНИИОФИ» и НПП «ИТС». В табл. 1 представлены минимальные значения нулевого уровня, полученные в CW-измерителе обратных потерь с использованием измерителей трех различных типов: сварные разветвители Y-типа (имеющие 1 вход и 2 выхода – FBT 1x2), планарные разветвители Y-типа (PLC 1х2) и сварные разветвители X-типа (имеющие 2 входа и 2 выхода – FBT 2x2). Все разветвители имели коэффициент деления 50% – 50%. Неиспользуемый порт X-разветвителя наматывался на мандрель, что обеспечивало фактическое отсутствие обратных отражений от торца оптического волокна. Измерения проводись на длине волны 1 550 нм.
Высокий уровень «нулевого» сигнала, получаемый при использовании сварного разветвителя FBT 1x2 можно объяснить тем, что сплиттеры данного типа выполняются сплавлением двух оптических волокон, затем один из портов откалывается для получения Y-конфигурации. Место скола при этом может создавать большие обратные потери, определяющие низкий коэффициент межканальной изоляции. Технология планарных разветвителей позволяет получить большую изоляцию каналов за счет более высокой точности и повторяемости производственных процессов. Наилучший результат обеспечил X-разветвитель, «лишний» порт которого был заглушен. Это позволило расширить диапазон измерения обратных потерь до уровня −70 дБ и можно утверждать, что, подобрав более качественный разветвитель, возможно расширить диапазон еще сильнее. Тем не менее, данный показатель можно считать близким к предельному для CW-измерителей. В процессе использования выходной разъем измерителя «затирается», в результате чего френелевское отражение от него увеличивается, что в конце концов приводит к возрастанию нулевого сигнала до уровня, превышающего −70 дБ. Другим значительным недостатком CW-метода является необходимость использования мандрели для измерения потерь от заданного участка тракта, что портит оптическое волокно, кроме того, это не всегда представляется возможным.
Тем не менее, динамический диапазон в 70 дБ вполне достаточен для ряда приложений, а цена CW-измерителей обратных потерь весьма конкурента. Кроме того, величина обратных потерь, измеренная описанным способом, очевидным образом прослеживается к единице ослабления для оптического волокна. Поэтому данный метод традиционно используется в эталонной технике, в частности, в рабочих эталонах единицы обратных потерь в оптическом волокне (РЭОП, регистрационный номер в реестре СИ: 52363-13, 35981-07), производимых и поставляемых ФГБУ «ВНИИОФИ» в метрологические центры России.
Рефлектометрические методы
В последнее время все чаще стали встречаться приборы, предназначенные для измерения распределенных обратных потерь – потерь от выбранного участка трассы, конкретного разъема или компонента. Такие приборы оказались востребованными, например, на производствах оптических патч-кордов, кабелей и сборок – для тестирования качества полировки разъемов. Эта область применения не позволяет портить тестируемое волокно, наматывая его на малый радиус. Здесь находят применение приборы, реализующие временной и фазовый рефлектометрические методы (OTDR и OFDR). К приборам, использующим OTDR-рефлектометрический метод, например, относятся MAP‑200 (VIAVI, Франция) и Op‑940 (OptoTest, США). OFDR-рефлектометрический метод использует, например, OVA‑5000 (Luna, США). Данные системы могут измерять как интегральные обратные потери, так и потери от заданного участка ВОЛС и имеют более широкие динамические диапазоны, чем измерители CW-типа.
OTDR-метод
На рис. 2 представлена обобщенная структурная схема OTDR-рефлектометра. Импульсный лазерный излучатель ИЛИ генерирует зондирующие оптические импульсы, поступающие через волоконно-оптический разветвитель СП в исследуемую ВО-линию. Распространяясь в ней, импульсы подвергаются обратному рассеянию, регистрируемому высокоскоростным фотоприемным устройством ФПУ, сигнал с которого усиливается при помощи широкополосного усилителя УС и подается на быстродействующий аналого-цифровой преобразователь АЦП [1]. Управление запуском ИЛИ и обработку сигналов АЦП осуществляет модуль цифровой обработки сигналов ЦОС. Отсчеты АЦП синхронизированы по времени с моментами запуска ИЛИ, каждому отсчету АЦП, произведенному через время n Δt, [с] (где Δt – время между преобразованиями АЦП, n – целое число) после излучения оптического импульса ИЛИ соответствует сигнал обратного рассеяния зондирующего импульса от конкретного участка ВО-трассы. Таким образом формируется рефлектограмма – зависимость относительной мощности сигнала обратного рассеяния от расстояния между измерителем и местом рассеяния. При проведении измерения излучатель ИЛИ генерирует последовательность оптических зондирующих импульсов, период следования которых настраивается таким образом, чтобы сигнал обратного отражения от самой удаленной точки ВО – трассы успевал попасть на фотоприемное устройство ФПУ до того, как будет сформирован следующий зондирующий импульс. Для каждой точки рефлектограммы производится множество усреднений измеренного значения сигнала обратного рассеяния, что позволяет снизить влияние шумов канала фотоприемника.
Описанный принцип работы одинаков для большого числа OTDR, применяющихся для измерения длины ВОЛС и поиска неисправностей на линиях, однако если рефлектометры оптимизированы для работы на большие дистанции (от 1 до 100 км), то OTDR-измерители обратных потерь оптимизируются для работы в ближней зоне. Для них характерными являются более высокое пространственное разрешение, более высокая точность и более широкий диапазон измерения уровней сигнала обратного рассеяния, но меньший диапазон рабочих длин оптических линий.
Принцип OTDR позволяет нивелировать факторы, ограничивающие динамический диапазон CW-измерителей обратных потерь – влияние перекрестных помех разветвителя и выходного оптического разъема. Для системы OTDR эти помехи могут не учитываться за счет выбора минимального интервала τ временной отстройки запуска АЦП относительно момента генерации зондирующего импульса. Это позволяет расширить динамический диапазон измерителя распределенных обратных потерь до значений, соответствующих рэлеевскому рассеянию от участка оптического волокна (обычно составляет от –70 дБ до –80 дБ на 1 м). Однако, требование к увеличению пространственного разрешения OTDR вступает в противоречие с требованием увеличения динамического диапазона измерителя.
Так как увеличение пространственного разрешения достигается за счет уменьшения длительности зондирующих оптических импульсов, уменьшается и мощность сигнала обратного рассеяния. Мощность же излучателей, применяемых для генерации зондирующих импульсов, ограничена сверху как техническими возможностями самих излучателей, так и нелинейными эффектами в оптическом волокне (и составляет обычно не более нескольких сотен мВт). Все это усложняет процесс измерения мощности сигнала обратных потерь и заставляет производителей OTDR использовать лавинные фотоприемники, обладающими худшими характеристиками стабильности при более высоких характеристиках чувствительности. Другим аспектом, препятствующим получению высокого пространственного разрешения, является быстродействие АЦП. Так для получения разрешения в 10 см должна измеряться амплитуда сигнала обратного рассеяния каждые Δt ≈ 1 нс, что требует частоты преобразования более 1 ГГц и соответствующего ей быстродействия от фотоприемника ФПУ и усилителя УС.
Вопрос определения динамического диапазона OTDR подробно рассмотрен в [1]. В отличии от классических рефлектометров, OTDR-измерители обратных потерь рассчитаны на работу как при низких, предельно-детектируемых значениях мощности сигнала обратных потерь, так и при более высоких значениях (например, для Op‑940 производства Optotest, США – от –10 дБ). Нижняя граница чувствительности OTDR-измерителя может быть рассчитана из эквивалентной плотности мощности шума сигнала фотодетектора NEP, Вт / √—Гц. Для фотодетекторов на основе p-i-n – фотодиодов и лавинных фотодиодов значение данной характеристики определяется по формуле (3).
∆I
NEPpd =− , (3)
S ∙ G
где ΔI – спектральная плотность шумового тока фотодиода, A / √—Гц, S – его спектральная чувствительность на рабочей длине волны, [А / Вт], G – коэффициент лавинного умножения (обычно составляет от 1 до 100). Типовое значение NEP быстродействующих фотодиодов составляет порядка 10−15–10−13 Вт / √—Гц. Таким образом, мощность шума в полосе 1 ГГц может составлять порядка –75...–55 [дБм]. Если мощность зондирующего импульса составляет 100 мВт (20 дБм), то ее отношение к мощности шума составит соответственно от 95 дБ до 75 дБ, что позволяет, учитывая требования к точности измерений, определить нижнюю границу измеряемых обратных потерь. Таким образом можно сделать вывод, что значение величины обратных потерь в –80 дБ при пространственном разрешении OTDR в 10 см является вполне реализуемым. Однако, при этом, попадание в фотодиод ФПУ импульса оптического излучения мощностью 100 мВт должно перенасытить фотодиод и является недопустимым, что объясняет тот факт, что верхняя граница измерения величины обратных потерь у OTDR-измерителей обычно находится ниже –10 дБ.
В России для метрологического обеспечения OTDR функционирует большой парк рабочих эталонов средней мощности оптического излучения, ослабления и времени распространения сигналов в световоде, а единицы прослеживаются к Государственному специальному эталону ГЭТ 170-2024.
OFDR-метод
Другим рефлектометрическим методом измерения распределенных обратных потерь является метод с использованием оптической рефлектометрии в частотной области (OFDR). Аналогично OTDR, OFDR лишен недостатков CW-метода в виде влияния перекрестных помех сплиттера и выходного оптического разъема. Кроме того, метод OFDR лишен некоторых недостатков OTDR-метода таких, как описанное выше противоречие между пространственным разрешением и динамическим диапазоном при измерении распределенных обратных потерь, однако, имеет ограничения по длине исследуемых ВО-линий (для коммерческих образцов рассматриваемых приборов эта величина ограничена значением 2 000 метров).
OFDR – интерферометрический метод измерений, в котором используется высоко когерентный лазерный источник оптического излучения с непрерывно перестраиваемой длиной волны. Анализ интерференционной картины производится при помощи преобразования Фурье, позволяющего получить зависимость интенсивности отраженного и рассеянного оптического излучения от расстояния до точки введения зондирующего оптического излучения [2]. Структурная схема прибора, реализующего метод OFDR измерения распределенных обратных потерь в волоконно-оптических системах, приведена на рис. 3.
Блок источника лазерного излучения ПЛИ представляет собой высоко когерентный лазер, который обеспечивает спектральную перестройку оптического излучения по линейному от времени закону. Устройство регистрации состоит из основного интерферометра с поляризационным разнесением сигнала, вспомогательного интерферометра, фотодетекторов ФП1 – ФП3 и устройства обработки и сбора данных. Наконец, катушка оптического волокна КОВ является частью вспомогательного интерферометра, предназначенного для контроля оптической частоты излучения во время перестройки лазера по длине волны.
Оптическое излучение от перестраиваемого лазера при помощи волоконно-оптического разветвителя СП1 делится на две части, причем 90% мощности направляется в основной интерферометр, а 10% – во вспомогательный. В основном интерферометре половина мощности оптического излучения от волоконно-оптического разветвителя СП2 поступает на волоконно-оптический циркулятор и затем – в исследуемую ВО-линию, дифференциальные и абсолютные задержки распространения оптического излучения в которой подлежат предварительному определению и измерению. Оптическое излучение, обратно рассеянное или отраженное от неоднородностей в исследуемой ВО-линии, объединяется с излучением второй (опорной) ветви основного интерферометра на волоконно-оптическом разветвителе СП4 и поступает в поляризационный делитель. Здесь излучение разделяется на две ортогональные поляризационные s- и р- составляющие и детектируется двумя фотодетекторами (ФП1, ФП2), которые подключены через усилитель к устройству обработки и сбора данных АЦП / ЦОС. Устройство сбора данных представляет собой высокоскоростной трехканальный аналого-цифровой преобразователь и вычислительное устройство, предназначенное для математической обработки собранных данных.
Если рассмотреть упрощенную модель процесса измерения, можно сказать, что на площадке фотодетектора измерительного интерферометра происходит интерференция сигнала опорного канала интерферометра и сигналов обратного отражения или рассеяния (обратных потерь) от каждой точки тестируемой линии. То есть каждая неоднородность ВО-линии рассматривается как индивидуальный отражатель. При линейной перестройке длины волны лазера мощность суммарного сигнала опорного канала и сигналов обратных потерь от каждой неоднородности будет меняться по синусоидальному закону. Частота синусоиды будет зависеть только от скорости перестройки длины волны лазера и разности длин оптических путей в ветвях интерферометра, а амплитуда – от интенсивности сигнала распределенных обратных потерь. Таким образом сигнал фотодетекторов ФП1 и ФП2 позволяет восстановить зависимость мощности сигнала обратных потерь от длины ВО-линии. Поляризационное разнесение сигнала обеспечивает независимость измеренного сигнала от изменений состояния поляризации излучения, вызванных рассеянием или отражением от неоднородностей в исследуемой ВО-линии [3]. Сигналы поляризационных составляющих излучения Es, Ep, приходящие на фотодетекторы основного интерферометра, описываются соотношениями (4) и (5).
Es(ω) =∑i 2rτi gs(τ)T˙s EиT˙s Eоп cos ω(t)τi + ϕτi , (4)
Ep(ω) =∑i 2rτi gp(τ)T˙p EиT˙p Eоп cos ω(t)τi + ϕτi , (5)
где rτi, ϕτi – амплитуда и фаза комплексной отражательной способности неоднородности внутри исследуемой ВО-линии; gs(τ), gp(τ) – коэффициенты усиления измерительных каналов; T˙s , T˙p – операторы, описывающие поляризационное разделение сигнала; Eи, Eоп – амплитуды векторов электрического поля измерительной и опорной ветвей основного интерферометра соответственно; ω(t) – мгновенная частота излучения перестраиваемого лазера; τi – разность временных задержек между измерительной и опорной ветвями основного интерферометра.
Уравнения (4), (5) описывают связь сигналов обратных потерь в исследуемой ВО-линии и наблюдаемого интерференционного сигнала в частотной области. Если преобразовать (с использованием прямого преобразования Фурье) сигналы Es(ω), Ep(ω) в сигналы Es(τi), Ep(τi) во временной области, то можно описывать указанные неоднородности как функцию интенсивности отраженного и рассеянного оптического излучения от временной задержки оптического излучения относительно точки его введения [2]. В результате итоговый сигнал E(τi) примет вид, показанный в уравнении (6).
_____________
E(τi) = √ Es(τi)2 + Ep(τi)2 . (6)
Полученный сигнал E(τi) является ничем иным, как функцией распределения обратноотраженной (или рассеянной) оптической мощности от положения соответствующих неоднородностей в исследуемой ВО-линии. Для прецизионных измерений распределенных обратных потерь с помощью рассматриваемого метода производится калибровка величины E(τi) при помощи меры – волоконно-оптического элемента с известным коэффициентом отражения и, соответственно, обратных потерь. В качестве данного волоконно-оптического элемента, как правило, используется волоконно-оптическое зеркало c золотым покрытием, коэффициент отражения которого известен с высокой степенью точности, что дает возможность производить измерения распределенных обратных потерь методом OFDR с погрешностью не хуже 0,1 дБ.
Динамический диапазон измерений ограничен в основном собственным шумом используемого перестраиваемого лазера. Использование перестраиваемых лазеров с низким относительным уровнем шума (RIN) порядка –160 дБ / Гц позволяет получить динамический диапазон измерений обратных потерь порядка 80 дБ. Также, следует отметить, что OFDR-метод обладает на порядок лучшим пространственным разрешением по сравнению с методом OTDR. Пространственное разрешение OFDR-рефлектометра ΔL, м, определяется длиной волны лазера и может быть оценено с помощью соотношения (7).
λ2
ΔL =− , (7)
2 ∙ n ∙ Δλ
где λ – центральная длина волны перестраиваемого лазера, [м] (рис. 3); Δλ – диапазон спектральной перестройки перестраиваемого лазера, [м]; n – показатель преломления исследуемой ВО-линии.
Таким образом, в соответствии с соотношением (7) высокое пространственное разрешение измерений распределенных обратных потерь OFDR-типа не противоречит высокому динамическому диапазону измерений величины обратных потерь, в отличие от OTDR-измерителей. Так в измерителях OBR 4600 (Luna, США) OFDR-метод позволяет производить измерения распределенных обратных потерь с пространственным разрешением порядка 20 мкм при длине исследуемой ВО-линии до 70 метров и 1 мм при соответствующей длине до 2 000 метров, что является наилучшим значением характеристики пространственного разрешения относительно других рассмотренных методов. К недостаткам описанного метода можно отнести то, что диапазон длин ВО-трассы ограничен длиной когерентности лазера. Так же, с ростом длины трассы возрастает ширина полосы частот сигнала интерференции при той же скорости перестройки лазера. Это требует использования более высокопроизводительных АЦП, работающих на частоте дискретизации в сотни МГц, и значительно повышает требования к вычислительной аппаратуре. Другим недостатком является высокая стоимость перестраиваемых лазеров с большой длиной когерентности. Однако, успехи современной лазерной техники приводят к тенденции на ее снижение.
Существующая в настоящее время в Российской Федерации эталонная база не предусматривает метрологическое обеспечение шкал длины OFDR-рефлектометров с точностями, заявляемыми производителями, однако работа в этом направлении ведется [4]. Для полноценного метрологического обеспечения таких приборов требуется разработка соответствующего рабочего эталона.
Сравнение областей применения описанных методов
В табл. 2 приводится информация о технических и метрологических характеристиках упомянутых в статье измерительных приборов, реализующих OTDR, OFDR и CW-измерения обратных потерь в оптическом волокне. Необходимо отметить, что для большинства приборов данные взяты из спецификаций от производителей, т. е. эти приборы не проходили испытаний с целью утверждения типа на территории РФ. Однако, приведенные характеристики позволяют подтвердить выводы об ограничениях и преимуществах описанных методов измерения. Символ «*» рядом с названием измерительного прибора указывает, что прибор вносился в государственный реестр средств измерений (как тип или как единичный образец).
Выводы
Развитие систем волоконно-оптической связи повышает требования к измерительной технике, необходимой для их строительства и эксплуатации. Непрерывное улучшение характеристик лазеров, фотодетекторов и информационно-измерительной техники, а также желание производителей измерительных приборов удовлетворить возрастающие потребности волоконно-оптической связи приводят как к совершенствованию и переосмыслению существующих методов измерений, так и к появлению новых методов измерения, а также к воплощению их в серийно-выпускаемых измерительных приборах. Рассмотренные методы измерения обратных потерь в оптическом волокне формировались от более простого CW-метода к высокотехнологичному методу OFDR-рефлетометрии, однако в настоящее время нельзя сказать о полном преобладании какого-то одного из них, они имеют свою специфику и области применения.
CW-измерители обратных потерь занимают нишу портативных приборов, обладающих ограниченным функционалом, но конкурентной стоимостью и эталонных измерителей, обладающих малыми погрешностями измерений, но предназначенных для редкого использования. Они применяются для измерения интегральных обратных потерь и имеют большие ограничения при измерении обратных потерь от заданного участка трассы. Если погрешность CW-рабочих средств измерения достаточно велика и составляет обычно около 0,5 дБ, то высокая точность эталонных измерителей достигается хорошей полировкой оптических разъемов и использованием специальных эталонных мер. Диапазон измерений обратных потерь CW-измерителями обычно составляет от 0 до –65...–70 дБ. Портативные CW-измерители обратных потерь часто входят в состав оптических тестеров, предназначенных для измерения вносимых потерь и средней мощности оптического излучения в волокне и находят применение при монтаже и обслуживании линий ВО-связи.
OTDR-измерители обратных потерь являются, по сути, адаптацией OTDR для работы в ближней зоне и в более широком диапазоне сигналов обратного рассеяния. Такие приборы позволяют измерять величину обратных потерь от заданного участка трассы, и находят применение, например, на производствах оптических компонентов и соединительных патч-кордов. Погрешность OTDR-измерителей, в среднем, несколько выше, чем погрешность CW-измерителей, однако она обеспечивается в более широком диапазоне измерений (до −80 дБ). Пространственное разрешение составляет от единиц до десятков сантиметров.
OFDR чаще представляют из себя достаточно габаритные многофункциональные измерительные системы (оптические векторные анализаторы) которые помимо обратных потерь могут измерять вносимые потери, дисперсионные характеристики, поляризационную экстинкцию и поляризационно-зависимые потери в волоконно-оптических линиях. Но главной особенностью этих приборов является пространственное разрешение, сравнимое с длиной волны оптического излучения (порядка десятков мкм) на дистанциях порядка сотен метров. Диапазон измерения обратных потерь OFDR составляет от 0 до –80 дБ, а погрешность измерения составляет 0,1–0,2 дБ. Описанные характеристики делают OFDR идеальным решением для измерений на коротких дистанциях, в том числе, для приложений интегральной фотоники. Разрешение субмиллиметрового диапазона, характерное для OFDR, является для OTDR-измерителей принципиально недостижимым, однако, в настоящее время OTDR могут иметь компактную реализацию, более низкую стоимость и позволяют производить измерения на наборе различных дискретных длин волн, тогда как OFDR работают в не очень широком спектральном диапазоне перестраиваемого лазера.
АВТОРЫ
Бычков С. Б., м. н. с., Федеральное государственное бюджетное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений» (ФГБУ «ВНИИОФИ»), Москва, Россия.
ORCID: 0009-0000-5118-6368
Погонышев А. О., м. н. с., ФГБУ «ВНИИОФИ», Москва, Россия.
Web of Science Researcher ID: HJB‑3251-2022
Scopus Author ID: 57204943217
Тихомиров С. В., д. т. н., преподаватель аспирантуры ФГБУ «ВНИИОФИ», Москва, Россия.
Сумкин В. Р., генеральный директор, ООО «Научно-производственное предприятие «Измерительная техника связи», Санкт-Петербург, Россия.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов. Все авторы приняли участие в написании статьи и дополнили рукопись в части своей работы.
ВКЛАД ЧЛЕНОВ АВТОРСКОГО КОЛЛЕКТИВА
Статья подготовлена на основе работы всех членов авторского коллектива.
Отзывы читателей
