Меню

Измерение потерь оптической мощности



Измерение потерь оптической мощности

Существуют два метода измерения потерь в оптических волокнах, которые, в соответствии с G. 651 и G. 652, принято считать эталонными – метод облома волокна и метод вносимых потерь. В них измерения потерь осуществляются с помощью оптических тестеров. В методе облома волокна измеряется мощность Р1 (в дБм), прошедшая через все волокно. Затем волокно обламывается на расстоянии около двух метров от места ввода излучения (рис. 1.10) и измеряется мощность Р2 (в дБм), прошедшая через оставшийся короткий участок волокна. Величина потерь в волокне определяется как разность А(дБ) = Р1(дБм) – Р2(дБм).


Рис. 1.10. Схема измерения потерь в волокне методом облома волокна

Метод облома волокна обеспечивает наивысшую точность, так как в нем доля мощности, введенная в волокно, остается неизменной. Его недостаток в том, что нарушается целостность волокна и его нельзя использовать в процессе монтажа линии передачи. Поэтому более распространенным является метод вносимых потерь (рис. 1.11). В этом методе вначале измеряется величина опорной мощности Р1 (в дБм). Затем между измерителем оптической мощности и источником оптического излучения вставляется тестируемое волокно или линия передачи и измеряется величина прошедшей мощности Р2 (в дБм). Величина потерь определяется как разность А(дБ) = Р1(дБм) – Р2(дБм).


Рис. 1.11. Схема измерения потерь вносимых оптическим волокном

Метод вносимых потерь используется при измерении полных потерь в линии передачи. Из-за того, что концы линии разнесены обычно на большое расстояние, при таких измерениях надо проводить дополнительную калибровку лазерного и фотоприемного модуля (рис. 1.12). Фотоприемный блок оптического тестера, в пункте А, используется для измерения опорного значения мощности излучения лазерного блока, а фотоприемный модуль оптического тестера, в пункте Б – для измерения мощности излучения, прошедшей через линию связи.

Вначале оператор, находящийся в пункте А, соединив вход и выход оптического тестера оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он отсоединяет разъём шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет его к разъёму на входе в линию. Оператор, находящийся в пункте Б, подключает с помощью оптического шнура свой оптический тестер к выходу линии и измеряет величину сигнала. Затем с помощью оптического телефона (или каким-либо другим способом) он сообщает результат измерений оператору, находящемуся в пункте А. Величина потерь (с учетом разности показаний фотоприемных блоков полученных в процессе их сверки) рассчитывается по формуле: А(дБ) = опорный сигнал в дБм – сигнал в дБм.


Рис. 1.12. Измерение потерь в ВОЛС с помощью оптических тестеров

При такой схеме измерений погрешность возникает по следующим причинам:

• нестабильность источника излучения

• нелинейность шкалы мультиметра

• разная чувствительность фотоприемных блоков на разных концах линии

• отклонения величины потерь в разъёмах от их номинального значения

Кратковременная нестабильность лазерного блока (например, по паспортным данным AQ 2150) равна 0.02 дБ, реально же она не превышает цену деления его шкалы (0.01 дБ). Стабильность светодиодного блока выше, чем у лазерного, однако при его использовании величина потерь в волокне оказывается завышенной примерно на 5 % из-за относительно широкой полосы излучения светодиода (50. 100нм).

Нелинейность оптического тестера в диапазоне от 0 до 30 дБ также не превышает его цены деления. Погрешность, возникающая из-за разной чувствительности фотоприемных блоков, устраняется путем сверки их показаний до начала измерений потерь в линии и после их окончания. Наибольшая же погрешность возникает из-за того, что не известна точно величина потерь в разъемах.

Как известно, при соединении разъёмов «любого с любым» величина потерь в месте соединения разъёмов может отличаться от их номинального значения на величину порядка среднего значения этих потерь (

0.2 дБ). Эта неопределенность величины потерь в разъёмах и даст основной вклад в результирующую погрешность, возникающую при измерении полных потерь в линии.

Хотя потери в одномодовом волокне не зависят от направления распространения света, принято проводить измерения потерь в линии в обоих направлениях. Таким образом, удается исключить некоторые систематические погрешности. Например, если по ошибке к одномодовому волокну (в оптическом кабеле) был приварен пигтейл из многомодового волокна. Тогда потери в линии будут зависеть от направления распространения света (т.е. различаться больше чем погрешность измерений), так как коэффициент передачи со стороны одномодового волокна больше, чем со стороны многомодового волокна. Или, например, усреднив результаты измерений потерь во встречных направлениях, можно исключить систематическую ошибку, возникающую из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, размещенных на разных концах линии.

Источник

Методика измерения оптического затухания в классических ВОЛС и активных PON сетях

Затухание (потери) оптического сигнала – это параметр, который показывает насколько уменьшился уровень сигнала на выходе оптической линии в сравнении с уровнем на ее входе. Измеряется затухание в деци Беллах (дБ). В зависимости от того, в каких единицах измерения выражены входной и выходной уровень сигнала, для вычисления затухания используются различные формулы. Более подробно об этом описано в статье «Взаимозависимость между мощностью и затуханием».

В связи с тем, что чаще всего мощность сигнала измеряется в дБм, затухание определяется по формуле:

Рисунок 1 – Формула для определения затухания оптического сигнала

Исходя их формулы, делаем вывод, что для определения затухания в линии, достаточно и необходимо знать мощность сигнала на входе в линию (Pвх) и мощность сигнала на выходе из нее (Pвых).

Что же такое мощность сигнала на входе в линию и чем она отличается от выходной мощности передатчика? Ответ очень прост. Выходная мощность передатчика – это действительно паспортная величина, которая указывается в соответствующих документах. Она учитывает мощность используемого лазера (или светодиода) и средние потери на разъеме. Для оценки характеристик прибора – этого вполне достаточно. Однако ввиду того, что обе эти характеристики не постоянны

  • потери на разъеме зависят от его качества полировки, чистоты, усилия коммутации и др.
  • мощность лазера уменьшается в следствие старения
Читайте также:  Методика выполнения измерений методом ик спектрометрии

для измерений паспортное значение выходной мощности использовать нельзя. Именно поэтому, мощность сигнала на входе в линию (Рвх) необходимо измерять. Для этого:

Перед соединением следует произвести чистку коннекторов патч корда и адаптеров измерительных приборов при помощи специальных приспособлений.

Рисунок 2 – Определение опорного уровня оптического сигнала

  1. включите источник и измеритель мощности, установите рабочую длину волны, на которой будут проводится измерения. (850нм, 1300нм, 1310нм, 1490нм, 1550нм, 1625нм)
  2. Запишите показания измерителя мощности. Измеренное значение также называют опорной мощностью оптического сигнала. Учитывая то, что потери на коннекторе источника уже учтены в значении опорной мощности, а потери на коннекторе измерителя равны нулю, – можно считать, что измеренное значение – это истинное значение мощности оптического сигнала на входе в оптическую линию.

Рисунок 3 – Порты источника (слева) и измерителя (справа) оптической мощности без адаптеров FC, SC, ST, LC

На рисунке 3 изображены порты измерительных приборов: источника и измерителя мощности. Порт источника (UCI) выполнен в виде металлической ферулы диаметром 2,5 мм. В этом случае соединение волокон выполняется путем совмещения ферулы измерительного прибора с ферулой коннектора. Естественно, даже небольшая погрешность в совмещении приведет к дополнительным потерям на соединении. Порт измерителя мощности (SOC) представляет собой свето чувствительную площадку, диаметром примерно 2 мм. При подключении коннектора к измерителю мощности, непосредственного контакта с площадкой не возникает, вместе с тем все излучение без потерь попадает в измеритель мощности.

  1. Отключите патч корд от порта измерителя мощности и подключите его ко входу измеряемой линии. (Во избежание изменения вносимых потерь на соединении патч корда и источника, это соединение нарушать не рекомендуется).
  2. Подключите измеритель мощности к выходу линии при помощи дополнительного патч корда, запишите показания мощности на выходе линии – P вых
  3. По формуле, приведенной на рисунке 1, рассчитайте потери в оптической линии. Рассчитанное значение будет включать в себя:
  • потери на первом и последнем коннекторе (и других имеющихся на линии коннекторах)
  • потери на линейных участках ВОЛС
  • потери на сварных соединениях

Измерение потерь рекомендуется проводить в направлениях А-Б, Б-А с последующим вычислением среднего значения по формуле

Рисунок 4 – Формула определения среднего значения потерь на участке ВОЛС

Среднее значение определяется вследствие неравномерности затухания в различных направлениях из-за неоднородности диаметров оптического волокна.

Рисунок 5 – Измерение потерь в направлениях А-Б и Б-А при помощи оптических тестеров

Вследствие различных диаметров сердцевин оптического волокна, потери сигнала распространяющегося слева направо будут меньше, чем в обратном направлении. Различие же диаметров волокон обусловлено процессами производства оптического волокна, которые более подробно описаны в статье “Производство оптических волокон”

Для повышения удобства выполнения двусторонних тестов, используют тестеры. Они в одном корпусе совмещают и источник и измеритель мощности, а иногда еще и измеритель ORL.

Рисунок 6 – Двустороннее измерение потерь в оптической линии при помощи тестеров

В случае измерения потерь в работающей PON сети, измерения проводятся на длине волны 1625нм. Кроме того, перед ONT устанавливаются фильтры, отсекающие сигналы на этой длине волны.

Рисунок 7 – Измерение оптических потерь в активной PON сети

Измерение затухания классической оптической линии (видео)

Вебинар на тему “Методики измерения параметров в классических ВОЛС и PON”

Источник

Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь

Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь

Измерение оптической мощности

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 ОУ и другие.

Оптическая мощность обычно определяется на основе измерений электрической мощности, так как последняя может быть точно определена по току и напряжению. Большинство лабораторий национальных стандартов, таких, как NIST (США), PTB (Германия) и NPL (Великобритания), детально исследуют этот вопрос.

Можно выделить две основные группы измерителей оптической мощности:

  • измерители мощности с термофотодиодами (ТФД), основанные на измерении повышения температуры, вызванного оптическим излучением,
  • измерители мощности с фотодиодами (ФД), основанные на использовании фотонов оптического излучения, генерирующих связанные пары: электрон-дырка.

Хотя измерители мощности на ФД имеют небольшой диапазон рабочих длин волн, а также нуждаются в абсолютной калибровке, они используются чаще вследствие своей высокой чувствительности. Измерители мощности на ТФД предпочтительнее использовать в метрологических лабораториях ввиду их высокой стабильности и независимости показаний от длины волны оптического излучения в широком динамическом диапазоне. Кроме этого, сами ТФД могут быть непосредственно проверены при помощи измерений электрической мощности. Характеристики этих типов измерителей мощности приведены в табл. 1-1.

Читайте также:  Проложите маршрут от школы до домика лесника опишите маршрут измерьте его протяженность
Характеристики Измерители мощности с ТFD Измерители мощности с FD
Зависимость от l Диапазон длин волн не зависят от УФ до ИК зависят 2:1
Калибровка возможна самокалибровка необходима
Чувствительность низкая (порядка 1 мкВт) высокая (менее 1 мкВт)
Точность ±1% ±2%

Измерители 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. Нелинейность метода не рассматривается, так как основой является достижение равенства температур для двух типов возбуждения. Необходимо, однако, обеспечить следующее:

1. Необходимую площадь поверхности с большой тепловой массой для поддержания постоянной температуры во время измерения;

2. Блокирование фонового и рассеянного светового излучения;

3. Оптимизацию теплового потока между поглощающим слоем и нагревателем;

4. Высокую поглощающую способность поверхности;

5. Точное измерение электрической мощности.

Другая реализация данного метода основана на том, что вместо последовательного оптического и электрического воздействия, 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 (в измерении напряжения на ТФД нет необходимости).

Наибольшая трудность при использовании ТФД заключается в их низкой чувствительности и большой продолжительности измерения (постоянная времени от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера ТФД). 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, может 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.

Термостабилизация

Чувствительность германиевого ФД имеет относительно небольшую температурную зависимость для большей части диапазона длин волн, в то время как выше 1550 нм, наблюдается значительная температурная зависимость. Ее можно описать, как смещение верхней критической длины волны с коэффициентом приблизительно 1 нм/К. Примерно такое же смещение можно наблюдать в InGaAs ФД в районе 1650 нм. По этой причине измерители мощности с термостабилизированными фотодиодами имеют лучшую воспроизводимость результатов измерений.

Измерение вносимых потерь

Вносимые потери представляют собой оптическое затухание, вызванное вводом оптического элемента в оптическую систему. Эти потери непосредственно влияют на энергетический бюджет ВОСП. Одним из видов вносимых потерь, с которым мы уже сталкивались, – затухание ОВ. Другими, не менее важными, являются вносимые потери таких оптических элементов, как коннекторы, аттенюаторы, фильтры, ответвители и мультиплексоры. Следует отметить, что принципы, положенные в основу данного вида измерений, могут быть использованы и для измерений возвратных потерь.

Измерение PDL

Во многих случаях мало устранить влияние PDL, необходимо рассматривать данный параметр как самостоятельную характеристику, проводя измерение PDL в дополнение к измерениям вносимых потерь. Двумя наиболее распространенными методами измерения PDL являются сканирование поляризации и метод Мюллера, хотя возможны и другие методы измерений.

Метод Мюллера

Этот метод основан на анализе четырех состояний поляризации с измерением передачи оптической мощности через ТЭ только в этих состояниях и последующим расчетом PDL из результатов этих измерений. Измерение PDL методом Мюллера аналогично предыдущей схеме измерения, однако контроллер поляризации в ней выполнен на основе волновых пластин, используя в частности, для синтеза различных состояний поляризации четвертьволновую (Q) и полуволновую (H) пластины. Кроме этого, для обеспечения необходимой ориентации поляризованного сигнала данная схема дополняется поляризатором (P), который устанавливается на входе контроллера.

Первым шагом в использовании этой схемы является вращение поляризатора до получения максимальной передачи излучения при максимальном уровне входного сигнала путем соответствующей установки пластин Q и H относительно эталонного угла .

Вначале измерение выполняется без ТЭ путем измерения оптической мощности при четырех хорошо определенных состояниях поляризации, а затем вводится ТЭ, и измерение повторяется для тех же состояний поляризации. Табл. 1-4 иллюстрирует этот процесс (уровни мощности с прописными подписями указывают измерения, осуществленные с ТЭ, а уровни мощности с более мелкими подписями измерены без ТЭ).

Читайте также:  Электронный термометр для измерения артериального давления
Поляризация Q пластина H пластина Коэффициент передачи
Линейная горизонтальная, 0 0 a p a p T1 = PA/Pa
Линейная вертикальная, 90 0 a p a p + 45 0 T2 = PB/Pb
Линейная диагональная, +45 0 a p a p + 22,5 0 T3 = PC/Pc
Правая круговая a p + 45 0 a p T4 = PD/Pd

Значение PDL в этом методе определяется по формуле:

где максимальное Tmax и минимальное Tmin значения коэффициентов передачи могут быть определены, используя коэффициенты mij матрицы Мюллера, матрицы размера 4×4, которая выражает связь входного и выходного векторов Стокса любого оптического устройства в форме:

где S и S’ – векторы Стокса входной и выходной световой волны оптического устройства.

Особенности этого метода измерения такие же, как и метода сканирования, в частности, также необходимо исключить зависимость интенсивности излучения лазерного источника и показаний измерителя мощности от поляризации.

Учитывая, что контроллеры поляризации с волновыми пластинами (по сравнению с контроллерами на ОВ) часто создают большие вариации мощности, поляризационная зависимость уровня мощности в данном методе корректируется математически, что усложняет его реализацию, но снижает требование к параметрам контроллера.

Кроме этого, метод Мюллера, по сравнению с методом сканирования, включает два этапа измерения, но фактически этап калибровки может быть проведен один раз перед серией измерений. С точки зрения точности измерения, метод Мюллера характеризуется, по крайней мере, такой же точностью, как и метод сканирования поляризации. Например, с учетом повторяемости установки волновых пластин для значений PDL 0,1 дБ вполне достижимой является точность порядка ±0,003-0,005 дБ.

В заключение отметим, что основное преимущество метода Мюллера заключается в том, что его время измерения значительно меньше времени измерения методом сканирования поляризации. Это чрезвычайно важно для проведения измерений PDL, независимых от длины волны.

Шумы оптического излучения

Другим способом описания шумов оптического излучения является выражение их в виде отношения мощности шума в полосе частот 1 Гц, нормированной относительно постоянной мощности сигнала. Такое описание полезно, учитывая независимость его от уровня мощности, достигшей ФД. Данная мощность шума в полосе частот часто называется относительным шумом оптического излучения RIN’ и определяется следующим образом:

где 2 > – усредненная по времени мощность шумов излучения в полосе частот 1 Гц, Io – средняя интенсивность излучения. На практике RIN’ можно определить с помощью АОС, измеряющего усредненную по времени мощность шума фототока 2 > и амперметра, контролирующего среднее значение постоянного тока ФД I. Компоненты теплового и дробового шумов, следует вычесть из измеренной мощности шума для получения более точного значения шумов излучения входного оптического сигнала.

Измерение параметров ВОСП

Виды дрейфа и дрожания фазы

Дрожание фазы может ухудшить функционирование ВОСП, так как вызывает появление битовых ошибок. Для точного определения того, равен ли данный бит 1 или 0, сигнал должен быть восстановлен в тот момент времени, когда его значение в случае бита 1 является максимальным, а в случае бита 0 минимальным. Поэтому, если дрожание фазы вызывает смещение этой точки в интервале синхронизации на приеме, вероятность приемника сформировать ложный бит увеличивается, а, следовательно, увеличивается и коэффициент ошибок. Кроме этого, дрожание фазы в сети передачи может увеличиваться в зависимости от механизма его генерации и преобразования.

В ВОСП встречаются различные типы дрожания фазы, а именно:

· случайное дрожание фазы, которое не зависит от передаваемой последовательности и возникает вследствие шумов, создаваемых электронными элементами регенератора;

· детерминированное фазовое дрожание, которое представляет собой последовательность смещений, создаваемых схемой восстановления тактовой частоты.

Детерминированное дрожание фазы также может возникать вследствие искажений формы сигнала и преобразований амплитуда – фаза – шум.

Учитывая, что между терминалами может быть несколько регенераторов, происходит накопление уровня дрожания фазы в зависимости от их количества. Приняв модель некоррелированного дрожания фазы, считаем, что результирующее дрожание фазы пропорционально квадратному корню из количества регенераторов, в то время как при детерминированном дрожании фазы регенераторов результирующее дрожание обычно пропорционально количеству регенераторов. Последний тип дрожания фазы является доминирующим в реальных системах с большим числом регенераторов.

Литература

1. IEC 60793-1-2 (1995). Optical fibres. Part 1: Generic specifications — Section 2: Measuring methods for dimensions.
2. IEC 60793-1-4 (1995). Optical fibres. Part 1: Generic specifications — Section 4: Measuring methods for transmission and optical characteristics.
3. ITU-T Recommendations G.650 (03/93). Definition and test methods for the relevant parameters of single-mode fibres.
4. Costa B., Puleo M., Vezzoli E. Phase-shift technique for the measurement of chromatic dispersion in single-mode optical fibres using LEDs // Electronics Letters.-1983. -v.19, N25/26.-P.1074-1076.
5. Tanaka S., Kitayama Y. Measurement accuracy of chromatic dispersion by the modulation phase technique // Journal of Lightwave Technology.-1984.-v.LT-2, N6.-P.1040-1044.
6. Hatton W.H., Nishimura M. New field measurement system for single-mode fibre dispersion utilizing wavelength division multiplexing technique // Electronics Letters.-1985. -v.21, N23.-P.1072-1073.
7. Mechels S.E., Schlager J.B., Franzen D.L. Accurate zero-dispersion wavelength measurements dispersion in single-mode fibers: two frequency-domain methods. — LEOS 8th Annual Meeting.-Oct.-Nov.,1995.-Paper OFPW2.2.- P.75-76.
8. Thevenaz L., Pellaux J.-P. Modulation frequency- shift technique for dispersion measurement in optical fibres using LEDs // Electronics Letters.-1987. -v.23, N20.-P.1078-1079.

Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь

Источник