Лабораторная работа Измерение потерь в оптических волокнах

• Название: Лабораторная работа Измерение потерь в оптических волокнах
• Дата: 27.10.2021
• Размер: 239.28 Kb.
• Имя файла: Okorochkov_laba3 (1).docx
• Тип: Лабораторная работа; #257344

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

Измерение потерь в оптических волокнах

Вариант 6
Цель работы: измерение коэффициента потерь кварцевого волокна методом вносимых потерь с помощью компьютерной модели оптического тестера FOT-700.
1 Краткие теоретические сведения

1.1 Особенности оптических систем связи

Волоконно-оптические линии связи - это вид связи, при котором информация передается по оптическим диэлектрическим волноводам, известным под названием "оптическое волокно".

Оптическое волокно в настоящее время считается самой совершенной физической средой для передачи информации, а также самой перспективной средой для передачи больших потоков информации на значительные расстояния. Основания так считать вытекают из ряда особенностей, присущих оптическим волноводам.

Далее рассмотрим физические особенности. Широкополосность оптических сигналов, обусловленная чрезвычайно высокой частотой несущей (F₀=10¹⁴ Гц). Это означает, что по оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 10¹² бит/с или Терабит/с. Говоря другими словами, по одному волокну можно передать одновременно 10 миллионов телефонных разговоров и миллион видеосигналов. Скорость передачи данных может быть увеличена за счет передачи информации сразу в двух направлениях, так как световые волны могут распространяться в одном волокне независимо друг от друга. Кроме того, в оптическом волокне могут распространяться световые сигналы двух разных поляризаций, что позволяет удвоить пропускную способность оптического канала связи. На сегодняшний день предел по плотности передаваемой информации по оптическому волокну не достигнут. Еще одна особенность это очень малое (по сравнению с


другими средами) затухание светового сигнала в волокне. Лучшие образцы российского волокна имеют затухание 0,22 дБ/км на длине волны 1,55 мкм, что позволяет строить линии связи длиной до 100 км без регенерации сигналов. Для сравнения, лучшее волокно Sumitomo на длине волны 1,55 мкм имеет затухание 0,154 дБ/км. В оптических лабораториях США разрабатываются еще более "прозрачные", так называемые фторцирконатные волокна с теоретическим пределом порядка 0,02 дБ/км на длине волны 2,5 мкм. Лабораторные исследования показали, что на основе таких волокон могут быть созданы линии связи с регенерационными участками через 4600 км при скорости передачи порядка 1 Гбит/с.

Теперь рассмотрим технические особенности. Волокно изготовлено из кварца, основу которого составляет двуокись кремния, широко распространенного, а потому недорогого материала, в отличие от меди.

Оптические волокна имеют диаметр около 100 мкм, то есть очень компактны и легки, что делает их перспективными для использования в авиации, приборостроении, в кабельной технике.

Стеклянные волокна - не металл, при строительстве систем связи автоматически достигается гальваническая развязка сегментов. Применяя особо прочный пластик, на кабельных заводах изготавливают самонесущие подвесные кабели, не содержащие металла и тем самым безопасные в электрическом отношении. Такие кабели можно монтировать на мачтах существующих линий электропередач, как отдельно, так и встроенные в фазовый провод, экономя значительные средства на прокладку кабеля через реки и другие преграды.

Системы связи на основе оптических волокон устойчивы к электромагнитным помехам, а передаваемая по световодам информация защищена от несанкционированного доступа. Волоконно-оптические линии связи нельзя подслушать неразрушающим способом. Всякие воздействия на волокно могут быть зарегистрированы методом мониторинга (непрерывного контроля) целостности линии. Теоретически существуют способы обойти защиту путем мониторинга, но затраты на реализацию этих способов будут столь велики, что превзойдут стоимость перехваченной информации.

Важное свойство оптического волокна - долговечность. Время жизни волокна, то есть сохранение им своих свойств в определенных пределах, превышает 25 лет, что позволяет проложить оптико-волоконный кабель один раз и, по мере необходимости, наращивать пропускную способность канала путем замены приемников и передатчиков на более быстродействующие.

Есть в волоконной технологии и свои недостатки:

1. 
   При создании линии связи требуются высоконадежные активные элементы, преобразующие электрические сигналы в свет и свет в электрические сигналы. Необходимы также оптические коннекторы (соединители) с малыми оптическими потерями и большим ресурсом на подключение-отключение. Точность изготовления таких элементов линии связи должна соответствовать длине волны излучения, то есть погрешности должны быть порядка доли микрона. Поэтому производство таких компонентов оптических линий связи очень дорогостоящее.
   
2. 
   Другой недостаток заключается в том, что для монтажа оптических волокон требуется прецизионное, а потому дорогое, технологическое оборудование.
   
3. 
   Как следствие, при аварии (обрыве) оптического кабеля затраты на восстановление выше, чем при работе с медными кабелями.
   

Преимущества от применения волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) настолько значительны, что несмотря на перечисленные недостатки оптического волокна, эти линии связи все шире используются для передачи информации.
1.2 Оптическое волокно

Промышленность многих стран освоила выпуск широкой номенклатуры изделий и компонентов ВОЛС. Следует заметить, что производство компонентов ВОЛС, в первую очередь оптического волокна, отличает высокая степень концентрации. Большинство предприятий сосредоточено в США. Обладая главными патентами, американские фирмы (в первую очередь это относится к фирме "CORNING") оказывают влияние на производство и рынок компонентов ВОЛС во всем мире, благодаря заключению лицензионных соглашений с другими фирмами и созданию совместных предприятий.

Важнейший из компонентов ВОЛС - оптическое волокно. Для передачи сигналов применяются два вида волокна: одномодовое и многомодовое. Свое название волокна получили от способа распространения излучения в них. Волокно состоит из сердцевины и оболочки с разными показателями преломления n1 и n2. Пример продемонстрирован на рисунке 1.



Рисунок 1 – Пример с разными показателями преломления

В одномодовом волокне диаметр световодной жилы порядка 8-10 мкм, то есть сравним с длиной световой волны. При такой геометрии в волокне может распространяться только один луч (одна мода).

В многомодовом волокне размер световодной жилы порядка 50-60 мкм, что делает возможным распространение большого числа лучей (много мод).

Оба типа волокна характеризуются двумя важнейшими параметрами: затуханием и дисперсией.

Затухание обычно измеряется в дБ/км и определяется потерями на поглощение и на рассеяние излучения в оптическом волокне.

Потери на поглощение зависят от чистоты материала, потери на рассеяние зависят от неоднородностей показателя преломления материала.



Рисунок 2 – Графический пример зависимости затухания от длины

Затухание зависит от длины волны излучения, вводимого в волокно. В настоящее время передачу сигналов по волокну осуществляют в трех диапазонах: 0,85 мкм, 1,3 мкм, 1,55 мкм, так как именно в этих диапазонах кварц имеет повышенную прозрачность.

Другой важнейший параметр оптического волокна - дисперсия. Дисперсия - это рассеяние во времени спектральных и модовых составляющих оптического сигнала. Существуют три типа дисперсии: модовая, материальная и волноводная.

Модовая дисперсия присуща многомодовому волокну и обусловлена наличием большого числа мод, время распространения которых различно

Материальная дисперсия обусловлена зависимостью показателя преломления от длины волны

Волноводная дисперсия обусловлена процессами внутри моды и характеризуется зависимостью скорости распространения моды от длины волны.
1.3 Потери в оптическом волокне

Распространение электромагнитных волн в оптическом волокне, как и в любой реальной линии передачи, сопровождается процессом их затухания. Потери сигналов при прохождении по волоконному световоду должны быть минимальными для того, чтобы можно было покрывать большие расстояния без установки ретрансляторов. Затухание волоконного световода является важным фактором при проектировании кабельных сетей для передачи информации и характеризуется коэффициентом потерь α (дБ/км). Оно обуславливается, главным образом,следующими причинами: поглощением (α_п), рассеянием (α_р) и дополнительными кабельными потерями (α_к).Общий коэффициент потерь ОВ соответственно состоит из трёх слагаемых:

α = α_п + α_р + α_к.

Потери на поглощение в ОВ определяются собственным поглощением в кварце, поглощением примесями, от которых современными технологиями не удаётся очистить кварц в необходимой степени, а также поглощением легирующими добавками, которые вводят в кварц преднамеренно для получения заданного показателя преломления.

Фундаментальным свойством основного материала ОВ – кварцевого стекла – являются полосы поглощения в ультрафиолетовой (0,2…0,4 мкм) и средней инфракрасной области ( 5 мкм). Поэтому кварц в этих областях обладает сильным поглощением и непрозрачен. Хвосты этих полос тянутся в видимую и ближнюю ИК-область (рисунок 3).



Рисунок 3 - Зависимость коэффициента потерь в кварце от длины волны

Поглощение света в кварце происходит и примесными ионами металлов, такими как медь, железо, хром и др. Полосы поглощения этих примесей попадают в диапазон длин волн 0,8…1,8 мкм. Однако современные технологии очистки кварца от примесей позволяют снизить их концентрацию до такого уровня, при котором они не влияют заметно на волновую характеристику общего коэффициента потерь в кварце.
1.4 Методы измерения потерь в ОВ

ГОСТ 26814-86 («Кабели оптические методы измерения параметров») определяет два прямых метода измерения потерь в оптическом волокне, которые принято считать эталонными – метод обрыва волокна и метод вносимых потерь. В этих методах измерение потерь осуществляются с помощью источников и приёмников оптического излучения, а также с помощью оптических тестеров – устройств, содержащих в одном корпусе источник излучения и фотоприёмник.
1.5 Метод вносимых потерь

В условиях строительства оптоволоконных линий передачи и их обслуживания, когда имеется волокно, концы которого заделаны в оптические разъёмы, более распространенным является метод вносимых потерь рисунок 4. В этом методе вначале измеряется величина опорной мощности Р1 (дБм). Затем между измерителем оптической мощности и источником оптического излучения вставляется тестируемое волокно или линия передачи и измеряется величина прошедшей мощности Р2 (дБм).



Рисунок 4 - Схема измерения затухания в оптическом волокне стандартным методом вносимых потерь

Метод вносимых потерь используется при измерении полных потерь в линии передачи. Фотоприёмный блок оптического тестера в пункте А используется для измерения опорного значения мощности излучения лазерного блока, а фотоприёмный модуль оптического тестера, в пункте В – для измерения мощности излучения, прошедшей через линию связи.

Вначале оператор, находящийся в пункте А, соединив вход и выход оптического тестера оптическим шнуром (патч-кордом), измеряет величину опорного сигнала Р1 (рисунок 5, а). Патч-корд должен быть изготовлен из волокна того же типа, что и измеряемое волокно. Затем оператор отсоединяет разъем шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет его к разъему на входе в линию. Оператор, находящийся в пункте В, подключает с помощью патч-корда свой оптический тестер к выходу линии и измеряет величину сигнала Р2 (рисунок 5, б). Затем с помощью оптического телефона (или каким-либо другим способом) он сообщает результат измерений оператору, находящемуся в пункте А.



а)



б)

Рисунок 5 - Измерение затухания в оптическом волокне методом вносимых потерь с помощью фототестеров

а) измерение мощности Р1 опорного сигнала на выходе источника излучения,

б) измерение мощности Р2 на выходе оптической линии связи.
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.
  

Наибольшая погрешность возникает из-за того, что не известна точно величина потерь в разъемах. Данная погрешность может достигать порядка среднего значения этих потерь (0,2 дБ). Эта неопределенность величины потерь в разъемах и даёт основной вклад в результирующую погрешность, возникающую при измерении полных потерь в линии.

Измерение потерь в линии принято проводить в обоих направлениях распространения волн. Таким образом, удается исключить некоторые систематические погрешности. 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.
1.6 Краткая характеристика оптотестераFOT-700

Настоящая лабораторная работа предназначена для отработки процедуры измерения затухания оптических волокон методом вносимых потерь с помощьювиртуального макет оптического тестера FOT-700. Разработчиком и производителем семейства тестеров FOT-700 является международный концерн EXFO (США, Канада).

Тестерысемейства FOT-700 (рисунок 6) относятся к классу линейных измерительных приборов и предназначены для использования при строительстве, обслуживании, ремонте и устранении различных проблем, возникающих в волоконно-оптической сети. 

Тестер FOT-700 может иметь различную конфигурацию измерительных инструментов в соответствии с пожеланиями заказчиков. В состав прибора может входить измеритель мощности, источник излучения или комбинация из этих двух инструментов. В последнем случае тестер имеет два порта, один из которых является выходом источника излучения, а второй – входом фотоприёмника. Источник излучения имеет до 10 конфигураций, а измеритель мощности – до 3. В максимальной конфигурации тестер позволяет проводить измерение затухания в различных типах ОВ на пяти длинах волн. Для измерения многомодовых волокон на длинах волн λ = 850, 1300 нм в качестве источников излучения используются светодиоды (LED). Для измерения одномодовых волоконна длинах волн λ = 1310, 1550 и 1625 нм в качестве источников излучения используются полупроводниковые инжекционные лазеры.



Рисунок 6 - Внешний вид тестера FOT-700

Оптотестер FOT-700 обладает встроенной памятью и способен хранить результаты измерений 1000 волокон. Наличие порта RS-232 позволяет загрузить информацию в программное обеспечение EXFO ToolBox для обработки и создания профессионального отчета, просмотра, экспорта, печати в графической или табличной форме.

Встроенная функция λAuto позволяет одновременно выбирать длину волны и для источника излучения, и для измерителя мощности. В данном режиме измеритель мощности автоматически настраивает длину волны источника. Это позволяет избежать ошибок при тестировании и максимально увеличить эффективность измерений в условиях полевой работы на линии.

Прибор FOT-700 обладает ещё одной полезной функцией для работ, производимых на линии с волоконно-оптическими кабелями. В режиме передачи излучение источника может быть промодулированопо амплитуде одной из трёх тональных частот: 270 Гц, 1 кГц и 2 кГц. В данном режиме измеритель мощности оптотестера также способен отличить модулированное излучение от немодулированного и настроиться на приём первого. Это позволяет на дальнем (приёмном) конце оптического кабеля выделить тестируемое волокно из всех волокон кабеля.

Габаритные и эксплуатационные параметры оптотестераFOT-700:

- масса прибора: 860 г;

- габаритные размеры: 22,7 см × 11,1 см × 6,4 см;

- диапазон рабочих температур: -10ºС…50ºС.

Ход работы
Данные для варианта 6 предоставлены в таблице 1.

Таблица 1 – Данные варианта

№	Длины волокон по типам в км
	MMF 50/125 многомодовое	MMF 62,5/125 многомодовое	SF одномодовое	DSF одномодовое	NZDSF одномодовое
6	15	5	29	35	30

В оптотестере используются идентичные разъёмные соединители для подключения калибровочного шнура или волокна к выходу источника излучения и к входу фотоприёмника. Для начала найдем коэффициент потерь для каждого из них по формуле:

α_рс = (P₀ – P_к)/2 (1)
где P₀ - уровень оптической мощности на выходе источника излучения оптотестера;

P_к - значение мощности на выходе калибровочного шнура.

P_к находим с помощью соответствующей кнопки на оптотестере, она равна 0,52 мВт.

В оптотестере мощность источника излучения равна 0,65 мВт. В данной лабораторной работе предполагается, что значение коэффициента потерь α_рс не зависит от длины волны.

Подставив имеющиеся данные в формулу (1) получим:

α_рс = (0,65 мВт – 0,52 мВт)/2

α_рс = 0,065 мВт

Результаты измерений для одномодовых ОВ предоставлены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты измерений для одномодовых ОВ

	Одномодовое SF, длина волокна в катушке – 29 км			Одномодовое DSF, длина волокна в катушке – 35 км				Одномодовое NZDSF, длина волокна в катушке –30 км
Длина волны λ, нм	1310	1550	1625	1310	1550	1625	1310		1550	1625
Уровень оптической мощности на выходе волокна Pв, дБм	-11,75	-10,37	-10,03	-13,61	-11,95	-11,53	-12,07		-10,65	-10,29
Коэффициент потерь в волокне α, дБ/км	0,30	0,25	0,24	0,30	0,24	0,26	0,30		0,25	0,24

Результаты измерений для многомодовых ОВ предоставлены в таблице 3.

Таблица 3 - Результаты измерений для многомодовых ОВ

	Многомодовое MMF 50/125, длина волокна в катушке – 15 км		Многомодовое MMF 62,5/125, длина волокна в катушке – 5 км
Длина волны λ, нм	850	1300	850	1300
Уровень оптической мощности на выходе волокна Pв, дБм	-37,96	-13,65	-16,31	-5,30
Коэффициент потерь в волокне α, дБ/км	2,33	0,71	2,68	0,48

Вывод: в ходе выполнения лабораторной работы были получены навыки по работе с оптическим тестером FOT-700. Научился с помощью тестера измерять коэффициенты потерь в ОВ методом вносимых потерь.

.


.

Провер.

Листов

Дата

Подпись

№ докум.

Лист

Изм

Лист


Лит

Разраб.

Н.контр.

Утв.






ИСОиП(филиал)ДГТУ

кафедра «РЭСиК»