Лабораторная работа №1 по ОФ и ОЭ. Лабораторная работа 1 Измерение затухания в волоконной линии связи
 Скачать 0.57 Mb.
|
|
Лабораторная работа № 1 Измерение затухания в волоконной линии связи Цель работы: Ознакомление с программной средой OptiSystem по средствам построения оптической линии передачи сигнала и исследования зависимости уровня выходного оптического сигнала в зависимости от длины лини связи. Теоретическая часть Общие сведения о САПР Система автоматизированного проектирования (САПР) OptiSystem - перспективный пакет моделирования оптических систем связи, позволяющий решать задачи разработки, тестирования и виртуальной оптимизации различных видов оптических линий на физическом уровне широкого спектра оптических сетей, от систем вещательного телевидения до магистральных линий. Развитый пользовательский графический интерфейс контролирует размещение оптических компонентов и таблицу связей, модели компонентов и представление графиков. Большая библиотека активных и пассивных компонентов включает реалистичные, частотно-зависимые параметры, динамическое изменение которых позволяет исследовать влияние технических характеристик компонентов на работу системы. САПР ориентирована на потребности исследований ученых, инженеров оптических телекоммуникаций, студентов и др. Заинтересованных пользователей. Преимущества САПР OptiSystem: быстрое, дешевое создание прототипа; широкое понимание процессов в разрабатываемой системе; прямой доступ к многочисленным настройкам данных, определяющих характеристики системы; автоматические сканирование и оптимизация параметра; визуальное представление опций разработки и сценариев для предложения ее предполагаемым потребителям. В состав OptiSystem входят приложения: разработка оптических систем связи от компонентов до системного уровня на физическом уровне; разработка сетей абонентского телевидения, мультиплексной передачи с временным или частотным разделением каналов; пассивные оптические сети; пространственные оптические системы; разработка кольцевых синхронных оптических сетей и сетей с синхронной цифровой иерархией; разработка передатчиков, каналов, усилителей и приемников; разработка дисперсионных карт; оценка частоты ошибок по битам (BER) и системных браков приразличных моделях приемников; расчеты BER усилительных систем. Описание интерфейса САПР OptiSystem Внешний вид графического пользовательского интерфейса Optisystem  Рис. 1 — Внешний вид графического пользовательского интерфейса OptiSystem Графический пользовательский интерфейс содержит следующие основные окна: — топология проекта; — навигатор проекта; — библиотека компонентов; — окно описания; — строка текущего состояния. Окно топологии проекта, показанное на рис. 2, представляет собой основное рабочее пространство, где размещаются компоненты топологии, редактируются их параметры и формируются связи между ними.  Рис. 2 — Окно топологии проекта Библиотека компонентов (рис. 3, а) предоставляет доступ к компонентам для создания структуры системы. Браузер проекта (рис. 3, б) позволяет оптимально организовать проект и обеспечивает навигацию в текущем проекте.
Рис. 3 — Окна библиотека компонентов (а) и браузера проекта (б) Окно описания (рис. 4, а) отображает детальную информацию о текущем проекте. Строка текущего состояния (Status Bar) (рис. 4, б) отображает информацию о прогрессе расчета проекта, полезные подсказки по использованию OptiSystem и другую информацию.  Рис. 4 — Окно описания проекта (а) и строка текущего состояния (б) Библиотека элементов содержит следующие категории: библиотека элементов визуализации (оптические, электрические); библиотека передатчиков: а) оптические источники; б) генераторы последовательностей битов; в) импульсные генераторы; г) оптические модуляторы; д) оптические передатчики; е) многомодовые источники; мультиплексоры с частотным уплотнением каналов: а) мультиплексоры ввода-вывода; б) демультиплексоры; в) мультиплексоры; г) размещенные в решетке волноводы (AWG); библиотека оптических волокон (многомодовых и одномодовых); библиотека усилителей (оптические, электрические); библиотека фильтров (оптические, электрические); библиотека пассивных элементов (оптические, электрические); — библиотека элементов тракта: а) частотные преобразователи; б) оптические переключатели; — библиотека приемников: а) регенераторы; б) фотодетекторы; в) оптические приемники; г) многомодовые сумматоры и селекторы; — библиотека обработки сигналов: а) арифметические операции; б) инструменты (оптические и электрические); в) логические операции; — библиотека инструментов; — элементы программного обеспечения; — библиотека MATLAB (оптические и электрические компоненты); — библиотека элементов, передающих сигналы по кабелю (cable access library): а) генераторы несущей; б) передатчики; в) приемники; — библиотека элементов для пространственных оптических систем (free space optic); — библиотека автоматизации проектирования электронных приборов. Исследование влияния потерь на мощность сигнала в волоконно-оптической линии связи Оптические волокна (ОВ) в качестве среды распространения многоканального сигнала имеют существенные преимущества перед традиционно используемыми кабелями: Широкополосность. В любой системе связи (например, цифровой) скорость передачи информации связана с занимаемой полосой, составляющей определенный процент значения несущей частоты. Неискаженные передачу и прием полосы осуществить тем легче, чем меньший процент она составляет. Следовательно, большое значение несущей частоты, что и используется в ВОЛС, снижает требования к широкополосности системы и увеличивает ее информационную емкость. Высокая защищенность от внешних электромагнитных полей, объясняемая диэлектрической природой распространения сигнала, физическими условиями этого распространения и использованием очень коротких длин волн. Подобного эффекта невозможно достичь в уже освоенных традиционных диапазонах из-за насыщенности радиочастотного спектра источниками излучений. Это свойство особенно привлекательно для энергетики, так как металлический кабель плохо совместим с воздушными высоковольтными линиями электропередачи (ВЛ). Малогабаритность и легкость кабелей на основе ОВ. Высокая экономичность из-за отсутствия потребности в меди, что очень существенно, поскольку традиционно кабельная промышленность потребляет до половины объема общих ресурсов меди и до четверти - свинца. Одним из важнейших параметров волоконной линии связи является затухание сигнала в среде, т.к. данная величина существенно влияет на длину участка регенерации и следовательно на стоимость линии связи. Разновидности потерь в оптическом волокне При эксплуатации волоконных линий связи необходимо контролировать следующие виды потерь: Прямые потери - это ослабление сигнала при прохождении от источника излучения к фотоприемнику, расположенному на дальнем конце оптического волокна. Этот вид потерь накладывает ограничения на расстояние и, косвенным образом, на ширину полосы пропускания волокна, а следовательно, и на скорость передачи. Прямые потери разделяют на потери на поглощение и потери на рассеяние. Потери на поглощение, в свою очередь, делятся на потери на инфракрасное поглощение (преобладает на длинах волн > 1500 нм) и ультрафиолетовое поглощение (действует до длины волны 1400 нм). Потери на рассеяние делятся на потери за счет рассеяния Рэлея, рассеяния Мандельштама-Бриллюэна и вынужденное комбинационное рассеяние (последние два вида преобладают в системах с высокой мощностью передаваемого сигнала). Возвратные потери имеют большое значение для качественной передачи сигналов и определяют величину возвратившейся к источнику излучения оптической мощности. Они представляют собой логарифмическое отношение отраженного и прямого сигналов и измеряются в децибелах с отрицательным знаком. Чем больше величина возвратных потерь (по абсолютному значению, т.е. без учета знака), тем меньше вернувшаяся к источнику оптическая мощность и, следовательно, лучше условия работы источника оптического излучения. При этом снижается мощность фонового шума и увеличивается отношение «сигнал-шум» на дальнем конце линии, что приводит к более устойчивой работе приемопередающей аппаратуры, что особенно важно для одномодовых систем, в которых большая величина вернувшейся в источник оптической мощности может вызвать перескок моды, и для систем кабельного телевидения, в которых мощность выходного сигнала может достигать 100 мВт (+20 дБм). Вследствие того, что величина динамического диапазона, требуемого для измерения затухания отражения (потери сигнала на отражениях) и возвратных потерь, составляет -30... -80 дБ, для таких измерений необходим лазерный источник с большой мощностью излучения. Кроме того, излучение лазера должно быть достаточно стабильным, поскольку измерения проводятся в течение продолжительного времени. Для измерения вышесказанных характеристик используются различные методы основанные на принципах измерения остаточного излучения на выходе волокна или обратного отражения –на входе. Методы измерения потерь 1. Метод обрыва представляет собой сравнение мощностей оптического излучения на входе и выходе волокна (рис. 5). Этот метод применяют для измерения затухания в оптических волокнах, не армированных оптическими коннекторами.  а)  Место обрыва волокна б)  в) Рис. 5 – Измерение потерь методом обрыва: а - измерение полных потерь в измеряемом устройстве; б - обрыв волокна вблизи источника; в - измерение введенной в измеряемое волокно мощности Точность измерения потерь методом обрыва существенно выше, чем методом вносимых потерь, поскольку при измерении введенной в волокно мощности она вся попадает на фоточувствительную площадку измерителя, размеры которой достаточно велики, по сравнению с диаметром оптического волокна (1-5 мм и 10, 50 и 62,5 мкм, соответственно). 2. Метод вносимых потерь. Базовая схема измерений потерь приведена на рис. 6. Потери в измеряемом устройстве: Pпотерь (мВт) = Pвх – Pвых Калибровочное волокно Измеряемое устройство  Оптическая розетка Рис. 6 – Основная схема проведения измерений потерь методом вносимых потерь смеситель мод - специальное устройство, предназначенное для выравнивания оптических мощностей отдельных мод и установления режима равновесного распределения энергетики мод - РРМ. Следует заметить, что многие рекомендуемые зарубежными разработчиками методики измерения затухания требуют обязательного применения смесителей при проведении любых измерений, в том числе при измерении потерь с помощью импульсного оптического рефлектометра (OTDR). Того же требуют и действующие в России ГОСТы. Примем это за обязательное условие и во всех вышеприведенных схемах будем иметь в виду присутствие смесителя, даже если он на них не изображен. В качестве источника излучения применяют светодиод, лазер с фиксированной длиной волны или лампу белого света с монохроматором при измерении спектральных потерь на отдельных длинах волн. В приведенной схеме на рис. 6, а в целом обеспечиваются условия ввода оптического излучения в измеряемое волокно. Считается, что для большинства случаев таких условий ввода вполне достаточно. Однако после присоединения измеряемого устройства к калибровочному волокну условия ввода излучения могут измениться, поскольку при проведении калибровки по рис. 6 свет из волокна полностью попадает на фоточувствительную площадку измерителя, а при подключении измеряемого устройства вследствие неточной юстировки в него может попасть не вся, а лишь часть мощности, вышедшей из калибровочного волокна. 3. Метод измерения возвратных потерь Для измерения возвратных (или обратных) потерь, большая величина которых может внести значительное ухудшение качества передачи в системе связи (особенно одномодовой), применяется метод, получивший в западной литературе название Optical Continuous Wave Reflectometer (OCWR) - оптический рефлектометр непрерывного излучения. Рефлектометр изображен на рис. 7.  Рис. 7 – Измерение возвратных потерь методом OCWR Оптические возвратные потери (в английской аббревиатуре - ORL) - это отношение оптической мощности, вернувшейся назад (к источнику излучения), к мощности, введенной в систему источником. В одномодовых системах большие возвратные потери могут стать главным источником возникновения и передачи ошибочных битов. Особенно опасными бывают отражения от торцов световодов в коннекторах, где величина отражения может достигать 4-5% от падающей на них мощности. Отраженный свет попадает в кристалл лазерного диода и может вызвать перескок моды и модальный шум. Рекомендации по уменьшению потерь Таким образом, чтобы уменьшить потери оптического сигнала в ВОЛС, помимо применения качественного кабеля с минимальными собственными параметрами затухания остается только один путь — обеспечение минимальных потерь на разъемных и неразъемных соединениях. Для этого, во-первых, необходимо уменьшать само количество разъемных и неразъемных соединений. Одним из способов является применение так называемых кабельных сборок. Такие кабели оборудуются с одного или двух концов коннекторами в заводских условиях и монтируются на объекте целиком. Это позволяет изготовить качественный соединитель с соблюдением заводской технологии производства и контроля, а также избежать сварного контакта при оконцовке кабеля пиктейлом. Во-вторых, применение коннекторов с малым затуханием сигнала в прямом направлении и большим рассеиванием в обратном, например, со шлифовкой АРС. В-третьих, поддержание контактов разъемных соединений в надлежащем состоянии путем организации своевременного контроля, чистки и измерений. В-четвертых, применение качественных материалов проверенных производителей. В настоящее время на российском рынке много некачественной дешевой продукции из Китая, Индии, Тайваня. Применение такой продукции уменьшает первоначальные вложения, но значительно увеличивает эксплуатационные затраты. Телекоммуникационные сети и системы стали неотъемлемой частью всей жизни и деятельности современного общества. Одной из главных задач, стоящей перед специалистами, работающими в этой области, помимо активного строительства и развития, является обеспечение надежной, высокопроизводительной работы существующих сетей и систем. Практическая часть 1. Запустить программу моделирования OptiSystem и собрать схему представленную на рис. 8. 2. Замерить мощность излучения на входе в оптическое волокно и на выходе. 3. Изменяя длину оптического волокна провести измерение выходной мощности сигнала и занести полученные значения в таблицу. 4. Построить график зависимости величины потери мощности сигнала в ВОЛС от его длины.  Рис.8 – Схема измерения затухания в волокне
Содержание отчета 1. Название лабораторной работы. 2. Цели лабораторной работы. 3. Краткая теоретическая часть. 4. Ход работы 4.1. Схему системы измерения в OptiSystem. 4.2. Таблицу результатов измерения. 4.3. График построенный на основании полученной таблицы. 5. Заключение. |
