Источникам излучения, применяемым в OTDR, предъявляются примерно те же требования, что и к источникам излучения для линий связи – они должны излучать

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 34Следующая ⇒

короткие импульсы большой мощности на длинах волн, попадающих в одно из окон прозрачности волокна. За одним отличием – если для линий передачи требуются источники с узким спектром (с большой длиной когерентности), то для применения в OTDR, наоборот, необходимы источники с малой длиной когерентности.

В OTDR применяются наиболее простые типы полупроводниковых лазеров -

многомодовые FP лазеры (лазерные диоды с резонатором типа Фабри-Перо) на основе одинарной гетероструктуры (в последних моделях OTDR используются также лазеры с

квантовыми ямами). В лазерах на l = 850 нм используется тройное соединение AlAsGa, а в лазерах на l = 1310 нм, 1550 нм и 1625 нм четверное соединение InGaAsP. Резонатор в FP

лазере образуется торцевыми поверхностями гетероструктуры. Длина резонатора порядка

100...500 мкм, ширина активной зоны 5... 10 мкм, а её высота 0.1...0.2 мкм. Лазер с таким резонатором обычно работает в многомодовом режиме, излучая несколько продольных мод рис. 2.18.

Рис. 2.18. Типичный спектр излучения FP лазера (рефлектометр AQ7140)

Из рис. 2.18 видно, что на l = 1310 нм число продольных мод в FP лазере, дающих заметный вклад в результирующий сигнал, m » 10, а ширина линии Dl » 0.2 нм. Длина

l 2

когерентности излучения лазера в волокне равна:

L c =

Dl n

, где n » 1.46 – показатель

преломления кварцевого стекла. При l = 1310 нм и Dl » 0.2 нм получаем, что Lc = 5 мм. Число некогерентных центров рассеяния в волокне для одномодового лазера равно отношению

полуширины импульса света в волокне t v r

к длине когерентности Lc излучения лазера. Для

многомодового FP лазера, излучающего на m продольных модах, число таких центров будет

в m раз больше:

N = mt v r .

2L c

При m = 10,

v r = 0.1 м/нс и Lc = 5 мм получаем: N » 2000. При

относительной флуктуации мощности порядка 1

величина когерентных шумов по шкале

æ P + P ö æ

рефлектометра будет равна: DB = 5 log c ш = 5 log 1 +

1 ö =

2 . Для N = 2000 получаем,

ç ÷ ç ÷

что DB @ 0.1 дБ.

è P c ø

è N ø N

Рассмотрим теперь шумы, возникающие из-за поляризационной анизотропии волокна и ответвителя. В OTDR обычно используется сплавные волоконные ответвители с коэффициентом деления 0.5 (3 дБ). При изготовлении ответвителя берутся два волокна. Участок волокон длиной несколько миллиметров разогревается в пламени кислородно- водородной горелки или электрической дуги до температуры плавления кварцевого стекла и вытягивается. Волокна в области перетяжки сплавляются между собой так, что при этом свет частично перекачивается из одного волокна в другое (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Сварной ответвитель с коэффициентом деления 0.5 (3 дБ)

Коэффициент деления сплавного волоконного ответвителя зависит, хотя и относительно слабо, от состояния поляризации излучения. Для двух ортогональных линейных состояний поляризации излучения коэффициенты деления могут отличаться примерно на 0.05 дБ. Поэтому, направляемая ответвителем на фотоприемник мощность рассеянного в волокне излучения будет меняться при изменении состояния поляризации этого излучения. Так как излучение FP лазера линейно поляризовано, то поляризовано и рассеянное в волокне излучение. Из-за наличия в волокне двулучепреломления состояние

поляризации рассеянного излучения изменяется по мере распространения света в волокне. Причем, так как двулучепреломление распределено вдоль волокна случайным образом, то и

эллиптичность и азимут рассеянного излучения случайным образом зависят от расстояния до места рассеяния света в волокне. Вариации состояния поляризации рассеянного в волокне излучения приводят к появлению в рефлектограмме поляризационных шумов с амплитудой порядка нескольких сотых децибел (рис. 2.20).

Рис. 2.20. а) Поляризационные шумы в рефлектограмме. б) Поляризационные шумы уменьшены

за счет модуляции состояния поляризации на входе в волокно

Поляризационные шумы видны обычно на начальном участке рефлектограммы, где вклад собственных шумов фотоприемника мал. Причем, поляризационные шумы нельзя уменьшить, увеличив времени усреднения сигнала. Их можно уменьшить, установив на выходе рефлектометра устройство для модуляции состояния поляризации излучения. Это устройство позволяет многократно изменять за время измерения сигнала состояние поляризации излучения и усреднять поляризационные шумы. Как показывает опыт,

поляризационные шумы удается также уменьшить, при периодической деформации оптического шнура на выходе рефлектометра.

Раздел II.

ПРОСТРАНСТВЕННОЕ Р АЗРЕШЕНИЕ

Мертвые зоны для событий

Ширина мертвой зоны для событий (EDZ - event dead zone) определяется как минимально разрешимое расстояние между двумя неоднородностями. Мертвые зоны для событий подразделяются на мертвые зоны для отражающей и для неотражающей неоднородности (рис. 2.21). В спецификациях на рефлектометр обычно указывают только ширину мертвой зоны для отражающей неоднородности (мертвой зоны по отражению).

Рис. 2.21. Мертвые зоны для событий (EDZ - event dead zone).

Ширину мертвой зоны по отражению полагают равной ширине всплеска на рефлектограмме (ширине импульса света (на дисплее)) по половинному уровню (FWHM - full-width at half-maximum). По шкале рефлетометра этот уровень находится на 1.5 дБ ниже вершины импульса (рис. 2.21 а). Ширину мертвой зоны для неотражающей неоднородности определяют по ширине переходного участка, наблюдаемого на рефлектограмме в месте расположения этой неоднородности (рис. 2.21 б). При этом полагают, что величина потерь в этой неоднородности <1 дБ.

Поясним, почему ширина мертвой зоны равна ширине всплеска на рефлектограмме. На рис. 2.22 изображен участок рефлектограммы с двумя одинаковыми, близко

расположенными отражающими неоднородностями. Передний фронт отраженного

импульса изображается там же, где находится неоднородность. Задний фронт отраженного импульса изображается дальше от начала рефлектограммы, так как он приходит на фотоприемник позже, чем передний фронт. Расстояние между передним и задним фронтом импульса равно ширине импульса на дисплее.

Рис. 2.22. Отражение импульса света от двух одинаковых неоднородностей

1 и 2 расположенных на расстоянии, равном ширине мертвой зоны

Когда расстояние между неоднородностями заметно больше ширины импульса, они легко разрешаются, так как отраженные от них импульсы не перекрываются. Чем меньше расстояние между неоднородностями, тем сильнее перекрываются отраженные от них импульсы. Когда расстояние между неоднородностями становится равным ширине импульса, отраженные импульсы перекрываются настолько сильно, что сливаются в один импульс с небольшим провалом на вершине. При наличии такого провала оператор считает, что отражение происходит от двух неоднородностей. Этот провал не различим, когда расстояние между этими неоднородностями меньше ширины мертвой зоны, когда коэффициенты отражения от неоднородностей не равны друг другу, а также, когда рефлектограмма зашумлена. Ширина и форма импульса на дисплее зависит не только от длительности импульсов света t, испускаемых лазерным диодом, но и от ширины полосы фотоприемника Df. Результаты расчетов при Df = 30 МГц и коэффициенте отражения от неоднородности R = –35 дБ представлены на рис. 2.23.

Рис 2.23. Изменение ширины и формы импульсов при изменении их длительности

Как видно из рис. 2.23, когда длительность импульсов t больше времени установления отклика ( 0, 35 @ 10 нс ), форма импульса близка к прямоугольной. В этом

случае ширина импульса однозначно определяется длительностью импульса и примерно

равна

t v r

(например, ~10 м при t = 100 нс), где vr = 2×105 км/с = 0.2 м/нс – групповая

скорость света в волокне. Когда длительность импульса меньше времени установления отклика, ширина импульса ограничивается шириной полосы фотоприемника. Например, при t = 1 нс ширина импульса (~ 1 м) получается на порядок больше, чем это должно быть,

если бы она определялась длительностью импульса ( t v r = 1 нс × 0.1 м/нс = 0.1 м).

Длительности импульсов на входе t и на выходе фотоприемника Dt связаны между собой

соотношением:

Dt =

t 2 + æ 0.35 ö

. Отсюда получаем выражение для ширины импульса:

ç Df ÷

u = Dt × v r =

t 2 + æ 0.35 ö

è ø

× v r . Эта зависимость изображена на рис. 2.24.

2 ç Df ÷ 2

è ø

Рис 2.24. Зависимость ширины импульсов на дисплее от длительности импульсов света t,

и спускаемых лазерным диодом и ширины полосы фотоприемника Df.

Как видно из рис. 2.24, при t > 300 нс ширина импульса пропорциональна t: u = t × 0.1 м/нс. При t меньше 10 нс ширина импульса u не зависит от t и определяется шириной полосы фотоприемника Df. В стандартном режиме (Df ~ 10 МГц) и t < 10 нс ширина импульса порядка 2.5 м. В режиме максимального разрешения (Df ~ 30 МГц) и t < 10 нс ширина импульса чуть больше 1 м. В режиме максимального динамического диапазона (Df ~ 3 МГц) и t < 10 нс ширина импульса порядка 10 м. В спецификациях на рефлектометр ширину мертвой зоны обычно приводят для самого короткого импульса и максимально широкой полосе фотоприемника (режим максимального разрешения). Например, в рефлектометре Е6000С ширина мертвой зоны равна 3 м, а длительность самого короткого импульса равна 10 нс. Как видно из рис. 2.24, такая ширина мертвой зоны получается при ширине полосы фотоприемника примерно 10 МГц.

Мертвые зоны по затуханию

Ширина мертвой зоны по затуханию (ADZ - attenuation dead zone) определяется, как минимальное расстояние после отражающего события, в пределах которого нельзя

проводить измерения потерь в волокне. Оно равно расстоянию от переднего фронта импульса до конца его заднего фронта (рис. 2.25). Конец заднего фронта импульса, в соответствии с рекомендациями Telecordia (Bellcore), определяется как точка, которая отстоит от линейного участка рефлектограммы на 0.5 дБ по вертикальной шкале (при коэффициенте отражения - 35 дБ).

Рис. 2.25. Мертвая зона по затуханию (ADZ - attenuation dead zone).

В отсутствие насыщения ширина мертвой зоны по затуханию складывается из двух величин: (t + tx)vr/2, где х - длительность импульса генерируемого лазерным диодом, tx×vr/2

– длина хвоста импульса, vr = 0.2 м/нс – групповая скорость распространения света в во-

локне (рис. 2.26). Множитель 1/2 учитывает, что свет проходит через волокно дважды в прямом и обратном направлении.

Рис. 2.26. Мертвая зона по затуханию (ADZ) возникает из-за конечной длительности импульса, генерируемого лазерным диодом, и конченой крутизны заднего фронта импульса на выходе фотоприемника

Длина хвоста импульса tx×vr/2 зависит от того, на сколько быстро он приблизился к пьедесталу. В соответствии с рекомендациями Telecordia хвост импульса должен отстоять от пьедестала на 0.5 дБ. Математически это условие записывается в виде уравнения

(5 log R (1 - exp ( -2ptDf )) × exp ( -2p t Df ) + 10q 5 ) - q = 0.5

(2.5)

x 2

где R – коэффициент отражения от неоднородности, q = –80 дБ + 10log(t[нс]/l[нс]) – доля света рассеянная назад в моду волокна. Результаты расчетов ширины импульса при r = 10logR = –35 дБ и –50 дБ , Df = 30 МГц представлены на рис. 2.27.

Рис. 2.27. Зависимости ширины мертвой зоны по затуханию (ADZ) (в отсутствие насыщения)

от длительности импульсов и ширины полосы фотоприемника

Как видно из рис. 2.27, при t > 1 мкс ширина мертвой зоны по затуханию близка к полной ширине импульса по половинному уровню (рис. 2.24) и однозначно определяется длительностью импульса. При t < 20 нс ширина мертвой зоны по затуханию зависит от ширины полосы фотоприемника и от величины коэффициента отражения от

неоднородности и примерно в 3...5 раз больше ширины импульса.

Фотоприемник, как правило, насыщается при попадании на него мощного излучения, отраженного от оптического разъема или торца волокна. При большой мощности лазерного

диода к насыщению фотоприемника может привести даже релеевское рассеяние излучения в начале волокна. Эффект насыщения проявляется в виде ограничения амплитуды импульса (clipping level) и увеличения ширины верхушки импульса за счет времени, необходимого для

освобождения р-n перехода от накопленного заряда (рис. 2.28).

Рис. 2.28. Увеличение ширины мертвой зоны по затуханию (ADZ)

п ри насыщении фотоприемника

ПРИМЕНЕНИЯ OTDR

Оптические рефлектометры применяются в телекоммуникациях в соответствии с Rec. G.651 и G.652. Измерения параметров линии с помощью OTDR обычно выполняются в автоматическом режиме, что позволяет выполнить измерения наиболее быстрым и удобным способом, не требует от оператора специальных навыков и обеспечивает получение всех необходимых данных. Однако для интерпретации событий, наблюдаемых на рефлектограмме, и многочисленных данных, выводимых на дисплей, необходимо иметь представление об основных методиках измерений и алгоритмах обработки рефлектограмм.

Так, например, потери в волокнах находятся не прямым методом (по изменению прошедшей мощности), а косвенным способом по изменению рассеянной в волокне мощности света. Из-за нерегулярности коэффициента релеевского рассеяния света в волокне такой косвенный способ измерения потерь приводит к появлению систематической погрешности. Для того, чтобы устранить эту погрешность, приходится измерять рефлектограммы с обеих сторон волокна.

В этой главе рассмотрены основные методики измерений, проводимых с помощью

OTDR. Они весьма разнообразны и специфичны и включают в себя измерение расстояний, потерь и коэффициентов отражений.

Раздел I.

ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 341; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 2 3 4 5 678 9 10 11 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!