Оптические рефлектометры

Введение

 

В настоящее время контроль качества волоконно-оптических линий  передачи осуществляется путем измерения  в них потерь света. Для этих целей  разработана аппаратура, позволяющая  находить не только полные потери в  линии (оптические тестеры), но и распределение  потерь и коэффициентов отражения  вдоль линии (оптические рефлектометры). В локальных линиях, учитывая их малую протяженность (1...2 км), можно  ограничиться измерением полных потерь с помощью оптических тестеров. Этот метод измерения потерь является эталонным, так как в нем измеряется непосредственно доля мощности, поглощенная  в волокне (метод облома волокна  и метод вносимых потерь). Однако с помощью оптических тестеров можно  измерить только полные потери в линии  передачи и при этом необходимо еще  иметь доступ одновременно к обоим  концам волокна, что сложно осуществить  в магистральных линиях. В магистральных  линиях стремятся, чтобы регенерационные  участки линии получились максимально  длинными, что позволяет уменьшить  число ретрансляторов и снизить  стоимость обслуживания линии. При  этом существенно возрастают требования к надежности линии и величине потерь в ней. В этом случае недостаточно измерить полные потери в линии, а  необходимо измерить еще потери в  строительных длинах оптических кабелей, в сростках волокон и в оптических разъемах. Причем проводить эти прецизионные измерения приходится в полевых  условиях. В настоящее время сделать  это можно только с помощью  оптического импульсного рефлектометра (OTDR – Optical Time Domain Reflectometer).

Контроль величины потерь в строительных длинах оптических кабелей  и в сварных соединениях волокон  важен не только для минимизации  полных потерь в линии, но ещё и  потому, что он позволяет, хотя и  косвенно, судить о надежности линии, срок службы которой около 25 лет. Потери могут превысить заданное значение на каком-нибудь участке линии, чаще всего, из-за избыточного натяжения  волокон в кабеле, наличия дефекта  в сварном соединении волокон  или сильного изгиба волокон в  муфте. В этом случае нельзя быть уверенным  в том, что этот участок линии  не будет в дальнейшем быстро деградировать  и не возникнет аварийная ситуация в результате обрыва волокон в  линии. Все такие участки должны быть выявлены и исправлены ещё на стадии монтажа линии. В этой главе  мы приведем основные сведения о потерях  света в одномодовых волокнах и об устройствах для измерения потерь: оптических тестерах и оптических импульсных рефлектометрах (OTDR).

 

Оптические импульсные рефлектометры (OTDR)

 

Принцип действия OTDR

Принцип действия OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) во многом такой же, как и у импульсных рефлектометров, применяемых для тестирования электрических кабелей. Оба типа рефлектометров посылают в линию мощный зондирующий импульс (оптический или электрический) и измеряют мощность и время запаздывания импульсов, вернувшихся обратно в рефлектометр. Отличие заключается в том, что в электрической линии наблюдаются только отраженные импульсы. Они образуются в местах, где в линии имеются скачки волнового сопротивления. В оптических же волокнах обратная волна образуется не только за счет отражения от больших (по сравнению с длиной волны) дефектов, но и за счет релеевского рассеяния. Рассеяние света происходит на флуктуациях показателя преломления кварцевого стекла, застывших при вытяжке волокна. Размер этих неоднородностей (релеевских центров) мал по сравнению с длиной волны и свет на них рассеивается во все стороны, в том числе и назад в моду волокна(рис. 1)

Релеевские центры распределены однородно вдоль волокна, и в рассеянной на них волне содержится информация обо всех параметрах линии, влияющих на поглощение света. Именно за счет детектирования рассеянного излучения удается обнаруживать неотражаю-щие (поглощающие) неоднородности в волокне. Например, по сигналу обратного релеевского рассеяния света можно измерить распределение потерь в строительных длинах оптических кабелей и потери в сростках волокон. Такие измерения нельзя выполнить, регистрируя только отраженное (а не рассеянное) излучение. Доля мощности света, рассеиваемая назад в моду волокна крайне мала. Например, при ширине импульса 1м (длительность импульса 10 нс) коэффициент обратного релеевского рассеяния составляет величину около –70 дБ. Поэтому, в OTDR в волокно посылаются импульсы большой мощности и большой длительности, а для детектирования рассеянных назад импульсов света применяются высокочувствительные фотоприемники.

В большинстве моделей OTDR используется модульная конструкция (рис. 2). Она содержит базовый модуль и несколько сменных оптических модулей. Базовый модуль представляет собой персональный компьютер, приспособленный для обработки сигнала и вывода его на дисплей. Оптический модуль включает в себя лазерный диод, фотоприемник, оптический ответвитель и оптический разъем. Стоимость оптического модуля зависит от величины его динамического диапазона и может в несколько раз превышать стоимость базового модуля. Модульная конструкция OTDR позволяет потребителю не только выбрать необходимую ему на данный момент конфигурацию прибора, но и в дальнейшем модернизировать прибор, например, установив, многомодовый модуль или одномодовый модуль с большим динамическим диапазоном.

 

В качестве источника излучения  в оптическом модуле обычно используется лазерные диоды типа Фабри-Перо, наибольшая же мощность излучения (и, соответственно, динамический диапазон рефлектометра) достигается с помощью лазерных диодов с квантовыми ямами. С их помощью генерируются импульсы мощностью 10...1000 мВт, длительностью от 2 нс…20 мкc и частотой повторения несколько килогерц. Эти импульсы поступают через ответвитель на оптический разъем, к которому подключается исследуемое волокно. Рассеянные в волокне импульсы света возвращаются в оптический модуль и передаются с помощью ответвителя на фотоприемник (лавинный фотодиод), где они преобразуются в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается, накапливается, обрабатывается в базовом модуле и отображается на дисплее в графической форме в виде рефлектограммы. Такое представление информации позволяет анализировать её как визуально, так и автоматически с помощью встроенных программных алгоритмов.

Мощность рассеянных назад  импульсов на 80…50 дБ (в зависимости  от их длительности) меньше мощности импульсов, вводимых в волокно. Поэтому для  улучшения отношения сигнал/шум используется многократное усреднение результатов измерений. Причем для их эффективного усреднения достаточно нескольких секунд, так как время, затрачиваемое на прохождении линии мало (100 км свет проходит за 1 мсек). Типичная рефлектограмма содержит около 32 000 измеряемых точек и при вычислении каждой такой точки усредняется несколько тысяч импульсов. Весь этот массив данных рефлектометр обрабатывает за долю секунды. Первая измеренная рефлектограмма сразу выводится на дисплей. Далее на дисплей выводятся усредненные рефлектограммы. При каждом удвоении времени измерений шумы в усредненной рефлектограмме уменьшаются примерно на 0.75 дБ.

Обработка большого массива  данных и создание дружественного пользователю интерфейса осуществляется с помощью  двух микропроцессоров. Первый, быстродействующий  процессор RISC, дает возможность усреднять  до 50 миллионов точек в секунду. Второй процессор Intel обеспечивает работу интерфейсной части программы, автопоиск дефектов в линии, вывод данных на дисплей.

 

Назначение OTDR

 

Каждый тип неоднородности (сварное соединение волокон, трещина, оптический разъем и т.д.) имеет свой характерный образ на дисплее OTDR, и может быть легко идентифицирован  оператором (рис. 3). В автоматическом режиме OTDR сам определяет тип неоднородности, рассчитывает потери на участках линии, коэффициенты отражения от неоднородностей  и т.д.

 

Так, например, отражающие неоднородности (разъемные соединения волокон, трещины, торец волокна) проявляются на рефлектограмме в виде узких пиков, а неотражающие неоднородности (сварные соединения и изогнутые участки волокон) - в виде изгибов в рефлектограмме. Участки рефлектограммы, расположенные между неоднородностями, имеют вид прямых линий с отрицательным наклоном. Угол наклона этих прямых прямо пропорционален величине потерь в волокне. Основные параметры линии передачи, измеряемые с помощью оптического рефлектометра:

 

 

 

Важным достоинством рефлектометрических измерений является то, что в них измерительный прибор подключается только к одному концу линии (рис. 4). Так как типичная длина регенерационного участка в магистральной линии передачи составляет около 100 км (с оптическими усилителями ~ 1000 км), то ясно, что подключать измерительную аппаратуру только к одному концу такой линии значительно проще.

После того, как линия  смонтирована, измеряются потери во всех соединениях волокон и расстояния до них. При этом фиксируется рефлектограмма всего регенерационного участка линии со всеми её особенностями, указывающими местоположение сварных соединений волокон и величину потерь в них. Эта рефлектограмма используется для географической привязки к местности и в дальнейшем служит для контроля деградации линии в процессе её старения. На рис 4 в качестве примера приведены рефлектограммы (новая и старая) одного и того же регенерационного участка линии длиной около 30 км, измеренные при сдаче и после одного года эксплуатации линии. Видно, что по прошествии года потери в сварном соединении волокон, расположенном на расстоянии около 17 км от начала линии, увеличились на несколько дБ. Это значит, что линия уже практически вышла из строя, и для того, чтобы восстановить линию, это сварное соединение волокон необходимо переделать.

Разрушение волокон в  оптических кабелях происходит в  основном из-за натяжения волокон  и проникновения в кабель воды. Избыточные натяжения волокон могут  возникнуть как из-за нарушений технологии изготовления кабеля на заводе, так  и при деформации кабелей подвешенных  на линиях электропередачи или уложенных  грунт подверженный мерзлотным деформациям, землетрясениям и т.д. Однако с помощью OTDR нельзя измерить натяжение волокон  в оптических кабелях. Для этого  необходим значительно более  дорогой и сложный бриллюэновский рефлектометр (BOTDR).

Многие оптические кабели в линиях передачи содержат запасные (темные) волокна. Потери в темных волокнах можно контролировать с помощью  рефлектометра обычным способом, подключившись к одному концу  темного волокна, в то время как  передача трафика осуществляется по соседним (активным) волокнам. При этом измерения можно проводить на тех же длинах волн, на которых обычно ведется передача трафика. Эффективность  такого способа обусловлена тем, что, как показывает практика, примерно в 80% случаев повреждение кабеля нарушает работу одновременно всех волокон. Для повышения надежности линии  передачи необходимо проводить тестирование активных волокон. Тестирование активных волокон обычно проводится на более  длинных волнах, так как в изогнутом  волокне потери быстро возрастают при  увеличении длины волны. Так, если передача ведется на длине волны 1310 нм, то для тестирования используется длина  волны 1550 нм, а если передача ведется  на длине волны 1550 нм, то тестирование линии осуществляется на длинах волн 1610...1650 нм (рис. 5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Типы OTDR

 

• Мини-рефлектометры (mini-OTDR)  – применяются в полевых условиях.
• Идентификаторы дефектов (Fault locators) –приборы, предназначенные для определения места повреждения волокна. Классическим способом обнаружения трещин в волокне является засветка его красным лазером.
• Блоки дистанционного контроля (RTU – remote test unit). Применяются в системах дистанционного мониторинга оптических сетей.
• Портативные измерительные системы (Agilent N3900A, EXFO FTB-400) предназначены для тестирования оптических сетей при их строительстве и эксплуатации.
• Бриллюэновский рефлектометр (BOTDR) применяется для измерения натяжений в оптических волокнах - основного параметра определяющего срок службы оптических кабелей. Натяжения волокна находится по величине смещения частоты обратной волны в волокне, вызванной эффектом бриллюэновского рассеяния. Бриллюэновский рефлектометр отличается от традиционной схемы OTDR тем, что в нем используется когерентный прием излучения и анализатор спектра.
• Рефлектометр с высоким пространственным разрешением, выпускаемый компанией Opto Electronics Inc. Он применяется для контроля отражений в оптических элементах.
• Поляризационный рефлектометр (POTDR). Применяется для измерения распределения двулучепреломления (длины биений) вдоль волокна. От традиционной схемы OTDR отличается тем, что на выходе лазера установлен поляризатор, а на входе в фотоприемник установлен анализатор состояния поляризации отраженного от волокна излучения.