Лабораторная работа №7-О

 

Измерение затухания оптических кабелей

 

1.     Цель работы

 

В результате выполнения лабораторной работы студент должен:

-         ознакомиться с причинами потерь мощности передаваемых сигналов в волоконных световодах и при их соединении;

-         научиться измерять затухание на отрезке волоконного световода, имеющего стыки;

-         узнать  о практическом использовании результатов  измерения коэффициента затухания волоконных световодов в процессе строительства  ВОЛС.

 

2.     Задание

 

2.1. Изучить причины потерь мощности передаваемых сигналов в

      волоконных световодах и при их соединении.

2.2. Ознакомиться с конструкцией оптического тестера ОМКЗ – 76А  и 

      определителя  места обрыва ГВ9 - Э1837.

2.3. Измерить затухание волоконного световода,  определить коэффициент

      затухания и сравнить его с нормами.

 

3.     Оборудование рабочего места

 

3.1. Оптический тестер ОМКЗ – 76А с лазерным диодом  ЛД – 0,85 и

        фотопреобразователем ФП – 0,85.

3.2. Определитель места обрыва  ГВ9 - Э1837.

3.3. Оптический кабель ОК–50–2-5-8

 

4.     Порядок выполнения работы

 

4.1. Измерить затухания ВОЛС  методом двух отсчётов с помощью оптического тестера ОМКЗ – 76А,  для этого провести следующие операции.

4.1.1. Проверить наличие заземления приборов. Переключатель "ПИТАНИЕ" на тестере ОМКЗ – 76А перевести в положение "ВКЛ".   При этом должен  включиться один из световодов режима измерения.

4.1.2. Опробовать работу прибора. Поставить переключатель режимов в положение ==. При открытом  оптическом входе  преобразователя ФП-0,85,  направленном на источник света, на цифровом табло высвечивается  значение мощности  излучения, попавшего на фотоприёмник через входной разъём.

4.1.3.   Кнопку переключения режима измерения мощности сигнала  перевести в положение  "dBm".

4.1.4.   Кнопку переключения диапазонов измерения  установить в положение автоматический.

4.1.5.   Кнопку "ВКЛ-ОТКЛ" включения  источника излучения  установить в положение "ВКЛ".

4.1.6.   Подсоединить источник  излучения к фотопреобразователю ФП с помощью  соединительного оптического кабеля  (рис. 4.1а).

4.1.7.   Результат измерений Р0 в дБм (dBm)  с табло  цифрового индикатора     внести в  табл. 4.1.

4.1.8.   Кнопку переключения режима измерения  мощности сигнала перевести в  положение "W".

4.1.9.   Мощность  измеренного сигнала Р0 в Вт(W) также внести в табл. 4.1.

4.1.10. Подключить к выходу лазерного диода   исследуемый  оптический  

           кабель ОК–50–2-5-8. К его концу  подключить фотоприёмник, как

           показано на рис. 4.16.

4.1.11. Измерить мощность  оптического сигнала РL в дБм (dBm) и Вт(W)

           на конце оптического кабеля.  Результат измерений внести в 

           табл. 4.1

4.1.12. После окончания измерений  кнопку "ПИТАНИЕ"  установить в  положение "ОТКЛ".

4.2.           По формулам (6.5) и (6.6) рассчитать коэффициент затухания  и результаты расчёта внести в табл. 4.1.

                                                                                                          

Таблица 4.1.

 

Р0,

Вт(W)

Р0, 

 дБм (dBm)

РL,  Вт(W)

 

РL,

 дБм (dBm)

α, дБ/км (при Р0 и РL в Вт)

α, дБ/км (при Р0 и РL  в dBm

1

2

3

4

5

6

 

 

 

 

 

 

 

4.3.          Измерить затухание ВОЛС методом обратного рассеяния  с помощью определителя места обрыва  ГВ- Э1837, проделав следующие операции.

4.3.1.Проверить  работоспособность прибора.

Для этого нажать кнопку "28", установить переключатель "МАСШТАБ" m/дел в положение 100 m/дел. Нажать кнопку  "ОТ НАЧАЛА". Должен загореться светодиод кнопки "ОТ НАЧАЛА".  После  окончания измерения (светодиод кнопки "ОТ НАЧАЛА" гаснет)

нажмите кнопку "m". Цифровой  дисплей должен показать расстояние, равное 0. (Маркер при этом должен находиться в крайнем левом положении).

4.3.2.Нажать поочерёдно кнопки "1","4" убедиться  в изменении масштаба

изображения на экране. Вращая ручку "МАРКЕР" по часовой стрелке, проверить возможность перемещения  линии маркера по экрану. Вместе с  изменением  положения маркера  должны меняться  показания  цифрового дисплея.

4.3.3.   Подключить исследуемый оптический кабель ОК-50-2-5-8 к выходу прибора (рис.4.2). Подключение производить при  включённых светодиодах кнопок "ОТ НАЧАЛА" и "ПО МАРКЕРУ". 

4.3.4.   Измерить длину l1 и затухание  a1 световода в точке, отстоящей от его начала в пределах 30-50 м. Для  этого  первоначально нажать кнопку "m" и отсчитать на дисплее длину l1, а затем, нажав кнопку "dB", отсчитать затухание a1.

4.3.5.   Такую же операцию проделать, установив маркер в конце световода  измерив l2 и a2.

4.3.6.   Результаты измерений внести в табл. 4.2.

4.3.7.   По формуле (6.7) рассчитать коэффициент затухания световода и результат занести в табл.4.2.

4.3.8.    

                                                                                                     Таблица 4.2.

 

l1,    км

a1,   дБ

l2,   км

a2,    дБ

α, дБ/км

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                Рис. 4.1. Схема измерения затухания ОК с помощью оптического     тестера ОМКЗ – 76А

 

 

 

 

 

 

 

 


               Рис. 4.2. Схема измерения затухания волоконного световода   

     

                                             5. Содержание отчёта

 

5.1. Схема измерения затухания  оптического кабеля методами двух отсчётов и  обратного рассеяния.

5.2. Результаты измерений  и расчётов в виде табл. 4.1. и 4.2.

5.3. Сравнение полученных результатов с нормами.

 

6. Теоретические сведения

 

Длина регенерационного участка ВОЛС наряду с другими факторами зависит также  от особенностей технологии прокладки и монтажа оптического кабеля, влияющих на затухание волоконных световодов.

В связи с этим возникает необходимость при организации строительных работ ВОЛС  предусмотреть  метрологическое  обеспечения процесса прокладки и монтажа оптического кабеля  с целью контроля его затухания а  на каждой фазе технологического процесса, начиная от входного контроля  строительных длин и кончая  прямыми измерениями смонтированной ВОЛС.

При передаче электромагнитной энергии по волоконному световоду могут возникать три типа волн:  направляемые, излучаемые и вытекающие

(рис. 6.1).

Направляемые волны проходят по сердцевине волокна и обеспечивают передачу полезной информации.

Излучаемые волны уже в начале линии излучаются в пространство и не распространяются вдоль световода.

Вытекающие волны  распространяются  вдоль световода, переходят в  оболочку и  постепенно излучаются в окружающее пространство.

Направляемые волны, проходя по сердцевине волокна, затухают, т.е. происходят потери энергии сигнала. Существуют две главные причины:  рассеяние и поглощение энергии. Часть мощности, поступившей на вход световода, рассеивается вследствие  изменения направления распространяемых лучей на неоднородностях и их выхода за пределы световода (высвечивание). Другая часть мощности  поглощается посторонними примесями в стекле, выделяясь в виде джоулева тепла при  колебаниях частиц этих примесей. Таким образом, затухание  волоконного световода складывается из затухания рассеяния и затухания поглощения. Потери энергии на длине волокна световода в 1км характеризуют коэффициент затухания  

 

                                 α = αр + αn,  дБ/км,                     (6.1)

 

где: αр – километрическое затухание за счёт рассеяния энергии, дБ/км.

              αn  - километрическое затухание за счёт потерь при поглощении  энергии, дБ/км

Зависимость αр и  αn    от длины передаваемой волны показана на 

рис. 6.2. Как видно, потери на рассеяние с увеличением длины волны (уменьшением частоты) уменьшаются. Потери на поглощение в  посторонних примесях носят резонансный характер: их максимальные значения находятся в области частот, на которых возникают механические резонансы колебаний примесей. Молекулы одной и той же примеси, например гидроксильных групп воды ОН, испытывают различные колебания (растяжение, кручение, изгиб и т.д.), поэтому одна и та же примесь  даёт несколько резонансных частот в характеристике αn(λ). Для получения волоконных световодов с затуханием порядка 1 дБ/км  и менее надо иметь весьма низкие концентрации примесей в материале стекла.

Это является главной причиной дороговизны высокочастотных волоконных световодов для  кабелей связи.

Как видно из рис. 6.2. , кривая коэффициента затухания  имеет минимумы. Практика показала, что минимумы соответствуют длинам волн 0,85,  1,3,  1,55мкм. Однако используется также длина волны 0,85 мкм.

Затухание ВОЛС во многом определяется качеством  монтажа муфт оптического кабеля, которое зависит от  соединения волоконных световодов и укладки их внутри муфты. Одной из задач  при соединении  одиночных волоконных световодов является  достижение  и  удержание взаимной юстировки торцов сочленяемых световодов. Другой важной задачей является обеспечение высокой стабильности оптического соединения, т.е. сохранность  параметров во времени независимо от температуры, влажности и числа повторных соединений. В реальных условиях невозможно обеспечить  указанные выше требования, поэтому в местах соединений световодов  возникают потери, величина которых зависит от качества их сопряжения. Для обеспечения малых потерь (а < 0,5 дБ) в оптических соединениях торцевые поверхности последних должны быть подготовлены так, чтобы они были оптически плоскими и перпендикулярными к оси световода, что достигается специальными методами обработки.

Определение затухания в любой направляющей системе, как известно, связанно с  определением уровня сигнала на её входе и выходе. Мощность сигнала на конце волоконного световода  в Вт определяется по закону:

 

                                         Рl = Р0 . е-0,1αL ,             (6.2)

 

где Р0 -  мощность сигнала на входе  волоконного световода, Вт ;

 Рl - мощность сигнала на выходе  волоконного световода, Вт ;

       α – коэффициент затухания оптического волокна на определённой  длине волны  оптического излучения, дБ/км ;

 L – длина волоконного световода, км.

Из (6.2) для коэффициента затухания в дБ/км, можно записать:

 

 

            

                                             ,                 (6.3.)

 

При уровнях сигнала Р0 и  Рl, выраженных в дБ, формулу (6.3.) можно представить в виде:

                                                ,                (6.4.)

                                                                                                                                                

Коэффициент затухания электрической цепи от её длины практически не зависит. Однако для оптического кабеля коэффициент затухания в определённом интервале зависит от длины оптического волокна (6.3.).

Как видно из рис. 6.3., коэффициент затухания уменьшается вначале резко за счёт излучаемых мод и, наконец , стабилизируется, когда в стекловолокне имеются только направляемые волны. Причём, как показала практика, моды излучения действуют на отрезке кабеля  от его начала до расстояния не более 3м. Действие  вытекающих волн заканчивается на отрезке световода  порядка 1 км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 6.1.  Тип волн, проходящих по оптическому волокну

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 6.2. Зависимость αp и  αn от длины волны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                    Рис. 6.3. Зависимость коэффициента затухания от длины

                                                           измеряемого волокна

 

Поэтому на практике при определении α световода для точных измерений следует брать длину волокна больше 1км (или нормирующую катушку волокна), а для приближённых – не менее 3м.

Для измерения коэффициента затухания волоконных световодов существуют различные методы. Рассмотрим один из них, называемый методом двух отсчётов или методом сравнения сигнала на входе и выходе волоконного световода.

Принцип метода (4.1.) основан на измерения мощности сигнала на его входе в световод Р0 и  на его выходе РL. Затем коэффициент затухания рассчитывается по формулам (6.3.) (6.4.). Мощность сигнала или его уровень по мощности  измеряется оптическим тестером или ваттметром оптической мощности.

При наличии у измеряемого волокна световода сварных стыков и разъёмных соединений при подключениях к лазерному диоду и фотопреобразователю расчетные формулы (6.5.) и (6.6.) имеют следующий вид:

 

 

                 , дБ/км    (6.5.)

 

                  , дБ/км   (6.6.)

                                                                    

                                              

                                                                          

 

где:  а р.с. – затухание разъёмного соединения, дБ (порядка 1 дБ);

а н.с. -  затухание неразъёмного соединения, дБ (порядка 0,02 дБ);

        n1 - количество разъёмных соединений;

        n2 - количество неразъёмных соединений;

        l – длина волоконного световода, км.

 

Метод обратного рассеяния для измерения потерь в волоконном световоде основан на  приёме потоков обратного излучения, возникающих в  результате  отражения  зондирующего импульса от рассеянных и  локальных неоднородностей.

В основу метода положено измерение  мощностей светового потока обратного рассеяния, обусловленного  рассеянием Рэлея  и  отражением Френеля.

Рассеяние световой энергии  происходит вследствие  изменения направления распространяемых лучей при попадании их на неоднородности. Часть лучей высвечивается за пределы волокна, а  часть  отражается и возвращается к началу волокна. Рассеяние, возникающее за счёт  изменений показателя преломления  по длине волокна, получило название  рассеяния Рэлея.

Рассеяние энергии,  обусловленное отражением энергии от  сосредоточенных неоднородностей (локальных) по длине волокна, носит название отражения Френеля. Регистрируя уровень светового потока, движущегося в направлении, обратном направлению распространения возбуждающего сигнала, можно определить не только  затухание сигнала, но  и функцию его распределения по длине  световода, а также  потери в местах  локальных неоднородностей, в точке соединения  строительных длин кабеля.

Схема измерения затухания методом обратного рассеяния изображена на рис.6.4.

Основными узлами приведённой схемы является лазер Л, направленный ответвитель  НО,  устройство управления УУ,  фотодетектор ФД, электронный осциллограф ЭО.

С выхода лазера через направленный ответвитель на вход волокна  подаются  световые импульсы короткой длительности (10 – 20 нс). Такие импульсы называют  зондирующими. Устройство управления согласует работу лазера и осциллографа. Устройство управления  содержит генератор развёртки, который запускается тем же импульсом, что и лазер, в результате чего создаётся  возможность наблюдения на экране потока обратного рассеяния полностью или по частям. Отражённый поток обратного рассеяния подаётся на фотодетектор, который преобразует световой сигнал  в электрическое напряжение.  Это напряжение поступает на вход У осциллографа, вызывая  отклонения луча по вертикальной оси в соответствии с мощностью   поступающего луча. Вертикальная ось  на экране  осциллографа обычно градуируется в децибелах. По горизонтальной оси  отклонения луча происходят под действием пилообразного напряжения развёртки. Горизонтальная ось градуируется в единицах длины.

На рис. 6.5  показан пример диаграммы  обратного рассеяния волоконного световода. На кривой имеются всплески, соответствующие  отражению светового импульса от локальных неоднородностей. Под локальными неоднородностями понимаются неоднородности в  волокне или соединительных муфтах. Последний всплеск  на кривой вызван  отражением светового поля от торца волокна. По кривой обратного рассеяния можно определить среднее значение коэффициента затухания световода, дБ/км по формуле:

                     

                                     ,  дБ/ км               (6.7.)                                                

                                    

где:  а2, а1 – затухания световода от начала до l2 и  l1;

          l1 l2, – длина исследуемого участка световода, км.

 

Недостатками метода обратного рассеяния  является невысокая точность и  малый  динамический диапазон (позволяющий измерить линию с затуханием 51…20 дБ ). Более точно измерения  следует производить с двух сторон световода. Если в результате  измерения затухания  были полученны значения  затухания а1-2 для передачи зондирующнго импульса в направлении от конца 1 к концу 2 и  а2-1 для  передачи от конца 2 к концу 1, то рзультирующее значение измеренного затухания определяется как среднее  геометричское из  результатов двух измерений:

 

                                                               ,               (6.8)

 

 

 

 

 


                                                                                                    

                                                                           

 

           

 

 

 

                            

 

 

Рис. 6.4. Схема измерения затухания  методом обратного рассеяния

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.5. Диаграмма обратного рассеяния оптического волокна

 

Контрольные вопросы

 

1. На каком принципе основано прохождение оптического сигнала по световоду?

2. Какие типы волн  распространяются по волоконному световоду?

3. Какие факторы влияют на потери оптической энергии в световоде?

4. За счёт чего  возникают  потери на  стыках  волоконных  световодов?

5. Какими методами можно измерить  затухание волоконных световодов? 

В чём их сущность?

6. Каким образом  рассчитать коэффициент затухания оптических волоконных световодов при измерениях?

7. Какие существуют нормы  на коэффициент затухания световодов?

 

 

Литература

 

1.     Мурадян А.Г., Гольдфарб И.С., Иноземцев В.П. Оптические кабели  многоканальных линий связи. –М.: Радио и  связь, 1987. с.30-33, 38-48, 150-154.

2.     Андрушко Л. М., Гроднев И.И., Панфилов М.П. Волоконно-оптические линии связи,  –М.: Радио и  связь, 1984. с.8-12, 17-20, 61-66.

3.      Гроднев И.И., Верник С.М. Линии связи. –М.: Радио и  связь, 1988. с. 203-206, 211-217, 529-531.

4.     Гроднев И.И. Волоконно-оптические линии связи. –М.: Радио и  связь, 1990. с.46-48, 188-190, 200-204.