Messungen in faseroptischen Informationsübertragungssystemen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Messtechnik

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Moderne Glasfaserübertragungssysteme zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit und Breitbandfähigkeit, Stabilität und Zuverlässigkeit sowie ein hohes Maß an Zuverlässigkeit der Informationsübertragung aus. Um diese Eigenschaften zu erfüllen, müssen alle ihre Elemente innerhalb strenger technischer Grenzen funktionieren. Aber wie lassen sich die zahlreichen Parameter eines optischen Kabels, optischer Fäden, steuern, bei denen der Informationsträger ein Photonenfluss und nicht Elektronen wie bei elektrischen Kommunikationsleitungen ist? Herkömmliche Messgeräte sind hier nicht geeignet. Die Methoden und Instrumente zur Messung und Überwachung von Parametern in solchen Kommunikationsleitungen werden im veröffentlichten Artikel beschrieben.

Für ein faseroptisches Übertragungssystem (FOTS) gibt es wie für jedes Kabelsystem (auf koaxialen oder symmetrischen Kabeln) allgemeine Parameter, die während des Baus, der Inbetriebnahme, der Zertifizierung und der Inbetriebnahmetests sowie während des Betriebs gemessen werden müssen. Durchführung präventive Arbeit. Gleichzeitig weist FOSP wesentliche Merkmale auf, da der Informationsträger ein Photonenstrom ist.

Für den Betrieb im optischen Bereich werden optische Quantengeneratoren (Laser), die kohärente Strahlung erzeugen, Quantenfotodetektoren (Fotodioden und Fototransistoren), die optische Faser selbst und eine Reihe weiterer Elemente verwendet. Sie stellten nicht nur Endgeräte für VOSP her, sondern auch Messgeräte. Folgende allgemeine Parameter müssen am BSP gemessen werden:

1) die durchschnittliche relative Leistung der in die Leitung eingeleiteten optischen Strahlung in dBm (dB relativ zu 1 mW);

2) Dämpfung des optischen Signals in der Leitung in dB;

3) Empfindlichkeit des Übertragungssystems in dBm für eine gegebene Fehlerrate im Übertragungsweg;

4) Wellenlänge der optischen Strahlung in Mikron oder nm;

5) Breite der Spektrallinie der Strahlung, nm;

6) Dispersion des Lichtimpulses im Lichtweg, ps/nm*km.

Zusätzlich zur Messung dieser Parameter steuert das System die automatische Abschaltung des Lasers im Falle eines Unfalls (z. B. Bruch des optischen Kabels) sowie die Häufigkeit und Dauer seiner vorübergehenden Aktivierung beim Testen der wiederhergestellten Leitung .

Auch die gemessenen Eigenschaften der Quanten- und optischen Elemente des FOSP weisen spezifische Merkmale auf, insbesondere die Parameter des Emitters – eines Halbleiterlasers: Strahlungswellenlänge liz (μm oder nm), Spektrallinienbreite Dl (nm), durchschnittliche Strahlungsleistung Po ( mW) usw.

Es ist auch wichtig, die Parameter von Fotodetektoren zu kennen: spektraler Empfindlichkeitsbereich des Fotodetektors (µm), Empfindlichkeit (A/W), Dunkelstromwert (nA), Eigenkapazität der Fotodiode (pF), Größe (Durchmesser) der lichtempfindliche Fläche (µm), Quanteneffizienz (h) .

Die folgenden Parameter werden in Glasfasern und Kabeln gemessen: Kilometerdämpfung von OF oder OC, die über eine Länge von 1 km eingeführt werden, in dB/km; optische Pulsdispersion, ps/nm km; Art des Brechungsindexprofils; Durchmesser des Heizmittels mit und ggf. ohne Schutzhülle in Mikrometern; für Multimode-OFs – numerische Apertur.

Die in diesem Artikel als verallgemeinert bezeichneten Parameter sind grundlegend und unterliegen Messungen in verschiedenen Phasen des Entwurfs, der Konstruktion und des Betriebs von FOTS.

Messung der mittleren optischen Leistung Po. Zur Messung dieses Parameters ist ein Sensor erforderlich, der für optische Strahlung im entsprechenden spektralen Wellenlängenbereich empfindlich ist. In unserem Fall sind dies drei Bereiche (gemäß der akzeptierten Terminologie – drei Fenster der Transparenz): I OP – Dl1=0,82...0,86 µm; II OP - Dl2=1,31...1,35 µm; III OP - Dl3=1,53...1,56 µm.

Zur Messung der durchschnittlichen Leistung optischer Strahlung werden speziell für diesen Zweck entwickelte Fotodioden verwendet. Das Gerät kann sowohl an Singlemode- als auch an Multimode-Glasfasern angeschlossen werden, deren Durchmesser bis zu 500 Mikrometer erreichen kann. Die Messung der optischen Leistung mit einer Fotodiode basiert auf dem Verhältnis des durch optische Strahlung verursachten Fotostroms I PD, der proportional zur durchschnittlichen Leistung der optischen Strahlung und umgekehrt proportional zur Wellenlänge ist. Dementsprechend ist die Skala des Leistungsmessers für das entsprechende Transparenzfenster in Milliwatt (mW) oder dBm eingeteilt.

Derzeit werden mittlere optische Leistungsmesser von der heimischen Industrie und einer Reihe ausländischer Unternehmen hergestellt. Fast alle dieser Geräte sind klein, haben ein geringes Gewicht, verfügen über eine eigene Stromversorgung und können sowohl unter Labor- oder Fabrikbedingungen als auch während des Baus, der Inbetriebnahme und auch während des Betriebs von VOSP eingesetzt werden. Die Instrumententafel basiert auf digitalen Anzeigen, meist Flüssigkristallanzeigen. Sie verfügen über Messbereichsschalter für drei Transparenzfenster – 0,85 µm, 1,3 µm und 1,55 µm, mW/dBm-Kalibrierschalter und eine Nullskala. Die gemessene optische Strahlung wird über eine optische Faser zugeführt, die mit einem optischen Stecker (meistens vom Typ FC oder PC) abgeschlossen ist, für den an einer der Seitenwände der Geräte Buchsen (Buchsen) des optischen Steckers angebracht sind.

Die optischen Parameter, Abmessungen, Gewicht und Betriebsbedingungen der Geräte sind in der Tabelle aufgeführt, und eine allgemeine Ansicht einiger von ihnen ist in Abb. dargestellt. 1 und 2.

(zum Vergrößern klicken)

Messung der Dämpfung in OK und in Linie. Die Dämpfung (oder der Verlust) der optischen Signalenergie in einer optischen Faser (OF) und in einem optischen Kabel (OC) wird durch Absorption, Lichtstreuung an lokalen Inhomogenitäten und Rayleigh-Lichtstreuung (molekular) an Materialmolekülen verursacht. Darüber hinaus kommen bei erhöhten in den OF eingebrachten Leistungen (mehr als 13 dBm) physikalische Phänomene wie beispielsweise die sogenannte stimulierte Raman-Streuung zu den verlustbestimmenden Faktoren hinzu.

Die Absorptionsdämpfung aufgrund von Materialdefekten ist so gering geworden, dass sie schwer zu messen ist, und wenn die optische Signalleistung weniger als 10 mW beträgt, werden Verluste in der optischen Faser hauptsächlich durch Rayleigh-Streuung bestimmt. Diese Art der Streuung tritt an SiO2-Quarzmolekülen auf. Seine Leistung ist umgekehrt proportional zur vierten Potenz der Wellenlänge, d. h. mit zunehmender Wellenlänge nehmen solche Verluste schnell ab.

Beim Zusammenfügen von Baulängen entstehen im OK zusätzliche Verluste. Sie treten an lokalen Inhomogenitäten, Schweiß- oder Klebestellen der Enden von Lichtwellenleitern auf. Zu den lokalen Inhomogenitäten zählen auch flache Enden an den Enden der Lichtleitfaser, von denen Energie in die entgegengesetzte (innere) Richtung reflektiert wird. Bei einem Quarz-OF betragen diese Verluste etwa 4 % (oder -14 dB) der einfallenden Leistung.

Es gibt mehrere Methoden zur Messung der Dämpfung optischer Strahlung während ihrer Ausbreitung in einer optischen Faser: Zweipunkt-, Substitutions-, Zeitbereichs-Rayleigh-Rückstreuung und optische Faserextraktion.

Von den aufgeführten Methoden ist die Zweipunktmethode die einfachste und zuverlässigste, die bei Bau, Inbetriebnahme und Betrieb verwendet wird. Es wird wiederum in drei Varianten unterteilt: die Abbruchmethode, die nicht brechende Methode und die kalibrierte Streumethode.

Das in der Bau- und Forschungspraxis am weitesten verbreitete Verfahren ist das Faserbrechverfahren. Optische Strahlung wird in das Eingangsende der optischen Faser eingeleitet (das flach und senkrecht zur Achse der optischen Faser sein muss). In diesem Fall sind die Strahlungsquelle und das Eingangsende des OFs starr befestigt, so dass während der Messungen die Bedingungen für den Energieeintrag in das OF nicht verletzt werden. Es wird ein OB mit bekannter Länge L0 genommen. Das Ausgangsende wird in die Aufnahmeeinheit des Zählers eingeführt und darin starr fixiert. Anschließend wird die am Ausgangsende der Glasfaser austretende optische Leistung P1 gemessen. Dieser Wert wird aufgezeichnet. Als nächstes wird die Faser der Länge L1 vom OB der Spaltungsmethoden getrennt. Das Ausgangsende der verbleibenden Faser mit der Länge L2 = L0-L1 muss ebenfalls flach und senkrecht zur OB-Achse sein, was durch ein spezielles Mikroskop kontrolliert wird. Wenn die Qualität des Ausgangsendes nicht zufriedenstellend ist, wird die Faser erneut gespalten und überprüft. Nach Erhalt der geforderten Qualität wird es wieder in die Aufnahmeeinheit des optischen Leistungsmessers eingesetzt und die optische Leistung P2 erfasst. Somit werden die Werte der optischen Leistung P1 am Ausgang einer Faser der Länge L1 und an ihrem Eingang P2 bestimmt. Die Dämpfung in einer Faser der Länge L1 wird durch die Formel k=P2/P1 (mal) oder a=10lgP2/P1 (dB) bestimmt.

Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass keine speziellen Instrumente erforderlich sind, da für die Durchführung alle handelsüblichen Aufnahmegeräte geeignet sind. Diese Methode hat jedoch auch einen erheblichen Nachteil: Sie ist „destruktiv“ und weist eine geringe Effizienz auf.

In der Praxis wird häufiger die zweite Art der Zweipunktmethode verwendet – die zerstörungsfreie Messung. Bei diesem Verfahren wird eine Quelle optischer Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge mit einem optischen Einzelfaser-Ausgangskabel versorgt, dessen Ende in einen optischen Stecker eingebettet ist. Da moderne Glasfasern und optische Steckverbinder sehr geringe Schwankungen der geometrischen und optischen Parameter aufweisen, beträgt die Schwankung der Dämpfungswerte beim Verbinden eines optischen Steckverbinders mit einem anderen nicht mehr als 0,1 dB. Daraus folgt, dass die nach dem folgenden Schema durchgeführten Dämpfungsmessungen bei 0 V oder OK korrekt sind. An den Ausgangsanschluss des Senders wird ein optischer Leistungsmesser angeschlossen und die empfangenen Daten werden aufgezeichnet. Dann wird der Ausgangsstecker mit dem 0-V-Eingangsende (das ein integraler Bestandteil des OK ist) verbunden, das ebenfalls im OR eingebettet ist, und ein Leistungsmesser wird an seinem Ausgangsende angeschlossen. Aus dem gemessenen Leistungswert wird die Dämpfung nach obiger Formel berechnet.

Um die Dämpfung mit der beschriebenen Methode zu messen, stellt die Industrie optische Tester her. Solche Geräte enthalten eine stabil kalibrierte Strahlungsquelle und einen optischen Leistungsmesser in einem Gehäuse. Einige Unternehmen stellen optische Tester her, die aus zwei separaten Blöcken bestehen – einem Emitter und einem Leistungsmesser. In manchen Fällen erweist sich ein optischer Tester, der aus zwei separaten Blöcken besteht, als praktischer, da er Messungen an verschiedenen Enden der Leitung ermöglicht. Beide Arten von Testern werden beispielsweise von SIMENS hergestellt. Die zweite Art von Testern umfasst Haushaltsgeräte vom Typ Almaz. Mit diesem Gerät können Sie die Leistung und Dämpfung optischer Signale im OK bei einer von fünf Wellenlängen messen: 850, 1310, 1540, 1550 und 1560 nm. Der Messwertbereich beträgt -50...+3 dB mit einem absoluten Fehler von maximal +0,2 dB.

Die am weitesten verbreitete Methode zur Beurteilung des Dämpfungsgrads in modernen Glasfaserverbindungen ist die Reflektometriemethode, die auf der Messung der Rayleigh-Rückstreuung im Zeitbereich basiert. Dazu wird eine periodische Folge optischer Impulse der Dauer t und der Wiederholungsperiode Ti in die optische Faser eingebracht. Energieimpulse kehren zum Eingangsende zurück. Ihre Amplitude ist proportional zur Leistung optischer Impulse, die vom Eingangsimpuls (Referenz) um eine Zeit beabstandet sind, die der Laufzeit des Impulses in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung entspricht. Wenn wir diese Signale auf dem Bildschirm eines Oszilloskops betrachten, sehen wir eine bestimmte, mit Rauschen gefüllte Kurve, deren Durchschnittswert über die Zeitskala exponentiell abnimmt. Eine solche Kurve ermöglicht keine genauen Messwerte und ist unpraktisch in der Anwendung. Durch die periodische Wiederholung der Kurve ist es jedoch möglich, die Ergebnisse mehrfach zu akkumulieren, wodurch je nach Länge der gemessenen Faser eine klare Dämpfungslinie erhalten werden kann. Da in der Kommunikationstechnik alle relativen Parameter in dB gemessen werden, wird diese Kurve in jeder ihrer vertikalen Koordinaten logarithmiert, wodurch sie die Form einer geneigten Geraden annimmt. Die beschriebene Abhängigkeit des Dämpfungswertes von der Faserlänge wird als optisches Reflektogramm bezeichnet.

Offensichtlich lässt sich aus dem Reflektogramm nicht nur die Dämpfung, sondern auch die Länge der Lichtleitfaser, den Abstand zu lokalen Inhomogenitäten, einschließlich der Schadensstelle 0 V, bestimmen.

Das Reflektometrieverfahren hat gegenüber anderen Methoden zur Dämpfungsmessung eine Reihe von Vorteilen: Die Messung erfolgt an einem Ende der Leitung oder an einem Ende eines optischen Kabels oder einer Faser; Effizienz; die Fähigkeit, die Länge von 0B oder OK, den Ort lokaler Heterogenität (z. B. ein 0B-Riss oder eine Biegung mit kleinem Radius) zu bestimmen; die Fähigkeit, die gesamte Route ständig zu überwachen und zu diagnostizieren.

Optische Reflektometer (Abb. 3 und 4) werden von verschiedenen Unternehmen auf der ganzen Welt hergestellt (Tabelle 2).

Messung der Empfindlichkeit moderner Übertragungssysteme. Der Hauptparameter, der die Qualität der Übertragung bestimmt, ist die Fehlerwahrscheinlichkeit bei der Übertragung digitaler Informationen. Derzeit beträgt die Fehlerwahrscheinlichkeit für eine bestimmte Anzahl übertragener Symbole (Nullen und Einsen) 10-9...10-12 (abhängig von der Übertragungsgeschwindigkeit). Unter der Empfindlichkeit eines digitalen Übertragungssystems versteht man die minimale Signalleistung beim Empfang, bei der die angegebene Fehlerwahrscheinlichkeit noch eingehalten wird. Bei faseroptischen Übertragungssystemen werden Empfindlichkeitsmessungen mithilfe optischer variabler Dämpfungsglieder durchgeführt. Sie funktionieren nach folgendem Schema (Abb. 5).

Eine pseudozufällige Folge eines digitalen Signals in einem Code, der dem entspricht, was auf der realen Leitung übertragen wird, wird vom Fehlerratenmesser (ER) an den elektrischen Eingang des digitalen Gruppensignals der STM-Ausrüstung geliefert. In STM-Geräten wird dieses Signal in ein digitales Signal umgewandelt, das dem optischen Anschluss der Übertragungseinheit zugeführt wird. Der Eingang eines optisch variablen kalibrierten Abschwächers (ATT) ist mit diesem Ausgang über ein optisches Einzelfaserkabel (OC) verbunden ), dessen Ausgang ebenfalls über ein optisches Kabel mit der optischen Signalempfangseinheit STM-Gerät verbunden ist. Vom elektrischen Ausgang des Empfangspfads wird das empfangene digitale Signal mit dem PPI-Eingang verbunden.

Vor Beginn der Messungen mit einem optischen Leistungsmesser wird am Eingang des Empfangspfads der maximal zulässige optische Leistungspegel für einen bestimmten STM-Gerätetyp eingestellt. Dies geschieht durch Reduzierung der durch ein variabel kalibriertes Dämpfungsglied in die Leitung eingebrachten Dämpfung. Gleichzeitig werden die ATT-Messwerte aufgezeichnet. Anschließend wird das Leitungskabel vom MI-Leistungsmesser getrennt und an den optischen Eingang des STM-Empfangspfads angeschlossen. Nach der Messung des Fehlerkoeffizienten in diesem Modus, dessen Ergebnis gespeichert wird, wird durch den ATT-Dämpfer eine Dämpfung in den optischen Pfad eingeführt, bis der Fehlerkoeffizient (auch Fehlerwahrscheinlichkeit genannt) auf den Wert Posh>10-9 (10-10) ansteigt ). Danach wird das lineare optische Kabel vom optischen Eingang des STM-Empfangspfads getrennt und wieder mit dem MI-Leistungsmesser verbunden. Diese Leistung ist der Wert, der die Empfindlichkeit des Systems bestimmt. Der Betrag der durch das ATT in den optischen Pfad eingebrachten Dämpfung wird ebenfalls gespeichert.

Die Industrie stellt variabel kalibrierte Dämpfungsglieder für Messungen an Glasfaserleitungen her. Als Beispiel können wir einen variablen optischen Abschwächer vom Typ OLA-15 E-0004 von HEWLET PACKARD nennen. Ein Dämpfungsglied dieses Typs kann eine Dämpfung von -3 bis -60 dB in eine Glasfaserverbindung einbringen. Der Dämpfungswert wird digital angezeigt. Die Dämpfung im angegebenen Bereich ändert sich stufenlos in Schritten von 0,1 dB.

Auch die heimische Industrie stellt solche Dämpfungsglieder her, beispielsweise vom Typ NTGV243. Der dadurch eingeführte Dämpfungsbereich liegt zwischen -1 und -45 dB. Die Anzeige erfolgt über Nonius.

Messung der Wellenlänge und des Spektralbandes optischer Strahlung. Es ist bekannt, dass in zonalen und lokalen Glasfasernetzen 0 V verwendet werden, die hauptsächlich über ein zweites Transparenzfenster verfügen, in Stammnetzen ein drittes. In verschiedenen faseroptischen Kommunikationssystemen können faseroptische Verstärker der einen oder anderen Wellenlänge verwendet werden, die nicht mit einem bestimmten Transparenzfenster übereinstimmen. Dies kann der Grund dafür sein, dass das zu bauende oder zu reparierende System nicht funktioniert. Daher ist die Bedeutung der Messung der Wellenlänge der Strahlung klar. Neben der Wellenlänge ist es auch wichtig, die spektrale Linienbreite (also die Bandbreite der optischen Strahlung) zu kennen. Die Diskrepanz zwischen verschiedenen Abschnitten der Glasfaserverbindung in Bezug auf diesen Parameter führt zu einer Streuung (d. h. Verbreiterung) optischer Impulse, wenn diese sich in der optischen Leitung ausbreiten. Die Nichtübereinstimmung der spektralen Linienbreiten hat einen besonders starken Einfluss auf die Qualitätsleistung in den Übertragungssystemen STM-4, STM-16, STM-64 usw.

Die Wellenlänge der optischen Strahlung und die Breite der Spektrallinie werden mit einem speziellen Gerät gemessen – einem optischen Spektrumanalysator. Diese Geräte werden von einer Reihe ausländischer Unternehmen in Massenproduktion hergestellt, beispielsweise von Hewlet Packard.

Die Streuung optischer Impulse wird auch während der Produktion und Werksprüfung von Glasfasern und optischen Kabeln gemessen. Die Industrie stellt auch spezielle Instrumente zur Messung der Dispersion optischer Impulse in Glasfaserverbindungen her. Zu diesen Geräten gehört beispielsweise ein Gerät vom Typ ID-3, das vom Heat Transfer Research Institute (Minsk) hergestellt wird.

Hier wurden nur einige Parameter genannt, die in faseroptischen Kommunikationssystemen gemessen werden, in der Praxis werden jedoch auch andere Eigenschaften gemessen, die auch herkömmlichen Kommunikationssystemen innewohnen.

Autor: O. Sklyarov, Ph.D. Technik. Wissenschaften, Moskau

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