Чем тестируют ВОЛС (волоконно-оптические линии связи)?

.
.
.






____Передача информации по оптоволоконным кабелям переживает бурный рост. Сначала оптоволоконная связь захватила область телекоммуникаций, вытеснила медные кабели на магистральных каналах и сегодня пробирается в крупные локальные сети и пресловутую "последнюю милю" между провайдером и "домашней" сетью Ethernet. Если Вам предстоит работать с волоконной оптикой, то представляется полезным разобраться в выборе контрольно-измерительной аппаратуры и монтажного оборудования для ВОЛС.



____Применяются для ввода в оптическую линию сигнала, который будет измерен на выходе линии. Поэтому сигнал должен быть стабильным и, по возможности, монохроматическим (иметь определенную длину волны и узкий спектр). Мощность сигнала устанавливают регулировкой силы тока через излучатель. Для стабилизации мощности излучения применяют обратную связь: часть излучаемого сигнала через оптический ответвитель поступает на фотоприемник и полученное напряжение сравнивается с источником опорного напряжения. Кроме того, постоянная температура поддерживается термостабилизатором. Источники излучения бывают лазерные и светодиодные.


____Лазерные источники генерируют почти монохроматический сигнал. Убрать слово "почти" мешают линии гармоник вокруг основной частоты на спектре сигнала. Лазерные источники мощнее и дороже светодиодных, обеспечивают высокую эффективность ввода в оптический кабель (до 30%) и применяются для измерения значительных потерь на протяженных линиях, построенных на одномодовом кабеле. (При достаточно малом диаметре сердечника кабеля и соответствующей длине волны, свет будет распространяться по одному единственному пути, чем устраняется дисперсия, которая "размазывает" сигнал на протяженных линиях. Такой кабель называется одномодовым).
____Светодиодные источники имеют более широкий спектр излучения, поскольку, в отличие от когерентных лазеров, свет излучают спонтанно. Их мощность излучения легче стабилизировать - достаточно обеспечить стабильность источника питания. Они дешевле лазерных источников, но обладают малой эффективностью ввода в кабель (обычно 5%) и из-за своего широкого спектра излучения применяются только для тестирования многомодовых кабелей малой длины.



____Используются для измерения оптической мощности сигнала и, в паре со стабилизированным оптическим излучателем, для измерения затухания в кабеле. Основным показателем качества измерителя оптической мощности является тип примененного в нем фотодиода. Фотодиоды бывают трех видов: кремниевые (Si), германиевые (Ge) и на основе сплава арсенида галлия (InGaAs). Кремниевые фотодиоды могут работать в окне прозрачности оптического кабеля на длине волны 850 нм. Вообще говоря, есть три окна прозрачности, в которых затухание имеет наименьшее значение. Они находятся на длинах волн 850, 1310 и 1550 нм. Причем, для первого окна затухание наибольшее, а для последнего - наименьшее.
Германиевые и InGaAs-фотодиоды работают во всех трех окнах прозрачности, но детекторы на основе InGaAs имеют более широкий спектр измерения, большую температурную стабильность и стоимость. Кроме того, InGaAs-фотодиоды при отсутствии светового сигнала имеют низкий уровень остаточного тока, который, к тому же, практически не зависит от изменения температуры. Это позволяет снизить уровень шума и увеличить динамический диапазон измерений.


____С фотодиода сигнал поступает на АЦП и далее на сигнальный процессор, где происходит компенсация неравномерности характеристики зависимости выходного сигнала от мощности и длины волны входного. Мощный сигнальный процессор может "выпрямить" значительную неравномерность низкокачественного фотодиода, но от низкой стабильности его характеристик во времени не спасет. Придется часто калибровать прибор.


____Важными характеристиками также являются динамический диапазон и точность измерений, которые в современных измерителях оптической мощности достигают, соответственно -70…+5 дБм (от 100 пВт до 3 мВт) и ± 0,20 дБ (&plusmn5%).
____Анализаторы затухания представляют собой комбинацию оптического измерителя мощности и источника оптического сигнала. Они выпускаются в виде наборов из измерителя, излучателей на разных длинах волн и комплекта оптических интерфейсов. Производятся и интегрированные анализаторы затухания, обладающие повышенной функциональностью и точностью измерений.
Остановимся подробнее на оптических интерфейсах. Разъемов для волоконной оптики существует несколько десятков, но широкое применение нашли только некоторые из них. Это разъемы ST, FC, SC и LC.


ST (straight tip connector) - разъем байонетного типа (наподобие разъему BNC для коаксиального кабеля). Самый дешевый коннектор.
FC - то же, что и ST, но с резьбовой фиксацией. Применяется в области телекоммуникаций.
SC (subscriber connector) - легкий пластмассовый корпус хорошо защищает наконечник и обеспечивает подключение прямым линейным движением. Позволяют достичь большей плотности монтажа и могут быть выполнены в виде сдвоенных разъемов. Постепенно вытесняют разъемы ST.
LC - миниатюрный вариант SC. Обеспечивает еще большую плотность монтажа, но пока достаточно дорог.



____Используются для моделирования потерь в оптической линии, что применяется для стрессового тестирования линии, при измерении коэффициента ошибок (BER), калибровке и проверке измерителей мощности, тестировании оптоэлектронных и электро-оптических преобразователей, анализе оптического бюджета линии.
В аттенюаторах используются различные методы внесения затухания: осевое и радиальное смещение, использование различных фильтров и призм. Для согласования излучающего и приемного торцов световодов применяются согласующие узлы, коллимирующие и фокусирующие излучение.


____Основными характеристиками оптических аттенюаторов являются: точность, линейность, уровень возвратных потерь, повторяемость установления затухания, разрешение, остаточное вносимое затухание.
Линейность определяют при поверке аттенюатора как разность между выставленным на приборе и реальным ослаблением во всем диапазоне входных уровней. Соответственно, точность работы определяется как линейность в заданном динамическом диапазоне. Применение согласующих элементов с использованием просветляющих покрытий позволяет значительно снизить уровень возвратных потерь и остаточное вносимое затухание.
____Для анализа запаса по мощности системы передачи применяется стрессовое тестирование: в линию включается оптический аттенюатор и для разных уровней затухания измеряется частота ошибок по битам (Bit Error Rate) в цифровом канале связи.



____Возвратные потери приводят к понижению отношения сигнал/шум в аналоговых системах и к увеличению параметра ошибки в цифровых системах передачи. Анализатор возвратных потерь измеряет суммарный уровень отражения во всей линии, включая кабель, оптические интерфейсы, разветвители и др. В качестве источника сигнала обычно используется лазерный диод в режиме непрерывного излучения, а в качестве измерителя мощности отраженного сигнала - измерители оптической мощности. Очень важна стабильность источника сигнала - спектральная нестабильность источника приводит к удвоению ошибки измерения за счет отражения.
____В отличие от оптических рефлектометров анализатор не может определить местоположение участка с повышенным отражением, но зато обеспечивает большую точность измерений.



____являются наиболее информативными приборами при анализе оптической линии передачи. Рефлектометр посылает в линию импульс малой длительности, который рассеивается и отражается на неоднородностях в оптическом кабеле (дефекты материала, сварки, соединители и т.д.). Проанализировав мощность отраженного сигнала в каждый момент времени, мы можем определить на каком расстоянии от начала кабеля расположена неоднородность, а по виду графика - чем она вызвана.


____Динамический диапазон измерений определяется отношением показаний рефлектометра в начальной точке и уровня порога шумов в конце рефлектограммы. Таким образом, динамический диапазон указывает на максимально возможное расстояние измерений. От длительности и мощности зондирующего импульса зависит величина начального участка линии, на котором уровень отраженного сигнала настолько высок, что измерения невозможны. Найти дефект в мертвой зоне можно, подключив добавочный кабель соответствующей длины.
____Под разрешающей способностью рефлектометра понимают расстояние между двумя последовательными отсчетами на рефлектограмме, которое обычно в несколько раз меньше расстояния различения двух дефектов.
____В зависимости от дальности измерений рефлектометры подразделяют на рефлектометры дальнего действия и мини-рефлектометры. Большинство рефлектометров имеет встроенное программное обеспечение для автоматического определения и анализа участков аномального затухания и разрывов.



____Такой дефектоскоп состоит из простого источника света для подачи в кабель хорошо видимого красного сигнала в непрерывном или импульсном режиме. Дефектоскоп может использоваться для визуального обнаружения повреждений в кабелях и интерфейсах, обнаружения неоднородностей и оценки качества сварных швов. Свет будет проникать наружу в тех местах, где в оболочке волокна в результате перегиба, разрыва или плохой сварки имеется участок повышенного рассеяния, поэтому для его обнаружения остается только осмотреть кабель на наличие постоянного или мерцающего красного пятна.
____Визуальные дефектоскопы пригодны для проверки как многомодовых, так и одномодовых кабелей протяженностью до 5 км, хотя наиболее часто используются для проверки кабеля на расстоянии нескольких метров от коннектора. Их удобно использовать совместно с рефлектометром для проверки участка мертвой зоны.



____Применяют для неразрушающего тестирования его целостности. С помощью этих приборов можно тестировать целостность волокна, проверять маркировку кабеля или подтверждать наличие или отсутствие сигнала, определять вид его модуляции, вводить и выводить оптический сигнал через изгиб кабеля. Последняя возможность эффективно используется для организации связи по проложенному кабелю, когда идентификаторы кабеля используются в комплекте с оптическими разговорными устройствами.


____Идентификаторы удобны для пошагового прохода (трассировки) оптического кабеля.



____Обеспечивают голосовую связь по оптическому кабелю при его прокладке и тестируют его работоспособность. Голосовая оптическая связь обеспечивает взаимодействие между бригадами, производящими укладку кабеля. В полудуплексных оптофонах режим передачи переключается вручную или активируется голосом. В полнодуплексных оптофонах прием и передача осуществляются одновременно на двух разных длинах волн или применяется временное разделение сигналов на одной длине волны. В последнем случае применяется цифровое кодирование речи и битовая синхронизация, что позволяет уменьшить влияние отраженного сигнала (отраженный сигнал передатчика можно рассматривать как шум на входе приемника) и увеличить дальность связи.


____Динамический диапазон современных оптофонов достигает 60 дБ, что позволяет разговаривать на расстояниях до 150 км.



____Соединение оптических световодов из кварцевого стекла до сих пор остается сложной задачей, требующей профессионального подхода. Основным способом создания неразъемного соединения на сегодняшний день является сварка электрическим разрядом.
Сварка обеспечивает самую большую надежность, долговечность и вносит минимальное затухание в оптический тракт. Сложность заключается в том, что надо обеспечить строгую параллельность торцов и перпендикулярность их оси волокна, для чего необходим прецизионный скалыватель. Кроме того, необходимо точно совмещать концы волокон и поддерживать стабильность параметров электрической дуги. В результате сварочные аппараты получаются достаточно дорогостоящими и требуют квалифицированного персонала.


____Лучшие сварочные аппараты делаются полностью автоматическими, автономными и способными работать в полевых условиях. В них применяется автоматическая юстировка жил свариваемых волокон, программное обеспечение для определения типа кабеля, телекамеры для просмотра места сварки на встроенном жидкокристаллическом дисплее.



____Применяются при изготовлении оптических коннекторов и контроля их в процессе эксплуатации. После того, как волокно вставлено в коннектор и клей высох, то кончик волокна, торчащий из коннектора, "обламывают" прецизионным скалывателем. Хотя угол скола составляет не более половины градуса, этого оказывается не достаточно. Кроме того, поверхность скола получается не ровной - приходится полировать. Вот здесь то и понадобится оптический микроскоп. Только с его помощью можно узнать момент окончания работы и проконтролировать пригодность коннектора.


____На рисунке можно видеть примеры перекоса, глубокого скола и недостаточно обработанного торца. Для анализа центрирования применяют прямое наблюдение с подсветкой, при этом можно видеть только самые глубокие царапины. Наличие оптического сигнала в волокне позволяет видеть трещины и сколы, вызванные давлением или нагреванием в процессе полировки. При наблюдении под углом, благодаря отбрасываемым теням, можно заметить мелкие царапины.



Источники:
источник 1
источник 2