Оптические волокна для линий связи (стр. 7 )

Полагая в (1.10), что отношение коэффициентов рассеяния обратно пропорционально квадратам отношения диаметров модовых пятен (Sz/Sо = (wo/ wz)2), и учитывая, что Δw = wz – wo << w = (wo + wz)/2, находим:

5 log(Po/Pz) = α(z) + 4.34 Δw/w.  (1.11)

Таким образом, вариации диаметра модового пятна приводят к появлению систематической погрешности пропорциональной относительной величине изменения диаметра модового пятна (Δw/w). Как видно из (1.4) потери в волокне также зависят Δw/w. Выделим  эту компоненту из полных потерь в линии в явном виде

                       α(z) = αо(z) + 4.34 (Δw/w)2.  (1.12)

Подставив (1.12) в (1.11), получим выражение, описывающее зависимость отклика рефлектометра от относительной величины вариаций диаметра модового пятна.

                       5 log(Po/Pz) = α(z) + 4.34 (Δw/w)2 + 4.34 Δw/w.  (1.13)

Характерно, что в погрешность отношение Δw/w входит в первой степени, а в потери во второй степени. Поэтому знак потерь всегда положительный, а знак погрешности может быть как положительным, так и отрицательным, и приводить к появлению как отрицательных, так и положительных всплесков в рефлектограмме. Кроме того, так как Δw/w << 1, то третий линейный член в (1.13) больше второго квадратичного. Поэтому вариации потерь в рефлектограмме, вызванные вариациями диаметра модового пятна, будут маскироваться более сильными вариациями коэффициента рассеяния.

       В ряде практически важных случаев погрешность, обусловленная вариациями диаметра модового пятна, не является определяющей. Например, при измерении коэффициентов затухания в строительных длинах оптических кабелей, где вариации диаметра модового пятна, как правило, малы. Или при измерении потерь в длинной линии (α > 10 дБ), когда погрешность измерений будет обусловлена нелинейностью шкалы рефлектометра (0.02 дБ на каждый децибел измеренных потерь).

       В то же время, так как диаметры модовых пятен волокон в месте их сварки могут различаться до 10 %, то линейный член в (1.13) может достигать значительной величины (~ 0.4 дБ). Поэтому одной рефлектограммы оказывается недостаточно, чтобы измерить величину потерь в местах соединения волокон. С её помощью можно только проконтролировать наиболее плохие соединения волокон.

       Систематическую погрешность, возникающую в рефлектограмме из-за вариаций диаметра модового пятна в линии можно исключить, если воспользоваться тем фактом, что знак этой погрешности меняется при изменении направления распространения света, а знак потерь не зависит от направления распространения света. Для этого необходимо измерить рефлектограммы с обеих сторон линии и обработать их  специальным образом. Схема, поясняющая алгоритм обработки рефлектограмм, измеренных с обеих сторон линии, изображена на рис. 1. 21.

Рис. 1.21. Схема, поясняющая алгоритм обработки рефлектограмм, измеренных с обеих сторон линии.

       С помощью рефлектометра можно измерить не только величину потерь в строительных длинах оптических кабелей и в местах сварки волокон, но и величину полных потерь в линии. Однако схема измерений при этом усложняется, так как для устранения влияния отраженного излучения на входе и выходе линии необходимо установить дополнительные катушки с волокном. Поэтому измерения величины полных потерь в линии обычно осуществляют с помощью мультиметров.

§ 15. Погрешности при измерении потерь с помощью мультиметров

       Схема измерения полных потерь в линии связи с помощью мультиметров, изображена на рис. 1.22. Фотоприемный блок мультиметра, расположенного в пункте А, используется для измерения опорного значения мощности излучения лазерного блока, а фотоприемный модуль мультиметра, расположенного в пункте Б – для измерения мощности излучения прошедшего через линию связи.

Рис. 1.22. Измерение потерь в ВОЛС с помощью мультиметров.

       Вначале оператор, находящийся в пункте А, соединив вход и выход мультиметра оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он отсоединяет разъём шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет его через розетку к разъёму на входе в линию. Оператор, находящийся в пункте Б, подключает с помощью оптического шнура свой мультиметр к выходу линии и измеряет величину сигнала. Затем с помощью оптического телефона (или каким-либо другим способом) он сообщает результат измерений оператору, находящемуся в пункте А. Величина потерь (с учетом разности показаний фотоприемных блоков полученных в процессе их сверки) рассчитывается по формуле

                       α(дБ) =опорный сигнал в дБм – сигнал в дБм.  (1.14)

       При такой схеме измерений погрешность возникает в основном последующим причинам:

нестабильность источника излучения нелинейность шкалы мультиметра разная чувствительность фотоприемных блоков на разных концах линии отклонения величины потерь в разъёмах от их номинального значения

Кратковременная нестабильность лазерного блока (например, по паспортным данным AQ 2150) равна 0.02 дБ, реально же она не превышает цену деления его шкалы (0.01 дБ). Стабильность светодиодного блока выше, чем у лазерного, однако при его использовании величина потерь в волокне оказывается завышенной примерно на 5 % из-за относительно широкой полосы излучения светодиода (50…100 нм).

Нелинейность мультиметра в диапазоне от 0 до 30 дБ также не превышает его цены деления. Погрешность, возникающая из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, устраняется путем сверки их показаний до начала измерений потерь в линии и после их окончания. Наибольшая же погрешность возникает из-за того, что не известна точно величина потерь в разъемах.

Как уже говорилось, значение потерь в разъемах, указанное его изготовителем, получено при измерении потерь в месте соединения этого разъёма с образцовым разъемом. В нашем случае ни один из разъемов не является образцовым. При соединении некалиброванных разъёмов “любого с любым” величина потерь в месте соединения разъёмов не определяется однозначно номинальной величиной потерь в этих разъёмах, и может изменяться на величину стандартного отклонения.

Величина стандартного отклонения для  распределений, представленных на рис. 1.18 и 1.20, порядка их среднего значения. Соответственно для некалиброванных разъёмов стандартное отклонение будет равно 0.3 дБ, а для калиброванных разъёмов 0.15 дБ (см. таблицу № 1.3). Таким образом, погрешность измерений полных потерь в линии ограничивается неопределенностью величины потерь в разъёмах. С учетом того, что в линии всего два таких разъёма, эта погрешность будет равна 0.4 дБ при использовании некалиброванных разъёмов и 0.2 дБ при использовании калиброванных разъемов.

       Хотя в одномодовом волокне потери не зависят от направления распространения света, принято проводить измерения потерь в линии в обоих направлениях. Таким образом, удается исключить некоторые систематические погрешности. Например, если по ошибке к одномодовому волокну (в оптическом кабеле) был приварен пигтейл из многомодового волокна. Тогда потери в линии будут зависеть от направления распространения света (т. е. различаться больше чем погрешность измерений), так как коэффициент передачи со стороны одномодового волокна больше, чем со стороны многомодового волокна. Или, например, усреднив результаты измерений потерь во встречных направлениях, можно исключить систематическую ошибку, возникающую из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, размещенных на разных концах линии.

Раздел IV. Хроматическая дисперсия

§ 16. Понятие дисперсии в оптической связи

В оптике слово «дисперсия» обычно связывают с зависимостью показателя преломления от длины волны, а в оптической связи с явлением уширения световых импульсов после их прохождения через дисперсионную среду. В одномодовых волокнах уширение импульсов вызывается двумя эффектами – хроматической дисперсией (D) и поляризационной модовой дисперсией (PMD).

Как правило, превалирует хроматическая дисперсия, а поляризационная модовая дисперсия начинает проявляться при скоростях передачи выше 10 Гбит/с и расстоянии между ретрансляторами в несколько сот километров. Поэтому рассмотрим вначале хроматическую дисперсию. Хроматическая дисперсия возникает из-за того, что спектр оптического сигнала имеет конечную ширину, и разные спектральные компоненты сигнала движутся в волокне с разной скоростью (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Материальная и волноводная дисперсии в одномодовом волокне

Примерный ход запаздывания импульсов τ (λ) и коэффициента дисперсии D(λ) от длины волны излучения показан на рис. 1.24. Коэффициент дисперсии (D(λ) = (1/L) Δτ/Δλ) рассчитывается по зависимости удельного запаздывания τ (λ) /L от длины волны излучения, где L – длина волокна.

Рис. 1.24. Зависимость запаздывания τ(λ) и коэффициента дисперсии D(λ) в SM волокне от длины волны λ.

Изменение ширины импульсов (в отсутствие потерь или усиления) неизбежно сопровождается изменением их пиковой амплитуды (рис. 1.25). При этом в первом приближении сохраняется произведение амплитуды импульса на его ширину: Р1Δt1 = Р2Δt2 (площадь импульса не меняется). Изменение пиковой амплитуды импульсов принято характеризовать величиной штрафа по мощности: q = 10 log(Р1/Р2). Это же понятие удобно использовать и для характеристики относительной величины уширения импульсов q = 10 log(Р1/Р2) = 10 log(Δt2/Δt1). При этом за пороговое значение штрафа по мощности часто принимают уровень q = 2 дБ, что соответствует увеличению ширины импульса примерно в 1.6 раза.

Рис. 1.25. Изменение ширины импульсов сопровождается изменением их пиковой мощности и характеризуется штрафом по мощности: q = 10 log(Р1/Р2) = 10 log(Δt2/Δt1).