1.1. Волоконно-оптическая связь
Принцип волоконно-оптической связи крайне прост: электрический сигнал преобразуется в световой‚ который передается по оптическому волокну на удаленный приемник‚ где он опять преобразуется – в первоначальный электрический сигнал. У волоконно-оптической связи имеется много преимуществ перед другими способами связи. Сигнал может посылаться без усиления на более длинные расстояния; не возникает никаких проблем с помехами от электрических полей; пропускная способность – намного выше‚ чем у сетей с парными или коаксиальными кабелями; само волокно намного легче и меньше по размеру‚ чем медная жила.
Рисунок 1. Типичная волоконно-оптическая линия связи
Основным ограничением для передачи информации по волоконно-оптической линии связи является затухание оптического сигнала по мере его распространения по волокну. Информация‚ содержащаяся в световом сигнале‚ посланном по волокну‚ должна быть получена и преобразована в свою исходную форму. По мере распространения по волокну оптический сигнал затухает из-за релеевского рассеяния (объяснение этого явления приводится ниже). Некоторая часть световой энергии поглощается‚ а часть этой энергии уходит из волокна наружу на дефектах‚ возникающих в стекле при чрезмерных изгибах волокна. Если световой энергии потеряно (т.е. ушло на затухание) очень много‚ то сигнал может оказаться слишком слабым‚ чтобы приемник на дальнем конце мог различить в этом сигнале отдельные импульсы. Если сигнал у приемника слишком слабый‚ тогда нам‚ для того чтобы компенсировать чрезмерное затухание‚ придется увеличить выходную мощность передатчика‚ повысить чувствительность приемника или уменьшить расстояние между передатчиком и приемником. Крайне важно знать‚ сколько именно световой энергии теряется в каком-либо отрезке волокна прежде‚ чем использовать его в сети связи. Если полное затухание слишком велико‚ то необходимо принимать определенные меры по исправлению положения.
1.2. Определение потерь в оптическом волокне
Лучший способ измерить полное затухание в оптическом волокне – это подать световой сигнал определенного уровня в один конец волокна‚ а затем измерить уровень этого сигнала‚ когда он выйдет на другом конце. Разница между этими двумя уровнями – измеренная в децибелах (дБ) – будет представлять собой полное затухание (иногда его называют «вносимыми потерями»). Для наиболее точного измерения такого рода надо использовать калиброванный источник света и оптический ваттметр. Но при измерении с помощью источника света и оптического ваттметра нельзя определить‚ является ли затухание сильным по всей длине волокна или же оно локализовано в каком-либо одном «слабом» месте; неизвестно‚ в какой части волокна возникает эта проблема.
С другой стороны‚ при работе с оптическим рефлектометром получается график «уровень сигнала в зависимости от расстояния», крайне полезный при определении места возникновения в волокне каких-либо неполадок.
1.3. Другие виды тестирования волокна
Самым важным видом тестирования для большинства видов волокна является точное измерение характеристик затухания. Но для работающих с большой скоростью или очень длинных волоконно-оптических сетей могут понадобиться и другие виды тестирования. При измерении дисперсии определяется‚ какое влияние на информационную емкость волокна может оказать наличие разных скоростей распространения света в волокне (т.е. тот факт‚ что некоторые компоненты светового излучения, несущие информацию‚ могут распространяться быстрее‚ чем другие). В многомодовом волокне это называется измерением ширины полосы пропускания. Измерения дисперсии и ширины полосы пропускания при работе с оптическим рефлектометром не проводятся.
1.4. Оптический рефлектометр
Оптический рефлектометр (OpticalTimeDomainReflectometer, OTDR) – это электронно-оптический измерительный прибор‚ используемый для определения характеристик оптических волокон. Он определяет местонахождение дефектов и повреждений‚ измеряет уровень потерь сигнала в любой точке оптического волокна. Все‚ что нужно для работы с оптическим рефлектометром‚ – это доступ к одному концу волокна.
Оптический рефлектометр производит тысячи измерений по всей длине волокна. Точки с результатами измерений находятся друг от друга на расстоянии от 0‚5м до 16м. Эти точки выводятся на экран и образуют наклонную линию‚ идущую слева направо и сверху вниз. При этом по горизонтальной оси графика откладывается расстояние‚ а по вертикальной – уровень сигнала. Выбрав с помощью подвижных курсоров две любые точки с результатами измерений‚ можно определить расстояние между ними и разницу между уровнями сигнала в этих точках.
1.5. Способы применения оптических рефлектометров
Оптические рефлектометры широко применяются на всех этапах создания и эксплуатации волоконно-оптической сети – от сооружения до технического обслуживания‚ определения мест повреждений и их исправления. Оптический рефлектометр применяется для того‚ чтобы:
- Измерять полные потери в волокне для приемки сети и ее ввода в строй‚ для проверки волокна на барабанах и подтверждения его технических характеристик.
- Измерять потери как в механических‚ так и в сварных соединениях (оптоволоконных стыках) во время монтажа‚ строительства и ремонтных работ.
- Измерять отражение‚ или оптические потери на отражение на оптических разъемах и механических соединениях (оптоволоконных стыках) для CATV (сетей кабельного телевидения)‚ SDH (СЦИ) и других аналоговых или высокоскоростных линий цифровой связи‚ в которых отражение должно поддерживаться на низком уровне.
- Определять место обрывов и дефектов волокон.
- Проверять‚ оптимальна ли оптическая соосность волокон при операциях по их сращиванию.
- Обнаруживать постепенное или внезапное ухудшение качества волокна путем сравнения его характеристики с зафиксированными результатами ранее проведенного тестирования.
2. Как работает оптический рефлектометр
Для измерения характеристик оптического волокна оптический рефлектометр использует явления релеевского рассеяния и френелевского отражения. Посылая в волокно световой импульс и измеряя время его распространения и интенсивность его отражения от точек‚ находящихся внутри волокна‚ рефлектометр выводит на экран дисплея рефлектограмму «уровень отраженного сигнала в зависимости от расстояния».
Рефлектограмму можно проанализировать на месте‚ немедленно распечатать для создания документации о сети или сохранить на диске компьютера для более позднего анализа и сопоставлений. По такой рефлектограмме опытный оператор может точно определить конец волокна‚ местонахождение оптоволоконных стыков и потери в них‚ а также полные потери в волокне. В большинстве последних моделей рефлектометров предусмотрена возможность автоматического анализа полученных рефлектограмм‚ что упрощает обучение операторов.
2.1. Релеевское рассеяние
При посылке светового импульса по волокну часть импульса натыкается на имеющиеся в стекле микроскопические частицы (которые называются «примесью») и рассеивается во всех направлениях. Это явление называется релеевским рассеянием. Часть световой энергии – около 0‚0001% – рассеивается назад‚ в направлении‚ противоположном направлению распространения импульса; это называется обратным рассеянием.
Поскольку в процессе изготовления волокна примеси распределяются равномерно по всему волокну‚ это явление рассеяния возникает по всей его длине.
Рисунок 2. Релеевское рассеяние
Релеевское рассеяние– это основная причина потерь‚ имеющих место в волокне. На более длинных световых волнах рассеяние меньше‚ чем на более коротких. Так например‚ свет на 1550 нм теряет из-за релеевского рассеяния от 0‚2 до 0‚3 дБ на километр (дБ/км)‚ в то время как на 850 нм – от 4‚0 до 6‚0 дБ/км. Имеющие более высокую плотность примеси также увеличивают рассеяние и‚ следовательно‚ повышают уровень удельного затухания. Оптический рефлектометр может измерять уровни обратного рассеяния с большой точностью‚ используя эту способность для выявления незначительных изменений характеристик волокна в любой его точке.
Релеевское рассеяние похоже на рассеивание частицами влаги луча света от карманного фонарика в ночном тумане. В густом тумане рассеивание будет сильнее‚ так как в воздухе больше частиц влаги. Туман вы видите потому‚ что частицы влаги рассеивают небольшое количество света по направлению к вам. Если туман не очень густой‚ то луч света может распространяться на большое расстояние‚ но в густом тумане свет из-за эффекта рассеяния затухает довольно быстро. Частицы примесей в волокне действуют как частицы влаги в тумане‚ отражая‚ при попадании на них света‚ небольшое количество световой энергии назад‚ к ее источнику.
2.2. Френелевское отражение
Всегда‚ когда свет‚ распространяющийся в каком-нибудь материале (например‚ в оптическом волокне)‚ попадает в материал с другой плотностью (например‚ в воздух)‚ часть световой энергии (до 4%) отражается назад‚ к источнику света‚ в то время как остальная световая энергия продолжает распространяться дальше. Резкие изменения плотности материала имеют место на концах волокна‚ у обрывов волокна и‚ иногда‚ у оптоволоконных стыков. Количество отраженного света зависит от величины изменения плотности материала (которая характеризуется показателем преломления – более высокий показатель преломления означает большую плотность)‚ а также от того угла‚ под которым свет падает на поверхность раздела между двумя материалами. Это явление называется френелевским отражением. Оно используется в оптическом рефлектометре для точного определения мест обрывов волокна.
Френелевское отражение напоминает ситуацию со светом карманного фонарика‚ падающим на оконное стекло. Большая часть света проходит через стекло‚ но какая-то его часть отражается назад‚ к вам. От угла‚ под которым луч света падает на оконное стекло‚ зависит‚ куда попадет отраженный свет: назад в фонарик или же к вам в глаза.
Рисунок 3. Френелевское отражение
2.3. Сопоставление уровня обратного рассеяния с потерями при передаче
Хотя оптический рефлектометр измеряет только уровень обратного рассеяния‚ а НЕ уровень передаваемой световой энергии‚ имеется весьма определенное соотношение между уровнем обратного рассеяния и уровнем переданного импульса: обратное рассеяние составляет определенный процент переданной световой энергии. Соотношение между световой энергией обратного рассеяния и переданной световой энергией называется коэффициентом обратного рассеяния. Если – из-за сильного изгиба‚ соединения двух волокон (оптоволоконного стыка) или какого-нибудь дефекта – количество передаваемой световой энергии между точками А и Б резко падает‚ то и соответствующее обратное рассеяние между точками А и Б уменьшится в той же пропорции. Те же самые вызывающие потери факторы‚ которые приводят к понижению уровней передаваемых импульсов‚ приведут к понижению уровня обратного рассеяния этих импульсов.
