Misure nei sistemi di trasmissione delle informazioni in fibra ottica. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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I moderni sistemi di trasmissione in fibra ottica hanno capacità ad alta velocità e banda larga, stabilità e affidabilità e un alto grado di affidabilità della trasmissione delle informazioni. Per soddisfare queste qualità, tutti i loro elementi devono funzionare all'interno di un quadro tecnico rigoroso. Ma come controllare i numerosi parametri di un cavo ottico, fili ottici, in cui il vettore di informazioni è un flusso di fotoni e non di elettroni, come nelle linee di comunicazione elettrica? Qui, i dispositivi di misurazione tradizionali non sono adatti. I metodi e gli strumenti utilizzati nella misurazione e controllo dei parametri in tali linee di comunicazione sono descritti nell'articolo pubblicato.

Per un sistema di trasmissione in fibra ottica (FOTS), così come per qualsiasi sistema di cavi (su cavi coassiali o bilanciati), esistono parametri generali che devono essere misurati durante la costruzione, la messa in servizio, la certificazione e i test di messa in servizio, nonché durante il funzionamento durante il trasporto fuori lavoro preventivo. Allo stesso tempo, FOTS ha caratteristiche significative dovute al fatto che il vettore di informazioni è un flusso di fotoni.

Per operare nella gamma ottica, vengono utilizzati generatori quantici ottici (laser) che generano radiazioni coerenti, fotorivelatori quantistici (fotodiodi e fototransistor), la fibra ottica stessa e una serie di altri elementi. Hanno creato non solo apparecchiature terminali per FOTS, ma anche strumenti di misura. Su FOTS è necessario misurare i seguenti parametri generalizzati:

1) la potenza relativa media della radiazione ottica immessa nella linea, in dBm (dB re 1 mW);

2) attenuazione del segnale ottico in linea in dB;

3) sensibilità del sistema di trasmissione in dBm per un dato tasso di errore nel percorso di trasmissione;

4) lunghezza d'onda della radiazione ottica in micron o nm;

5) larghezza della linea spettrale di radiazione, nm;

6) dispersione dell'impulso ottico nel cammino ottico, ps/nm*km.

Oltre a misurare questi parametri, il sistema controlla lo spegnimento automatico del laser in caso di incidente (ad esempio, rottura del cavo ottico), nonché la frequenza e la durata della sua accensione temporanea durante il test del ripristino linea.

Le caratteristiche misurate degli elementi FOTS quantistici e ottici hanno anche caratteristiche specifiche, in particolare i parametri dell'emettitore - un laser a semiconduttore: la lunghezza d'onda della radiazione leav (μm o nm), la larghezza di riga spettrale Dl (nm), la potenza di radiazione media Po (mW ), eccetera.

È inoltre importante conoscere i parametri dei fotorivelatori: range di sensibilità spettrale del fotorivelatore (μm), sensibilità (A/W), valore della corrente di buio (nA), capacità intrinseca del fotodiodo (pF), dimensione (diametro) del area fotosensibile (μm), efficienza quantica (h) .

In fibra ottica e cavo vengono misurati i seguenti parametri: attenuazione chilometrica di OF o OK introdotti su una lunghezza di 1 km, in dB/km; dispersione dell'impulso ottico, ps/nm km; tipo di profilo dell'indice di rifrazione; diametro della fibra con guaina protettiva e, se necessario, senza di essa, in micron; per le fibre ottiche multimodali - l'apertura numerica.

Quei parametri che vengono chiamati generalizzati in questo articolo sono i principali e sono soggetti a misurazioni in varie fasi di progettazione, costruzione e funzionamento del FOTS.

Misura della potenza ottica media Po. Per misurare questo parametro è necessario un sensore sensibile alla radiazione ottica nel corrispondente intervallo di lunghezze d'onda spettrali. Nel nostro caso si tratta di tre range (secondo la terminologia accettata - tre finestre di trasparenza): I OP - Dl1=0,82...0,86 µm; II OP - Dl2=1,31...1,35 µm; III OP - Dl3=1,53...1,56 µm.

Per misurare la potenza media della radiazione ottica vengono utilizzati fotodiodi appositamente progettati per questo scopo. Al dispositivo possono essere collegate fibre ottiche, sia monomodali che multimodali, il cui diametro può arrivare fino a 500 micron. La misura della potenza ottica con un fotodiodo si basa sul rapporto della fotocorrente IPD causata dalla radiazione ottica, che è proporzionale alla potenza ottica media e inversamente proporzionale alla lunghezza d'onda. Di conseguenza, la scala del misuratore di potenza è calibrata in milliwatt (mW) o dBm per la rispettiva finestra di trasparenza.

Attualmente, i misuratori di potenza ottica media sono prodotti dall'industria nazionale e da un certo numero di aziende straniere. Quasi tutti questi dispositivi hanno dimensioni ridotte, peso, alimentazione autonoma e possono essere utilizzati sia in condizioni di laboratorio o di fabbrica, sia in costruzione, messa in servizio e anche durante il funzionamento di FOTS. Il cruscotto è realizzato sulla base di indicatori digitali, molto spesso cristalli liquidi. Sono dotati di interruttori del campo di misura per tre finestre di trasparenza: 0,85 µm, 1,3 µm e 1,55 µm, interruttori di calibrazione mW/dBm e un quadrante di impostazione zero. La radiazione ottica misurata viene fornita con l'ausilio di una fibra ottica terminata con un connettore ottico (più spesso di tipo FC o PC), per il quale sono installate prese (prese) del connettore ottico su una delle pareti laterali dei dispositivi .

I parametri ottici, le dimensioni, il peso e le condizioni operative dei dispositivi sono presentati nella tabella e una vista generale di alcuni di essi è mostrata in Fig. 1 e 2.

(clicca per ingrandire)

Misura dell'attenuazione in OK e in linea. L'attenuazione (o perdita) dell'energia di un segnale ottico in una fibra ottica (OF) e in un cavo ottico (OC) è dovuta ad assorbimento, light scattering su disomogeneità locali e Rayleigh (molecular) light scattering su molecole di materiale. Inoltre, a livelli di potenza maggiori introdotti nell'OF (superiori a 13 dBm), ai fattori che determinano le perdite si aggiungono fenomeni fisici come, ad esempio, il cosiddetto scattering Raman stimolato.

L'attenuazione dovuta all'assorbimento dovuto a difetti del materiale è diventata così piccola da essere difficile da misurare e, con una potenza del segnale ottico inferiore a 10 mW, le perdite nella fibra ottica sono determinate principalmente dalla diffusione di Rayleigh. Questo tipo di scattering si verifica sulle molecole di silice SiO2. La sua potenza è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d'onda, cioè, con l'aumentare della lunghezza d'onda, tali perdite diminuiscono rapidamente.

Ulteriori perdite si verificano in OK durante la giunzione di lunghezze di costruzione. Appaiono in disomogeneità locali, punti di saldatura o incollaggio delle estremità delle fibre ottiche. Le disomogeneità locali includono anche estremità piatte alle estremità dell'OF, da cui l'energia viene riflessa nella direzione opposta (interna). Per il quarzo OF, queste perdite sono circa il 4% (o -14 dB) della potenza incidente.

Esistono diversi metodi per misurare l'attenuazione della radiazione ottica mentre si propaga nella fibra ottica: due punti, sostituzione, retrodiffusione di Rayleigh nel dominio del tempo, estrazione della fibra ottica.

Di questi metodi, il più semplice e affidabile, utilizzato nella costruzione, messa in servizio e funzionamento, è un metodo punto a punto. A sua volta, è diviso in tre varietà: il metodo di rottura, il metodo breakless e il metodo di dispersione calibrata.

Il più utilizzato nella pratica della costruzione e della ricerca è il metodo di rottura delle fibre. La radiazione ottica viene introdotta nell'estremità di ingresso della fibra ottica (che deve essere piana e perpendicolare all'asse della fibra ottica). In questo caso, la sorgente di radiazione e l'estremità di ingresso dell'OF sono fissate rigidamente in modo che le condizioni per l'immissione di energia nell'OF non vengano violate durante le misurazioni. Viene prelevato un OB di lunghezza nota L0. L'estremità di uscita è inserita nell'unità di ricezione del misuratore ed è fissata rigidamente in essa. Successivamente, viene misurato il valore della potenza ottica P1, uscente dall'estremità di uscita della fibra ottica. Questo valore viene registrato. Inoltre, una fibra di lunghezza LI viene separata dall'OF dei metodi di scissione. Anche l'estremità di uscita della restante fibra di lunghezza L1= L2-L0 deve essere piana e perpendicolare all'asse OF, controllato da un apposito microscopio. Se la qualità dell'estremità di uscita non è soddisfacente, tagliare nuovamente e controllare la fibra. Dopo aver ottenuto la faccia terminale della qualità desiderata, viene nuovamente introdotta nell'unità di ricezione del misuratore di potenza ottica e viene fissata la potenza ottica P1. Si determinano così i valori della potenza ottica P2 all'uscita della fibra di lunghezza L1 e al suo ingresso P1. L'attenuazione in una fibra di lunghezza L2 è determinata dalla formula k=P1/P2 (volte) o a=1lgP10/P2 (dB).

Il vantaggio di questo metodo è che non richiede strumenti speciali, poiché qualsiasi dispositivo di registrazione standard è adatto alla sua implementazione. Ma questo metodo presenta anche un notevole inconveniente: appartiene ai tipi "distruttivi" e ha una bassa efficienza.

In pratica, viene utilizzato più spesso il secondo tipo di metodo a due punti: misurazione non distruttiva. Con questo metodo, la sorgente di radiazione ottica ad una data lunghezza d'onda viene alimentata con un cavo ottico a fibra singola in uscita, la cui estremità è terminata in un connettore ottico. Poiché le fibre ottiche e i connettori ottici moderni hanno spread molto piccoli di parametri geometrici e ottici, la diffusione dei valori di attenuazione quando si collega un connettore ottico a un altro non supera 0,1 dB. Da quanto detto ne consegue che le misure di attenuazione in 0V o OK, effettuate secondo lo schema seguente, sono corrette. Un misuratore di potenza ottica è collegato al connettore di uscita dell'emettitore e i dati ricevuti vengono registrati. Quindi il connettore di uscita è collegato all'estremità di ingresso 0V (che è parte integrante dell'OK), anch'essa incorporata nell'OR, e un misuratore di potenza è collegato alla sua estremità di uscita. Dal valore di potenza misurato, l'attenuazione viene calcolata utilizzando la formula precedente.

Per misurare l'attenuazione utilizzando il metodo descritto, l'industria produce tester ottici. Tali dispositivi contengono una sorgente di radiazione calibrata stabile e un misuratore di potenza ottica in un alloggiamento. Alcune aziende producono tester ottici costituiti da due unità separate: un emettitore e un misuratore di potenza. Un tester ottico, composto da due unità separate, in alcuni casi risulta essere più conveniente, poiché consente di misurare a diversi estremi della linea. Entrambi i tipi di tester sono prodotti, ad esempio, da SIMENS. Il secondo tipo di tester comprende dispositivi domestici del tipo Almaz. Questo dispositivo consente di misurare la potenza e l'attenuazione del segnale ottico in OK a una delle cinque lunghezze d'onda: 850, 1310, 1540, 1550 e 1560 nm. Il range dei valori misurati è -50...+3 dB con errore assoluto non superiore a +0,2 dB.

Il metodo della riflettometria basato sulla misura del backscattering di Rayleigh nel dominio del tempo ha trovato la massima applicazione nella valutazione del livello di attenuazione nei moderni FOCL. Per fare ciò, viene introdotta nella fibra ottica una sequenza periodica di impulsi ottici di durata t e periodo di ripetizione Ti. Gli impulsi di energia torneranno all'estremità dell'ingresso. La loro ampiezza è proporzionale alla potenza degli impulsi ottici distanziati dall'impulso di ingresso (di riferimento) di un tempo pari al tempo di percorrenza dell'impulso nelle direzioni avanti e indietro. Se questi segnali vengono visualizzati sullo schermo dell'oscilloscopio, vedremo una curva piena di rumore, il cui valore medio diminuisce esponenzialmente nel tempo. Tale curva rende impossibile effettuare una lettura accurata delle letture ed è scomoda da usare. Tuttavia, ripetendo periodicamente la curva, i risultati possono essere accumulati più volte, in modo da ottenere una linea netta di attenuazione rispetto alla lunghezza della fibra misurata. Poiché nella tecnologia della comunicazione tutti i parametri relativi sono misurati in dB, questa curva è logaritmica in ciascuna delle sue coordinate verticali, per cui assume la forma di una linea retta inclinata. La dipendenza descritta del valore di attenuazione dalla lunghezza della fibra è chiamata riflettogramma ottico.

È ovvio che il riflettogramma può essere utilizzato per determinare non solo l'attenuazione, ma anche la lunghezza della fibra ottica, la distanza dalle disomogeneità locali, compreso il punto di danno 0 V.

Il metodo della riflettometria presenta una serie di vantaggi rispetto ad altri metodi di misurazione dell'attenuazione: la misurazione viene effettuata a un'estremità di una linea oa un'estremità di un cavo o fibra ottica; efficienza; la capacità di determinare la lunghezza di 0 V o OK, la posizione della disomogeneità locale (ad esempio, una crepa da 0 V o una curva di piccolo raggio); la possibilità di un monitoraggio continuo dell'intero percorso e della sua diagnosi.

I riflettometri ottici (Fig. 3 e 4) sono prodotti da varie aziende in tutto il mondo (Tabella 2).

Misurare la sensibilità dei moderni sistemi di trasmissione. Il parametro principale che determina la qualità della trasmissione è la probabilità di errore nella trasmissione di informazioni digitali. Attualmente, la probabilità di errore per un dato numero di simboli trasmessi (10s e uno), pari a 9-10 ... 12-5 (a seconda della velocità di trasmissione), è considerata la norma. La sensibilità di un sistema di trasmissione digitale è intesa come la potenza minima del segnale alla ricezione, alla quale si osserva ancora il valore specificato della probabilità di errore. Per i sistemi di trasmissione in fibra ottica, la misurazione della sensibilità viene eseguita utilizzando attenuatori variabili ottici. Funzionano secondo lo schema seguente (Fig. XNUMX).

Una sequenza pseudo-casuale di un segnale digitale in un codice corrispondente a quello trasmesso in una linea reale viene inviata all'ingresso elettrico del segnale digitale di gruppo dell'apparecchiatura STM dal misuratore del tasso di errore (ECO). Nell'apparecchiatura STM, questo segnale viene convertito in un segnale digitale, che viene inviato al connettore ottico dell'unità di trasmissione A questa uscita, utilizzando un cavo ottico a fibra singola (OK), l'ingresso di un attenuatore calibrato variabile ottico ( ATT), la cui uscita è anch'essa collegata tramite un cavo ottico all'hardware STM dell'unità di ricezione del segnale ottico. Dall'uscita elettrica del percorso di ricezione, il segnale digitale ricevuto è collegato all'ingresso PPI.

Prima di iniziare le misurazioni con l'ausilio di un misuratore di potenza ottica, il livello di potenza ottica massimo consentito per questo tipo di apparecchiatura STM viene impostato all'ingresso del percorso di ricezione. Ciò avviene riducendo l'attenuazione introdotta nella linea da un attenuatore tarato variabile. Allo stesso tempo, vengono registrate le letture ATT. Quindi il cavo di linea viene scollegato dal misuratore di potenza IM e collegato all'ingresso ottico del percorso di ricezione STM. Dopo aver misurato il tasso di errore in questa modalità, il cui risultato viene memorizzato, l'attenuazione viene introdotta nel percorso ottico dall'attenuatore ATT fino a quando il tasso di errore (è anche chiamato probabilità di errore) aumenta al valore Posh> 10-9 ( 10-10), quindi il cavo ottico lineare viene scollegato dall'ingresso ottico del percorso di ricezione STM e ricollegato al misuratore di potenza IM. Questa potenza sarà il valore che determina la sensibilità del sistema. Ricordano anche la quantità di attenuazione introdotta dall'ATT nel percorso ottico.

L'industria produce attenuatori calibrati variabili per misure su FOCL. Un esempio è l'attenuatore ottico variabile tipo OLA-15 E-0004 di HEWLET PACKARD. Questo tipo di attenuatore può introdurre un'attenuazione nel FOCL da -3 a -60 dB. Il valore di attenuazione viene visualizzato digitalmente. La modifica dell'attenuazione nell'intervallo specificato viene eseguita uniformemente con un passo di 0,1 dB.

L'industria domestica produce anche tali attenuatori, ad esempio, del tipo NTGV243. La gamma di attenuazione introdotta da esso è compresa tra -1 e -45 dB. Lettura delle indicazioni - nonio.

Misura della lunghezza d'onda e della banda spettrale della radiazione ottica. È noto che nelle reti zonali e locali di FOCL viene utilizzato 0V, avendo principalmente una seconda finestra di trasparenza, nelle reti trunk - una terza. In vari sistemi FOCL, è possibile utilizzare amplificatori in fibra ottica di una o un'altra lunghezza d'onda che non coincide con una data finestra di trasparenza. Questo potrebbe essere il motivo per cui il sistema in costruzione o riparazione non funzionerà. Pertanto, l'importanza di misurare la lunghezza d'onda della radiazione è comprensibile. Oltre alla lunghezza d'onda, è importante conoscere anche l'ampiezza della riga spettrale (cioè la larghezza di banda della radiazione ottica). L'incoerenza di varie sezioni del FOCL con questo parametro porta alla dispersione (cioè all'ampliamento) degli impulsi ottici mentre si propagano nella linea ottica. La mancata corrispondenza della larghezza di linea ha un effetto particolarmente forte sulle prestazioni di qualità nei sistemi di trasmissione STM-4, STM-16, STM-64, ecc.

La lunghezza d'onda della radiazione ottica e la larghezza della linea spettrale vengono misurate utilizzando un dispositivo speciale: un analizzatore di spettro ottico. Questi dispositivi sono prodotti in serie da numerose aziende straniere, ad esempio HEWLET PACKARD.

La dispersione degli impulsi ottici viene misurata anche durante la produzione e il collaudo in fabbrica di fibre ottiche e cavi ottici. L'industria produce anche dispositivi speciali per misurare la dispersione degli impulsi ottici in FOCL. Tali dispositivi includono, ad esempio, un dispositivo del tipo ID-3, prodotto dall'Istituto di ricerca sul trasferimento di calore (Minsk).

Qui sono stati nominati solo alcuni parametri misurati nei sistemi FOCL, ma in pratica vengono misurate anche altre caratteristiche, anch'esse inerenti ai sistemi di comunicazione convenzionali.

Autore: O. Sklyarov, Ph.D. tecnico. Scienze, Mosca

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