2.2.3.6 Основные характеристики оптического рефлектометра
Динамический диапазон. Динамический диапазон оптического рефлектометра определяет, какую длину волокна он может измерить. Диапазон выражается в децибелах‚ причем чем больше значение диапазона‚ тем больше длина волокна‚ которое можно измерить. Тестирующий импульс должен быть достаточно сильным‚ чтобы достичь конца тестируемого волокна‚ а измеритель должен быть достаточно чувствительным‚ чтобы быть в состоянии измерить самые слабые сигналы обратного рассеяния‚ поступающие с конца длинного отрезка волокна. Динамический диапазон зависит как от полной импульсной мощности лазерного источника света‚ так и от чувствительности измерителя: очень мощный источник света и чувствительный измеритель обеспечат большой динамический диапазон и наоборот.
Динамический диапазон оптического рефлектометра определяется как разность между уровнем обратного рассеяния на ближнем конце волокна и верхним уровнем среднего значения шума у конца волокна или после него.
При большом динамическом диапазоне индикация на дисплее уровня обратного рассеяния на дальнем конце волокна будет четкой и плавной. При маленьком динамическом диапазоне рефлектограмма будет зашумлена на дальнем конце – точки с результатами измерений‚ показывающие на рефлектограмме уровень обратного рассеяния‚ не образуют плавной линии‚ а будут постоянно уходить то вверх‚ то вниз. На зашумленной части рефлектограммы трудно различить какие-нибудь детали‚ так как разница между результатами измерений в двух смежных точках может быть больше значения потерь на оптоволоконном соединении.
Увеличение полной выходной импульсной мощности лазерного источника может быть осуществлено двумя способами: увеличением абсолютного количества излучаемой световой энергии или увеличением длительности импульса. У каждого способа есть свой предел.
У лазерного диода имеется естественный максимальный уровень выходной мощности‚ который невозможно превысить. Кроме того‚ более высокая выходная мощность означает сокращение срока службы: лазер может быстрее перегореть.
Увеличение длительности импульса затрагивает другие рабочие характеристики‚ такие‚ как мертвая зона: чем больше длительность импульса‚ тем длиннее мертвые зоны. У измерителей также имеются естественные ограничения их способности измерять низкие уровни световой энергии. В некоторой точке уровень посланного измерителем электрического сигнала (который соответствует обнаруженному уровню мощности оптического излучения) теряется в электрическом шуме схемы‚ так что контроллер не может отличить шум от результатов‚ полученных измерителем. Решающее значение для ослабления отрицательного воздействия на рефлектометр электрического шума имеет внутреннее электрическое экранирование. Кроме того‚ когда измеритель работает с использованием своей максимальной чувствительности‚ то уровень его точности понижается. Для повышения точности измерений при более низких уровнях световой энергии в рефлектометре применяется метод усреднения‚ объединяющий результаты измерений тысяч импульсов. Использование этого метода усреднения повышает чувствительность измерителя и тем самым помогает увеличивать динамический диапазон.
Имеется несколько различных способов расчета динамического диапазона. Упомянутый выше метод‚ рекомендуемый многими ведущими организациями‚ называется «методом определения 98%-ного уровня шума». При применении этого метода определяется точка‚ в которой уровень обратного рассеяния только начинает смешиваться с уровнем шума в приборе. Другой общепринятый метод называется «SNR = 1» (SNR – это отношение «сигнал–шум»). Он аналогичен методу 98%-ного уровня шума‚ но увеличивает значение динамического диапазона примерно на 2 – 3 дБ. При использовании метода «SNR = 1» определяется точка‚ у которой уровень обратного рассеяния рефлектограммы идет вниз и опускается ниже уровня внутреннего шума рефлектометра. Это означает‚ что‚ становится невозможным получить от рефлектограммы подробные данные о конце волокна. Третий метод называется «обнаружением френелевского отражения»; он может увеличить значение динамического диапазона на 10 и более децибел. При использовании этого метода производится измерение точки‚ в которой пик френелевского отражения в конце волокна можно обнаружить сразу же над уровнем шума. Этот метод дает самое большое значение динамического диапазона‚ но в то же время он вводит в заблуждение‚ поскольку не связан с тем‚ как рефлектометр работает в обычном режиме.
Мертвая зона. Мертвой зоной называется участок рефлектограммы оптического волокна, на котором невозможно определить его характеристики из-за наличия сигналов, возникающих вследствие отражения света от неодноростей.
Поскольку мертвая зона непосредственно связана с длительностью импульса‚ то ее можно уменьшить‚ сократив длительность импульса. Но сокращение длительности импульса означает уменьшение динамического диапазона. В конструкции любого рефлектометра должен найти отражение компромисс между этими двумя характеристиками. Аналогичным образом‚ пользователь оптического рефлектометра должен выбирать длительность импульса в зависимости от того‚ что для него является более важным – различать близко расположенные друг к другу неоднородности или просматривать волокно большей длины. Самая лучшая конструкция обеспечивает большой динамический диапазон при небольшой длительности импульса. Это соотношение динамический диапазон на длительность импульса и будет определять на каком расстоянии в волокне возможно отличать друг от друга две находящихся близко друг к другу неоднородности (оптоволоконные соединения).
Мертвые зоны появляются на рефлектограмме волокна во всех случаях‚ когда в волокне использованы разъемы‚ а также при наличии в волокне некоторых дефектов (таких‚ как трещины). В каждом волокне имеется по крайней мере одна мертвая зона: в том месте‚ где оно присоединено к рефлектометру. Это означает‚ что в начале тестируемого волокна имеется участок‚ в котором нельзя проводить измерения. Этот участок имеет непосредственное отношение к длительности импульса лазерного источника. Более длительный импульс вызывает увеличивает ширину мертвой зоны. Если существует необходимость получить характеристику той части волокна‚ которая находится рядом с ближним концом или если нужно измерить два события (неоднородности) на рефлектограмме‚ находящиеся друг от друга на небольшом‚ то нужно выбрать самую короткую из возможных длительностей импульса‚ при которой рефлектограмма выглядит незашумленной.
Мертвые зоны можно разделить на две категории: мертвые зоны события (неоднородности) и мертвые зоны затухания.
Мертвая зона события (называемая также мертвой зоной отражения) – это расстояние от одного френелевского отражения до другого френелевского отражения‚ которое можно обнаружить (рисунок 2.21). Такая мертвая зона говорит о том‚ когда после какого-либо отражения(обычно от разъема у рефлектометра) возможно обнаружить отражение от обрыва или от оптоволоконного соединения.
Рисунок 2.21 – Мертвая зона события
Наличие короткой мертвой зоны события означает‚ что после первого оптоволоконного соединения можно увидеть второе. Существует также и мертвые зоны для неотражающих неодноростей (рисунок 2.22). В спецификациях на рефлектометр обычно указывают только ширину мертвой зоны для отражающей неоднородности (мертвой зоны по отражению).
Рисунок 2.22 – Мертвая зона для неотражающей неоднородности
Мертвая зона затухания – это расстояние от какого-либо френелевского отражения до того места‚ где можно обнаружить обратное рассеяние (рисунок 2.23). В этом случае измеритель получает информацию о том‚ как скоро после отражения можно измерить второе событие‚ такое‚ как сварное соединение или дефект волокна. Чтобы осуществлять какие-либо измерения потерь в волокне‚ необходимо видеть обратное рассеяние по обе стороны от оптоволоконного соединения. Это означает‚ что рефлектограмма должна опуститься со своего пика у отражения до уровня обратного рассеяния. Мертвые зоны затухания всегда длиннее‚ чем мертвые зоны события‚ поскольку для обнаружения уровня обратного рассеяния детектор должен полностью восстановить свою чувствительность.
Рисунок 2.23– Мертвая зона затухания
В рефлектометре существуют две разновидности разрешающей способности: пространственная (расстояние) и по потерям (уровень).
Разрешающая способность по потерям (по затуханию) – это способность прибора различать воспринимаемые им уровни мощности. Большинство измерителей рефлектометров могут выводить на экран дисплея разность между уровнями обратного рассеяния вплоть до 0‚01 или 0‚001 дБ. Эту характеристику не надо путать с точностью определения уровня. По мере распространения лазерного импульса по волокну соответствующие сигналы обратного рассеяния становятся все слабее‚ а разница между уровнями обратного рассеяния в двух смежных точках измерения становятся все больше. Таким образом‚ чем дальше импульс распространяется по волокну от рефлектометра‚ тем относительно больше (по сравнению с частью волокна‚ примыкающей к рефлектометру) становится расстояние по вертикали между точками с результатами измерений‚ образующими рефлектограмму. Это приводит к тому‚ что ближе к концу всего волокна рефлектограмма становится зашумленной и для своего выравнивания нуждается в усреднении множества результатов измерения импульсов. Шум на рефлектограмме может лишить возможности обнаруживать или измерять оптоволоконные соединения и дефекты с низкими потерями.
Пространственная разрешающая способность (разрешение по расстоянию) – это параметр‚ определяющий‚ насколько близко друг к другу по времени (и‚ соответственно‚ по расстоянию) находятся отдельные точки с результатами измерений‚ образующие рефлектограмму. Эта способность выражается в единицах расстояния. Контроллер рефлектометра через определенные интервалы времени получает от измерительного устройства точки с результатами измерений. Если он снимает показания очень часто‚ то расстояния между точками измерений будут небольшими‚ и рефлектометр сможет обнаруживать в волокне такие неоднородности‚ которые расположены близко друг к другу. Разрешающая способность по расстоянию оказывает влияние на способность рефлектометра определять местонахождение конца всего волокна.
Чем ближе точки расположены друг к другу‚ тем больше сведений о волокне можно получить. Рефлектограмма выводится на экран дисплея в виде линии‚ соединяющей точки измерений. Разрешающая способность дисплея выше‚ чем действительная пространственная (или относящаяся к точкам с результатами измерений) разрешающая способность. На экране дисплея легко достичь и «сантиметровой разрешающей способности» – для этого надо просто расширить на экране пространство между двумя точками измерений‚ так чтобы курсор можно было перемещать на очень небольшое расстояние. Но это не означает‚ что оптический рефлектометр производит измерения с высокой разрешающей способностью – речь идет только о высокой разрешающей способности дисплея. Пространственная разрешающая способность в некоторых местах уменьшается из-за наличия мертвой зоны. Достоверные измерения затухания в волокне – это те‚ которые сделаны между двумя уровнями обратного рассеяния. Для измерения потерь нельзя использовать те точки измерений‚ которые были получены в то время‚ когда измеритель был в состоянии насыщения из-за френелевского отражения. Это связано с тем‚ что в то время прибор не мог точно измерять уровни. Поэтому пространственная разрешающая способность в районе вокруг френелевского отражения– более низкая из-за того‚ что единственные точки измерений‚ которые можно использовать‚ находятся до и после мертвой зоны по обе стороны оптоволоконного соединения.
Точность измерений‚ производимых измерителем оптического рефлектометра‚ определяется точно так же‚ как и у оптических ваттметров и фотоприемников любого вида. Точность любого оптического измерителя зависит от того‚ насколько близко выходная мощность электрического сигнала соответствует входной мощности оптического излучения. Большинство оптических измерителей преобразуют поступающую мощность оптического излучения равномерно по всему рабочему диапазону в электрический сигнал соответствующего уровня‚ но выходная мощность электрического сигнала оказывается крайне низкой. Во всех измерителях используются электрические усилители‚ повышающие крайне низкий уровень выходной мощности электрического сигнала‚ но все эти усилители вносят в сигнал определенные искажения. Высококачественные усилители могут усиливать как высокие‚ так и низкие уровни на одну и ту же величину. Говоря другими словами‚ в большей части рабочего диапазона у них в высшей степени «линейная» реакция на входную мощность. Усилители более низкого качества вносят в усиливаемый сигнал значительные искажения либо на высоком‚ либо на низком уровне входной мощности‚ так что эти уровни по краям рабочего диапазона становятся нелинейными. От того‚ в какой степени оптическому измерителю и его усилителю присуща линейность‚ будет зависеть‚ насколько точно поступающая оптическая мощность будет преобразовываться в усиленный электрический сигнал. Точность измерений у многих оптических измерителей выражается либо (если диапазон измерений невелик) в виде какого-то количество децибел‚ либо как определенное число процентов от уровня мощности (например‚ «2%»). Для оптических рефлектометров лучшим представлением точности измерений является указание степени линейности. Предполагается‚ что оптические рефлектометры должны поддерживать приемлемую точность в весьма широких диапазонах измерений – некоторые рефлектометры охватывают диапазоны уровней обратного рассеяния‚ превышающие 40 дБ. Поэтому рефлектометрам требуется поддержание довольно высокой степени линейности во всем измеряемом диапазоне входных мощностей оптического излучения. Недостаточная степень линейности оптичских рефлектометров часто отражается на характере рефлектограммы волокна‚ выводимой на дисплей. Она то круто падает вниз‚ то загибается вверх‚ то приобретает крайне неровный характер. Характеристики линейности оптических рефлектометров в рекламных описаниях обычно не приводятся.
Френелевские отражения обычно находятся вне диапазона измерений и поэтому при характеристике линейности рефлектометра не учитываются. Однако в выводимой на экран рефлектограмме в период восстановления чувствительности после отражения часто проявляется нелинейность‚ возникающая при переходе уровня поступающей мощности от крайне высокого (отражение) к очень низкому (обратное рассеяние).
Точность измерения расстояний оптического рефлектометра зависит от стабильности тактовой частоты, шага точек измерений, неопределенности показателя преломления.
Точность измерения расстояний зависит от стабильности и точности схемы синхронизации‚ которая определяет время подачи импульсов и длительность интервалов между выборкой показаний измерителя. Если часы спешат или отстают‚ тогда измеренное время – и‚ соответственно‚ расстояние – будет либо короче‚ либо длиннее‚ чем в действительности.
Влияет на точность измерений и пространственная разрешающая способность. Оптический рефлектометр может точно измерять расстояния только исходя из точек измерений‚ которые он использует. Чем ближе друг к другу расположены эти точки‚ тем больше вероятность того‚ что одна из них окажется около какого-либо повреждения волокна или прямо на нем.
Расстояние рассчитывается рефлектометром исходя из скорости света в волокне‚ а эта скорость определяется как скорость света в вакууме (постоянная величина)‚ деленная на показатель преломления. Это означает‚ что определяемый пользователем показатель преломления является критическим фактором для точного измерения расстояний. Если значение показателя преломления ошибочно‚ то и расстояние будет измерено неправильно.
Однако характеристики волокна в разных его частях могут быть неодинаковыми‚ в связи с чем будет немного изменяться и значение показателя преломления. А это приведет‚ в свою очередь‚ к дополнительной неточности при измерении расстояний. Такая «неопределенность свойств волокна» вызывается изменениями показателя преломления в одном и том же волокне‚ а также тем‚ что показатели преломления двух или более волокон‚ объединенных посредством оптоволоконных соединений‚ могут быть неодинаковыми. Больше всего разницы между показателями преломления может быть у сращенных вместе волокон двух различных изготовителей.
Показатель преломления – это соотношение между скоростью света в вакууме и скоростью света в каком-нибудь определенном волокне. Поскольку быстрее всего свет распространяется в вакууме‚ а в плотных материалах (таких‚ как атмосфера или стекло) распространяется медленнее‚ то значение этого показателя всегда больше единицы. Для стекла оно равно примерно 1,4 – 1‚5. Скорость света меняется в зависимости от плотности того материала‚ в котором он распространяется. Плотность волокна определяется количеством и видом примесей‚ применяемых в процессе изготовления; их распределение может быть не абсолютно одинаковым в различных частях волокна и в различных волокнах. Таким образом‚ значение показателя преломления изменяется как в различных волокнах‚ так и в пределах одного волокна. Показатель преломления является «калибровочным» коэффициентом‚ который «сообщает» рефлектометру‚ с какой скоростью распространяется свет‚ и тем самым предоставляет ему возможность точно измерять расстояния.
В большинстве случаев нужно использовать значения показателя‚ рекомендованные изготовителем для различных видов тестируемых волокон и для различных длин волн.
Длина волны‚ на которой рефлектометр производит измерения‚ называется его центральной длиной волны. Она обладает определенной шириной. Под шириной линии излучения понимается определенный разброс длин волн вокруг центральной длины волны лазерного источника. Так например‚ если центральная волна лазера – 1300 нм‚ а ширина линии равна 20 нм‚ то это значит‚ что излучение охватывает диапазон от 1290 нм (1300–10) до 1310 нм (1300+10). Лазеры с небольшой шириной линии излучения более дорогие‚ чем с большой шириной. Центральные длины волн обычно характеризуются как имеющие определенные допуски‚ такие‚ как ±30 нм [9].
Волокно необходимо тестировать примерно на той же длине волны‚ на которой оно будет работать. Оптические передатчики (лазеры и светодиоды) обычно делятся на категории по длине волны – 850‚ 1300‚ или 1550 нм. Конкретная длина их центральной волны и ширина линии излучения не всегда точно сообщаются. В некоторых случаях – если тестирование на определение затухания проводится на одном конце диапазона длин волн (например‚ на 1320 нм)‚ а сеть будет работать на другом конце диапазона (например‚ 1280 нм) – то затухание тестирующего сигнала будет слегка количественно отличаться от затухания рабочего сигнала. При большой длине волокна (свыше 90 км) это может привести к появлению неожиданных проблем на принимающем конце сети.
Для того чтобы подсоединить волокно к источнику света или измерителю‚ к волокну надо присоединить оптический разъем. На рынке имеется множество типов разъемов; наиболее обычными среди них являются: FC/PC‚ ST, SC‚ Biconic‚ SMA и D4. К волокнам всегда присоединяются вилочные части разъемов; к оборудованию для тестирования и к передающему оборудованию – розеточные части (или оптические переходные разъемы (переходники) «розетка–розетка»‚ позволяющие использовать вилочные части разъемов). Во внимание надо принимать некоторые характеристики разъемов; это – коэффициент отражения‚ пригодность для многократных соединений‚ стойкость‚ размеры‚ а также материалы‚ из которых разъем сделан. У разъемов‚ предназначенных для обеспечения контакта друг с другом‚ значения коэффициента отражения более низкие. Разъемы с ключом и прорезью могут присоединяться только одним способом и поэтому их можно использовать больше раз‚ чем разъемы других типов. При правильном сопряжении разъема должна быть исключена возможность его легкого вращения или смещения‚ которые могли бы привести к изменению количества проходящей через него световой энергии.
Одними из лучших разъемов для одномодовых и многомодовых волокон являются разъемы различных видов‚ принадлежащие к типу FC/PC и обладающие очень хорошими характеристиками. SС-разъемы – это разъемы с самозапирающимся сочленением‚ обычно применяющиеся на линиях с большой плотностью волокон.
Выбор конфигурации оптического рефлектометра зависит от того‚ какое волокно будет тестироваться. Одновременно оптический рефлектометр может тестировать только один тип волокна – одномодовое или многомодовое. Для каждого типа волокна можно выбрать одну или две длины волны. Большинство обычных рефлектометров имеют модульную конструкцию‚ так что лазерный блок можно видоизменять таким образом‚ чтобы он стал соответствовать типу тестируемого волокна. Оптические минирефлектометры‚ как правило‚ не являются модульными. Выделяют базовый блок и оптический модуль. Базовый блок рефлектометров модульной конструкции состоит из контроллера‚ дисплея‚ органов управления и дополнительного оборудования‚ поставляемого по желанию заказчика (такого‚ как принтер/графопостроитель‚ интерфейсы для внешнего сопряжения‚ модем‚ дисковод и т. п.). Оптический модуль‚ состоящий из блоков лазерного источника света и оптического измерителя‚ подсоединяется к базовому блоку с помощью разъема; его можно заменять на другие модули‚ чтобы сделать возможным тестирование при различных сочетаниях длин волн и типов волокна.
Оптический модуль обычно может работать только с одномодовым или только с многомодовым волокном. Основное различие между этими двумя типами волокна заключается в том‚ что диаметр светопроводящего сердечника многомодового волокна по меньшей мере в пять раз больше‚ чем у одномодового. Поскольку оптический рефлектометр должен и посылать и получать световую энергию‚ то оптический модуль не может эффективно работать с обоими типами волокна. Так например‚ модуль‚ предназначенный для одномодового волокна‚ без труда направит световые импульсы и в одномодовое и в многомодовое волокно‚ но при возвращении отраженной световой энергии из многомодового волокна большая часть обратного рассеяния будет потеряна при попытке войти в более узкий сердечник одномодового волокна‚ идущего к детектору.
Длина волны для тестирования – это одна из важных характеристик оптического рефлектометра. Крайне важно тестировать сеть волоконно-оптической связи на той же длине волны‚ на которой она будет работать. Полное тестирование волокна должно производиться на обеих длинах волн‚ так чтобы стали известными его полные характеристики – на тот случай‚ если сеть в будущем будет модернизирована и перейдет на другую длину волны. При использовании более коротких волн затухание в волокне усиливается из-за их повышенной чувствительности к рэлеевскому рассеянию. Но на более длинных волнах увеличивается чувствительность к потерям на изгибы; кроме того‚ при работе на них наружу из волокна «просачивается» больше света‚ чем при работе на коротких волнах. Это означает‚ что в волокне‚ в котором из-за изгиба появилось механическое напряжение‚ при тестировании, например, на 1550 нм будут обнаружены более высокие потери в месте изгиба‚ чем при тестировании на 1310 нм; хотя общее‚ полное затухание на 1550 нм будет меньше‚ чем на 1310 нм. Чувствительность различных длин световых волн к различным механизмам потерь в волокне может стать крайне важным орудием при отыскании неисправностей в волоконно-оптическом кабеле.
Волоконно-оптические сети перед вводом в строй всегда снабжают разъемами. Разъемы либо устанавливаются на волокне на месте работы‚ либо к концу волокна присоединяется заранее снабженный разъемом отрезок кабеля («пигтейл»). Для обеспечения наилучших результатов разъем на рефлектометре должен соответствовать разъему‚ установленному в волоконно-оптической сети. На некоторых рефлектометрах используются разъемы универсального типа‚ допускающие их оперативную замену на месте. У других рефлектометров имеются только фиксированные‚ незаменяемые разъемы. В тех случаях‚ когда рефлектометр применяется для тестирования многих неодинаковых волоконно-оптических сетей‚ использующих различные разъемы‚ нужно использовать волоконно-оптическую кабельную «перемычку» (или «патчкорд»). На обоих концах кабельной перемычки установлено по разъему‚ один из которых присоединен к рефлектометру‚ а другой – к волоконно-оптической сети. Для того чтобы разъемы на концах перемычки подходили‚ соответственно‚ к рефлектометру и к волоконно-оптической сети‚ они могут быть разного типа. Кабельные перемычки часто применяются даже тогда‚ когда разъем рефлектометра соответствует разъему сети‚ это делается для предотвращения износа оптического волокна сети. В волоконно-оптической сети могут использоваться несколько типов разъемов‚ так что понадобится столько патчкордов‚ сколько имеется типов разъемов. У каждого патчкорда на одном конце будет разъем того типа‚ который использован на рефлектометре‚ а на другом – того типа‚ который применен в сети. При подключении к неоконцованному (без разъема) оптическому волокну применяется пигтейл. Он представляет собой пачкорд снабженный разъемом лишь на одном конце. На другом конце – неоконцованное волокно‚ что позволяет выполнить временное сращение с неоконцованным концом волокна‚ которое предстоит тестировать