Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерений параметров направляющих сред оптических телекоммуникационных систем. Учебное пособие
.pdf
71
иметь непересекающиеся спектры для разных ветвей. Идентифицировать
необходимую ветвь сети можно по частоте пика результирующей
спетрограммы ν
1
- νn рассеянного по Бриллюэну сигнала.
Рассматриваемый метод является
централизованной технологией, обес-
печивающей уникальную трассировку каждой ветви сети. Он способен обнару-
живать неисправности и проводить измерения параметров компонентов в лю-
бой ветви PON. Предоставляя централизованную и полную характеристику
зондируемых волокон, он накладывает значительное влияние на сетевую инфраструктуру. Метод требует, чтобы идентификационные волокна были изго-
товлены с различными физическими характеристиками.
К волокнам с индивидуально заданными частотными
сдвигами
предъяв-
ляются два основных требования. Первое из них определяет возможность разделения частотных сдвигов спектров сигналов рассеяния Бриллюэна. Второе
требование нормирует передаточные параметры в режиме передачи информа-
ционных сигналов. Чтобы различать бриллюэновские сдвиги частот, необходимо учитывать ширину спектра Бриллюэна и влияние внешних факторов на
сдвиг частоты Бриллюэна. Изменение сдвига частоты напрямую влияет на по-
грешность измерения потерь при практическом использовании. Оно вызвано
механическими условиями и условиями окружающей среды сети или изменением климата, поскольку сдвиг чувствителен к деформации и температуре.
Температуры различных участков кабеля, находящихся под прямыми солнечными лучами или в тени, а также под землей, в воздухе и в зданиях, могут зна-
чительно отличаться. Остаточная деформация, приложенная к кабельному во-
локну во время изготовления и после строительства, также является причиной
изменения сдвига частоты. В более раннем исследовании [34] сообщалось, что
остаточная деформация менее 0,1% была распределена вдоль кабельного во-
локна после изготовления, что соответствует сдвигу на 50 МГц в спектре рассе-
янного сигнала. Многократное использование различных типов волокон и/или
различных производителей являются доминирующими факторами, влияющими
на сдвиг частоты спектра.
Влияния температуры и деформации на сдвиг частоты описываются следу-
ющими соотношениями [35]:
12
,
B
v C T С
= +
(4.3.1)
34
,
B
B
V
V
P
C T C
P
= +
(4.3.2)
где ∆νB [МГц] – относительный сдвиг частоты Бриллюэна,
∆T [K] – относительная температура, а ∆ε [ε%] – деформация. Коэффи-
циенты C1 , C2 , C3 и C4 составляют 1,1 [МГц/К], 483 [МГц/ε%], 0,36 [%/К]
и -7,7 [%/ε%] соответственно.
Частотный интервал между пиковыми значениями спектров рассеяния
72
Бриллюэна определяются соотношением [36]
12,n
f C T C v
+ +
(4.3.3)
где ∆ν
n
– первоначальное значение индивидуального бриллюэновского
сдвига частоты.
С учетом производственного запаса изготовления идентификационного
волокна fE формула (3) приобретает вид [37]
12.nE
f C T C v f
+ + +
(4.3.4)
Сдвиг частоты Бриллюэна зависит от концентрации легирующего
веще-
ства в сердцевине волокна и
не зависит от концентрации легирующего ве-
щества в оболочке волокна.
Для изготовления идентификационных волокон используются GeO2 и F,
поскольку их влияние на показатель преломления противоположно, но влияние
на акустическую скорость одинаково, и они являются наиболее широко используемыми из легирующих элементов.
Основная причина возникновения потерь при сращивании идентификаци-
онных волокон со стандартными одномодовыми волокнами является различия
числовых апертур. В этой связи разница в показателях преломления также
должна быть не более 0,5 % [38].
4.4 Анализ рассеяния Бриллюэна с помощью конечных отражений
Недавно был предложен анализ Бриллюэна с помощью конечного отражения (End-reflection assisted Brillouin analysis-ERA-BA), которые могут измерять
индивидуальные характеристики разветвленных волокон на основе BOTDA [5].
ERA-BA – это оптический метод измерения, который измеряет характеристики
каждого разветвленного волокна со стороны магистрального волокна. Характеристики разветвленного волокна измеряются с помощью анализа усиления
Бриллюэна с использованием столкновения между импульсом накачки и зон-
дирующим импульсом, возвращающимся с дальнего конца ответвления. ERA-
BA измеряет характеристики разветвленного волокна, анализируя коэффициент
усиления по Бриллюэну, вызванный столкновением между импульсом накачки
и зондирующим импульсом, отраженным от дальнего конца ответвления. Ме-
тод измерения разветвленных волокон ERA-BA позволяет проводить удаленное
тестирование всех оптических сетей доступа, которые включают разветвленные
волокна, и значительно сокращает количество операций на месте. Можно ожидать, что это обеспечит высококачественное техническое обслуживание чрезвычайно крупных сетевых объектов при низких затратах и с небольшой рабо-
чей силой. Рисунок 4.2 представляет собой схематическую иллюстрацию, показывающую принцип работы ERA-BA.
73
Рисунок 4.2 – Схематическая иллюстрация принципа ERA-BA
Здесь характеристиками являются оптические потери, а также изменения
температуры и деформации. Зависимость интенсивности усиления по Бриллюэну на мощности насоса полезно для измерения потерь в ответвлениях. Между
тем, BFS, который изменяется в зависимости от изменений температуры и де-
формации, измеряется для определения оптического волокна с разветвленной
топологией волокна.
Чтобы вызвать столкновение тестовых импульсов в разветвленных волокнах, нам нужен оптический фильтр, который отражает пробный импульс на
дальнем конце разветвленного волокна. Импульс накачки запускается после
зондирующего импульса с временной задержкой для столкновения в положении от дальнего конца. Измерение распределения возможно путем по-
следовательного изменения времени задержки . Чтобы эффективно генери-
ровать дальнее отражение в существующей сети доступа, мы можем использо-
вать тестовый фильтр отсечки света, как рекомендовано в ITU–T L.66.
С другой стороны, при зондировании с разветвленным волокном мы мо-
жем использовать фильтр FBG или фильтр полного отражения, рассчитанный
на длину волны зонда.
Разница во времени обратного хода возвращенных зондирующих импульсов, вызванная разной длиной разветвленных волокон, используется для опре-
деления сигналов от разветвленного волокна. Чтобы идентифицировать раз-
ветвленные волокна, нам, по крайней мере, нужна разница в длине разветвле-
ния, выраженная по уравнению
'
2
r
vW
L=
(4.4.1)
74
где
– это длительность зондирующего импульса.
Для телекоммуникационных сетей, поскольку разветвленное волокно длины случайным образом различается на несколько метров, целевая производительность разрешения идентификации волокна должна быть равна или превы-
шать это значение.
При распознавании разветвленных волокон разность длин ответвлений
может быть произвольно установлена с помощью дополнительного волокна задержки. Пространственное разрешение может быть определено уравнением
(4.4.1) с использованием длительности импульса накачки, как в обычном
BOTDA.
Оптическая рефлектометрия на принципах рассеяния Рэлея и Мандельш-
тама – Бриллюэна является перспективной технологией мониторинга параметров физической среды оптических телекоммуникационных систем. Она позво-
ляет оперативно идентифицировать и прогнозировать неисправности в направляющих системах. Применение идентификационных волокон в системах мони-
торинга оказывает значительное влияние на существующие сетевые инфраструктуры. С внедрением технологии волнового уплотнения в PON увеличива-
ется число необходимых идентификационных волокон. Это обстоятельство
предъявляет более жесткие требования к оптическим волокнам по сдвигу ча-
стоты. Всё это обуславливает необходимость совершенствования технологии
изготовления идентификационных волокон и приводит к значительному увели-
чению стоимости развертывания сети.
Дальнейшим развитием в исследуемой области по мнению авторов являет-
ся:
– разработка алгоритмов обработки спектрограмм, позволяющих существенно расширить функциональные возможности систем;
– создание системы метрологического обеспечения, включающей в себя
разработку поверочной схемы и необходимой нормативной базы.
Контрольные вопросы
1. Какие требования предъявляются к системам измерения параметров пас-
сивных оптических сетей?
2. В чем суть импульсной рефлектометрии во временной области?
3. По каким причинам затруднено применение метода импульсной рефлекто-
метрии во временной области в разветвленных волоконно-оптических сетях?
4. Какие особенности имеет методика измерения в восходящем потоке?
5. Перечислите виды измерений для оценки производительности систем мони-
торинга.
6. Что такое идентификационное оптическое волокно?
7. В чем суть рефлектометрии Мандельштама – Бриллюэна?
8. Какими выражениями описывается влияния температуры и деформации на
75
сдвиг частоты Бриллюэна?
9. Что включает в себя анализ Бриллюэна с помощью конечного отражения?
10. Изобразите схему мониторинга с идентификационными волокнами.
11. По какой формуле можно рассчитать пространственную разрешающую спо-
собность?
12. Какие направления улучшения метрологических характеристик измери-
тельных систем вам известны?
13. Чем обусловлена актуальность мониторинга пассивных оптических сетей?
14. На каких длинах волн производится мониторинг?
15. Перечислите необходимые функции мониторинга.
16. Каковы функциональные возможности метода мониторинга на основе
бриллюэновского рефлектометра?
17. Как реализуется мониторинг на основе эталонного отражателя?
18. Какие разновидности имеет мониторинг на основе перестраиваемой ре-
флектометрии?
19. На каком принципе функционирует встроенная техника мониторинга на ос-
нове рефлектометра?
76
Заключение
Рассмотренные в настоящем учебном пособии вопросы по методам и средствам измерений параметров направляющих сред оптических телекоммуникационных систем позволят студентам получить достаточно высокий уровень
знаний, чтобы, опираясь на него, перейти к самостоятельному решению конкретных метрологических приложений. Представленные материалы являются
основой для оптимального выбора метода и средств измерений в конкретных
практических ситуациях. Основные термины и определения, которые необходимо знать студенту, вынесены в приложение. Изучение данного пособия следует совмещать с изучением литературных источников, приведенных в списке
рекомендованной литературы, а также методических указаний к лабораторным
работам по курсам «Оптические направляющие среды и пассивные компоненты
ВОЛС» и «Метрология в оптических телекоммуникационных системах».
77
Список литературы
1. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями.
Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. Введен
1977-01-01. – М., Издательство стандартов, 1986. – 9 с.
2. Recent development in the distributed fiber optic acoustic and ultrasonic de-
tection / X. Bao, D.-P. Zhou, C. Baker, L. Chen // Journal of Lightwave Technology,
2017. – Vol. 35. – № 16. – P. 3256-3267.
3. Boyd R.W. Nonlinear Optics, 2nd edition. Chapter 9. – USA, New York: Ac-
ademic Press, 2003. – P. 411-427.
4. Горлов Н.И. Мониторинг физической среды оптической сети доступа //
Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО
2023). Сборник научных статей. XII Международная научно-техническая и
научно-методическая конференция. – Санкт-Петербург, 2023. – С. 360-364.
5. Ступникова А.А., Горлов Н.И. Тенденции развития волоконно-
оптических датчиков // Информационные технологии и когнитивная электро-
связь. Сборник научных трудов IX Всероссийской научно-практической конференции. – Екатеринбург, 2023. – С. 148-151.
6. Горлов Н.И. Анализ влияния вариаций модуля Юнга на мощность и
сдвиг частоты спектра рассеяния Бриллюэна // Информационные технологии и
когнитивная электросвязь. Сборник научных трудов IX Всероссийской научнопрактической конференции. – Екатеринбург, 2023. – С. 58-61.
7. Горлов Н.И. Температурно-деформационный сдвиг частоты Бриллюэна
// Современные проблемы телекоммуникаций. Материалы Всероссийской
научно-технической конференции с международным участием. / Под редакцией
А.В. Ефимова, Т.И. Монастырской. – Новосибирск, 2023. – С. 346-349.
8. Горлов Н.И. Сравнительный анализ распределенных волоконно-
оптических датчиков // Современные проблемы телекоммуникаций. Материалы
Всероссийской научно-технической конференции с международным участием /
Под редакцией А.В. Ефимова, Т.И. Монастырской. – Новосибирск, 2023. – С.
350-354.
9. Горлов Н.И. Классификация и область применения волоконно-
оптических датчиков на принципе рассеяния Мандельштама – Бриллюэна // Ак-
туальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (АПИНО
2023). Сборник научных статей. XII Международная научно-техническая и
научно-методическая конференция. – Санкт-Петербург, 2023. – С. 365-369.
10. Ступникова А.А. Использование волоконно-оптических датчиков в си-
стемах мониторинга инженерных конструкций // Научное и техническое твор-
чество молодежи: материалы Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. – Ч. 1. – Новосибирск, 2023. – С. 21-25.
11. МИ 2083-90. Измерения косвенные. Определение результатов измере-
ния и оценивание их погрешностей. Государственная система обеспечения
единства измерения. Рекомендация. – М.: Комитет стандартизации и метрологии СССР, 1991. – 10 с.
12. Горлов Н.И. Методы и средства измерений в физической среде оптиче-
78
ских сетей доступа. – Учебное пособие. – Новосибирск: СибГУТИ, 2023. – 105
с.
13. Горлов Н.И., Семенов А.Б. Возможности применения Бриллюэновской
рефлектометрии для контроля физического уровня пассивных оптических сетей
// Первая миля, 2023. – № 3 (111). – С. 40-45.
14. Горлов Н.И. Мониторинг подводных волоконно-оптических линий свя-
зи // Информационные технологии и когнитивная электросвязь. Сборник науч-
ных трудов IX Всероссийской научно-практической конференции. – Екатеринбург, 2023. – С. 54-57.
15. Monitoring in the Physical Channels of Optical Access Networks / I. Bo-
gachkov, N. Gorlov, T. Monastyrskaya, N. Medvedeva. // Proceedings of International Conference on Applied Innovation in IT (ICAIIT-2023), 2023. – Vol. 11. – Issue.
1. – P. 49–53.
16. Горлов Н.И., Шайгараева Т.Н., Монастырская Т.И. Сенсорные системы
на основе рассеяния Бриллюэна // Современные проблемы телекоммуникаций.
Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием / Под редакцией А.В. Ефимова, Т.И. Монастырской. – Новосибирск, 2023. – С. 342-345.
17. L. Zou, X. Bao, Y. Wan, and L. Chen. Coherent probe-pump-based Brillouin
sensor for centimeter-crack detection. // Opt. Lett., vol. 30, no. 4, pp. 370–372, Feb.
2005.
18. F. Wang, X. Bao, L. Chen, Y. Li, J. Snoddy, and X. Zhang. Using pulse with
a dark base to achieve high spatial and frequency resolution for the distributed Brillouin sensor. // Opt. Lett., vol. 33, no. 22, pp. 2707–2709, Nov. 2008.
19. Li, Q.; Gan, J.; Wu, Y.; Zhang, Z.; Li, J.; Yang, Z. High spatial resolution
botdr based on diffierential Brillouin spectrum technique // IEEE Photonic Technol.
Lett. 2016, 28, 1493–1496.
20. Белянко Е., Зюзин М., Бобров В., Гринштейн М., Богданова О., Ореш-
кина А. Разработка и применение рамановского рефлектометра в системе кон-
троля температуры ОВ на ВОЛС-ВЛ. // Фотоника. 2016. – № 4(58). – С. 80-
93.21.
21. Богачков И.В., Лутченко С.С. Моделирование влияния натяжения оп-
тического волокна на показатели готовности волоконно-оптической линии связи // Динамика систем, механизмов и машин. – 2019. – т.7. – № 4. – С. 212-219.
22. Технические рекомендации по применению оптических волокон фир-
мы «Fujikura» на волоконно-оптических сетях связи Российской Федерации.
23. Акопов С. Г., Васильев Н. А., Поляков М. А. Использование бриллю-
эновского рефлектометра при испытаниях оптического кабеля на растяжение //
Lightwave, 2006. – № 1. – C. 23–25.
24. Богачков И.В., Горлов Н.И. Измерение характеристик волоконно-
оптических линий связи с помощью импульсно-рефлектометрических методов:
монография. Федеральное агентство по образованию, Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский гос-
ударственный технический университет». – Омск, 2008. – 189 с.
25. Калачева Ю.Д. Мeтoды мoнитopинга вoлoкoннo-oптичecкиx линий //
79
Российская научно-техническая конференция «Современные проблемы телекоммуникаций». – Новосибирск, 22-23 апреля, 2021. – С. 250–257.
26. Агравал Г. Нелинейная волоконная оптика: Пер. с англ. – М.: Мир,
1996. – 323 с., ил.
27. M. Esmail и H. Fathallah, "Novel Coding for PON Fault Identification,"
IEEE Communications Letters, vol. 15, no. 6, pp. 677- 679, June 2011.
28. M. Rad, K. Fouli, H. Fathallah, L. Rusch, and M. Maier, “Passive Opti-cal
Network Monitoring: Challenges and Requirements,” IEEE Com-mun.Mag., vol. 2,
no. 49, pp. S45-S52, Feb. 2011.
29. A. Willner, and Z. Pan, “Optical Characterization, Diagnosis, and Performance Monitoring for PON,” in Passive Optical Networks: Principles and Practice.
USA: Academic Press, 2007, ch. 7, pp. 368.
30. M. Ab-Rahman, N. Chuan, M. Safnal, and K. Jumari, “The overview of fiber
fault localization technology in TDM-PON network,” in Proc. International Conference on Electronic Design, Penang, Feb. 2009, pp.1-8.
31. K. Yuksel, S. Letheux, A. Grillet, M. Wuilpart, D. Giannone, J. Hancq, G.
Ravet, and P. Megret, “Centralised Optical Monitoring of Treestruc-tured PONs using a Raman-assisted OTDR,” in Proc. International Conference on Transparent Optical Networks, vol. 1, Rome, Aug., 2007, pp. 175-178.
32. Y. Enomoto, H. Izumita, and M. Nakamura, “Over 31.5 dB dynamic range
optical fiber testing system with optical fiber fault isolation func-tion for 32-branched
PON,” in Proc. Optical Fiber Communications Conference, vol. 2, Atlanta, March,
2003, pp. 608-610.
33. D.Iida, N. Honda, H. Izumita and F. Ito, «Design of Identification Fi-bers
With Individually Assigned Brillouin Frequency Shifts for Moni-toring Passive Opti-
cal Networks», Journal of Lightwave Technology, vol. 25, no. 5, may 2007, pp.
1290-1297.
34. N. Honda, D. Iida, H. Izumita and Y.Azuma, “In-Service Line Monitoring
System in PONs Using 1650-nm Brillouin OTDR and Fibers With Individually As-
signed BFSs “,Journal of Lightwave Technology, Vol. 27, o. 20, october 15, 2009,
pp.4575-4582.
35. F. Caviglia, V. Biase, and A. Gnazzo, “Optical maintenance in PONs,” Opt.
Fiber Technol., vol. 5, no. 4, pp. 349–362, Oct. 1999.
36. Y. Enomoto, K. Mine, A. Miyashita, H. Machino, H. Izumita, K. Hogari and
M. Nakamura, “Novel compact optical splitter for outside plant in access network,”
in Proc. OECC, 2002, pp. 380–381.
37. N. Honda, D. Iida, H. Izumita, and F. Ito, “New function of optical fiber line
testing system employing termination cable with individual Bril-louin frequency shift
and 1650 nm band in-service monitoring tech-nique,” in Proc. OECC, 2005, pp. 364–
365. P364 7A-3.
38. H. Izumita, “Recent development in fiber optic monitoring system for access
networks,” presented at the Optical Fiber Sensors (OFS-16), Nara, Japan, 2003, Paper
We1-1.
80
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Глоссарий
Абсорбция
(absorption)
Потеря мощности в оптическом волокне из-за пре-
образования оптической энергии в тепло, связанная
с примесями в материале волокна, типом металлов
и гидроксильных ионов, и резко возрастающая при
ядерном излучении.
Апертура
numeric aperture
(NA)
«Способность собирания света» в волокне,
определяемая максимальным углом относительно
оси волокна, при котором свет будет
распространятся по волокну. Равна синусу
допустимого угла.
Аттенюатор (Attenua-
tor)
Оптическое устройство для регулирования
(уменьшения) интенсивности проходящего через
него оптического излучения.
Адаптер волоконнооптический
(Adapter Fiber)
Компонент коммутационного оборудования,
предназначенный для позиционирования и
соединения двух волоконно-оптических
коннекторов.
Бриллюэновское
рассеяние
(Brillouin scattering BS)
При вынужденном Бриллюэновском рассеянии,
которое называют также рассеянием Мандельшта-
ма – Бриллюэна, луч лазера создаст периодические
области с переменным коэффициентом преломления, то есть дифракционную решетку, на которой
значительная часть его световой энергии рассеива-
ется назад.
Вносимые потери
(Insertion Loss)
Разница между мощностями, измеренными на
нагрузке до и после вставки дополнительного узла
в линию. Если полученный результат
отрицательный, отмечается увеличение потерь.
Внешние потери (extrin-
sic loss)
При соединении волокон потери, связанные не с
волокном, а с внешними причинами, например, с
плохим соединением.
Вилка разъема
Часть разъема, которая вставляется в розетку. В
виде вилки в большинстве конструкций выполня-
ется кабельная часть разъема.
Вносимое затухание
(Insertion loss)
Затухание, обусловленное установкой оптического
элемента в оптическую линию передачи (напри-
мер, разъемные соединения или устройства вводавывода).
Волноводная дисперсия
Составляющая хроматической дисперсии, обусловленная зависимостью условий распростране-
ния моды от конкретной конструкции световода.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]