Е. Андреева, В. Сумкин, А. Сергеев
Современное развитие информационных технологий влечет за собой рост и взаимопроникновение сетей передачи данных различного назначения. Это приводит к ужесточению требований на технические параметры компонентов кабельной системы как физической среды передачи данных и, следовательно, на контрольно-измерительное оборудование, используемое при тестировании сети. Требования к средствам измерений изложены в правительственных документах [1], [2] и нормативных документах Госстандарта РФ [3] . С точки зрения практического использования измерительные приборы должны быть доступны широкому кругу пользователей по удобству эксплуатации и цене. Кроме того, немаловажными факторами являются возможность гарантийного обслуживания и технической поддержки. Оснащение такими приборами монтажных бригад, работающих с волоконной оптикой, является необходимым условием грамотной и качественной инсталляции (равно как и эксплуатации) оптических кабельных систем.
Тестер
Оптический тестер применяется для измерения мощности оптического излучения в абсолютных и относительных единицах и определения потерь в волоконно-оптических световодах и кабелях. Это, без преувеличения, самое распространенное и наиболее доступное рабочее средство измерения. Тестер используется при входном контроле параметров оптического кабеля, его монтаже, приемо-сдаточных испытаниях кабельной системы, контроле выходных параметров активного оборудования, при обслуживании действующей линии. Преимущества тестера: простота использования, малые габариты и вес, автономное питание, сравнительно низкая стоимость приборов. Основные требования к оптическим тестерам перечислены ниже:
Источники
Основные требования к источникам - обеспечение требуемой мощности в волоконном световоде и долговременная временная стабильность параметров излучения. В качестве источников для тестеров используются полупроводниковые лазерные диоды преимущественно для одномодовых применений и светодиоды для многомодовых линий. Лазерные диоды мощнее и угловая апертура их излучения меньше, поэтому мощность, вводимая в волоконный световод выше, чем в случае использования светодиода. Однако стоимость лазеров выше.
Достигаемая на практике мощность излучения от лазерного источника в одномодовом волоконном световоде позволяет тестировать кабели длиной до 250 км, что достаточно при существующих длинах регенерационных участков на магистральных линиях связи. Однако точность измерения сильно зависит от стабильности оптического излучения. Для повышения временной стабильности параметров излучения полупроводниковых лазеров при их изготовлении используют комбинацию различных технических решений. Для согласования волноводных параметров лазера с параметрами волоконного световода и уменьшения отражений между выходной гранью лазера и торцом волокна, резонатор лазера покрывается с одной стороны просветляющим покрытием. Такое покрытие, кроме хорошего согласования, снижает амплитудные и фазовые шумы источника. С другой стороны резонатора устанавливается фотодиод обратной связи. Обратная связь по фототоку позволяет контролировать выходную мощность лазера и компенсировать флуктуации оптического излучения, вызванные температурной чувствительностью полупроводниковой структуры. Для уменьшения зависимости выходной мощности оптического излучения от температуры подложки и стабилизации последней применяются термокомпенсирующие элементы, управляемые внешними электронными схемами. Совокупность этих мер позволяет обеспечить стабильность энергетических параметров источника в течение длительного времени. Внешний вид полупроводникового лазера, сопряженного с волоконным световодом, показан на рис.1.
Светодиодные полупроводниковые источники, наиболее часто применяемые в локальных компьютерных сетях, характеризуются более широкой диаграммой направленности, практически изотропной в азимутальном направлении. Уровни мощности, вводимые в стандартный многомодовый волоконный световод, в среднем на порядок ниже, чем в случае использования полупроводниковых лазеров. Так как длины сегментов компьютерных сетей на многомодовых кабелях в соответствии с действующими стандартами не превышают 2 км, этой мощности вполне достаточно для проведения измерений.
Измерители
С точки зрения практического использования важна не столько мощность оптического излучения, введенного в световод, а такой параметр, как динамический диапазон измерений для данного тестера, измеряемый в дБ интервал между мощностью источника и порогом чувствительности измерителя. Динамический диапазон определяет максимальное затухание оптического сигнала, которое может быть измерено данным комплектом приборов.
Входящие в состав тестера измерители должны обеспечивать низкий порог чувствительности, широкий спектральный диапазон измерений, равномерную чувствительность в заданном спектральном диапазоне или на длинах волн калибровки.
Основным элементом измерителя является фотодиод, чувствительность (R) которого определяет отношение выходного фототока к падающей оптической мощности и измеряется в А/Вт: R~h · l , где h - квантовая эффективность (соответствие количества электронов на выходе фотодиода количеству падающих на его фоточувствительную площадку квантов света), l - длина волны оптического излучения. Для идеального фотодиода h = 1. На рис.2 представлены спектральные зависимости чувствительности для некоторых фотодиодов. В ближнем ИК диапазоне высокая квантовая эффективность у кремниевых фотодиодов. В области длин волн 1,0 … 1,6 мкм высокой квантовой эффективностью характеризуются фотодиоды на основе германия (Ge). Фотодиоды на основе тройных (InGaAs) и четверных (InGaAsP) соединений при прочих равных условиях могут использоваться в более широком спектральном диапазоне. Этим обусловлено все возрастающее применение в тестерах именно таких фотоприемников и эта тенденция еще более усиливается в связи с развитием систем со спектральным уплотнением. Компенсация неравномерности спектральной чувствительности фотодиодов достигается за счет соответствующих схем обработки. В приборах более высокого класса калибровка компенсации неравномерности может осуществляться с заданным шагом по длине волны, например, 1 нм или 5 нм.
Применяемые в настоящее время фотоприемники имеют довольно широкую фоточувствительную площадку: типовой размер такой площадки фотодиода на основе InGaAs - 1 мм, на Si и Ge – 5 мм. Эти размеры существенно больше размеров модового пятна на выходе волоконного световода, что позволяет использовать одни и те же измерители как на одномодовых, так и на многомодовых линиях.
Методы измерения
Основное назначение тестера – измерение мощности оптического излучения на выходе ВС, определения затухания в ВС и на отдельных компонентах кабельной системы и их соединениях.
Измерение прямых потерь
Для проведения таких измерений используются различные методы. Остановимся подробнее на самых распространенных.
Метод вносимых потерь (метод замещения)
Применяется для определения потерь на разъемном соединении (рис.3) и для определения потерь в оптическом кабеле.
В первом случае источник соединяется с измерителем калибровочным шнуром и измеряется уровень мощности P1. Затем последовательно с калибровочным шнуром включается тестируемый объект и измеряется значение P2. Потери a в дБ, внесенные разъемным соединением К1, определяются как
a = 10 lg (P1 / P2),
где P1 и P2 измеряются в Вт, или
a = P1 – P2 в дБ,
где P1 и P2 измеряются в дБм. После этого измерения повторяются для второго коннектора К2 тестируемого шнура. Современные модели тестеров позволяют занести значение P1 в память прибора, и в дальнейшем автоматически вычитать из него результат измерения P2.
Во втором случае измерения уровня Р1 проводятся на двух соединенных между собой калибровочных шнурах. Затем вместо второго шнура, подключенного к приемнику, включается тестируемый кабель и фиксируется значение Р2. Величина потерь a 12 определяется аналогично первому случаю. Затем выходы кабеля меняются местами и измерения повторяются, фиксируется значение a 21. Потери в кабеле определяются как среднее между a 12 и a 21.
Тестирование соединительных шнуров и входной контроль кабеля производится по данному методу с помощью одного тестера или мультиметра, в то время как для измерений потерь в линии необходимо 2 тестера или мультиметра, по одному с каждой стороны. В последнем случае необходимо провести сличение показаний приборов: реперный уровень P1 на измерителе первого тестера определяется по сигналу источника второго комплекта и наоборот. После этого бригады метрологов, работающие на двух концах линии, подключают последовательно ко всем волокнам кабеля сначала первый источник и второй измеритель, фиксируют значение a 12 , затем наоборот, и проводят измерения a 21 во встречном направлении. Поскольку потери во встречных направлениях могут отличаться друг от друга, то производится усреднение результатов измерений a 12 и a 21 .
Измерение потерь проводится в соответствии с ГОСТ 26599-85 (Метод измерения вносимого затухания) и ГОСТ 26814-86 (Кабели оптические. Методы измерения параметров) [4, 5]. Зарубежными аналогами этих методов измерения потерь являются EIA FOTP (Fiber Optic Test Procedure) – 171; EAI/TIA FO 2.1 OFSTP-7 (для одномодовых световодов) и OFSTP-14 (для многомодовых световодов), а также TR NWT – 000326 (рекомендации Bellcore).
Метод обрыва:
Этот метод применяется для измерения потерь в оптических кабелях до их прокладки и оконцевания коннекторами. Метод базируется на сравнении уровня мощности на выходе длинного тестируемого отрезка кабеля с уровнем, измеренным на его коротком участке, образованном путем обрыва кабеля в начале измеряемого образца. Другими словами, сначала измеряется уровень P2 на выходе строительной длины кабеля. Затем волокно обрывают вблизи источника и проводят измерения P1 на этом коротком участке. Потери определяются аналогично предыдущему случаю.
Этот метод считается более точным, чем метод вносимых потерь, но он требует качественной подготовки торцов волокна и строгого соблюдения правил измерения.
Метод сравнения (сличения)
Используется для определения потерь в кабеле.
Сигнал от источника при помощи равноплечного ответвителя делится на два канала, один из которых подается непосредственно на измеритель и служит реперным уровнем, а второй вводится в оптический кабель и затем на вход того же измерителя. Разница значений мощности между первым и вторым каналом дает величину потерь в кабеле. Достоинство метода в высокой точности, так как исключается влияние флуктуаций выходной мощности источника с течением времени. Используется этот метод преимущественно на заводах при выходном контроле параметров кабеля, при его испытаниях и т.д.
Метод сопряжения волокон
Применяется для определения потерь в кабеле с числом волокон не менее трех. Источник и приемник подключаются к волокнам кабеля на одной стороне линии. На другой стороне линии волокна поочередно стыкуются между собой, так что сигнал, пришедший с первой стороны по одному волокну, возвращается обратно по другому волокну этого же кабеля. Обозначим как L 12 результат измерения потерь при стыковке первого и второго световодов в кабеле: L 12 = a 1 + a 2. Аналогично для других пар волокон: L 13 = a 1 + a 3, L 23 = a 2 + a 3. Тогда потери в одном световоде можно определить по результатам трех измерений: L 12, L 13 и L 23:
a 1 = 0.5 (L 12 - L 23 + L 13)
a 2 = 0.5 (L 12 + L 23 - L 13)
a 3 = 0.5 (-L 12+ L 23 + L 13).
Метод легко распространить на любое количество волокон, более трех. Преимущество метода – возможность проведения всех измерений с одной стороны кабеля. Для тестирования кабелей на линиях большой протяженности можно пользоваться одним комплектом приборов (источник + измеритель). Легко повторить измерения в обратном направлении (L 21 , L 32 , L 31). Ограничение точности измерений этим методом – разброс потерь на стыковке волокон с другой стороны кабеля. Поэтому метод используется при достаточной длине световодов в кабеле, когда вкладом этой погрешности (порядка 0.1 дБ) можно пренебречь.
Измерение обратных отражений и обратных потерь.
Уровень обратных отражений на разъемных соединениях кабелей принимает все более важное значение с повышением дальности передачи в магистральных линиях связи, развитием сетей кабельного телевидения и т.д. Обратные отражения попадают на источник (передатчик) сигнала, накапливаются при многократных стыковках и выступают как помеха по отношению к полезному сигналу.
Кроме обратных отражений в волоконно-оптической линии связи присутствует обратное рассеяние Рэлея, которое также оказывает сильное влияние на результаты измерений потерь. Смесь обратных отражений и обратного рассеяния составляет обратные потери.
Так как обратные потери много меньше прямого сигнала, для их измерений необходим тестер с большим динамическим диапазоном (не менее 60 дБ). Для повышения точности имерения обратных потерь должны быть выполнены 2 условия: во-первых, измеритель должен быть откалиброван по известному отражению; во-вторых, должны быть измерены фоновые излучения (фоновые обратные потери), которые необходимо вычесть из результатов измерения.
Измерение величины обратных потерь производят по методике, получившей название в зарубежных источниках название OCWR (Optical Continuos Wave Reflectometer) – рефлектометрия непрерывным излучением. Тестируемый кабель подключается к излучателю через равноплечный ответвитель. Другой выход ответвителя подключается к измерителю, с помощью которого регистрируется уровень оптического излучения, отраженного от соединения ответвителя и тестируемого кабеля. Для того чтобы определить обратные потери на входном конце кабеля, соединенном с ответвителем, необходимо исключить из результатов измерения отражение света от дальнего конца кабеля. Для этого применяются три метода (рис.4).
Метод микроизгиба волокна
Сигнал от стабилизированного источника подается на один из входов ответвителя, второй вход которого подключен к измерителю (рис.4а). Выход ответвителя стыкуется с испытуемым шнуром. Для устранения влияния сигнала от дальнего конца шнура в него вносятся потери методом неразрушающего изгиба. На практике это достигается намоткой части шнура на цилиндр малого диаметра или защемлением его в гребенчатой структуре. Все выходы ответвителя специальным образом подготовлены для уменьшения влияния аппаратных факторов на точность измерений.
Иммерсионный метод
Оптическая схема подключения полностью аналогична, только дальний конец волокна погружается в иммерсионную жидкость, имеющую показатель преломления такой же, как у волокна (рис.4б). Вследствие этого излучение выходит из световода без отражений от выходной грани и рассеивается в жидкости.
Метод экспресс-контроля.
Описанные выше методы позволяют индивидуально тестировать каждый торец и в этом их преимущество. Недостаток – они требуют значительных затрат времени на тестирование. На практике зачастую необходимо тестировать большое количество шнуров на соответствие их заданному стандарту. Например, если оба торца шнура имеют обратные потери не более –40 дБ, то такой шнур попадает в разряд SPS (Super Physical Contact), если не более –50 дБ – то UPC (Ultra Physical Contact) и т.д. В таком случае используется ускоренный метод тестирования, когда измеряется уровень обратных потерь сразу на двух торцах (рис.4в). Результат измерений отличается от предыдущих на 3 дБ при условии равенства вкладов обоих торцов. Схема измерений упрощается: к выходному торцу тестируемого шнура подключается вспомогательный шнур со скошенным выходным торцом – APC (Angle Physical Contact). Обратные отражения от такого торца не более –65 дБ и это значение ограничивает область применения и точность измерений данным методом. Метод экспресс-контроля широко используется при выходном контроле больших партий изделий. Если же какое-либо изделие по результатам тестирования отличается от остальных более чем в пределах допусков, оно тестируется одним из вышеописанных методов.
Зарубежный аналог методики измерения обратных потерь – стандарт EIA/TIA FOTP-107.
Модели тестеров
В настоящее время на российском рынке представлены измерительные приборы для волоконной оптики от десятков производителей и, большинство из них – иностранного производства. Сравнение параметров источников и приемников представлено в табл. 1…2.
Для работы в диапазоне 800…1300…1700 мкм подходят тестеры с приемниками на основе InGaAs. Эти приемники имеют более высокую чувствительность, чем германиевые фотоприемники, и, как правило, обеспечивают большой динамический диапазон. Дополнительное преимущество фотоприемников на тройных структурах в том, что они имеют более гладкую спектральную зависимость чувствительности и могут быть использованы во всем спектральном диапазоне, а не только на длинах калибровки. Это свойство приобретает особую актуальность в связи с развитием систем со спектральным уплотнением.
Немаловажную роль играют схемные решения в приборах. Наибольшую точность измерений обеспечивают измерители с цифровой обработкой сигнала. Это, как правило, приборы, разработанные в последнее время. Современная электронная “начинка” приборов проявляется в уменьшении их габаритов и снижении энергопотребления при улучшении точности измерения и увеличении сервисных возможностей.
Отдельным классом можно выделить приемники для измерения мощных оптических сигналов. Основное применение такие приборы нашли в системах кабельного телевидения (CATV). Их динамический диапазон смещен в сторону больших мощностей, как правило, на 20 дБ.
При всем многообразии моделей измерителей представленных на российском телекоммуникационном рынке, далеко не все прошли сертификацию.
Особо следует отметить приборы российского производства: серия ПТ**** (рис.5) производства компании Перспективные Технологии и комплект Алмаз** производства ЛОНИИР. Параметры этих приборов не уступают зарубежным образцам, при этом они имеют все необходимые сертификаты и, что немаловажно для эксплуатации, техническую и гарантийную поддержку непосредственно производителя.
Новые тенденции
Рабочий эталон – стационарное средство измерений. Это, как правило, комплект приборов, состав которого подбирается в зависимости от поставленной задачи. Такой комплект проходит поверку в Госстандарте на эталонных приборах первого и высшего разрядов и, в свою очередь, выступает в качестве эталонного прибора для поверки измерительной аппаратуры организаций и предприятий. Поэтому рабочие эталоны применяются в составе поверочных и контрольно-измерительных лабораторий. Кроме того, такие приборы используются производителями при выходном контроле параметров производимых волоконно-оптических компонентов, а также для поверочных испытаний рабочих средств измерения. В связи с тем, что основными и широко используемыми приборами, применяемыми для измерения параметров волоконно-оптического кабеля, являются оптические тестеры, то наиболее распространенным комплектом рабочего эталона является пара: источник + измеритель с соответствующими шнурами и аксессуарами, и дополнительным образцовым аттенюатором. Кроме них может поставляться устройство для определения обратных потерь.
Методы тестирования кабелей и соединительных шнуров с помощью рабочего эталона аналогичны тестированию с помощью тестера, точность при этом вдвое выше. Для улучшения условий проведения поверочных и измерительных работ часто предусматривается дистанционное управление процессом поверочных и измерительных работ с помощью компьютера. Возможность стыковки с компьютером позволяет проводить запись и чтение измерений по алгоритмам, обеспечивающим наилучшую математическую обработку результатов.
Пример эталона 2-го разряда показан на рис.6. Установка ПТ5000, разработанная компанией “Перспективные Технологии”, используется для метрологической поверки рабочих средств измерений. Каждый такой комплект подлежит сертификации в системе Госстандарта и вносится в госреестр. В настоящее время данные установки применяются в ВНИОФИ (Москва) и Тест-С-Петербург (Санкт-Петербург).
Новые тенденции
Для обеспечения единства измерений в системе Госстандарта предложена единая поверочная схема для средств измерений средней мощности [6]. Измерители, внесенные в реестр Госстандарта, по результатам тестирования признанные удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к приборам этой группы, имеют акт метрологической поверки. Если же имеющаяся у потребителя марка прибора не внесена в реестр Госстандарта, прибор может быть протестирован аналогичными методами, и при положительном результате выдается акт калибровки. Рекомендованная периодичность метрологической поверки 12 месяцев.
Схема метрологической поверки средств измерений средней мощности оптического излучения в волоконно-оптических системах передачи по требованиям Госстандарта представлена на рис.7. Возглавляет ее установка высшей точности, предназначенная для воспроизведения эталонной единицы средней мощности. Установка высшей точности использует калориметрический (тепловой) принцип, как наиболее точный и допускающий проводить электрическую калибровку методом замещения. Диапазон воспроизводимых на установке высшей точности значений средней мощности составляет лишь от 10-4 до 10-3 Вт на фиксированных длинах волн 0.85, 1.3 и 1.55 мкм. Погрешность измерений не превышает 0.6 * 10-3.
Установка высшей точности разработана и обслуживается в ВНИИОФИ (Москва). Показательны результаты сличения эталонного преобразователя этой установки с эталоном NIST (США). При проведении измерений средней мощности оптического излучения на выходе одномодового волокна в диапазоне 10-4 … 10-3 Вт расхождение составило менее 0.2% и 0.1% на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм соответственно.
В качестве эталонов 1-го разряда применяются либо неселективные в диапазоне 0.6 … 1.8 мкм средства измерений, обеспечивающие в диапазоне 10-5…10-3 Вт точность измерений (0.3…1.5) * 10-2, либо установки, работающие на фиксированных длинах волн, но в широком динамическом диапазоне: 10-12…10-2 Вт. В первом случае могут использоваться калориметрические приемники, во втором – полупроводниковые фотодиоды.
При проведении поверочных испытаний используются два метода: метод прямых измерений и метод сличения. Поверка методом прямых измерений показана на рис. 8. При калибровке тестируемого приемника снимается зависимость его показаний от уровня подаваемого сигнала. При этом фиксируется не только погрешность показаний приемника, но и степень линейности его характеристики во всем динамическом диапазоне. Тестирование генератора включает проверку временной стабильности параметров его излучения. При поверке методом сравнения (рис.9) исключается влияние соединительных шнуров. Точность приборов, на которых осуществляется поверка, должна быть как минимум в 2 раза выше, чем у тестируемых. Тогда вклад погрешности измерений самого эталонного прибора уменьшается [7, 8].
Для возможности применения на линиях, входящих в состав Взаимоувязанной сети, измерительные приборы должны проходить сертификацию по системе Госстандарта РФ с последующей периодической поверкой приборов. Кроме сертификации Госстандарта приборы могут сертифицироваться различными ведомствами для подтверждения соответствия их параметров требованиям данной отрасли.
Приборы, прошедшие сертификацию, удовлетворяют требованиям обеспечения единства измерений. Так, результаты сравнительных испытаний тестеров серии ПТ**** и пяти импортных моделей показали полное совпадение результатов в пределах погрешности измерений приборов. Таким образом, можно сделать вывод, инсталляторы и пользователи волоконной оптики имеют весь необходимый арсенал приборов как для работы в полевых условиях, так и для прецизионных измерений.
Литература
