Рассмотрены вопросы обеспечения точности и достоверности оценки затухания оптических волокон рефлектометрами, указаны типичные причины систематической и случайной погрешности при реальной практике измерений. Обозначены факторы и условия, при соблюдении которых среднеквадратичная ошибка измерений может быть в пределах ±0,001 дБ/км.

УДК 621.315.21, DOI: 10.22184/2070-8963.2017.69.8.36.41

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #8/2017
А.Микилев
Некоторые актуальные задачи рефлектoметрии при измерениях ОВ
Просмотры: 2436
Рассмотрены вопросы обеспечения точности и достоверности оценки затухания оптических волокон рефлектометрами, указаны типичные причины систематической и случайной погрешности при реальной практике измерений. Обозначены факторы и условия, при соблюдении которых среднеквадратичная ошибка измерений может быть в пределах ±0,001 дБ/км.

УДК 621.315.21, DOI: 10.22184/2070-8963.2017.69.8.36.41
Введение
Оптические рефлектометры (OTDR – Optical Time Domain Reflectomer) – это приборы, наиболее часто используемые для контроля коэффициента затухания, а также "оптической длины" волокон (ОВ) в оптических кабелях (ОК), для идентификации различного рода "событий" и неоднородностей ВОЛС, сварных соединений ОВ и т.д. Хотя оптическая рефлектометрия насчитывает уже более 40 лет развития [1] и хорошо известна специалистам телекоммуникаций, при знакомстве с реальной практикой измерений обычно выявляется множество типичных (а иногда и нетипичных) "вопросов". Предварительно отметим, что их основной причиной является то, что оптическая рефлектометрия не является прямым измерением. Окончательный результат, получаемый с помощью "обычного" оптического рефлектометра (не говоря уже о более сложных и "интеллектуальных" – бриллюеновских, когерентных и прочих), выдается прибором в готовом виде после скрытых от пользователя преобразований и вычислений. При этом следует иметь в виду, что типичная мощность обрабатываемого сигнала обратного рассеяния примерно в миллион раз меньше мощности исходного сигнала (зондирующего импульса, вводимого в ОВ).

Исходные положения
В данной статье не будем останавливаться на подробностях работы и устройства OTDR. Они описаны в многочисленных источниках, например, в [2]. Однако все же выделим основные исходные положения:
• оптический рефлектометр – это измерительный прибор, принцип работы которого основан на посылке периодической последовательности оптических импульсов (обычно от полупроводникового лазера), приеме и анализе рассеянного "назад" оптического излучения (back scattering) [1] с той же стороны ОВ, откуда вводится зондирующий импульс;
• объект измерений – одномодовые и многомодовые волокна (G.652, G.655 и т.п.) в оптических кабелях (ОК) и проч.;
• оптическая длина волны обычно составляет 1 550 нм и/или 1 310 нм; также могут быть номиналы 1 625, 1 650, 850 нм (последняя – для многомодовых ОВ) и др. В данной статье нас будет, в основном, интересовать диапазон длин волн около 1 550 нм, в котором затухание ОВ близко к минимуму (минимальное значение обычно отмечается на длине около 1 570 нм);
• длина измеряемого участка чаще всего находится в пределах 1–100 км, но могут быть задачи измерений длин ОВ/ОК короче 1 км или более 100 км;
• диапазон длительности зондирующего импульса обычно составляет 10–10 000 нс; для измерений, результаты которых описаны ниже, использовались длительности 100–200 нс.
Актуальные практические задачи для OTDR
В условиях типичного дефицита времени при современном производстве ОК, а также при массовом строительстве ВОЛС нередки ситуации, когда требование точности и достоверности измерений вступает в противоречие со сжатыми сроками сдачи продукции или объекта строительства. Однако, если с помощью оптического рефлектометра необходимо получить не качественный ("годен – не годен"), а количественный и при этом воспроизводимый результат измерений (например, коэффициент затухания с погрешностью на уровне ± 0,001 дБ/км), то необходимо принимать во внимание достаточно очевидный факт: погрешность измерений зависит как от характеристик прибора, так и свойств и состояния объекта измерений (волокно, ОК, участок трассы и т.д.). Чрезмерная автоматизация и "навороченность" интерфейсов некоторых OTDR с их пресловутой "гибкостью" не помогают, а чаще всего мешают быстро решить конкретную задачу.
Одна из главных задач здесь видится в том, чтобы приблизиться к упомянутой точности измерения рефлектометром – ± 0,001 дБ/км при длине ОВ около 4 км (о чем подробнее см. далее) и разумном времени усреднения (не более 10 с), необходимом для однократного измерения одного волокна. Конечно, с осознанием того, что для повышения точности в общем случае требуется увеличивать время измерений. Для практики сегодня наиболее интересен DWDM-интервал длин волн 1 550 ± 50 нм, в котором стандартное телекоммуникационное ОВ из кварцевого стекла имеет наименьшее затухание. Как правило, это значение не превышает 0,195 дБ/км. Актуальность данной задачи повышается в связи с необходимостью более точно измерять коэффициент затухания волокон последних разработок – с пониженным (LL, Low Loss) – до 0,18 дБ/км – и сверхнизким (ULL, Ultralow Loss) – 0,15–0,17 дБ/км – затуханием [5].
Факторы, влияющие на точность измерений оптическим рефлектометром
Опыт работы с типовыми коммерческими ОВ/ОК (включая LL/ULL) и "обычными" рефлектометрами выявляет ряд параметров и факторов, влияющих на точность измерений коэффициента затухания. Среди них отметим следующие:
• тип и собственно характеристики исследуемого оптического волокна;
• факторы окружающей среды, потенциально влияющие на точность измерений (температура, возможные вибрации, механические воздействия на кабель (актуально для подвесных ОВ) и т.д.). Сюда же можно отнести процессы старения ОВ в процессе эксплуатации;
• длина кабеля, участка трассы и т.д.;
• спектрально-мощностные и прочие характеристики лазера рефлектометра;
• физические параметры фотоприемника, электронной схемы и т.д.;
• качество оптики, в частности, поляризационнозависимые свойства;
• алгоритмы и другие особенности вычислительно-преобразовательной части прибора;
• методические факторы и приемы (предустановленные параметры, дополнительные приспособления и проч.).
Анализируя приведенный перечень, несложно сделать заключение, что имея конкретное волокно (ОК и прочее) в качестве объекта измерений, с конкретным рефлектометром остается не так уж много возможностей что-то усовершенствовать в методике для получения большей точности, не увеличивая время измерений. Можно предположить, что при выборе рефлектометра с бульшим динамическим диапазоном, то есть, попросту говоря, с более мощным (и стабильным) лазером (что ведет к увеличению цены прибора) мы улучшим как минимум "дальность" и, возможно, уменьшим погрешность за счет лучшего соотношения сигнал/шум. Однако, при этом имеется еще одна, пока не исследованная (насколько известно автору) опасность столкнуться в самом начале исследуемого участка ОВ, помимо отражений от входного соединителя и известного влияния "мертвой зоны", с нелинейными эффектами и, как следствие, с дополнительной погрешностью по этой причине.
Некоторые практические результаты
Опуская ряд методических подробностей и деталей, перейдем к анализу результатов ряда измерений, выполненных автором с помощью типовых промышленных оптических рефлектометров (использовались приборы Photon Kinetics, Anritsu и др.). В качестве объекта измерений привлекалось типовое одномодовое волокно G.652.D. Результаты показывают, что характерная погрешность измерений находилась в пределах, указанных в таблице.
Приведенный в таблице перечень причин погрешностей, скорее всего, неполон. Анализируя эти данные, отметим, по крайней мере, основные причины систематической погрешности – п.1 и 2 (возможно, 4), и случайные погрешности – п. 3. "Статус" остальных (п.5 и 6), пока неизвестен, но предположительно эти погрешности составляют не более 0,001 дБ/км при длинах измеряемого ОВ от 4 км. Для специалистов-практиков в связи с этим может быть интересно обратить внимание на следующее:
• производители оптических рефлектометров обычно не слишком озабочены задачей приближения длины волны конкретного прибора к номинальной длине волны данного диапазона (в первую очередь это критично для номинала 1 550 нм) и позволяют себе достаточно широкие рамки спецификации – как пример, 1 550 ± 25 нм. Кроме того, используемые в рефлектометрах лазеры излучают не в узком спектре, а обычно в полосе шириной порядка 10 нм, причем с ненормированной и случайной формой спектра. Все это с учетом типичной спектральной зависимости затухания ОВ от длины волны приводит к систематической погрешности измерения затухания. На рис.1 показано, что отличие фактической длины волны от номинальной у разных рефлектометров дает ошибку до 0,002 дБ/км, а иногда и более;
• установлено [3], что при разной длительности зондирующего импульса показания рефлектометра (на одном и том же волокне), заметно подвержены еще одной систематической ошибке. Не вдаваясь в подробности, отметим, что физическая причина данного явления – зависимость длины волны излучения лазера от его рабочей температуры, зависящей, в свою очередь, от длительности устанавливаемого импульса. В остальном же "математика" этой погрешности подобна представленной на графике рис.1 и приводит к систематической ошибке до 0,003–0,004 дБ/км для некоторых конкретных экземпляров рефлектометров;
• иногда существенным источником случайной погрешности является зависимость показаний от поляризации выходного излучения лазера. Лазерное излучение в волокне всегда поляризовано случайным образом, а один из ключевых элементов рефлектометра – направленный ответвитель, чаще всего имеет некоторую остаточную зависимость коэффициента передачи от поляризации. Это приводит к тому, что возвращаемый в фотоприемник прибора сигнал оказывается "немного амплитудно-модулированным" [2, 3]. Степень этой поляризационной зависимости, а, следовательно, и вклад в случайную погрешность зависит от "качества исполнения" рефлектометра, в смысле зависимости от поляризации. При прочих равных условиях этот вид погрешности возрастает с уменьшением длины исследуемого ОВ, и для конкретных экземпляров приборов может достигать даже 0,05 дБ/км при длине волокна 1 км (что часто наблюдалось автором). Один из способов снижения данной погрешности – так называемое "поляризационное скрэмблирование" – принудительное случайное изменение поляризации сигнала во время измерений путем легкой деформации оператором соединительного кабеля на входе рефлектометра во время измерения [2]. А продвинутые и качественные рефлектометры, по-видимому, могут (должны) иметь уже встроенный "скрэмблер", значительно снижающий данную погрешность [3].
Что касается остальных пунктов (4–6), приведенных в таблице, то они требуют дальнейшего исследования. Их значимость и вклад в общую систематическую и/или случайную погрешность пока что являются неизвестными величинами. По-видимому, эти величины на порядок меньше тех, что указаны в пп. 1–3 таблицы.
"Функция погрешности", зависящая от длины волокна
Исходя из математического определения коэффициента затухания волокна в дБ/км, а также из самых общих соображений, интуитивно понятно, что погрешность измерений будет очень велика как при малой (близкой к нулю), так и при слишком большой (теоретически близкой к бесконечности) длине измеряемого ОВ. Практические рамки интересующих нас физических длин волокна обычно ограничиваются интервалом от 1 до 100 км (конечно, на необъятных просторах России могут встретиться и участки до 200 км, однако это уже несколько иная задача). В производстве ОК наиболее "популярной" является так называемая "строительная длина", то есть длина кабеля на барабане, близкая к 4 км (возможны и другие номиналы).
Предполагая, что систематические погрешности, перечисленные до этого, каким-то образом учтены и/или устранены, и, имея целью создать некоторую основу для дальнейшей стандартизации и унификации методик измерений затухания, представляется интересным исследовать зависимость случайной ошибки (для определенности: среднеквадратичной ошибки – СКО) от физической длины исследуемого волокна. При этом логично было бы предположить, что существует некая оптимальная длина ОВ, при которой СКО будет минимальной (при прочих одинаковых условиях).
Проведенные предварительные исследования [6] показывают, что это, похоже, действительно так. На рис.2 представлена полученная автором зависимость СКО от длины волокна для трех различных рефлектометров. Объектом измерений было одномодовое волокно типа AllWave One (G.652.D / G.657.A1). Для волокон данного класса как раз достаточно критичным является правильная "квалификация" по затуханию, то есть отнесение его либо к классу LL c пониженным до 0,18 дБ/км затуханием, либо к "обычному" ОВ [5]. В случае величины затухания 0,183 дБ/км ошибка измерений, заметно бульшая, чем ±0,002 дБ/км, была бы уже, очевидно, неприемлемой, так как с вероятностью 50% мы имеем при округлении до второго знака после запятой: (0,183 +0,002) ≈ 0,18, но (0,183 +0,003) ≈ 0,19.
Полученная "функция погрешности" для трех разных рефлектометров приведена на рис.2. Систематические погрешности учтены до этого, на графиках представлена только СКО.
Анализируя графики рис.2, можно сделать следующие выводы:
• существует некоторая оптимальная длина, близкая к 10 км, при которой СКО, а, следовательно, и общая погрешность измерений затухания ОВ минимальна;
• при длинах менее 1 км СКО превышает 0,001 дБ/км, при длинах 100 м она становится порядка 0,01 дБ/км, что неприемлемо много для целого ряда задач;
• исследованные рефлектометры заметно различаются по своим возможностям, демонстрируя при одинаковых прочих условиях заметно разные СКО;
• по-видимому, в лабораторных условиях можно добиться величины СКО около 0,0001 дБ/км, а, следовательно, и надеяться на усовершенствование методик заводских и полевых измерений и характерной погрешности измерений порядка хотя бы 0,001 дБ/км при соблюдении определенного перечня условий (в данной статье для краткости изложения некоторые методические подробности опущены).
Заключение
Полученные результаты показывают, что в "классической" оптической рефлектометрии, при ее сегодняшней доступности и относительной простоте, имеется еще достаточно много неисследованных моментов и "белых пятен", мало известных, во всяком случае, для специалистов-практиков. Практические же задачи повышения эффективности производства ОВ и кабелей, снижение сроков и уменьшение затрат на строительство ВОЛС связаны с необходимостью совершенствования методик измерений (в первую очередь рефлектометрических) и устранения разного рода неопределенностей и неоднозначностей.
В данной работе сделана попытка обратить внимание на "надежность" и достоверность измерения коэффициента затухания типовыми оптическими рефлектометрами и в будущем приблизиться к характерной погрешности (и общей точности с учетом систематических ошибок) порядка ± 0,001 дБ/км для ОВ/ОК длинами около 4 км. В случае необходимости измерений с малой погрешностью затухания еще более коротких длин (менее 1 км) могут потребоваться дальнейшие исследования. При современном уровне методик и параметрах типовых приборов это (точность измерений ± 0,001 дБ/км) пока что представляется трудно достижимой задачей – реальная точность измерения затухания "километровых" длин обычно порядка 0,01 дБ/км, а иногда и хуже.
Необходимо отметить, что здесь возникает также задача наличия, доступности и собственно физических характеристик эталонов затухания ОВ. Но это уже другая, весьма обширная тема [4].
ЛИТЕРАТУРА
1. Barnoski M.K., Jensen S.M. Fiber waveguides: a novel technique for investigating attenuation characteristics // Applied Optics. 1976. Vol. 15. P. 2112–2115.
2. Листвин А.В., Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон. – М.: ЛЕСАРТ, 2005.
3. Белянко Е.В., Бобров В.И., Гринштейн М.Л., Зюзин М.С. Повышение точности измерения коэффициента затухания ОВ оптическим рефлектометром // Фотон-экспресс. 2016. № 6. С. 26–27.
4. Иванов В.С., Кравцов В.Е., Крутиков В.Н., Тихомиров С.В. Метрология волоконно-оптических систем: особенности, история развития, современное состояние // Фотон-экспресс. 2015. № 5. С. 24.
5. Микилев А. Оптические волокна стандартной группы: эволюция и перспективы // ПЕРВАЯ МИЛЯ. 2015. № 6. С. 34–39.
6. Микилев А.И. Некоторые задачи классической OTDR-рефлектометрии при измерении коэффициента затухания одномодовых ОВ/ОК // В кн.: Тезисы докладов Всероссийской конференции по волоконной оптике, г. Пермь, 3–6 октября 2017 г.
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art