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无线电电子与电气工程百科全书 光纤信息传输系统的测量。 无线电电子电气工程百科全书
现代光纤传输系统具有高速能力和宽带性、稳定性和可靠性，信息传输可靠性高。 为了满足这些品质，其所有元素都必须在严格的技术框架内发挥作用。 但是，如何控制光缆（光线）的众多参数，其中信息载体是光子流，而不是电子通信线路中的电子流？ 在这里，传统的测量设备不适合。 已发表的文章中描述了用于测量和控制此类通信线路中的参数的方法和仪器。 对于光纤传输系统 (FOTS) 以及任何电缆系统（同轴电缆或平衡电缆），在施工、调试、认证和调试测试以及承载期间的操作过程中必须测量一些通用参数做好预防工作。 同时，由于信息载体是光子通量，FOTS具有显着的特点。 为了在光学范围内工作，需要使用产生相干辐射的光量子发生器（激光器）、量子光电探测器（光电二极管和光电晶体管）、光纤本身以及许多其他元件。 他们不仅制造了 FOTS 终端设备，还制造了测量仪器。 在 FOTS 上，有必要测量以下通用参数： 1) 引入线路的光辐射的平均相对功率，单位为dBm（dB re 1 mW）； 2) 线路中光信号的衰减dB； 3) 对于传输路径中给定的错误率，传输系统的灵敏度（以 dBm 为单位）； 4) 以微米或纳米为单位的光辐射波长； 5) 辐射谱线宽度，nm； 6) 光脉冲在光路中的色散，ps/nm*km。 除了测量这些参数外，系统还控制在发生事故（例如光缆断裂）时自动关闭激光器，以及在测试恢复后临时打开的频率和持续时间。线。 量子和光学 FOTS 元件的测量特性也具有特定的特征，特别是发射器 - 半导体激光器的参数：辐射波长 leav（μm 或 nm）、谱线宽度 Dl（nm）、平均辐射功率 Po（毫瓦）等 了解光电探测器的参数也很重要：光电探测器的光谱灵敏度范围（μm）、灵敏度（A/W）、暗电流值（nA）、光电二极管的本征电容（pF）、光电二极管的尺寸（直径）感光面积（μm）、量子效率（h）。 以下参数是在光纤和光缆中测量的： 在 1 km 长度上引入的 OF 或 OK 的千米衰减，单位为 dB/km； 光脉冲色散，ps/nm·km； 折射率分布的类型； 带保护套的纤维直径，必要时不带保护套的纤维直径，单位为微米； 对于多模光纤 - 数值孔径。 本文中所谓的广义参数是主要参数，需要在 FOTS 的设计、建造和运行的各个阶段进行测量。 平均光功率 Po 的测量。为了测量该参数，需要一个对相应光谱波长范围内的光辐射敏感的传感器。 在我们的例子中，这是三个范围（根据公认的术语 - 三个透明度窗口）： I OP - Dl1=0,82...0,86 µm； II OP - Dl2=1,31...1,35 µm； III OP - Dl3=1,53...1,56 µm。 为了测量光辐射的平均功率，使用了专门为此目的设计的光电二极管。 该设备可以连接光纤，单模和多模均可，直径可达500微米。 用光电二极管测量光功率是基于光辐射引起的光电流IPD的比率，它与平均光功率成正比，与波长成反比。 因此，针对相应透明度窗口，功率计的刻度以毫瓦 (mW) 或 dBm 为单位进行校准。 目前，平均光功率计由国内企业和多家国外企业生产。 几乎所有此类设备都具有尺寸小、重量轻、自主供电的特点，并且可以在实验室或工厂条件下使用，也可以在施工、调试以及 FOTS 运行过程中使用。 仪表板是在数字指示器（最常见的是液晶指示器）的基础上制成的。 它们具有三个透明度窗口的测量范围开关 - 0,85 µm、1,3 µm 和 1,55 µm、mW/dBm 校准开关和调零拨盘。 测量的光辐射是借助端接有光连接器（最常见的是 FC 或 PC 类型）的光纤提供的，光连接器的插座（插座）安装在设备的侧壁之一上。 表中列出了器件的光学参数、尺寸、重量和工作条件，其中一些器件的总体视图如图 1 所示。 2 和 XNUMX。
测量衰减就OK了并且在线上。 光纤 (OF) 和光缆 (OC) 中光信号能量的衰减（或损失）是由于吸收、局部不均匀性上的光散射以及材料分子上的瑞利（分子）光散射造成的。 此外，在引入 OF 的功率水平增加（超过 13 dBm）时，诸如所谓的受激拉曼散射之类的物理现象被添加到确定损耗的因素中。 由于材料缺陷引起的吸收衰减已经变得非常小，难以测量，并且在光信号功率小于10 mW时，光纤中的损耗主要由瑞利散射决定。 这种类型的散射发生在二氧化硅 SiO2 分子上。 其功率与波长的四次方成反比，即随着波长的增加，这种损耗迅速减小。 当拼接结构长度时，会发生额外的损失。 它们出现在局部不均匀处、光纤末端的焊接或粘合处。 局部不均匀性还包括 OF 端部的平坦端部，能量从平坦端部反射到相反（内部）方向。 对于石英 OF，这些损耗约为入射功率的 4%（或 -14 dB）。 有几种方法可以测量光辐射在光纤中传播时的衰减：两点法、替代法、时域瑞利反向散射法、光纤提取法。 在这些方法中，最简单、最可靠的是点对点方法，用于施工、调试和运行。 它又分为三种：断裂法、无断裂法和校准散射法。 在建筑和研究实践中应用最广泛的是纤维断裂方法。 光辐射被引入光纤的输入端（该端必须平坦且垂直于光纤轴）。 在这种情况下，辐射源和 OF 的输入端被刚性固定，以便在测量期间不会违反能量输入到 OF 的条件。 获取已知长度 L0 的 OB。 输出端插入仪表的接收单元并牢固地固定在其中。 之后，测量从光纤输出端出来的光功率P1的值。 该值被记录。 此外，从劈开方法的OF中分离出长度L1的光纤。 长度为L2=L0-L1的剩余光纤的输出端也必须平坦且垂直于OF轴，这是由特殊显微镜控制的。 如果出口端质量不合格，则重新切割并控制光纤。 获得所需质量的端面后，再次引入光功率计的接收单元，固定光功率P2。 这样，长度为L1的光纤输出端和输入端P1的光功率值P2就确定了。 长度为 L1 的光纤中的衰减由公式 k=P2/P1（倍）或 a=10lgP2/P1（dB）确定。 该方法的优点是不需要特殊仪器，因为任何标准记录设备都适合其实施。 但这种方法也有一个显着的缺点：属于“破坏性”类型，效率较低。 实际中，更常用的是第二种两点法——无损测量。 通过这种方法，给定波长的光辐射源由输出单纤光缆提供，该输出光缆的末端端接到光连接器中。 由于现代光纤和光连接器的几何和光学参数的分布非常小，因此将一个光连接器连接到另一光连接器时衰减值的分布不超过0,1 dB。 综上所述，根据以下方案进行的 0V 或 OK 衰减测量是正确的。 光功率计连接到发射器的输出连接器并记录接收到的数据。 然后将输出连接器连接到0V输入端（这是OK的组成部分），也嵌入OR中，并在其输出端连接一个功率计。 根据测得的功率值，使用上述公式计算衰减。 为了使用所描述的方法测量衰减，业界生产了光学测试仪。 此类设备在一个外壳中包含稳定的校准辐射源和光功率计。 一些公司生产由两个独立单元组成的光学测试仪 - 发射器和功率计。 在某些情况下，由两个独立单元组成的光学测试仪会更方便，因为它允许您在线路的不同端进行测量。 两种类型的测试仪均由例如 SIMENS 制造。 第二种类型的测试仪包括Almaz类型的国产设备。 该设备允许您测量以下五个波长之一的光信号功率和衰减：850、1310、1540、1550 和 1560 nm。 测量值范围为-50...+3 dB，绝对误差不高于+0,2 dB。
基于时域瑞利反向散射测量的反射测量方法在评估现代 FOCL 的衰减水平方面得到了最大的应用。 为此，将具有持续时间 t 和重复周期 Ti 的周期性光脉冲序列引入光纤中。 能量脉冲将返回到输入端。 它们的幅度与光脉冲的功率成正比，该光脉冲与输入（参考）脉冲间隔一定时间，该时间等于脉冲在正向和反向方向上的传播时间。 如果在示波器屏幕上查看这些信号，我们会看到一些充满噪声的曲线，其平均值随着时间呈指数下降。 这样的曲线无法准确读取读数，使用不方便。 然而，通过周期性地重复该曲线，可以多次累积结果，从而可以获得清晰的衰减与被测光纤长度的关系线。 由于在通信技术中所有相关参数均以 dB 为单位进行测量，因此该曲线在其每个垂直坐标上都进行了对数，因此它采用倾斜直线的形式。 所描述的衰减值对光纤长度的依赖性称为光学反射图。 显然，反射图不仅可以用来确定衰减，还可以确定光纤的长度、到局部不均匀性的距离，包括损伤点 0 V。
与其他衰减测量方法相比，反射法具有许多优点：测量是在线路的一端或光缆或光纤的一端进行的； 效率; 能够确定 0V 或 OK 的长度、局部不均匀性的位置（例如 0V 裂纹或小半径弯曲）； 连续监测整个路线及其诊断的可能性。 光学反射计（图 3 和 4）由世界各地的多家公司生产（表 2）。
测量现代传输系统的灵敏度。 决定传输质量的主要参数是数字信息传输中出错的概率。 目前，给定数量的传输符号（10 和 9）的错误概率等于 10-12 ... 5-XNUMX（取决于传输速率），被视为标准。 数字传输系统的灵敏度被理解为接收时仍能观察到指定的错误概率值的最小信号功率。 对于光纤传输系统，灵敏度测量是使用光学可变衰减器进行的。 它们按照以下方案工作（图 XNUMX）。
与在实线中传输的代码相对应的代码中的数字信号的伪随机序列从误码率计(ECO)被馈送到STM设备的组数字信号的电输入。 在STM设备中，该信号被转换为数字信号，该信号被馈送到传输单元的光连接器。对于该输出，使用单纤光缆（OK）、光可变校准衰减器（ ATT）连接，其输出也通过光缆连接至光信号接收单元STM硬件。 接收到的数字信号从接收路径的电输出连接到 PPI 输入。 在使用光功率计开始测量之前，在接收路径的输入端设置此类 STM 设备的最大允许光功率水平。 这是通过减少可变校准衰减器引入线路的衰减来实现的。 同时，记录 ATT 读数。 然后将线路电缆从 IM 功率计断开并连接到 STM 接收路径的光输入。 在该模式下测量误码率并存储结果后，通过 ATT 衰减器向光路引入衰减，直到误码率（也称为误码概率）增加到值 Posh>10-9（ 10-10).之后将线性光缆与STM接收路径的光输入断开并重新连接到IM功率计。 该功率将决定系统的灵敏度。 他们还记得 ATT 引入光路的衰减量。 业界生产用于 FOCL 测量的可变校准衰减器。 例如，HEWLET PACKARD 的 OLA-15 E-0004 型可变光衰减器。 这种类型的衰减器可以将 -3 至 -60 dB 的衰减引入 FOCL。 衰减值以数字方式显示。 规定范围内的衰减变化以0,1dB的步长平滑地进行。 国内工业也生产此类衰减器，例如NTGV243型。 它引入的衰减范围为-1 至-45 dB。 指示读数 - 游标。 光辐射的波长和光谱带的测量。 众所周知，在 FOCL 的区域和本地网络中，使用 0V，主要有第二个透明窗口，在干线网络中则使用第三个透明窗口。 在各种 FOCL 系统中，可以使用与给定透明窗口不一致的一种或另一种波长的光纤放大器。 这可能是正在建设或修复的系统无法工作的原因。 因此，测量辐射波长的重要性是可以理解的。 除了波长之外，了解谱线的宽度（即光辐射的带宽）也很重要。 FOCL 的各个部分与此参数的不一致会导致光脉冲在光线路中传播时发生色散（即展宽）。 线宽不匹配对 STM-4、STM-16、STM-64 等传输系统的质量性能影响特别大。 光辐射的波长和光谱线的宽度是使用特殊设备——光谱分析仪来测量的。 这些设备由许多外国公司批量生产，例如惠普。 在光纤和光缆的生产和工厂测试过程中也会测量光脉冲的色散。 该行业还生产用于测量 FOCL 中光脉冲色散的特殊设备。 这样的装置包括例如由传热研究所(明斯克)制造的ID-3型装置。 这里，仅命名了 FOCL 系统中测量的一些参数，但实际上，还测量了其他特性，这些特性也是传统通信系统所固有的。 作者：O. Sklyarov，博士技术。 科学，莫斯科
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