Medições em sistemas de transmissão de informação por fibra óptica. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Os modernos sistemas de transmissão de fibra óptica possuem alta velocidade e capacidade de banda larga, estabilidade e confiabilidade e um alto grau de confiabilidade na transmissão de informações. Para satisfazer estas qualidades, todos os seus elementos devem funcionar dentro de limites técnicos estritos. Mas como controlar os inúmeros parâmetros de um cabo óptico, fios ópticos, em que o portador da informação é um fluxo de fótons, e não de elétrons, como nas linhas de comunicação elétrica? Aqui os dispositivos de medição tradicionais não são adequados. Os métodos e instrumentos utilizados na medição e monitoramento de parâmetros nessas linhas de comunicação estão descritos no artigo publicado.

Para um sistema de transmissão de fibra óptica (FOTS), como para qualquer sistema de cabos (em cabos coaxiais ou simétricos), existem parâmetros gerais que devem ser medidos durante a construção, comissionamento, certificação e testes de comissionamento, bem como durante a operação. trabalho preventivo. Ao mesmo tempo, o FOSP possui características significativas devido ao fato de o portador da informação ser um fluxo de fótons.

Para operar na faixa óptica são utilizados geradores quânticos ópticos (lasers) que geram radiação coerente, fotodetectores quânticos (fotodiodos e fototransistores), a própria fibra óptica e uma série de outros elementos. Eles criaram não apenas equipamentos terminais para VOSP, mas também instrumentos de medição. Os seguintes parâmetros gerais devem ser medidos no FOSP:

1) a potência relativa média da radiação óptica introduzida na linha, em dBm (dB relativo a 1 mW);

2) atenuação do sinal óptico na linha em dB;

3) sensibilidade do sistema de transmissão em dBm para uma determinada taxa de erro no caminho de transmissão;

4) comprimento de onda da radiação óptica em mícrons ou nm;

5) largura da linha espectral de radiação, nm;

6) dispersão do pulso óptico no caminho óptico, ps/nm*km.

Além de medir esses parâmetros, o sistema controla o desligamento automático do laser em caso de acidente (por exemplo, ruptura do cabo óptico), bem como a frequência e duração de seu acionamento temporário ao testar a linha restaurada .

As características medidas dos elementos quânticos e ópticos do FOSP também possuem características específicas, especialmente os parâmetros do emissor - um laser semicondutor: comprimento de onda de radiação liz (μm ou nm), largura da linha espectral Dl (nm), potência média de radiação Po ( mW), etc.

Também é importante conhecer os parâmetros dos fotodetectores: faixa de sensibilidade espectral do fotodetector (µm), sensibilidade (A/W), valor da corrente escura (nA), capacitância intrínseca do fotodiodo (pF), tamanho (diâmetro) do área fotossensível (µm), eficiência quântica (h).

Os seguintes parâmetros são medidos em fibra óptica e cabo: atenuação quilométrica de OF ou OC introduzida ao longo de 1 km, em dB/km; dispersão de pulso óptico, ps/nm km; tipo de perfil de índice de refração; diâmetro do agente de aquecimento com casca protetora e, se necessário, sem ela, em mícrons; para OFs multimodo - abertura numérica.

Os parâmetros denominados generalizados neste artigo são básicos e estão sujeitos a medições em diversas etapas de projeto, construção e operação do FOTS.

Medição da potência óptica média Po. Para medir este parâmetro, é necessário um sensor que seja sensível à radiação óptica na faixa de comprimento de onda espectral correspondente. No nosso caso, são três faixas (de acordo com a terminologia aceita - três janelas de transparência): I OP - Dl1=0,82...0,86 µm; II OP - Dl2=1,31...1,35 µm; III OP - Dl3=1,53...1,56 µm.

Para medir a potência média da radiação óptica, são utilizados fotodiodos especialmente concebidos para este fim. O dispositivo pode ser conectado a fibras ópticas, tanto monomodo quanto multimodo, cujo diâmetro pode atingir até 500 mícrons. A medição da potência óptica usando um fotodiodo é baseada na razão da fotocorrente I PD causada pela radiação óptica, que é proporcional à potência média da radiação óptica e inversamente proporcional ao comprimento de onda. Assim, a escala do medidor de potência é graduada em miliwatts (mW) ou dBm para a janela de transparência correspondente.

Atualmente, os medidores de potência óptica média são produzidos pela indústria nacional e por diversas empresas estrangeiras. Quase todos esses dispositivos são pequenos em tamanho, peso, autoalimentados e podem ser usados ​​​​tanto em laboratório ou fábrica, quanto durante a construção, comissionamento e também durante a operação do VOSP. O painel de instrumentos é baseado em indicadores digitais, geralmente de cristal líquido. Eles possuem interruptores de faixa de medição para três janelas de transparência - 0,85 µm, 1,3 µm e 1,55 µm, interruptores de calibração mW/dBm e um dial zero. A radiação óptica medida é fornecida por meio de uma fibra óptica terminada em um conector óptico (na maioria das vezes do tipo FC ou PC), para o qual os soquetes (soquetes) do conector óptico são instalados em uma das paredes laterais dos dispositivos.

Os parâmetros ópticos, dimensões, peso e condições de operação dos dispositivos são apresentados na tabela, e uma visão geral de alguns deles é mostrada na Fig. 1 e 2.

(clique para ampliar)

Medição de atenuação em OK e em linha. A atenuação (ou perda) da energia do sinal óptico em uma fibra óptica (OF) e em um cabo óptico (OC) é causada pela absorção, espalhamento de luz em heterogeneidades locais e espalhamento de luz Rayleigh (molecular) em moléculas de material. Além disso, em níveis aumentados de potência introduzidos no OF (mais de 13 dBm), fenômenos físicos como, por exemplo, o chamado espalhamento Raman estimulado são adicionados aos fatores determinantes das perdas.

A atenuação devido à absorção devido a defeitos nos materiais tornou-se tão pequena que são difíceis de medir e quando a potência do sinal óptico é inferior a 10 mW, as perdas na fibra óptica são determinadas principalmente pelo espalhamento Rayleigh. Este tipo de espalhamento ocorre em moléculas de quartzo SiO2. Sua potência é inversamente proporcional à quarta potência do comprimento de onda, ou seja, à medida que o comprimento de onda aumenta, tais perdas diminuem rapidamente.

Perdas adicionais ocorrem em OK ao unir comprimentos de construção. Eles aparecem em heterogeneidades locais, locais de soldagem ou colagem de pontas de fibras ópticas. As heterogeneidades locais também incluem extremidades planas nas extremidades da fibra óptica, a partir das quais a energia é refletida na direção oposta (interna). Para um OF de quartzo, essas perdas são de aproximadamente 4% (ou -14 dB) da potência incidente.

Existem vários métodos para medir a atenuação da radiação óptica durante sua propagação em uma fibra óptica: dois pontos, substituição, retroespalhamento Rayleigh no domínio do tempo, extração de fibra óptica.

Dos métodos listados, o mais simples e confiável, usado na construção, comissionamento e operação, é o de dois pontos. Este, por sua vez, é dividido em três tipos: método de ruptura, método sem quebra e método de espalhamento calibrado.

O método mais amplamente utilizado na prática de construção e pesquisa é o método de quebra de fibra. A radiação óptica é introduzida na extremidade de entrada da fibra óptica (que deve ser plana e perpendicular ao eixo da fibra óptica). Neste caso, a fonte de radiação e a extremidade de entrada do OF são rigidamente fixadas para que durante as medições as condições de entrada de energia no OF não sejam violadas. Um OB de comprimento conhecido L0 é obtido. A extremidade de saída é inserida na unidade receptora do medidor e fixada rigidamente nela. Depois disso, é medida a potência óptica P1 que emerge da extremidade de saída da fibra óptica. Este valor é registrado. A seguir, a fibra de comprimento L1 é separada do OB dos métodos de clivagem. A extremidade de saída da fibra restante com comprimento L2 = L0-L1 também deve ser plana e perpendicular ao eixo OB, que é controlado por um microscópio especial. Se a qualidade da extremidade de saída for insatisfatória, a fibra é clivada novamente e inspecionada. Após receber o final da qualidade exigida, ele é reinserido na unidade receptora do medidor de potência óptica e a potência óptica P2 é registrada. Assim, são determinados os valores da potência óptica P1 na saída de uma fibra de comprimento L1 e na sua entrada P2. A atenuação em uma fibra de comprimento L1 é determinada pela fórmula k=P2/P1 (vezes) ou a=10lgP2/P1 (dB).

A vantagem deste método é que não requer instrumentos especiais, uma vez que quaisquer dispositivos de gravação padrão são adequados para sua implementação. Mas esse método também tem uma desvantagem significativa: é do tipo “destrutivo” e tem baixa eficiência.

Na prática, o segundo tipo de método de dois pontos é usado com mais frequência - medição não destrutiva. Neste método, uma fonte de radiação óptica em um determinado comprimento de onda é fornecida com um cabo óptico de saída de fibra única, cuja extremidade está embutida em um conector óptico. Como as fibras ópticas e os conectores ópticos modernos apresentam variações muito pequenas nos parâmetros geométricos e ópticos, a variação nos valores de atenuação ao conectar um conector óptico a outro não excede 0,1 dB. Do exposto, conclui-se que as medições de atenuação em 0V ou OK, realizadas de acordo com o esquema a seguir, estão corretas. Um medidor de potência óptica é conectado ao conector de saída do emissor e os dados recebidos são registrados. Em seguida, o conector de saída é conectado à extremidade de entrada 0V (que é parte integrante do OK), também embutido no OR, e um medidor de energia é conectado à sua extremidade de saída. A partir do valor de potência medido, a atenuação é calculada usando a fórmula acima.

Para medir a atenuação usando o método descrito, a indústria produz testadores ópticos. Tais dispositivos contêm uma fonte de radiação calibrada estável e um medidor de potência óptica em um único invólucro. Algumas empresas produzem testadores ópticos que consistem em dois blocos separados - um emissor e um medidor de potência. Um testador óptico, composto por dois blocos separados, em alguns casos acaba sendo mais conveniente, pois permite medições em diferentes extremos da linha. Ambos os tipos de testadores são fabricados, por exemplo, pela SIMENS. O segundo tipo de testadores inclui dispositivos domésticos do tipo Almaz. Este dispositivo permite medir a potência e atenuação do sinal óptico no OK em um dos cinco comprimentos de onda: 850, 1310, 1540, 1550 e 1560 nm. A faixa de valores medidos é de -50...+3 dB com um erro absoluto não superior a +0,2 dB.

O método mais utilizado para avaliar o nível de atenuação em links de fibra óptica modernos é o método de reflectometria, baseado na medição do retroespalhamento de Rayleigh no domínio do tempo. Para fazer isso, uma sequência periódica de pulsos ópticos de duração t e período de repetição Ti é introduzida na fibra óptica. Os pulsos de energia retornarão ao final da entrada. Sua amplitude é proporcional à potência dos pulsos ópticos espaçados do pulso de entrada (referência) por um tempo igual ao tempo de deslocamento do pulso nas direções direta e reversa. Se observarmos esses sinais na tela de um osciloscópio, veremos uma certa curva cheia de ruído, cujo valor médio diminui exponencialmente ao longo da escala de tempo. Tal curva não permite leituras precisas e é inconveniente de usar. Porém, a repetição periódica da curva permite acumular resultados múltiplas vezes, o que permite obter uma linha de atenuação limpa dependendo do comprimento da fibra medida. Como na tecnologia de comunicação todos os parâmetros relativos são medidos em dB, esta curva é logaritmizada em cada uma de suas coordenadas verticais, por isso assume a forma de uma linha reta inclinada. A dependência descrita do valor de atenuação no comprimento da fibra é chamada de reflectograma óptico.

Obviamente, a partir do reflectograma é possível determinar não só a atenuação, mas também o comprimento da fibra óptica, a distância às heterogeneidades locais, incluindo o local do dano 0 V.

O método de reflectometria apresenta uma série de vantagens sobre outros métodos de medição de atenuação: a medição é feita em uma extremidade da linha ou em uma extremidade de um cabo ou fibra óptica; eficiência; a capacidade de determinar o comprimento de 0B ou OK, a localização da heterogeneidade local (por exemplo, uma fissura 0B ou uma curva de pequeno raio); a capacidade de monitorar constantemente todo o percurso e diagnosticá-lo.

Os refletômetros ópticos (Fig. 3 e 4) são produzidos por diversas empresas ao redor do mundo (Tabela 2).

Medindo a sensibilidade de sistemas de transmissão modernos. O principal parâmetro que determina a qualidade da transmissão é a probabilidade de erro na transmissão de informações digitais. Atualmente, a norma é a probabilidade de erro para um determinado número de símbolos transmitidos (zeros e uns) igual a 10-9...10-12 (dependendo da velocidade de transmissão). A sensibilidade de um sistema de transmissão digital é entendida como a potência mínima do sinal na recepção na qual a probabilidade de erro especificada ainda é observada. Para sistemas de transmissão de fibra óptica, as medições de sensibilidade são feitas usando atenuadores ópticos variáveis. Eles funcionam de acordo com o seguinte esquema (Fig. 5).

Uma sequência pseudo-aleatória de um sinal digital em um código correspondente ao que é transmitido na linha real é fornecida à entrada elétrica do sinal digital de grupo do equipamento STM do medidor de taxa de erro (ER). Nos equipamentos STM, esse sinal é convertido em digital, que é fornecido ao conector óptico da unidade de transmissão.A entrada de um atenuador óptico calibrado variável (ATT) é conectada a esta saída por meio de um cabo óptico de fibra única (OC ), cuja saída também é conectada por meio de um cabo óptico ao equipamento da unidade receptora de sinal óptico STM. Da saída elétrica do caminho de recepção, o sinal digital recebido é conectado à entrada PPI.

Antes de iniciar as medições usando um medidor de potência óptica, o nível de potência óptica máximo permitido para um determinado tipo de equipamento STM é definido na entrada do caminho de recepção. Isto é feito reduzindo a atenuação introduzida na linha por um atenuador calibrado variável. Ao mesmo tempo, as leituras da ATT são registradas. Em seguida, o cabo de linha é desconectado do medidor de potência MI e conectado à entrada óptica do caminho de recepção STM. Após medir o coeficiente de erro neste modo, cujo resultado é armazenado, a atenuação é introduzida no caminho óptico pelo atenuador ATT até que o coeficiente de erro (também chamado de probabilidade de erro) aumente para o valor Posh>10-9 (10-10 ) Depois disso, o cabo óptico linear é desconectado da entrada óptica do caminho de recepção do STM e reconectado ao medidor de potência MI. Esta potência será o valor que determina a sensibilidade do sistema. A quantidade de atenuação introduzida pelo ATT no caminho óptico também é lembrada.

A indústria produz atenuadores calibrados variáveis ​​para medições em linhas de fibra óptica. Como exemplo podemos citar um atenuador óptico variável do tipo OLA-15 E-0004 da HEWLET PACKARD. Um atenuador deste tipo pode introduzir atenuação em um link de fibra óptica de -3 a -60 dB. O valor de atenuação é exibido digitalmente. A atenuação na faixa especificada muda suavemente em passos de 0,1 dB.

A indústria nacional também produz tais atenuadores, por exemplo, tipo NTGV243. A faixa de atenuação que introduz é de -1 a -45 dB. A leitura é vernier.

Medição de comprimento de onda e banda espectral de radiação óptica. Sabe-se que em redes de fibra óptica zonais e locais é utilizado 0V, possuindo principalmente uma segunda janela de transparência, em redes troncais - uma terceira. Em vários sistemas de comunicação de fibra óptica, podem ser utilizados amplificadores de fibra óptica de um ou outro comprimento de onda que não coincide com uma determinada janela de transparência. Esta pode ser a razão pela qual o sistema que está sendo construído ou reparado não funcionará. Portanto, a importância de medir o comprimento de onda da radiação é clara. Além do comprimento de onda, também é importante conhecer a largura de linha espectral (ou seja, a largura de banda da radiação óptica). A discrepância entre diferentes seções do link de fibra óptica para este parâmetro leva à dispersão (isto é, alargamento) dos pulsos ópticos à medida que se propagam na linha óptica. A incompatibilidade de largura de linha espectral tem um impacto particularmente forte no desempenho de qualidade nos sistemas de transmissão STM-4, STM-16, STM-64, etc.

O comprimento de onda da radiação óptica e a largura da linha espectral são medidos usando um dispositivo especial - um analisador de espectro óptico. Esses dispositivos são produzidos em massa por diversas empresas estrangeiras, por exemplo, HEWLET PACKARD.

A dispersão dos pulsos ópticos também é medida durante a produção e testes de fábrica de fibra óptica e cabo óptico. A indústria também produz instrumentos especiais para medição da dispersão de pulsos ópticos em links de fibra óptica. Tais dispositivos incluem, por exemplo, um dispositivo do tipo ID-3 produzido pelo Heat Transfer Research Institute (Minsk).

Aqui foram nomeados apenas alguns parâmetros que são medidos em sistemas de comunicação por fibra óptica, na prática são medidas outras características que também são inerentes aos sistemas de comunicação convencionais.

Autor: O. Sklyarov, Ph.D. tecnologia. Ciências, Moscou

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