Главы из книги
Листвин A.B. Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон (скачать PDF)


Оглавление
и
предисловие
книги


Методика измерения длины волокна
Инструментальные ошибки
→ Типичные ошибки оператора
Методические ошибки
Разрешающая способность при измерении длины

Часть 3. Применения OTDR.
Раздел I. Измерение длины. § 3.

Типичные ошибки оператора

Перед началом измерений в рефлектометре необходимо установить величину группового показателя преломления волокна и диапазон измеряемых длин. Диапазон измеряемых длин устанавливается немного больше измеряемой длины волокна. Так, чтобы в конце рефлектограммы был виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и шумовая дорожка, образующаяся в отсутствие сигнала обратного рассеяния света в волокне.

Если значение диапазона измеряемых длин установлено меньше длины измеряемого волокна, то в рефлектограмме появляются ложные сигналы. Они образуются потому, что рефлектометр посылает следующий импульс раньше, чем успеет вернуться предыдущий импульс. В результате в фотоприемник в одно и тоже время поступают импульсы, отраженные от разных участков волокна, как это показано на рис. 3.3.

Рефлектограмма линии при диапазоне 30 км Рефлектограмма линии при диапазоне меньшим длины линии
Рис. 3.3. Рефлектограммы линии при разных значениях диапазона измеряемых длин: а) Диапазон измеряемых длин (30 км) больше длины линии (25 км) б) Диапазон измеряемых длин (20 км) меньше длины линии (25 км)

На рис. 3.3а изображена рефлектограмма отрезка волокна длиной 25 км, полученная при правильной установке диапазона измеряемых длин (30 км, т.е. больше длины волокна). В конце рефлектограммы виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и видна шумовая дорожка.

Оценим время, затрачиваемое импульсом света на прохождение через этот отрезок волокна (туда и обратно) и время, через которое рефлектометр посылает очередной импульс света. Учитывая, что коэффициент пересчета равен 0.1 км/мкс, получаем, что при диапазоне измеряемых длин в 30 км, рефлектометр посылает импульсы света через каждые 0.3 мс. В тоже время импульс света, отраженный от торца волокна длиной 25 км, возвращается в рефлектометр через 0.25 мс, т.е. раньше, чем рефлектометр пошлет в волокно следующий импульс.

На рис. 3.3б изображена рефлектограмма того же отрезка волокна (длиной 25 км), полученная при неправильной установке диапазона измеряемых длин (20 км, т.е. меньше длины волокна). В этом случае рефлектометр посылает в волокно импульсы света через каждые 0.2 мс. При этом импульс света, отраженный от торца волокна, возвращается в рефлектометр через 0.25 мс, то есть получается, что очередной импульс рефлектометр посылает в волокно раньше, чем вернется предыдущий импульс, отраженный от торца волокна.

В результате фотоприемник регистрирует два импульса отраженных от заднего торца волокна. При этом ложный импульс будет отображен ближе к началу рефлектограммы. Как видно из рис. 3.3б, ложный импульс появляется на расстоянии 5 км, равном разности между длиной линии (25 км) и величиной (неправильно установленного) диапазона измеряемых длин (20 км).

Ложный импульс можно обнаружить не только по его местоположению, но и по тому, что у него нет ступеньки, какая обычно бывает из-за потерь в неоднородности. Кроме того, при неправильной установке диапазона измеряемых длин в конце рефлектограммы не будет виден всплеск сигнала отражения от торца волокна и не будет видна шумовая дорожка, образующаяся в отсутствие сигнала обратного рассеяния света в волокне.

Для того, чтобы представить рефлектограмму как функцию длины волокна, необходимо знать величину группового показателя преломления волокна или, иначе говоря, скорость распространения импульса света в волокне. Импульс света можно рассматривать как совокупность близких по частоте монохроматических волн. В вакууме все эти монохроматические волны распространяются с одной и той же фазовой скоростью с – скоростью света в вакууме. С этой же скоростью будет распространяться и импульс света.

При распространении импульса света в волокне дело обстоит сложнее. Показатель преломления волокна зависит от длины волны, причем по двум причинам. Во-первых, из-за того, что показатели преломления сердцевины и кварцевой оболочки волокна зависят от длины волны (материальная дисперсия). Во-вторых, потому, что волна распространяется частично в сердцевине и частично в оболочке и показатель преломления волокна принимает некое среднее значение между величиной показателя преломления сердцевины и кварцевой оболочки. При изменении длины волны изменяется глубина проникновения поля волны в кварцевую оболочку и, соответственно, величина эффективного показателя преломления (волноводная дисперсия).

В среде с дисперсией каждая из монохроматических волн, на которые разлагается импульс, распространяется со своей фазовой скоростью с/n(λ), где n(λ) - показатель преломления среды (фазовый). В результате оказывается, что импульс света не только деформируется, но весь он (например, его вершина) перемещается со скоростью (групповой), отличающейся от фазовой скорости любой его монохроматической составляющей. По аналогии с фазовой скоростью (с/n) скорость перемещения импульса v (групповую скорость) принято характеризовать групповым показателем преломления: v = c/nГ. Групповой показатель nГ связан с фазовым показателем преломления n соотношением: nГ = n - λ×(dn/dλ). В отсутствие дисперсии (dn/dλ = 0), как легко видеть, nГ = n и скорость (групповая), с которой распространяется импульс, совпадает с фазовой скоростью.

Степень легирования сердцевины и геометрические параметры SM волокон у разных компаний производителей волокна могут немного различаться. Как видно из таблицы 3.2, типичные значения групповых показателей преломления SM волокон разных производителей отличаются друг от друга в третьем знаке после запятой (± 0.2 %). При длине волокна 30 км ошибка в установке величины группового показателя преломления в 0.2 % приводит к ошибке в определении длины волокна в 60 м.


Таблица 3.2. Типичные значения групповых показателей преломления для стандартных одномодовых (SM) волокон

Компания производительAlcatelCorningHitachiOFSPirelliSamsung
Групповой
показатель
преломления
λ = 1310 нм1,46401,46771,4661,4661,4671,4690
λ = 1550 нм1,46451,46821,4671,4671,4681,4695

Величина группового показателя волокна обычно приводится в спецификациях на оптический кабель, но иногда это не делается. В этом случае в рефлектометре можно установить среднее значение группового показателя преломления для SM волокон: nГ = 1.467. Как видно из таблицы № 3.2, практически для всех волокон типичное значение группового показателя преломления отличается от этого среднего на величину ~ 0.2 %.

В некоторых задачах необходимо знать с хорошей точностью разность групповых показателей преломления на разных длинах волн. Например, когда при поиске сильно изогнутых участков волокон надо сравнить рефлектограммы, измеренных на разных длинах волн. Для того, чтобы проводить такое сравнение, необходимо чтобы расстояния межу неоднородностями в этих рефлектограммах были одинаковыми. Наличие изгиба в волокне удается идентифицировать потому, что потери, вносимые при изгибе волокна, сильно зависит от длины волны излучения.

Из таблицы 3.2 видно, что групповые показатели преломления SM волокон на длинах волн 1310 нм и 1550 нм различаются в четвертом знаке после запятой. Эту небольшую прибавку можно рассчитать с помощью коэффициента дисперсии, величина которой для SM волокон специфицирована. Коэффициент дисперсии волокна выражается через производную от группового показателя преломления соотношением: формула коэффициента дисперсии оптоволокна. С другой стороны, зависимость коэффициента дисперсии SM волокон от длины волны в диапазоне длин волн 1200 нм…1600 нм определяется выражением формула коэффициента дисперсии оптоволокна в диапазоне длин волн, где S0 = 0.09 пс/(нм2×км) - коэффициент наклона дисперсии на длине волны нулевой дисперсии λ0 = 1310 нм. Отсюда нетрудно рассчитать разность групповых показателей преломления для двух длин волн:
nГ(λ) - nГ0)= формула разности групповых показателей преломления для двух длин волн. Зависимость разности nГ(λ) - nГ0) от длины волны изображена на рис. 3.4.

Зависимость разности групповых показателей преломления от длины волны

Рис. 3.4. Зависимость разности групповых показателей преломления nГ(λ) - nГ0) от длины волны для SM волокон.

Для длин волн 1550 нм и 1310 нм разность групповых показателей преломления, как видно из рис. 3.4, равна 6×10-4. Таким образом, если значение группового показателя преломления для волокна неизвестно, то на λ0 = 1310 нм следует установить nГ = 1.4670, а на λ = 1550 нм, соответственно, nГ = 1.4676.

Оценим ошибку в измерении расстояния, возникающую из-за неточности величины группового показателя преломления волокна, указанной в спецификации на волокно. Обычно в спецификации на волокно в значении группового показателя преломления указываются четыре знака после запятой. Например, для волокна компании Corning в таблице 3.2 приведено значение nГ = 1.4682 (на λ = 1550 нм). Такая запись означает, что величина nГ измерена производителем волокна с точностью ±5×10-5. При этом ошибка в измерении длины будет равна ±5×10-5×L. Т.е. она будет примерно такой же, как и инструментальная ошибка рефлектометра.

Если же величина группового показателя преломления неизвестна и в рефлектометре установлено среднее значение группового показателя преломления на этой длины волны, например, nГ = 1.4676 на λ = 1550 нм, то ошибка в измерении расстояния будет, естественно, больше. Как видно из таблицы 3.2, практически для всех волокон типичное значение группового показателя преломления отличается от этого среднего на величину ~0.2 %. Это значит, что ошибка в определении расстояния будет порядка ± 10-3×L.

Оглавление
и
предисловие
книги

Главы из книги
Листвин A.B. Листвин В.Н. Рефлектометрия оптических волокон (скачать PDF)

Далее из этой книги → Методические ошибки

Об измерениях оптоволоконными рефлектометрами с примерами рефлектограмм страница Измерения оптоволоконного кабеля (ВОЛС) в процессе монтажа