Развитие современных технологий обуславливает необходимость рассмотрения ключевых достижений в области измерительной техники, в частности, в области рефлектометрии. Как известно ограничение динамического диапазона оптических время-импульсных рефлектометров (OTDR), которые компания GN Nettest представила более чем два года назад, составляло 40 дБ. На Национальной конференции в Сан Диего (Калифорния) посвященной волоконно-оптической технике Джим Гелос из GN Nettest, объявил о создании новой OTDR технологии, называемой технологией сверхширокого динамического диапазона (VHDR), позволяющей новым рефлектометрам этой компании функционировать в динамическом диапазоне до 45 дБ с мертвой зоной, соответствующей рефлектометрам с динамическим диапазоном 40 дБ от других фирм-производителей.

Согласно Гелосу, новая технология формировалась в научно-исследовательском центре GN Nettest путем комплексных проработок нового предусилителя, оригинального программного обеспечения, и более точной оптики. Трудность в достижении динамического диапазона более чем 40 дБ непосредственно связана с методикой OTDR измерений основанной на введении в волокно оптического излучения и последующем анализе той малой части светового потока, которая возвращается на фотодетектор. Так как волокно вносит потери, возрастающие с увеличением длины волокна, в конечном счете, световой поток, возвращаемый к рефлектометру настолько мал, что детектор не может его интерпретировать. До сих пор, максимальное расстояние, с которым мог бы работать OTDR, не превышало 200 - 240 км. В то же время поставщикам телекоммуникационных услуг, использующим системы удаленного тестирования оптических волокон (RFTS) и имеющим в своем распоряжении более протяженные волоконно-оптические линии связи, требуются OTDR с возможностью контроля волокон до 300 км и более, что может обеспечить только 45 дБ рефлектометр. Кроме этого, данная технология позволяет реализовать OTDR с 40 дБ на 1625 нм, открывая возможность тестирования более протяженных волоконно-оптических линий связи при активном внеполосном контроле каждого оптического волокна. Предыдущее ограничение для 1625 нм тестирования составляло 36 дБ, и также было представлено GN Nettest более чем два года назад. Согласно Ларсу Педерсену из той же компании, увеличение динамического диапазона на данной длине волны очень важно для волоконно-оптических сетей, в которых отсутствует возможность выделения для этих целей свободных волокон. Помимо этого технология VHDR позволяет сократить число используемых в системе устройств тестирования и как следствие снизить ее стоимость. И, наконец, другой особенностью новой технологии является значительное сокращение времени тестирования оптического волокна независимо от его длины, так как оптическому модулю с высоким динамическим диапазоном требуется меньшее количество данных, необходимых для усреднения, что, в свою очередь, обеспечивает достижения огромной производительности системы выполняя большее количество тестов в заданном цикле измерения.

 
Рис.1

Данный проект фактически привел к двум новым изделиям GN Nettest - 45 дБ OTDR марок CMA-4000 и Horizon-45 (рис.1), а так же основанной на этих рефлектометрах, оптимизированной системе администрирования волоконно-оптических кабелей ORION.

Рис.2

Другое современное направление развития OTDR связано с реализацией рефлектометра в виде стандартной карты (платы) РС-компьютера, что позволяет использовать вычислительные мощности компьютера для управления процессом измерений, а так же для обработки и документирования результатов измерений. Одним из примеров такого решения являются карты рефлектометров FCS-100/400 фирмы EXFO (рис. 2). Серия FCS представляет собой широкий спектр OTDR, которые обладают многими характеристиками, позволяющими максимизировать возможности систем тестирования оптического волокна. Они отличаются модульным принципом построения и специально разработаны для работы в ПК со стандартным или специальным прикладным программным обеспечением. OTDR серии FCS идеальны для систем удаленного тестирования оптических волокон (RFTS), лабораторных исследований, автоматических измерений и других специальных случаев использования. Комплексное программное обеспечение для тестирования оптического волокна и поставляемые OCX драйверы для специальных случаев использования OTDR позволяют проводить анализ рефлектограмм быстро и эффективно с минимальным уровнем знаний об OTDR. Кроме этого, используя ряд таких плат можно создавать измерительно-тестовые системы, включающие карты OTDR и карты тестирования сетей передачи данных, например, ISDN, что позволяет значительно снизить затраты по сравнению с аналогичными комплексами, реализованными на специализированных приборах.

Для сравнительного анализа рефлектометров классического типа и рефлектометров, выполненных по VHDR технологии, рассмотрим основные факторы, ограничивающие достижение более высоких характеристик OTDR.

Обратное рассеяние и отражение световой волны в оптическом волокне

Рис.3

Известно, что для получения математического уравнения, описывающего отраженный (обратно рассеянный) сигнал в оптическом волокне, необходимо проанализировать световую энергию, представленную на небольшом участке волокна, рассмотреть распространение света в пределах этого участка, определить мощность световой волны, распространяющейся в обратном направлении, и в заключение выразить отраженную световую волну в функции от времени. Для этого, зададим значение энергии светового импульса, вводимого в момент времени t=0 на расстоянии x=0, равным Е₀. Тогда на некотором расстоянии x>0, энергию импульса Ei (x) в пределах участка dl волокна (рис. 3) можно представить в виде

где α'(l) - значение коэффициента ослабления (затухания) световой волны, распространяющейся в волокне в прямом направлении. Примем, α'(l)=const., тогда

Процесс распространения энергии световой волны на участке x, x + dx описывается уравнением рэлеевской диффузии

где α_d(x) - коэффициент распространения в направлении x.

Очевидно, что в случае нарушения геометрии волокна, далее будет распространяться только часть энергии световой волны, выраженная через (S (x)).

В результате на входе волокна, значение энергии будет определяться известным уравнением

где α''(l) - коэффициент затухания отраженной световой волны.

Здесь следует отметить, что интенсивность светового сигнала в оптическом волокне уменьшается по двум причинам, вызванным затуханием и рассеиванием световой волны. При этом затухание обусловлено примесями в материале волокна, присутствием ионов металла и Q-радикалов, а рассеивание связано в основном с рэлеевским рассеиванием, обусловленным гетерогенной структурой волокна, а так же структурным рассеиванием, вызванным, например, наличием микроизгибов, и при высоких уровнях мощности излучения - рассеиванием связанным с нелинейными эффектами в волокне.

Рис.4

Изменения параметров среды распространения световой волны создают центры, в которых происходит рассеивание энергии (рис. 4), причем, основная ее часть продолжает распространяться в прямом направлении, а меньшие - излучаются через оболочку и возвращаются в обратном направлении.

Уровень сигнала рассеянного в обратном направлении

В случае симметричного оптического волокна α'=α''=α_d , последнее уравнение примет вид

и переходя от переменных E и x, к мощности P и времени t, т. е. учитывая, что

где P₀ и Δt - соответственно, значение мощности и длительности импульса оптического излучения на входе волокна; S - параметр волокна; α'=α''=α_d - коэффициент учитывающий затухание световой волны; V_r - групповая скорость распространения излучения по оптическому волокну.

Из этих уравнений следует, что мощность обратно рассеянной световой волны прямо пропорциональна мощности P₀ на входе оптического волокна, длительности Δt импульса оптического излучения и параметрам S и α_d оптического волокна, а так же зависит от показательной функции, пропорциональной затуханию и групповой скорости V_r.

При воздействии, например, импульсного источника оптического излучения мощностью P₀ и длительностью Δt=100нс на волокно со следующими типовыми параметрами S=3.8*10^-3, V_r=c/n=2.8*10⁸м/с, α=2.5дБ/км=6*10^-4Np/м, в результате подстановки этих значений в последнее уравнение, получим

где значение x дано в км, а α - в дБ/км.

Уровень отраженного сигнала

В точке с резким изменением показателя преломления имеет место отражение Френеля, которое определяется коэффициентом отражения равным, например, на границе стекло-воздух

где n₁ и n₂ - показатели преломления оболочки и сердцевины волокна.

Первый пик резкого изменения показателя отражения имеет место на входном участке оптического волокна при вводе в него излучения, что по уровню сигнала всегда выше, чем требуется измерить рефлектометром. Поэтому такой сигнал, как правило, перегружает фотоприемник, а на его восстановление требуется некоторое время. Данный интервал времени, при котором рефлектометр нечувствителен к другим сигналам отражения при переходе к расстоянию, называют "мертвой зоной" рефлектометра. В настоящее время используется множество приемов уменьшения влияния этого эффекта, однако, полностью устранить его не удается.

Для оценки влияния данного показателя определим разницу обратно рассеянного и отраженного сигналов. Пусть P_c мощность, отраженная от торцевой поверхности в начале волокна, а P_r мощность рассеянная в обратном направлении, т. е.

Тогда, при значениях, принятых в предыдущем расчете, получим

Следовательно, разность в уровне мощностей P_c, и P_r в рассматриваемом случае составляет 32 дБ, а мощность излучения, отраженная от неоднородности волокна, составляет приблизительно 1/100 000 мощности световой волны, распространяющейся в прямом направлении в точке отражения, что требуют чрезвычайно чувствительных методов ее обнаружения.

Диаграмма уровней и длительность импульсов OTDR

Рис.5

На рис. 5 представлена диаграмма, которая иллюстрирует диапазон уровней мощности, с которыми работает OTDR [1]. Из данной диаграммы можно определить как самый высокий, так и самый низкий уровни сигналов отражения и обратного рассеяния, а так же максимальное эквивалентное шумовое напряжение (NEP) на входе приемника, при котором обеспечивается требуемый динамический диапазон OTDR.

Чтобы подсчитать максимальный уровень мощности отраженного света и света обратного рассеяния, возьмем лазерный источник излучения с максимальной импульсной мощностью +13 дБм. Тогда принимая равными 3 дБ потери соединителя на коннекторе OTDR, начальная мощность на его выходе - входе волокна, составит +10 дБм. В случае использования на передней панели бесконтактного коннектора, на ближайшем конце волокна появляется 4% отражение вызванное переходом стекло-воздух. Это соответствует отраженному световому импульсу, который приблизительно на 14 дБ ниже случайного импульса, и составляет -4 дБм. Для одномодового волокна при l = 1310 нм уровень мощности обратного рассеяния будет на 49 дБ/мкс ниже максимального уровня мощности, что определяет уровень обратного рассеяния приблизительно в -30 дБм для длительности импульса 10 мкс и -50 дБм для 100 нс, соответственно. Разрозненный и отраженный отдаленными участками тестируемого волокна свет дважды подвергается воздействию потерь оптического волокна и как видно из диаграммы определяется углами наклона соответствующих линий. Принимая во внимание ослабление оптического волокна, сигнал обратного рассеяния уменьшается с увеличением расстояния, и в конечном итоге становится слабее уровня шумов приемника. Очевидно, что для тестирования на большие расстояния необходимо использовать более мощный источник излучения. С другой стороны, как будет показано ниже, для обеспечения оптимальной разрешающей способности и динамического диапазона OTDR, диапазон рабочих частот приемника необходимо адаптировать к выбранному диапазону измерений, что допускает использование более высокого уровня NEP на коротких расстояниях. Кроме этого, чувствительность приемника может быть улучшена путем усреднения сигналов.

Рис.6

Полученные на экране OTDR зависимости уровней мощности отраженного света и света обратного рассеяния от длительности импульсов приведены на рис. 6 [2], из которого видно, что мощность отраженного света, вызванного случайным напряжением в волокне, зависит только от коэффициента отражения и не определяется длительностью импульсов. В то же время мощность обратного рассеяния зависит от длины волны и приблизительно пропорциональна длительности тестирующих импульсов, причем только для коротких импульсов, при которых изменение потерь волокна по пространственной ширине импульсов незначительно. Это означает, что измерение коэффициента отражения при помощи OTDR не является простым. Как правило, программное обеспечение OTDR производит все необходимые расчеты для коррекции данных зависимостей. В то же время следует учесть, что в случае тестирования волокон импульсами большой длительности, мощность обратного рассеяния может достигнуть и даже превзойти уровень отражений Френеля, затрудняя тем самым задачу определения формы (кривой) отраженного сигнала стандартного коннектора с коэффициентом отражения -40 дБ.

Как следует из приведенного рисунка, разность мощности отраженного света и мощности обратного рассеяния, измеренного при длительности импульсов t = 100нс на длине волны λ = 1310нм составляет 12дБ. Здесь следует учесть, что данный график выполнен в логарифмической шкале с 10 кратным масштабом, в то время как на экране OTDR используется 5 кратный масштаб, поэтому высота изображения будет равняться половине приведенной на этом рисунке.

Основные характеристики рефлектометра

Функционирование OTDR определяется совокупностью параметров, которые отражают качество измерения, т. е. позволяют пользователю понять насколько инструмент соответствует его потребностям. Общие требования к OTDR достаточно хорошо известны и включают следующие основные параметры: динамический диапазон, диапазон измерения, мертвую зону ослабления, мертвую зону затухания и разрешающую способность.

Динамический диапазон рефлектометра

Основным параметром, представляющим интерес для пользователя, является контролируемая рефлектометром максимальная длина волокна. Однако однозначного ответа на этот вопрос, в большинстве случаев дать невозможно, так как доступный динамический диапазон, определяющий дальность контролируемого волокна зависит от типа волокна при тестировании рефлектометра и его параметров. Кроме этого, динамический диапазон может быть выражен различными способами: в км; в электрических и оптических дБ; в дБ по методу SWDR (однонаправленный способ определения динамического диапазона); в дБ по SWDR при отражении равном 4 %; в дБ при прохождении сигнала туда и обратно; в дБ при прохождении сигнала туда и обратно и отражении равном 4 %.

Эти значения естественно взаимосвязаны, но отличаются один от другого по значению и вычисляются в контексте специфических приложений. Поэтому важно знать все условия измерения динамического диапазона (числовую апертуру используемого волокна, его геометрические параметры, коэффициент затухания, показатель преломления, чувствительность рефлектометра, и т. д).

Таким образом, наиболее надежный способ сравнения различных рефлектометров, заключается в определении динамического диапазона (его дальности), выраженного в дБ в виде отношения максимальной излучаемой мощности к минимальной регистрируемой мощности

В то же время представляет интерес исследование взаимосвязи между основными выражениями динамического диапазона (дальности) для одного и того же волокна.

Динамический диапазон для обнаружения 4 % френелевского отражения сигнала при отношении сигнал-шум S/S_n=1 может быть получен путем исключения отражения сигнала при SWDR

где P_t=0 - значение мощности в момент времени t=0.

Выражение для динамического диапазона обратного рассеяния с учетом шума можно записать в виде соответствующего уравнения

Чтобы определить динамический диапазон сигнала S, при уровне шума S_n равном, например, 0.1 дБ составим уравнение

Следовательно, динамический диапазон при уровне шума S_n равном 0.1дБ, составит D_r-6.634.

Данные динамические диапазоны определены, относительно динамического диапазона с отношением сигнал-шум S/S_n=1 и S_n=0.1дБ (волокна 50/125 мкм), как изменение динамического диапазона для другого типа волокна.

Соответствующий динамический диапазон, ведет к понятию (концепции) "пригодного для использования" динамического диапазона рефлектометра. Исходя из рассмотренного примера, можно сделать предположение, что, когда шумовой уровень становится выше 0.1 дБ, то некоторые измерения трудно проводить; однако в зависимости от амплитуды неисправностей, которые будут прослежены, можно работать и вне этого предела.

Следовательно, динамический диапазон представляет собой наиболее важный параметр, так как он часто используется для ранжирования OTDR среди данного класса приборов и предоставляет информацию не только о максимальном уровне потерь оптического волокна, который может быть измерен, но также и о времени, необходимом для осуществления измерения. В большинстве случаев динамический диапазон определяется как разница между начальным уровнем обратного рассеяния и уровнем шума по истечении 3 минут одностороннего измерения потерь волокна, выраженном в децибелах. Предполагая гауссово распределение шума, и учитывая допущение для отношения сигнал/шум S/S_n = 1, при котором обеспечивается максимальное значение динамического диапазона, последний часто используется в литературе при указании динамического диапазона OTDR.

Таким образом, диапазон измерения OTDR определяется, как максимальное ослабление, которое прибор в состоянии точно измерять. Обычно в качестве события, которое должно быть идентифицировано, выбирается сращивание, создающее потери, равные 0.5 дБ. Так как точность измерения потерь, в основном зависит от S/S_n в данной точке, то наиболее подходящими являются приборы с более высоким динамическим диапазоном, значение которого с одной стороны определяется используемыми компонентами, а с другой алгоритмом программного обеспечения позволяющим идентифицировать сигнал при высоком уровне шумов.

Дальность обнаружения неоднородности

Основной задачей рефлектометра является определение расстояний до неоднородностей в оптическом волокне, измерение которых заключается в определении времени распространения оптического излучения в прямом и обратном направлении. При этом групповая скорость распространения оптического импульса определяется известным выражением

где c - скорость распространения световой волны в волокне; n - коэффициент преломления; ω=2&Pi x - частота оптического излучения; b - постоянная распространения.

Как видно из данного выражения, V_r зависит от показателя преломления среды, равного 1.5, для большинства кремниевых волокон. Такое значение n обеспечивает скорость распространения V_r=0.2 м/нс. Так как точность измерения расстояния зависит от точности измерения времени t и правильного задания при измерениях значения n

максимально возможное расстояние, которое может контролировать OTDR с заданной точностью при заданной длительности тестирующих импульсов, будет равно

Как уже отмечалось, дальность обнаружения неоднородности зависит от динамического диапазона рефлектометра и характеристик волокна. Кроме этого, в OTDR накладываются ограничения, вызванные тем, что мощность отраженного сигнала P_r, при заданной мощности источника излучения P₀, зависит от длительности импульса Δt, а самый слабый сигнал, который может быть обнаружен с отношением сигнал-шум S/S_n=1, зависит от ширины полосы пропускания Δf предусилителя. Для учета этого фактора, рассмотрим вначале пространственную разрешающую способность OTDR.

Пространственная разрешающая способность

Пространственная разрешающая способность Δl характеризует способность OTDR обнаружить два соседних события, одно из которых может быть отражательным и определяет возможность выделения близко расположенных неоднородностей. Очевидно, что Δl зависит от длительности импульса δt, излучаемого лазером, и ширины полосы пропускания усилителя Δf

В ближней зоне волокна, разрешающая способность показывает, насколько близко к коннектору передней панели прибора может быть расположено неотражательное событие (например, сращивание) и насколько точно оно может быть измерено.

Используя выражение для разрешающей способности окончательно дальность обнаружения неоднородности можно определить в виде

Последние выражения устанавливают связь между основными рабочими характеристиками и параметрами OTDR.

Точность локализации места обнаружения неисправности

Ввиду того, что основной целью рассматриваемого вида измерений является установление точного местоположения неисправности волокна, наиболее жесткие требования предъявляются к OTDR по расстоянию (Total Distance Accuracy), которая определяется как

где Δ₁ - ошибка смещения (offset error); Δ₂ - ошибка масштабирования (scale error); Δ₃ - ошибка дискретизации (sampling error); L - дистанция (distance).

В ряде случаев, фирмы производители OTDR не указывают значений ошибки дискретизации, однако ее можно определить через значение S диапазона OTDR по расстоянию, как Δ₃=S/L. В этом случае

Рис.7

Таким образом, при OTDR измерениях всегда имеет место компромисс между дальностью и пространственной разрешающей способностью. При VHDR технологии данный компромисс достигается снижением динамического диапазона на малых расстояниях тестирования, что как показано выше позволяет расширить полосу пропускания предусилителя OTDR и тем самым повысить разрешающую способность и точность измерения расстояния, а на больших дистанциях использовать меньшую полосу пропускания в сочетании с эффективными алгоритмами усреднения. В совокупности с усовершенствованной оптикой рефлектометра это позволило достичь непревзойденных параметров OTDR.

Рис.8

На рис. 7 представлены зависимости динамического диапазона от длительности тестирующих импульсов, а на рис. 8 положительное поле допуска точности локализации неоднородности для наиболее распространенных рефлектометров 7225 (Ando), FCS-400 (EXFO), Е6000 (Hewlett Packard), MTS5100 (Wavetek) и СМА4000 (GN Nettest). Из полученных данных следует очевидное преимущество технологии VHDR обеспечивающей, при прочих равных условиях, большую дальность тестирования оптических волокон и наивысшую точность локализации неоднородности оптического волокна.

Учитывая сложность получения всесторонней информации по характеристикам ряда рефлектоиетров, выражаем благодарность техническому директору компании ТелеКомплектСервис Дмитрию Седых за предоставленные материалы по рефлектометрам фирмы Ando.

Литература:

Beller J. A high performance digital signal processing system for the HP 8146A OTDR. Hewlett Paccard J., 1993, 63-68.

Kapron F. P. Fiber optic reflection measurements using OCWR and OTDR techniques. J. Lightwave Techn., 1989, 7(90), 1234-1241.