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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Medidas en sistemas de transmisión de información por fibra óptica. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Tecnología de medición Los modernos sistemas de transmisión de fibra óptica tienen capacidades de alta velocidad y banda ancha, estabilidad y confiabilidad, y un alto grado de confiabilidad en la transmisión de información. Para cumplir con estas cualidades, todos sus elementos deben funcionar dentro de un estricto marco técnico. Pero, ¿cómo controlar los numerosos parámetros de un cable óptico, los hilos ópticos, en los que el portador de información es un flujo de fotones y no de electrones, como en las líneas de comunicación eléctrica? Aquí, los dispositivos de medición tradicionales no son adecuados. Los métodos e instrumentos utilizados en la medición y control de parámetros en dichas líneas de comunicación se describen en el artículo publicado. Para un sistema de transmisión de fibra óptica (FOTS), así como para cualquier sistema de cable (en cables coaxiales o balanceados), existen parámetros generales que deben medirse durante la construcción, puesta en servicio, certificación y pruebas de puesta en servicio, así como durante la operación durante el transporte. realizar labores preventivas. Al mismo tiempo, FOTS tiene características importantes debido al hecho de que el portador de información es un flujo de fotones. Para operar en el rango óptico se utilizan generadores cuánticos ópticos (láseres) que generan radiación coherente, fotodetectores cuánticos (fotodiodos y fototransistores), la propia fibra óptica y una serie de elementos más. Crearon no solo equipos terminales para FOTS, sino también instrumentos de medición. En FOTS es necesario medir los siguientes parámetros generalizados: 1) la potencia relativa media de la radiación óptica introducida en la línea, en dBm (dB re 1 mW); 2) atenuación de la señal óptica en la línea en dB; 3) sensibilidad del sistema de transmisión en dBm para una tasa de error dada en el trayecto de transmisión; 4) longitud de onda de la radiación óptica en micras o nm; 5) ancho de la línea espectral de radiación, nm; 6) dispersión del pulso óptico en el camino óptico, ps/nm*km. Además de medir estos parámetros, el sistema controla el apagado automático del láser en caso de accidente (por ejemplo, rotura del cable óptico), así como la frecuencia y duración de su encendido temporal al probar el restablecido. línea. Las características medidas de los elementos FOTS ópticos y cuánticos también tienen características específicas, especialmente los parámetros del emisor - un láser semiconductor: la longitud de onda de radiación leav (μm o nm), el ancho de línea espectral Dl (nm), la potencia de radiación promedio Po ( mW), etc También es importante conocer los parámetros de los fotodetectores: rango de sensibilidad espectral del fotodetector (μm), sensibilidad (A/W), valor de corriente oscura (nA), capacitancia intrínseca del fotodiodo (pF), tamaño (diámetro) del área fotosensible (μm), eficiencia cuántica (h) . En fibra y cable óptico se miden los siguientes parámetros: atenuación kilométrica de OF u OK introducida en una longitud de 1 km, en dB/km; dispersión de pulso óptico, ps/nm km; tipo de perfil de índice de refracción; diámetro de la fibra con funda protectora y, en su caso, sin ella, en micras; para fibras ópticas multimodo - la apertura numérica. Aquellos parámetros que se denominan generalizados en este artículo son los principales y están sujetos a mediciones en varias etapas de diseño, construcción y operación del FOTS. Medición de la potencia óptica promedio Ro. Para medir este parámetro, se requiere un sensor que sea sensible a la radiación óptica en el rango de longitud de onda espectral correspondiente. En nuestro caso, se trata de tres rangos (según la terminología aceptada - tres ventanas de transparencia): I OP - Dl1=0,82...0,86 micras; II OP - Dl2=1,31...1,35 µm; III OP - Dl3=1,53...1,56 µm. Para medir la potencia media de la radiación óptica se utilizan fotodiodos especialmente diseñados para este fin. Al dispositivo se pueden conectar fibras ópticas, tanto monomodo como multimodo, cuyo diámetro puede alcanzar hasta 500 micras. La medida de la potencia óptica con un fotodiodo se basa en la relación de la fotocorriente IPD provocada por la radiación óptica, que es proporcional a la potencia óptica media e inversamente proporcional a la longitud de onda. En consecuencia, la escala del medidor de potencia se calibra en milivatios (mW) o dBm para la ventana de transparencia respectiva. Actualmente, los medidores de potencia óptica promedio son producidos por la industria nacional y varias empresas extranjeras. Casi todos estos dispositivos tienen pequeñas dimensiones, peso, fuente de alimentación autónoma y pueden usarse tanto en condiciones de laboratorio o fábrica, como en construcción, puesta en marcha y también durante la operación de FOTS. El panel de instrumentos está hecho sobre la base de indicadores digitales, la mayoría de las veces de cristal líquido. Tienen interruptores de rango de medición para tres ventanas de transparencia: 0,85 µm, 1,3 µm y 1,55 µm, interruptores de calibración mW/dBm y un dial de ajuste a cero. La radiación óptica medida se suministra mediante una fibra óptica terminada con un conector óptico (la mayoría de las veces del tipo FC o PC), para los cuales se instalan enchufes (enchufes) del conector óptico en una de las paredes laterales de los dispositivos. Los parámetros ópticos, dimensiones, peso y condiciones de operación de los dispositivos se presentan en la tabla, y una vista general de algunos de ellos se muestra en la Fig. 1 y 2
Medida de atenuación en OK y en línea. La atenuación (o pérdida) de la energía de una señal óptica en una fibra óptica (OF) y en un cable óptico (OC) se debe a la absorción, la dispersión de la luz en las heterogeneidades locales y la dispersión de la luz Rayleigh (molecular) en las moléculas del material. Además, a mayores niveles de potencia introducidos en la OF (más de 13 dBm), se añaden a los factores que determinan las pérdidas fenómenos físicos como, por ejemplo, la denominada dispersión Raman estimulada. La atenuación debida a la absorción debido a los defectos del material se ha vuelto tan pequeña que son difíciles de medir, y con una potencia de señal óptica de menos de 10 mW, las pérdidas en la fibra óptica están determinadas principalmente por la dispersión de Rayleigh. Este tipo de dispersión ocurre en las moléculas de sílice SiO2. Su potencia es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de onda, es decir, al aumentar la longitud de onda, tales pérdidas disminuyen rápidamente. Se producen pérdidas adicionales en OK cuando se empalman longitudes de construcción. Aparecen en las faltas de homogeneidad locales, lugares de soldadura o pegado de los extremos de las fibras ópticas. Las faltas de homogeneidad locales también incluyen extremos planos en los extremos del OF, desde los cuales la energía se refleja en la dirección opuesta (interior). Para OF de cuarzo, estas pérdidas son aproximadamente el 4% (o -14 dB) de la potencia incidente. Existen varios métodos para medir la atenuación de la radiación óptica durante su propagación en el OF: dos puntos, sustitución, retrodispersión de Rayleigh en el dominio del tiempo, extracción del OF. De estos métodos, el más simple y confiable, que se utiliza en la construcción, puesta en marcha y operación, es un método punto a punto. A su vez, se divide en tres variedades: el método de ruptura, el método sin ruptura y el método de dispersión calibrada. El más utilizado en la práctica de la construcción y la investigación es el método de rotura de fibras. La radiación óptica se introduce en el extremo de entrada de la fibra óptica (que debe ser plano y perpendicular al eje de la fibra óptica). En este caso, la fuente de radiación y el extremo de entrada del OF están rígidamente fijados para que las condiciones de entrada de energía al OF no se violen durante las mediciones. Se toma un OB de longitud conocida L0. El extremo de salida se inserta en la unidad receptora del medidor y se fija rígidamente en él. Posteriormente se mide el valor de la potencia óptica P1, que sale por el extremo de salida de la fibra óptica. Este valor se registra. Además, una fibra de longitud L1 se separa del OF de los métodos de escisión. El extremo de salida de la fibra restante de longitud L2= L0-L1 también debe ser plano y perpendicular al eje OF, que es controlado por un microscopio especial. Si la calidad del extremo de salida no es satisfactoria, vuelva a cortar y controle la fibra. Tras obtener la cara frontal de la calidad deseada, se vuelve a introducir en la unidad receptora del medidor de potencia óptica y se fija la potencia óptica P2. Así, se determinan los valores de la potencia óptica P1 a la salida de la fibra de longitud L1 ya su entrada P2. La atenuación en una fibra de longitud L1 viene determinada por la fórmula k=P2/P1 (veces) oa=10gP2/P1 (dB). La ventaja de este método es que no requiere instrumentos especiales, ya que cualquier dispositivo de grabación estándar es adecuado para su implementación. Pero este método también tiene un inconveniente importante: pertenece a los tipos "destructivos" y tiene una baja eficiencia. En la práctica, el segundo tipo del método de dos puntos se usa con más frecuencia: la medición no destructiva. Con este método, la fuente de radiación óptica a una determinada longitud de onda se alimenta con un cable óptico de fibra única de salida, cuyo extremo termina en un conector óptico. Dado que las fibras ópticas y los conectores ópticos modernos tienen una dispersión muy pequeña de los parámetros geométricos y ópticos, la dispersión de los valores de atenuación al conectar un conector óptico a otro no supera los 0,1 dB. De lo dicho se deduce que las medidas de atenuación en 0V u OK, realizadas según el siguiente esquema, son correctas. Se conecta un medidor de potencia óptica al conector de salida del emisor y se registran los datos recibidos. Luego, el conector de salida se conecta al extremo de entrada de 0 V (que es una parte integral del OK), también integrado en el OR, y se conecta un medidor de potencia a su extremo de salida. A partir del valor de potencia medido, la atenuación se calcula utilizando la fórmula anterior. Para medir la atenuación utilizando el método descrito, la industria produce probadores ópticos. Dichos dispositivos contienen una fuente de radiación calibrada estable y un medidor de potencia óptica en una carcasa. Algunas empresas producen probadores ópticos que constan de dos unidades separadas: un emisor y un medidor de potencia. Un probador óptico, que consta de dos unidades separadas, en algunos casos resulta más conveniente, ya que le permite medir en diferentes extremos de la línea. Ambos tipos de probadores son fabricados, por ejemplo, por SIMENS. El segundo tipo de probadores incluye dispositivos domésticos del tipo Almaz. Este dispositivo le permite medir la potencia y la atenuación de la señal óptica en OK en una de las cinco longitudes de onda: 850, 1310, 1540, 1550 y 1560 nm. El rango de valores medidos es -50...+3 dB con un error absoluto no superior a +0,2 dB.
El método de reflectometría basado en la medición de la retrodispersión de Rayleigh en el dominio del tiempo ha encontrado la mayor aplicación para evaluar el nivel de atenuación en los FOCL modernos. Para ello, se introduce en la fibra óptica una secuencia periódica de pulsos ópticos de duración t y periodo de repetición Ti. Los pulsos de energía volverán al extremo de entrada. Su amplitud es proporcional a la potencia de los pulsos ópticos separados del pulso de entrada (referencia) por un tiempo igual al tiempo de viaje del pulso en las direcciones directa e inversa. Si estas señales se visualizan en la pantalla del osciloscopio, veremos unas curvas llenas de ruido, cuyo valor medio decrece exponencialmente con el tiempo. Tal curva hace que sea imposible hacer una lectura precisa de las lecturas y es inconveniente de usar. Sin embargo, al repetir la curva periódicamente, los resultados se pueden acumular muchas veces, de modo que se puede obtener una línea limpia de atenuación frente a la longitud de la fibra medida. Dado que en la tecnología de las comunicaciones todos los parámetros relativos se miden en dB, esta curva se logaritmiza en cada una de sus coordenadas verticales, por lo que adopta la forma de una recta inclinada. La dependencia descrita del valor de atenuación de la longitud de la fibra se denomina reflectograma óptico. Es obvio que el reflectograma se puede usar para determinar no solo la atenuación, sino también la longitud de la fibra óptica, la distancia a las faltas de homogeneidad locales, incluido el punto de daño 0 V.
El método de reflectometría tiene una serie de ventajas sobre otros métodos de medición de la atenuación: la medición se realiza en un extremo de una línea o en un extremo de un cable o fibra óptica; eficiencia; la capacidad de determinar la longitud de 0V o OK, la ubicación de la falta de homogeneidad local (por ejemplo, una grieta de 0V o una curvatura de un radio pequeño); la posibilidad de seguimiento continuo de todo el recorrido y su diagnóstico. Los reflectómetros ópticos (Figs. 3 y 4) son producidos por varias compañías alrededor del mundo (Tabla 2).
Medición de la sensibilidad de los sistemas de transmisión modernos. El principal parámetro que determina la calidad de transmisión es la probabilidad de error en la transmisión de información digital. Actualmente, la probabilidad de error para un número dado de símbolos transmitidos (10 y unos), igual a 9-10 ... 12-5 (dependiendo de la velocidad de transmisión), se considera la norma. La sensibilidad de un sistema de transmisión digital se entiende como la potencia mínima de la señal en la recepción, en la que todavía se observa el valor especificado de la probabilidad de error. Para los sistemas de transmisión de fibra óptica, la medición de la sensibilidad se realiza utilizando atenuadores ópticos variables. Funcionan de acuerdo con el siguiente esquema (Fig. XNUMX).
Una secuencia pseudoaleatoria de una señal digital en un código correspondiente a la transmitida en una línea real se alimenta a la entrada eléctrica del grupo de señales digitales del equipo STM desde el error rate meter (ECO). En los equipos STM, esta señal es convertida en una señal digital, la cual es alimentada al conector óptico de la unidad de transmisión, a esta salida, mediante un cable óptico monofibra (OK), se conecta la entrada de un atenuador óptico calibrado variable ( ATT), cuya salida también está conectada a través de un cable óptico al hardware STM de la unidad de recepción de señal óptica. Desde la salida eléctrica de la ruta de recepción, la señal digital recibida se conecta a la entrada PPI. Antes de iniciar las mediciones con la ayuda de un medidor de potencia óptica, el nivel de potencia óptica máxima permitida para este tipo de equipo STM se establece en la entrada de la ruta de recepción. Esto se hace reduciendo la atenuación introducida en la línea por un atenuador calibrado variable. Al mismo tiempo, se registran las lecturas de ATT. Luego, el cable de línea se desconecta del medidor de potencia IM y se conecta a la entrada óptica de la ruta de recepción STM. Después de medir la tasa de error en este modo, cuyo resultado se almacena, el atenuador ATT introduce atenuación en la ruta óptica hasta que la tasa de error (también llamada probabilidad de error) aumenta al valor Posh> 10-9 ( 10-10) Después de eso, el cable óptico lineal se desconecta de la entrada óptica de la ruta de recepción STM y se vuelve a conectar al medidor de potencia IM. Esta potencia será el valor que determine la sensibilidad del sistema. También recuerdan la cantidad de atenuación introducida por el ATT en el camino óptico. La industria produce atenuadores calibrados variables para mediciones en FOCL. Un ejemplo es el atenuador óptico variable tipo OLA-15 E-0004 de HEWLET PACKARD. Este tipo de atenuador puede introducir atenuación en el FOCL de -3 a -60 dB. El valor de atenuación se muestra digitalmente. El cambio de atenuación en el rango especificado se realiza suavemente con un paso de 0,1 dB. La industria nacional también produce atenuadores de este tipo, por ejemplo, del tipo NTGV243. El rango de atenuación que introduce es de -1 a -45 dB. Lectura de indicaciones - vernier. Medida de la longitud de onda y banda espectral de la radiación óptica. Se sabe que en las redes zonales y locales de FOCL, se usa 0V, principalmente con una segunda ventana de transparencia, en las redes troncales, la tercera. En varios sistemas FOCL se pueden utilizar amplificadores de fibra óptica de una u otra longitud de onda que no coincida con una ventana de transparencia dada. Esta puede ser la razón de que el sistema en construcción o reparación no funcione. Por lo tanto, es comprensible la importancia de medir la longitud de onda de la radiación. Además de la longitud de onda, también es importante conocer el ancho de la línea espectral (es decir, el ancho de banda de la radiación óptica). La incoherencia de varias secciones de la FOCL con este parámetro conduce a la dispersión (es decir, al ensanchamiento) de los pulsos ópticos a medida que se propagan en la línea óptica. El desajuste del ancho de línea tiene un efecto particularmente fuerte en el rendimiento de calidad en los sistemas de transmisión STM-4, STM-16, STM-64, etc. La longitud de onda de la radiación óptica y el ancho de la línea espectral se miden con un dispositivo especial: un analizador de espectro óptico. Estos dispositivos son producidos en masa por varias empresas extranjeras, por ejemplo, HEWLET PACKARD. La dispersión de pulsos ópticos también se mide durante la producción y las pruebas en fábrica de fibras ópticas y cables ópticos. La industria también produce dispositivos especiales para medir la dispersión de pulsos ópticos en FOCL. Dichos dispositivos incluyen, por ejemplo, un dispositivo del tipo ID-3, fabricado por el Instituto de Investigación de Transferencia de Calor (Minsk). Aquí, solo se han nombrado una serie de parámetros medidos en los sistemas FOCL, pero en la práctica, también se miden otras características, que también son inherentes a los sistemas de comunicación convencionales. Autor: O. Sklyarov, Ph.D. tecnología Ciencias, Moscú
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