Физические основы и принцип работы импульсного оптического рефлектометра

Рефлектометры являются одним из наиболее мощных аппаратных средств для тестирования волоконно-оптических линий связи и находят применение во время строительства, аттестации, эксплуатационного обслуживания, профилактических проверок, ремонтно-восстановительных и других работ.

Принцип работы импульсного оптического рефлектометра (OTDR –Optical Time Domain Reflectometer) основан на измерении мощности светового излучения, рассеянного или отраженного различными участками волоконно-оптической линии связи при распространении вдоль нее короткого зондирующего светового импульса. Поскольку фотоприемник рефлектометра расположен вблизи того же конца волокна, через который вводится зондирующий световой импульс, то регистрируется только та часть рассеянного (отраженного) излучения, которая «канализируется» волокном и распространяется вдоль него в сердцевине.

Анализ временной зависимости рассеянного излучения, попадающего на фотоприемник рефлектометра, позволяет рассчитать целый ряд характеристик волокна и волоконно-оптической линии связи. Если коэффициент рассеяния света в некоторой области волокна известен, то рефлектометр позволяет определить мощность зондирующего сигнала в этой области. Если коэффициент обратного рассеяния не известен, но одинаков в определенных участках ВОЛС, то рефлектометр позволяет определить отношение мощностей сигнала на этих участках и, таким образом, затухание между этими участками.

Основное различие между явлениями отражения и рассеяния света назад в оптическом волокне заключается в том, что отражение – локальное явление, а рассеяние – распределенное. В волокне отражение обычно возникает в местах соединения волокон разного типа, при наличии изломов, трещин и других, крупных по сравнению с длиной световой волны, но малых по сравнению с длительностью светового импульса неоднородностей показателя преломления.

Рассеяние происходит на мелких неоднородностях, которые хаотически, но примерно равномерно распределены вдоль всего волокна. Формирование отраженного и рассеянного излучения в оптическом волокне иллюстрирует рис.5.1.

Поскольку отражение происходит от конкретной области волокна с некоторой координатой , то формируется отраженный световой сигнал, форма которого совпадает с формой зондирующего сигнала (рис.5.1а.).

При распространении зондирующего импульса вдоль однородного волокна мощность и энергия импульса уменьшаются из-за потерь энергии, вызванных рассеянием и поглощением по экспоненциальному закону (закон Бугера):

, , (5.1)

где () – мощность (энергия) на входе в волокно, - коэффициент затухания. Это явление называется затуханием света, а коэффициент затухания на рабочей длине волны является одним из важнейших параметров телекоммуникационного оптического волокна (ОВ).

А) Световой сигнал, отраженный от неоднородности в точке : форма отраженного сигнала совпадает с формой зондирующего импульса.	Б) Сигнал обратного рассеяния от участка волокна с большим коэффициентом рассеяния: длительность сигнала обратного рассеяния равна времени двойного прохода света по этому участку.

Рис.5.1. Формирование отраженного и рассеянного излучения при распространении короткого светового импульса (зондирующего сигнала) в оптическом волокне.

 

Зависимости мощностей световых импульсов от расстояния вдоль волокна на нескольких длинах волн приведены на рис.5.2. Использованы линейная (Рис.5.2а) и логарифмическая (Рис.5.2б) шкалы.

Вместо логарифмической шкалы в телекоммуникационной отрасли принято использовать логарифмические единицы для измерения уровня мощности - децибел, приведенный к уровню в 1 мВт:

, (5.2)

где мощность выражается в милливаттах. Закон Бугера в логарифмических единицах имеет вид:

, (5.3)

где - коэффициент затухания волокна, выраженный в дБ/км, - расстояние от торца волокна в км.

Рис.5.2. Закон Бугера. Зависимости мощностей световых импульсов от

расстояния вдоль волокна на длинах волн 1550 нм, 1300 нм и 985 нм.

Использованы линейная (а) и логарифмическая (б) шкалы.

 

В окнах прозрачности современных одномодовых ОВ, т.е. в спектральных областях вблизи длин волн 1300 нм и 1550 нм, основной причиной затухания света является рассеяние света на неоднородностях малого размера. Однородности считаются малыми, если их диаметр << , где - длина волны света в волокне. Они возникают в силу термодинамических флуктуаций плотности в расплавленном кварце в процессе затвердевания при вытягивании волокна. Такие неоднородности волокна называются «вмороженными» неоднородностями. Закономерности рассеяния на «вмороженных» неоднородностях очень хорошо совпадают с закономерностями рэлеевского рассеяния, полученными теоретически для рассеяния на сферических неоднородностях малого диаметра. Поэтому такой вид рассеяния света в волокне (когда << ) называется рэлеевским рассеянием света.

Рэлеевское рассеяние характеризуется сферической симметрией рассеянного излучения (рис.5.3), поэтому в однородной среде интенсивность излучения быстро уменьшается из-за расходимости излучения. В оптическом волокне часть рассеянного излучения канализируется сердцевиной и распространяется вдоль волокна с малым затуханием не испытывая дифракционной расходимости (рис.5.3б) в направлении входного торца ОВ. Именно эта часть рассеянного излучения попадает на фотоприемник, регистрируется и служит источником информации об оптическом волокне.

 

	а) Рэлеевское рассеяние в однородной среде. Мощность излучения быстро падает с расстоянием из-за расходимости.
	б) Рэлеевское рассеяние в ОВ. Часть излучения, попадающая в числовую апертуру, распространяется назад вдоль волокна без расходимости.

Рис.5.3. Рэлеевское рассеяние света в однородной среде (а) и в ОВ (б).

Поскольку рассеивающие центры распределены в среднем равномерно вдоль волокна, то рассеянное разными центрами излучение возвращается к входному торцу волокна в разное время (с разной задержкой) и, поэтому, даже короткий зондирующий импульс формирует непрерывный убывающий по мощности сигнал обратного рассеяния. Зависимость мощности сигнала обратного рассеяния, поступающей на фотоприемник, измеряемая в дБм, от времени приведена на рис.5.4а.

Мощность сигнала обратного рассеяния в однородном ОВ уменьшается во времени по двум причинам:

- Уменьшается мощность (энергия) зондирующего сигнала,

- Рассеянное излучение ослабляется во столько же раз при распространении вдоль волокна в обратном направлении.

Для коротких зондирующих импульсов можно показать, что мощность обратного рассеяния от некоторого малого участка с координатой вблизи этого участка определяется энергией импульса на этом участке и коэффициентом обратного рассеяния волокна (единица измерения с^-1):

, (5.4)

где - энергия зондирующего импульса на входе в волокно, - интегральное затухание света на участке от торца волокна до тестируемого участка с координатой .

а) б)

Рис.5.4. Временная зависимость регистрируемой фотоприемником мощности обратного рассеяния (а) и соответствующая этой временной зависимости рефлектограмма, полученная переходом к новой горизонтальной и вертикальной шкалам.

 

Мощность, регистрируемая фотоприемником рефлектометра, меньше приведенной мощности в число раз, равное затуханию света на пути от тестируемого участка до входного торца волокна. Затухание на некотором участке линии связи, построенной из одномодовых волокон, не зависит от направления, следовательно, регистрируемая фотоприемником мощность равна:

, (5.5)

где .

В логарифмических единицах выражение преобразуется к следующему виду:

, (5.6)

где - уровень мощности сигнала обратного рассеяния вблизи входного торца волокна, - интегральное затухание в логарифмических единицах (децибелах) на пути от входного торца волокна до участка с координатой .

Зависимость мощности в дБм от времени приведена на рис.5.4а. Мощность, регистрируемая в моменты времени и , определяется удвоенным затуханием света на пути до этих участков.

Поскольку задачей измерений является измерение затухания, а не его удвоенного значения, то для удобства работы с рефлектометром прибор пересчитывает измеренную зависимость так, что на вертикальной шкале откладывается значение затухания в дБ, которое вдвое меньше значения разности между уровнем потерь в измеряемой точке и начальным уровнем потерь:

, (5.7)

или

. (5.8)

По горизонтальной шкале отложено расстояние путем пересчета по формуле:

, (5.9)