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無線電子工学および電気工学の百科事典 光ファイバー情報伝送システムの測定。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
最新の光ファイバー伝送システムは、高速機能と広帯域、安定性と信頼性、および高度な情報伝送の信頼性を備えています。 これらの品質を満たすためには、すべての要素が厳密な技術的フレームワーク内で機能する必要があります。 しかし、電気通信回線のような電子ではなく、情報担体が光子の流れである光ケーブルや光スレッドの多数のパラメータをどのように制御するのでしょうか? ここでは、従来の測定装置は適していません。 このような通信回線のパラメータの測定と制御に使用される方法と機器については、公開された記事で説明されています。 光ファイバー伝送システム (FOTS) およびあらゆるケーブル システム (同軸ケーブルまたは平衡ケーブル) には、建設、試運転、認証および試運転テスト、さらには持ち運び中の動作中に測定する必要がある一般パラメータがあります。予防作業を行います。 同時に、FOTS は情報担体が光子束であるという事実により重要な特徴を持っています。 光学範囲で動作するには、コヒーレント放射を生成する光量子発生器 (レーザー)、量子光検出器 (フォトダイオードおよびフォトトランジスタ)、光ファイバー自体、およびその他の多数の要素が使用されます。 FOTS用の端末機器だけでなく、測定器も作った。 FOTS では、次の一般化されたパラメータを測定する必要があります。 1) 回線に導入される光放射の平均相対パワー (dBm (dB re 1 mW) 単位)。 2）ライン内の光信号の減衰（dB）。 3) 伝送路における所定の誤り率に対する伝送システムの感度 (dBm 単位)。 4）ミクロンまたはnm単位の光放射の波長。 5）放射のスペクトル線の幅、nm; 6）光路における光パルスの分散、ps / nm*km。 これらのパラメータの測定に加えて、システムは、事故（光ケーブルの断線など）が発生した場合のレーザーの自動スイッチオフ、および復元されたレーザーをテストするときに一時的にスイッチをオンにする頻度と期間を制御します。ライン。 量子および光学 FOTS 素子の測定特性には、特にエミッタ - 半導体レーザーのパラメータ、つまり放射波長 leav (μm または nm)、スペクトル線幅 Dl (nm)、平均放射パワー Po ( mW）など。 光検出器のパラメータを知ることも重要です。光検出器の分光感度範囲 (μm)、感度 (A/W)、暗電流値 (nA)、フォトダイオードの固有静電容量 (pF)、フォトダイオードのサイズ (直径) です。感光面積（μm）、量子効率（h）。 光ファイバおよびケーブルでは次のパラメータが測定されます。1 km の長さにわたって導入された OF または OK のキロメートル減衰 (dB/km 単位)。 光パルス分散、ps/nm km。 屈折率プロファイルのタイプ。 保護シースあり、および必要に応じて保護シースなしの繊維直径 (ミクロン単位)。 マルチモード光ファイバーの場合 - 開口数。 この記事で一般化されているパラメータは主要なパラメータであり、FOTS の設計、構築、運用のさまざまな段階で測定の対象となります。 平均光パワー Ro の測定 このパラメータを測定するには、対応するスペクトル波長範囲の光放射に敏感なセンサーが必要です。 私たちの場合、これらは 1 つの範囲です (一般に受け入れられている用語、つまり 0,82 つの透明度ウィンドウによる): I OP - Dl0,86=2...1,31 ミクロン。 II OP - Dl1,35=3...1,53 μm; III OP - Dl1,56=XNUMX...XNUMX μm。 光放射の平均パワーを測定するには、この目的のために特別に設計されたフォトダイオードが使用されます。 光ファイバーはシングルモードとマルチモードの両方でデバイスに接続でき、その直径は最大 500 ミクロンに達します。 フォトダイオードによる光パワーの測定は、光放射によって生じる光電流 IPD の比に基づいており、これは平均光パワーに比例し、波長に反比例します。 したがって、パワー メーターのスケールは、それぞれの透明度ウィンドウに対してミリワット (mW) または dBm で校正されます。 現在、平均的な光パワーメーターは国内の業界と多くの外資系企業によって生産されています。 このようなデバイスのほとんどすべては、寸法、重量が小さく、自律電源を備えており、実験室や工場の条件、建設、試運転、さらには FOTS の動作中にも使用できます。 インストルメントパネルはデジタルインジケーター、ほとんどの場合液晶に基づいて作られています。 0,85 µm、1,3 µm、1,55 µm の XNUMX つの透明度ウィンドウの測定範囲スイッチ、mW/dBm 校正スイッチ、およびゼロ設定ダイヤルが付いています。 測定される光放射は、光コネクタ (ほとんどの場合 FC または PC タイプ) で終端された光ファイバを使用して供給されます。光コネクタのソケット (ソケット) はデバイスの側壁の XNUMX つに取り付けられています。 デバイスの光学パラメータ、寸法、重量、動作条件を表に示し、それらの一部の全体図を図に示します。 1と2。
OKおよびラインでの減衰の測定。 光ファイバー (OF) および光ケーブル (OC) における光信号のエネルギーの減衰 (または損失) は、吸収、局所的な不均一性による光散乱、および材料分子上のレイリー (分子) 光散乱が原因です。 さらに、OF に導入されるパワー レベルが増加すると (13 dBm 以上)、いわゆる誘導ラマン散乱などの物理現象が損失を決定する要因に追加されます。 材料欠陥による吸収による減衰は測定が困難なほど小さくなり、光信号パワーが10mW未満では光ファイバ内の損失は主にレイリー散乱によって決まります。 このタイプの散乱はシリカ SiO2 分子上で発生します。 そのパワーは波長の XNUMX 乗に反比例します。つまり、波長が増加すると、このような損失は急速に減少します。 OK では、構造の長さを接続するときに追加の損失が発生します。 それらは、局所的な不均一性、光ファイバーの端の溶接または接着の場所に発生します。 局所的な不均一性には、OF の端にある平らな端も含まれており、そこからエネルギーが反対 (内側) 方向に反射されます。 石英 OF の場合、これらの損失は入射パワーの約 4% (または -14 dB) です。 光放射が光ファイバ中を伝播する際の光放射の減衰を測定するには、XNUMX 点法、置換法、時間領域のレイリー後方散乱法、光ファイバ抽出などのいくつかの方法があります。 これらの方法のうち、建設、試運転、運用に使用される最も単純で信頼性の高い方法は、ポイントツーポイント方法です。 さらに、ブレイクレス法、ブレイクレス法、校正散乱法の XNUMX 種類に分類されます。 建設や研究の現場で最も広く使用されているのは、ファイバーを破断する方法です。 光放射は光ファイバーの入力端に導入されます (入力端は平らであり、光ファイバーの軸に対して垂直である必要があります)。 この場合、測定中に OF へのエネルギー入力の条件が違反されないように、放射線源と OF の入力端はしっかりと固定されます。 既知の長さ L0 の OB が取得されます。 出力端はメーターの受信ユニットに挿入され、しっかりと固定されます。 その後、光ファイバの出力端から出てくる光パワーＰ１の値が測定される。 この値は記録されます。 さらに、長さＬ１のファイバが劈開方法のＯＦから分離される。 長さ L1= L1-L2 の残りのファイバーの出力端も平らであり、特別な顕微鏡によって制御される OF 軸に対して垂直でなければなりません。 出口端の品質が満足できない場合は、ファイバを再度劈開して制御します。 所望の品質の端面が得られた後、再度光パワーメータの受信部に導入され、光パワーＰ２が固定される。 したがって、長さL0のファイバの出力および入力P1における光パワーP2の値が決定されます。 長さ L1 のファイバの減衰は、式 k=P1/P2 (倍) または a=1lgP2/P1 (dB) によって決定されます。 この方法の利点は、標準的な記録デバイスが実装に適しているため、特別な機器を必要としないことです。 しかし、この方法には重大な欠点もあります。それは「破壊的」タイプに属し、効率が低いということです。 実際には、0,1 点法の 0 番目のタイプである非破壊測定がよく使用されます。 この方法では、特定の波長の光放射源に出力光単心ケーブルが供給され、その端は光コネクタで終端されます。 最新の光ファイバーと光コネクターの幾何学的および光学的パラメーターの広がりは非常に小さいため、ある光コネクターを別の光コネクターに接続するときの減衰値の広がりは 0 dB を超えません。 これまでの説明から、次のスキームに従って実行された XNUMXV または OK での減衰測定は正しいということになります。 エミッタの出力コネクタに光パワーメータを接続し、受信データを記録します。 次に、出力コネクタが XNUMXV 入力端 (OK の不可欠な部分) に接続され、同じく OR に組み込まれ、パワー メーターがその出力端に接続されます。 測定された電力値から、上記の式を使用して減衰量が計算されます。 説明した方法を使用して減衰を測定するために、業界では光学テスターを製造しています。 このようなデバイスには、安定した校正済み放射線源と光パワー メーターが 850 つのハウジング内に含まれています。 一部の企業は、エミッターとパワーメーターという 1310 つの別個のユニットで構成される光学テスターを製造しています。 1540 つの別個のユニットで構成される光学テスターの方が、ラインの異なる端で測定できるため、場合によってはより便利であることがわかります。 両方のタイプのテスターは、例えばSIMENSによって製造されている。 1550番目のタイプのテスターには、Almazタイプの家庭用デバイスが含まれます。 このデバイスを使用すると、1560、50、3、0,2、XNUMX nm の XNUMX つの波長のいずれかで光信号のパワーと減衰を OK で測定できます。 測定値の範囲は -XNUMX ～ +XNUMX dB で、絶対誤差は +XNUMX dB 以下です。
時間領域でのレイリー後方散乱の測定に基づく反射率測定の方法は、最新の FOCL の減衰レベルを評価する際に最大の用途が見つかりました。 これを行うには、持続時間 t および繰り返し周期 Ti の光パルスの周期シーケンスが光ファイバーに導入されます。 エネルギーパルスは入力端に戻ります。 それらの振幅は、入力 (基準) パルスから順方向および逆方向のパルス移動時間に等しい時間だけ離れた光パルスのパワーに比例します。 これらの信号をオシロスコープの画面で見ると、ノイズで満たされた曲線が表示され、その平均値は時間の経過とともに指数関数的に減少します。 このような曲線があると、測定値を正確に読み取ることができなくなり、使用が不便になります。 ただし、曲線を定期的に繰り返すことにより、結果を何度も蓄積できるため、測定されたファイバの長さに対する減衰のきれいな線が得られます。 通信技術ではすべての相対パラメータが dB 単位で測定されるため、この曲線は各垂直座標で対数化され、そのため傾斜した直線の形になります。 説明されている減衰値のファイバーの長さへの依存性は、光リフレクトグラムと呼ばれます。 リフレクトグラムを使用して、減衰だけでなく、光ファイバーの長さ、損傷点 0 V を含む局所的な不均一性までの距離も決定できることは明らかです。
反射率測定法には、他の減衰測定法に比べて多くの利点があります。測定は線路の一端または光ケーブルまたはファイバの一端で行われます。 効率; 0V または OK の長さ、局所的な不均一性の位置 (たとえば、0V の亀裂や小さな半径の曲がり) を決定する機能。 ルート全体の継続的なモニタリングとその診断の可能性。 光学反射率計 (図 3 および 4) は、世界中のさまざまな企業によって製造されています (表 2)。
最新の伝送システムの感度を測定します。 伝送の品質を決定する主なパラメータは、デジタル情報の伝送におけるエラーの確率です。 現在、所定の数の送信シンボル (10 と 9) の誤り確率は 10-12 ... 5-XNUMX (送信レートに応じて) が標準と考えられています。 デジタル伝送システムの感度は、受信時の最小信号パワーとして理解され、この値でもエラー確率の指定値が観察されます。 光ファイバ伝送システムでは、光可変減衰器を使用して感度測定が行われます。 これらは次のスキームに従って機能します (図 XNUMX)。
実際の回線で送信されるデジタル信号に対応するコードのデジタル信号の擬似ランダム シーケンスが、誤り率計 (ECO) から STM 機器のグループ デジタル信号の電気入力に供給されます。 STM 装置では、この信号がデジタル信号に変換され、送信ユニットの光コネクタに供給されます。この出力には、単心光ケーブル (OK) を使用して、光可変校正減衰器 ( ATT) が接続されており、その出力も光ケーブルを介して光信号受信ユニット STM ハードウェアに接続されています。 受信パスの電気出力から、受信デジタル信号が PPI 入力に接続されます。 光パワーメータを使用して測定を開始する前に、このタイプの STM 装置の最大許容光パワー レベルが受信パスの入力で設定されます。 これは、可変校正された減衰器によってラインに導入される減衰を低減することによって行われます。 同時に、ATT 読み取り値が記録されます。 次に、ライン ケーブルが IM パワー メータから切り離され、STM 受信パスの光入力に接続されます。 このモードでエラー レートを測定し、その結果が保存された後、エラー レート (エラー確率とも呼ばれます) が値 Posh> 10-9 ( 10-10) その後、リニア光ケーブルが STM 受信パスの光入力から切り離され、IM パワー メータに再接続されます。 この電力がシステムの感度を決定する値となります。 また、ATT によって光路に導入された減衰量も記憶します。 業界では、FOCL の測定用に可変校正された減衰器を製造しています。 一例として、HEWLET PACKARD の可変光減衰器タイプ OLA-15 E-0004 があります。 このタイプの減衰器は、FOCL に -3 ～ -60 dB の減衰を導入できます。 減衰値をデジタル表示します。 指定範囲内の減衰量の変化は0,1dBステップで滑らかに行われます。 国内産業では、たとえば NTGV243 タイプのこのような減衰器も製造しています。 これによって生じる減衰の範囲は -1 ～ -45 dB です。 指示の読み取り - バーニア。 光放射の波長とスペクトル帯域の測定。 FOCL のゾーンおよびローカル ネットワークでは 0V が使用され、主に 4 番目の透過ウィンドウ、トランク ネットワークでは 16 番目の透過ウィンドウが使用されることが知られています。 さまざまな FOCL システムでは、特定の透過窓と一致しない 64 つまたは別の波長の光ファイバー増幅器が使用されることがあります。 これが原因で、構築中または修復中のシステムが動作しなくなる可能性があります。 したがって、放射線の波長を測定することの重要性は理解できます。 波長に加えて、スペクトル線の幅（つまり、光放射の帯域幅）を知ることも重要です。 FOCL のさまざまなセクションとこのパラメータの不一致により、光パルスが光回線内を伝播するときに光パルスの分散 (つまり、広がり) が発生します。 線幅の不一致は、STM-XNUMX、STM-XNUMX、STM-XNUMX などの伝送システムの品質パフォーマンスに特に大きな影響を与えます。 光放射の波長とスペクトル線の幅は、特別な装置である光スペクトルアナライザーを使用して測定されます。 これらのデバイスは、HEWLET PACKARD などの多くの外国企業によって大量生産されています。 光パルスの分散は、光ファイバーや光ケーブルの製造時や工場でのテスト時にも測定されます。 業界では、FOCL の光パルスの分散を測定するための特殊なデバイスも製造しています。 このような装置には、例えば、熱伝達研究所（ミンスク）によって製造されたＩＤ－３タイプの装置が含まれる。 ここでは、FOCL システムで測定されるいくつかのパラメータのみが挙げられていますが、実際には、従来の通信システムにも固有の他の特性も測定されます。 著者：O。Sklyarov、Ph.D. ハイテク。 科学、モスクワ
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