Потери в ВОЛС неизбежны. Как выявить их величину?

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру кабельных тестеров по ссылке в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы для тестирования кабельных и сетевых инфраструктур. Также рекомендуются статьи для последующего самообразования

§11. Распределение потерь в линии связи. 

Измерения потерь проводятся для оценки качества ВОЛС. В большинстве случаев потери излучения (а не дисперсия) являются основным фактором, ограничивающим длину ретрансляционного участка линии связи.

В настоящее время разработана и широко используется измерительная аппаратура, позволяющая не только определять с высокой точностью величину полных потерь в линии (мультиметры), но и распределение потерь вдоль линии (оптические рефлектометры). Однако эти измерения, а также их интерпретация обладают определенной спецификой, свойственной волоконно-оптической технике, и требуют специального рассмотрения.

Полные потери α, вносимые линией связи длиной L, складываются из потерь в строительных длинах оптического кабеля qв Lст, потерь в сварных соединениях волокон αсв и потерь в разъемных соединениях пигтейлов на концах линии αр

α(дБ) = q_в L + (N+1) α_св + 2 α_р,                           (1.7)

где q_в – погонные потери в волокне (дБ/км), N = L/L_ст – число строительных длин оптических кабелей, уложенных в линию, N + 1 – число сварных соединений волокон в линии, L_ст – строительная длина оптического кабеля (рис. 1.12).

Рис. 1. 12. Схема распределения потерь в ретрансляционном участке линии

Наиболее высокие требования предъявляются к величине потерь в оптическом кабеле и в сварных соединениях волокон (на одну строительную длину кабеля приходится примерно одно сварное соединение). Требования к величине потерь в разъемных соединениях менее жесткие (их надо сравнивать с полными потерями в линии). Потери, которые иногда возникают в местах изгибов волокон в пигтейлах, учитывать не будем.

Оценим величину полных потерь в ретрансляционном участке линии длиной L = 80 км (типичное значение для магистральной линии без оптических усилителей). Будем исходить из того, что строительная длина оптического кабеля равна L_ст = 5 км, а величина потерь в сварных соединениях не превышает α_св = 0.05 дБ (требования Ростелекома). Основные потери в линии возникают из-за потерь в волокне, их мы положим равными q = 0.2 дБ/км на λ = 1550 нм и q = 0.33 дБ/км на λ = 1310 нм (типичные значения). Потери в разъемных соединениях положим равными среднему значению потерь в некалиброванных разъемах (a_р = 0.3 дБ). Результаты оценок приведены в таблице № 1.2.

При использовании высококачественного оборудования и соблюдения технологии монтажа полные потери в линии получаются близкими к их номинальному значению. Если есть уверенность, что эти условия соблюдены, то можно ограничиться только измерением полных потерь в линии с помощью мультиметра. Мультиметр значительно более простой прибор, чем рефлектометр, и измерения полных потерь в линии с его помощью требуют значительно меньше времени, чем измерения распределения потерь в линии с помощью рефлектометра. Такой подход используется для того, чтобы уменьшить время монтажа линии. Однако в тех случаях, когда нет уверенности в том, что все технологические условия соблюдены, необходимо измерять распределение потерь вдоль линии связи.

Таблица № 1.2. Распределение потерь (номинальных) в линии связи

Рабочая длина волны	Потери в оптическом кабеле	Потери в сварных соединениях	Потери в разъемных соединениях	Полные потери, вносимые линией
1500 нм	0.2 × 80 = 16 дБ	0.05 × 80 = 0.85 дБ	0.3 × 2 = 0.6 дБ	17.45 дБ
1310 нм	0.33 × 80 = 26.4 дБ	0.05 × 80 = 0.85 дБ	0.3 × 2 = 0.6 дБ	27.85 дБ

 

§12. Потери в сварных соединениях волокон

Сварка SM волокон производится с помощью автоматизированных сварочных аппаратов, осуществляющих не только сварку волокон, но и оценку величины потерь в месте соединения волокон. Юстировка и оценка величины потерь в месте соединения волокон производятся по смещению сердцевин волокон, что позволяет создавать сварные соединения со средними потерями порядка 0.02 дБ. Эта величина сравнима с точностью измерения потерь в сварных соединениях (~ 0.01 дБ) как с помощью рефлектометров, так и с помощью мультиметров. То есть можно полагать, что в лабораторных условиях SM волокна свариваются практически без потерь.

Столь малые потери в сварных соединениях SM волокон достигаются при условии выполнения целого ряда технологических требований: прецизионной настройки режимов сварочного аппарата, использовании высококачественного скалывателя (среднее значение угла скалывания торца волокна 0.5°) и тщательной очистки поверхности свариваемых волокон. Однако при работе в поле не всегда удается соблюсти все эти технологические требования, что приводит к возникновению различного рода нарушений качества сварного соединения. На рис. 1.13 приведены типичные искажения сварных соединений примерно так, как они видны на экране сварочного аппарата.

Рис. 1.13. Примерный вид дефектов сварных соединений волокон на экране автоматизированного сварочного аппарата

Как уже говорилось, на экран автоматизированных сварочных аппаратов выводится не только изображение волокон, но и оценка величины потерь в сварном соединении. В большинстве аппаратов она рассчитывается по величине смещения сердцевин свариваемых волокон. Однако такая оценка не учитывает (как видно из рис. 1.13) несовершенства сварного соединения, приводящего к появлению избыточных потерь. Кроме того, так как в общем случае диаметры модовых пятен свариваемых волокон не равны друг другу, то избыточные потери возникают и при высоком качестве соединения волокон.

Эти потери (α_Δw(дБ) = 4.34 (Δw/w)² (1.4)) пропорциональны квадрату относительной разности диаметров модовых пятен свариваемых волокон. По международному стандарту G.652 относительные вариации диаметра модового пятна не превышают 10 %. Полагая Δw/w = 0.1, получаем α_Δw(дБ) = 0.043 дБ. Хотя эта величина и меньше 0.05 дБ (требования Ростелекома), однако нет гарантии, что вариация диаметра волокна на практике не превысит 10 %. Поэтому окончательный вывод о качестве сварного соединения волокон может быть сделан только после того, как будут проведены прямые измерения потерь в этом соединении.

Наименьших потерь в сварных соединениях волокон удается добиться при юстировке по сердцевине волокон с коррекцией эксцентриситета. В этом случае потери возникают в основном из-за неравенства диаметров модовых пятен свариваемых волокон. Допуск на диаметр модовых пятен у большинства ведущих компаний-производителей на λ = 1310 нм составляет ± 0.5 мкм. Соответственно, в самом худшем случае диаметры модовых пятен свариваемых волокон могут различаться на 1 мкм. Потери при этом составят величину 0.04 дБ. Компании Corning и Hitachi уменьшили этот допуск до ± 0.4 мкм и, соответственно, снизили эти потери до 0.025 дБ.

Допуск на диаметр модовых пятен ± 0.5 мкм соответствует международному стандарту ITU-T G. 652, согласно которому он не должен превышать 10 %. Это означает, что максимальная разница диаметров модовых пятен у волокон разных производителей не превышает 10 % и, соответственно, возникающие из-за этого потери не превышают 0.04 дБ.

Однако в оптический кабель, как правило, укладываются волокна какой-то одной производящей компании. При соединении строительных длин таких кабелей максимальная разница диаметров модовых пятен получается значительно меньше. Так, например, для волокон компании Hitachi относительная флуктуация диаметра модовых пятен составляет величину всего лишь порядка 1 % (рис. 1.14), а возникающие из-за этого потери не превышают 0.004 дБ.

Рис. 1. 14. Гистограмма распределения диаметра модовых пятен в SM волокнах компании Hitachi на длине волны 1310 нм

На практике средняя величина потерь при сварке волокон одной производящей компании составляет < 0.05 дБ и определяется совокупностью факторов, таких, как плохой скол, грязь на торцевой или боковой поверхности волокон, эллиптичность и флуктуации диаметра оболочки, погрешности в настройке режима сварочного аппарата и т. д.

§13. Потери в разъемных соединениях волокон

Торцевые поверхности одномодовых волокон в оптических разъемах имеют сферическую форму с радиусом закругления 10…25 мм для PC разъемов (PC – Physical Contact) и 5…12 мм для APC разъемов (APC – Angled Physical Contact). В соединенном состоянии торцы стыкуемых наконечников прижимаются друг к другу с определенным усилием (обычно 8…12 Н). Возникающая при этом эластичная деформация наконечников приводит к появлению оптического контакта (рис. 1.15).

Рис. 1.15. Схема образования оптического контакта в месте соединения наконечников разъемов РС и АРС

Две поверхности считаются находящимися в оптическом контакте, если расстояние между ними много меньше длины волны света. При этом, чем меньше расстояние между этими поверхностями, тем меньше будет и величина отраженного от них света. Качество оптического контакта определяется качеством шлифовки и последующей полировки торцевой поверхности волокон. Для PC разъемов ETSI рекомендует величину коэффициента френелевского отражения от места оптического контакта менее -35 дБ. Стандартная шлифовка, как правило, обеспечивает -40 дБ.

Многие поставщики оптических коммутационных шнуров предлагают разъемы со специальной шлифовкой, обеспечивающие коэффициент отражения менее -55 дБ. Это так называемые разъемы Супер- и Ультра-РС. На практике такая шлифовка оказывается бесполезной, так как буквально после нескольких подключений коэффициент отражения увеличивается до величины, свойственной обычному РС разъему. Происходит это из-за неизбежного появления пыли и микроцарапин на торцевых поверхностях разъемов.

Поэтому, когда требуется коэффициент отражения не хуже -55 дБ, разумнее использовать АРС разъемы. В АРС разъемах нормаль к контактной поверхности наклонена к оси наконечника под углом 8° (рис. 1.15). В такой конструкции коэффициент отражения не превышает -60 дБ как в соединенном, так и в разъединенном состоянии. В соединенном состоянии типичным является значение от -70 до -80 дБ.

Таким образом, в РС и АРС разъемах только ничтожно малая часть излучения отражается от места соединения торцов волокон. Поэтому потери, вызванные отражением света, пренебрежимо малы. Если пренебречь также потерями, возникающими из-за дефектов на торцах волокон, то основной причиной, вызывающей потери в месте соединения разъемов, является смещение сердцевин соединяемых волокон относительно друг друга вследствие эксцентриситета (неконцентричности) как самих волокон, так и деталей крепления разъема (рис. 1.16).

Рис. 1.16. Сложение разных видов не концентричности в наконечнике

Оценим допустимую величину смещения сердцевин волокон исходя из того, что потери в разъемах, в соответствии рекомендациями ETSI, не должны превышать 0.5 дБ. Зависимость этих потерь от величины смещения сердцевин d описывается формулой (1.6): α_d (дБ) = 4.34 (d/w)². Учитывая, что диаметр модового поля w ≈ 10 мкм, получаем, что величина смещения сердцевин друг относительно друга должна быть меньше 3.4 мкм.

Потери принято относить к одному определенному разъему (несмотря на то, что измеряемой величиной являются потери в месте соединения двух разъемов). Так можно делать, когда потери в месте соединения разъемов обусловлены только смещением сердцевин волокон, и один разъем при этом образцовый (его также называют материнским или мастер-разъемом). Образцовый разъем А выделен среди других разъемов тем, что в нем ось сердцевины волокна совпадает с номинальным центром разъема (рис. 1.17).

Все измерения при изготовлении оптических шнуров выполняются только относительно образцового разъема. Данные именно этих измерений и указываются в каталогах всех производителей, а также на упаковке готовых изделий. Но при использовании оптических шнуров типовой разъем стыкуется не с образцовым разъемом, а с таким же типовым разъемом (любой с любым). В таких соединениях смещения сердцевин получаются больше почти в 1.5 раза, а потери(в дБ) увеличиваются при этом примерно в 2 раза (рис. 1.18).

Рис. 1.17. Местоположение сердцевины волокна в наконечниках: (а) – в типовом (некалиброванном) разъеме и (б) – в образцовом разъеме А

Рис. 1.18. Гистограмма распределения потерь, вносимых при соединении типовых (некалиброванных) разъемов (любого с любым)

Для компенсации негативного влияния эксцентриситета применяются различные способы регулировки (настройки) разъемов. Наибольшее распространение получила технология, в которой используется образцовый разъем Б (со смещенной сердцевиной волокна). В образцовом разъеме Б сердцевина волокна смещена относительно номинального центра (параметры оговорены в спецификации IEC) примерно на половину радиуса зоны возможных отклонений сердцевины (рис. 1.19). 

Потери в месте соединения наконечников стандартного разъема и образцового разъема Б, как легко видеть из рис. 1.19, будут изменяться при вращении одного из наконечников вокруг продольной оси. Своих экстремальных значений эти потери достигают в положениях, где совпадают азимуты их сердцевин. Таким образом, имеется возможность при изготовлении разъема настраивать его на минимум потерь.

Рис. 1.19. Местоположение сердцевины волокна в наконечниках: (а) – в некалиброванном разъеме и (б) – в образцовом разъеме Б

Настройка разъема осуществляется следующим образом. Вращая изготовленный наконечник вокруг продольной оси, определяют его положение относительно образцового, при котором достигается наименьший уровень вносимых потерь, после чего наконечник фиксируется в корпусе разъема. Наконечник может быть вставлен в корпус разъема в одном из четырех положений (со смещением вокруг оси на 90°). В результате сердцевина волокна попадает в строго определенный (относительно корпуса разъема) квадрант торцевой поверхности (рис. 1.19). При соединении откалиброванных таким способом разъемов (любого с любым) потери получаются в среднем примерно в два раза меньше (рис. 1.20). 

Рис. 1.20. Гистограмма распределения потерь вносимых при соединении калиброванных разъемов (любого с любым)

Достоинство этого способа настройки разъемов, кроме эффективного уменьшения потерь (таблица № 1.3), заключается также и в том, что используются стандартные наконечники и что стоимость таких калиброванных разъемов увеличивается незначительно. Этот способ настройки специфицирован IEC и поддержан большинством крупных производителей, что обеспечивает совместимость и взаимозаменяемость изготавливаемых ими разъемов. 

Таблица № 1.3. Потери, вносимые при соединении разъемов

Параметр	Некалиброванные разъемы		Калиброванные разъемы
Потери при                 соединении с     образцовым             разъемом	Средне	0.20	Средне	0.14
	94%	< 0.30	95%	< 0.30
	97%	< 0.40	99%	< 0.40
Потери при     соединении      «любой  с любым»	Средне	< 0.30	Средне	0.15
	60 %	< 0.30	94%	< 0.30
	85%	< 0.50	98 %	< 0.40
	Макс	1.2	Макс	0.71

 

В настоящее время на телекоммуникационных сетях в Европе наиболее часто применяются некалиброванные разъемы со специфицированным значением вносимых потерь (относительно образцового разъема) не более 0.5 дБ. Однако поскольку с ростом числа телекоммуникационных сетей возрастает и количество точек соединений, то для снижения величины полных потерь все чаще применяются калиброванные разъемы.

§14. Погрешности при измерении потерь с помощью рефлектометра

Показания рефлектометра пропорциональны десятичному логарифму отношения мощности импульса P_z, рассеянного назад на расстоянии z от начала линии, к мощности импульса P_о, рассеянного назад в начале линии. Это отношение зависит не только от коэффициента пропускания линии Т(z), но и от величин коэффициентов рассеяния S_о – в начале линии и S_z – на расстоянии z от начала линии:

P_z/P_о = Т²(z) (S_z/S_о).                 (1.8)

Двойка в показателе степени коэффициента пропускания возникает из-за того, что свет проходит через участок линии длиной z дважды: в качестве прямой волны и в качестве обратной (рассеянной назад) волны. Поэтому для того, чтобы рефлектометр показывал величину потерь непосредственно в децибелах

α(z) = – 10 log(T(z)),                  (1.9)

в его логарифмической шкале используется в два раза меньший коэффициент. С помощью (1.8) и (1.9) получаем

5 log(P_о/P_z) = α(z) + 5 log(S_o/S_z).                  (1.10)

Таким образом, показания рефлектометра оказываются пропорциональными величине потерь в линии (измеряемых в дБ) и логарифму отношения коэффициентов рассеяния в точке z = const и в точке z = 0. Следовательно, показания рефлектометра будут изменяться не только из-за изменения величины потерь в линии, но и из-за изменения коэффициента рассеяния. Появление этой систематической ошибки обусловлено тем, что с помощью рефлектометра потери измеряются не прямо по отношению прошедшей через линию мощности к мощности на входе в линию, а косвенно по отношению мощностей, рассеянных назад в начале и в конце линии.

Так, если коэффициент рассеяния постоянен вдоль линии (Sz = Sо), то log(Sz/Sо) = 0, и показания рефлектометра будут прямо пропорциональны величине потерь в линии (в дБ). Однако в общем случае коэффициент рассеяния не постоянен вдоль линии (S_z ≠ S_о), и log(S_z/S_о) ≠ 0, и, следовательно, вариации коэффициента рассеяния приводят к появлению систематической ошибки. 

Вариации коэффициента рассеяния возникают в основном из-за вариаций диаметра модового пятна, так как коэффициент рассеяния обратно пропорционален квадрату диаметра модового пятна. Такая зависимость коэффициента рассеяния обусловлена тем, что числовая апертура волокна NA обратно пропорциональна диаметру модового пятна (выражение (1.2)). При этом, чем меньше диаметр модового пятна тем больше апертура волокна, и тем большая доля мощности, претерпевшей релеевское рассеяние в волокне (в полный телесный угол 4π), попадет назад в моду волокна. 

Полагая в (1.10), что отношение коэффициентов рассеяния обратно пропорционально квадратам отношения диаметров модовых пятен (Sz/Sо = (wo/ wz)2), и учитывая, что Δw = w_z – w_o << w = (w_o + w_z)/2, находим:

5 log(P_o/P_z) = α(z) + 4.34 Δw/w.          (1.11) 

Таким образом, вариации диаметра модового пятна приводят к появлению систематической погрешности, пропорциональной относительной величине изменения диаметра модового пятна (Δw/w). Как видно из (1.4), потери в волокне также зависят Δw/w. Выделим эту компоненту из полных потерь в линии в явном виде

α(z) = α_о(z) + 4.34 (Δw/w)².                     (1.12) 

Подставив (1.12) в (1.11), получим выражение, описывающее зависимость отклика рефлектометра от относительной величины вариаций диаметра модового пятна. 

5 log(P_o/P_z) = α₀(z) + 4.34 (Δw/w)² + 4.34 Δw/w.            (1.13) 

Характерно, что в погрешность отношение Δw/w входит в первой степени, а в потери – во второй степени. Поэтому знак потерь всегда положительный, а знак погрешности может быть как положительным, так и отрицательным и приводить к появлению как отрицательных, так и положительных всплесков в рефлектограмме. Кроме того, так как Δw/w << 1, то третий линейный член в (1.13) больше второго квадратичного. Поэтому вариации потерь в рефлектограмме, вызванные вариациями диаметра модового пятна, будут маскироваться более сильными вариациями коэффициента рассеяния. 

В ряде практически важных случаев погрешность, обусловленная вариациями диаметра модового пятна, не является определяющей. Например, при измерении коэффициентов затухания в строительных длинах оптических кабелей, где вариации диаметра модового пятна, как правило, малы. Или при измерении потерь в длинной линии (a > 10 дБ), когда погрешность измерений будет обусловлена нелинейностью шкалы рефлектометра (0.02 дБ на каждый децибел измеренных потерь). 

В то же время, так как диаметры модовых пятен волокон в месте их сварки могут различаться до 10 %, то линейный член в (1.13) может достигать значительной величины (~ 0.4 дБ). Поэтому одной рефлектограммы оказывается недостаточно, чтобы измерить величину потерь в местах соединения волокон. С ее помощью можно только проконтролировать наиболее плохие соединения волокон. 

Систематическую погрешность, возникающую в рефлектограмме из-за вариаций диаметра модового пятна в линии, можно исключить, если воспользоваться тем фактом, что знак этой погрешности меняется при изменении направления распространения света, а знак потерь не зависит от направления распространения света. Для этого необходимо измерить рефлектограммы с обеих сторон линии и обработать их специальным образом. Схема, поясняющая алгоритм обработки рефлектограмм, измеренных с обеих сторон линии, изображена на рис. 1. 21. 

Рис. 1.21. Схема, поясняющая алгоритм обработки рефлектограмм, измеренных с обеих сторон линии

С помощью рефлектометра можно измерить не только величину потерь в строительных длинах оптических кабелей и в местах сварки волокон, но и величину полных потерь в линии. Однако схема измерений при этом усложняется, так как для устранения влияния отраженного излучения на входе и выходе линии необходимо установить дополнительные катушки с волокном. Поэтому измерения величины полных потерь в линии обычно осуществляют с помощью мультиметров.

§15. Погрешности при измерении потерь с помощью мультиметров

Схема измерения полных потерь в линии связи с помощью мультиметров изображена на рис. 1.22. Фотоприемный блок мультиметра, расположенного в пункте А, используется для измерения опорного значения мощности излучения лазерного блока, а фотоприемный модуль мультиметра, расположенного в пункте Б, – для измерения мощности излучения, прошедшего через линию связи. 

Рис. 1.22. Измерение потерь в ВОЛС с помощью мультиметров

В начале оператор, находящийся в пункте А, соединив вход и выход мультиметра оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он отсоединяет разъем шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет его через розетку к разъему на входе в линию. Оператор, находящийся в пункте Б, подключает с помощью оптического шнура свой мультиметр к выходу линии и измеряет величину сигнала. Затем с помощью оптического телефона (или каким-либо другим способом) он сообщает результат измерений оператору, находящемуся в пункте А. Величина потерь (с учетом разности показаний фотоприемных блоков, полученных в процессе их сверки) рассчитывается по формуле

α (дБ) = опорный сигнал в дБм – сигнал в дБм.                (1.14) 

При такой схеме измерений погрешность возникает в основном по следующим причинам: 
· нестабильность источника излучения, 
· нелинейность шкалы мультиметра, 
· разная чувствительность фотоприемных блоков на разных концах линии, 
· отклонения величины потерь в разъемах от их номинального значения. 

Кратковременная нестабильность лазерного блока (например, по паспортным данным AQ 2150) равна 0.02 дБ, реально же она не превышает цену деления его шкалы (0.01 дБ). Стабильность светодиодного блока выше, чем у лазерного, однако при его использовании величина потерь в волокне оказывается завышенной примерно на 5% из-за относительно широкой полосы излучения светодиода (50…100 нм). 

Нелинейность мультиметра в диапазоне от 0 до 30 дБ также не превышает его цены деления. Погрешность, возникающая из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, устраняется путем сверки их показаний до начала измерений потерь в линии и после их окончания. Наибольшая же погрешность возникает из-за того, что не известна точно величина потерь в разъемах. 

Как уже говорилось, значение потерь в разъемах, указанное его изготовителем, получено при измерении потерь в месте соединения этого разъема с образцовым разъемом. В нашем случае ни один из разъемов не является образцовым. При соединении некалиброванных разъемов «любой с любым» величина потерь в месте соединения разъемов не определяется однозначно номинальной величиной потерь в этих разъемах и может изменяться на величину стандартного отклонения. 

Величина стандартного отклонения для распределений, представленных на рис. 1.18 и 1.20, порядка их среднего значения. Соответственно для некалиброванных разъемов стандартное отклонение будет равно 0.3 дБ, а для калиброванных разъемов – 0.15 дБ (см. таблицу № 1.3). Таким образом, погрешность измерений полных потерь в линии ограничивается неопределенностью величины потерь в разъемах. С учетом того, что в линии всего два таких разъема, эта погрешность будет равна 0.4 дБ при использовании некалиброванных разъемов и 0.2 дБ при использовании калиброванных разъемов. 

Хотя в одномодовом волокне потери не зависят от направления распространения света, принято проводить измерения потерь в линии в обоих направлениях. Таким образом, удается исключить некоторые систематические погрешности. Например, если по ошибке к одномодовому волокну (в оптическом кабеле) был приварен пигтейл из многомодового волокна. Тогда потери в линии будут зависеть от направления распространения света (т. е. различаться больше, чем погрешность измерений), так как коэффициент передачи со стороны одномодового волокна больше, чем со стороны многомодового волокна. Или, например, усреднив результаты измерений потерь во встречных направлениях, можно исключить систематическую ошибку, возникающую из-за разной чувствительности фотоприемных блоков мультиметров, размещенных на разных концах линии.

 Магазин Gtest® - авторизованный поставщик кабельных тестеров в Украину: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/iskateli-skrytoi-provodki