В статье рассмотрены основные виды измерительных приборов, необходимых для строительства и эксплуатации оптических кабельных сетей. Описаны принципы их действия, основные схемы измерения и параметры устройств. Даны полезные советы для начинающих измерителей. Есть ссылки на конкретные модели приборов различных типов.
Содержание:
- Цель измерения оптических сетей
- Подготовка к измерению оптической сети
- Приборы для измерения оптических сетей
- Измерение потерь методом вносимых потерь
- Измерение мощности в оптических сетях
- 5.1. PON тестер
- 5.2. Идентификатор активных волокон
- Измерение ВОЛС с помощью оптического рефлектометра
- Определитель повреждения оптической линии
Ни для кого не секрет, что применение оптических линий связи вошло в нашу повседневную жизнь очень и очень плотно. Трудно представить компанию по предоставлению телекоммуникационных услуг, которая бы не применяла в качестве линий связи оптическое волокно. Несомненно, исключения из правил бывают, но это скорее уже пережитки прошлого, и рано или поздно придется применять оптическое волокно для передачи данных.
Сейчас на рынке существует огромный выбор продукции для построения оптических линий связи: это и кабель для различных условий прокладки, и кроссовое оборудование, и различные аксессуары. Казалось бы, покупай, строй и на этом все закончится. Но не тут-то было!
Главным элементом оптических сетей является оптический кабель, а точнее - оптическое волокно, которое в нем находится. От качества монтажа при строительстве зависит надежность и долговечность сети, а также минимальные затраты на аварийно-восстановительные работы. Возникает вполне логичный вопрос «А как же контролировать качество оптических линий?». Вот здесь уже не обойтись без целого класса оборудования, называемого измерительным оборудованием для оптических сетей.
Измерительное оборудования для ВОЛС:
- Оптические рефлектометры (OTDR)
- Оптические тестеры
- Измерители оптической мощности
- Источники лазерного излучения
- Источники видимого лазерного излучения (дефектоскопы)
- Идентификаторы активных волокон и т.д.
Если Вам все же предстоит работать с оптическим волокном, то необходимо ознакомится с основными видами измерительного оборудования. В данной статье мы попытаемся детально разобраться с принципом действия данных устройств, покажем типичные схемы включения и некоторые нюансы.
1. Цель измерения оптических сетей
Многие могут задаться вопросом «А зачем это нужно?», ведь оно и так работает! Несомненно, каждый решает для себя сам, стоит ли приобретать измерительное оборудование. Но те, кому довелось столкнуться с проблемами при построении, эксплуатации или ремонте оптических сетей ответят вам однозначно - без него не обойтись.
В первую очередь строительные организации в процессе строительства оптических линий, как и везде, должны контролировать качество проделанной работы, здесь уж точно «на глаз» не скажешь правильно и качественно ли сделаны работы. При подготовке к сдаче оптических сетей (ввод в эксплуатацию) также необходимо применять измерительное оборудование для контроля различных характеристик (например, уровень оптического сигнала, затухание в линейном тракте, потери на сварных соединениях и др.). В случае с ремонтом при авариях вообще сложно будет что-то сделать, не зная точного места повреждения.
1.1 Характеристики оптических линий, которые необходимо измерять
- Первая и самая главная характеристика - это затухание (измеряется в дБ) в оптическом тракте на рабочей длине волны. Данная величина показывает, насколько будет затухать (ослабевать) оптический сигнал при прохождении через данную линию. Ее еще называют «Вносимое затухание» или «Вносимое ослабление», англоязычные варианты «Attenuation» или «Insertion loss».
Основные элементы, которые вносят затухание в оптический тракт - это:- непосредственно оптическое волокно (характеризуется потерями на единицу длины, дБ/км),
- сварные соединения,
- механические разъемы,
- оптические делители.
- Вторая немаловажная характеристика - это обратное отражение («Optical Return Loss» или «Back Reflection»). Эта величина характеризует значение оптической мощности, которая отражается и обратно к источнику излучения, выражается также в дБ.
Источником обратного отражения могут быть:- механические разъемы,
- трещины в волокне,
- свободный конец оптического разъема.
2. Подготовка к измерению оптической сети
2.1 Очистка поверхностей оптических разъемов
Прежде чем приступить к измерениям в волоконной оптике, следует запомнить очень важное правило – оптические коннекторы необходимо содержать в чистоте. Поскольку диаметр сердцевины волокна составляет порядка 9 мкм, невооруженным глазом заметить загрязнения невозможно. Но загрязнения присутствуют всегда – это факт. И совершенно не важно где и как хранился разъем, старый или новый, в любом случае на торце ферулы будут загрязнения. Это, в первую очередь, повлияет на точность измерений, которые мы будем обсуждать ниже. Размеры потерь, которые могут вносить «грязные» разъемы, могут колебаться в очень широких пределах и достигать нескольких дБ. Также загрязнения увеличивают значения обратного отражения, что крайне не желательно при передаче АМ сигнала кабельного телевидения.
2.2 Способы очистки оптических разьемов:
- Самый простой и экономичный - это безворсовая салфетка, смоченная в чистом спирте.
Следует отметить, что после протирки влажной салфеткой необходимо протереть сухой салфеткой для устранения разводов. - Один из самых удобных методов - это применение специальных безворсовых чистящих лент, при этом достигается быстрая и удобная очистка разъемов.
Очиститель рулонный CLN2-001 С помощью данного устройства проводится быстрая и качественная очистка торцевой поверхности ферулы от различных загрязнений, подходит для самых различных типов коннекторов: SC, FC, LC, ST, MU.
Процесс очистки выполняется буквально в два действия. Сначала необходимо открыть защитную шторку и, плотно прижав торцевую поверхность разъема к чистящей ленте, провести вдоль направляющих сначала от себя, а потом на себя. Для контроля чистоты поверхности можно применить специальный микроскоп с 200-кратным увеличением.
3. Приборы для измерения оптических сетей
3.1 Источники видимого лазерного излучения
Источник лазерного излучения - это, пожалуй, самое простое устройство, представляет собой источник красного света (650 нм), излучение которого вводится в оптическое волокно.
Предназначение
Главным назначением данного устройства является локальное выявление повреждений различного типа (трещины, изгибы, некачественные сварки и т.д.). В месте повреждения будет наблюдаться яркое свечение. Типичное расстояние, при котором можно применить данное устройство, составляет 3-5 км.
Пример применения источника лазерного излучения:
На фотографии видно, что на выходе одного волокна из защитной гильзы наблюдается яркое свечение, что свидетельствует о превышении допустимого минимального радиуса изгиба пигтейла. В этом случае происходит вывод излучения в оболочку и, соответственно, дополнительные потери, особенно на длине волны 1550 нм.
На следующей фотографии показаны дефекты оптического волокна в пигтейле. Они подсвечиваются красным светом и их легко обнаружить даже при ярком дневном свете. Это могут быть микротрещины или другие локальные повреждения в волокне, вызванные механическими повреждениями; но в любом случае дальше использовать этот пигтейл нежелательно. Следует обратить внимание, что внешне пигтейл выглядит совершенно нормально, но стоит применить источник видимого излучения - и все дефекты сразу же проявляются.
Обнаружение дефектов в пигтейле
Источники видимого лазерного излучения незаменимы при монтажных работах в кроссовом оборудовании, проверке работоспособности оптических патч-кордов с различными коннекторами (SC, FC, ST), пигтейлов, для идентификации нужных волокон путем «подсвечивания» их и т.д.
Основные преимущества:
- компактность,
- простота в использовании,
- универсальность,
- а самое главное - небольшая стоимость.
3.2 Источники лазерного излучения
Источник лазерного излучения представляет собой устройство, основным элементом которого является полупроводниковый лазер (лазерный диод), их количество может быть разным. Самые распространенные - это длины волн 1310 нм и 1550 нм, поскольку на этих волнах в основном происходит передача оптического сигнала. Могут существовать разнообразные варианты комбинаций различных лазеров, некоторые источники лазерного излучения могут иметь в своей конструкции источник видимого лазерного излучения, о которых говорилось выше.
Предназначение
Основным же предназначением данных устройств является генерация лазерного излучения на фиксированной длине волны для измерения потерь в оптических линиях. Типичное значение уровня оптической мощности -7дБм. К дополнительным функциям источников лазерного излучения можно отнести генерацию не только непрерывного сигнала, но и модулированного с заданной частотой (например, 270 Гц, 1 кГц, 2 кГц) для идентификации волокон, автоматическое выключение, уровень заряда батареи и т.д.
Выходной порт излучателя, как правило, имеет адаптер FC/UPC.
Некоторые модели этих приборов могут оснащаться встроенным излучателем красного света (отдельный порт) для визуального определения дефектов.
Источники лазерного излучения у нас в каталоге:
3.3 Измерители оптической мощности
Данный прибор регистрирует уровень входной оптической мощности и отображает значение на экране. Основным элементом устройства является фотоприемник.
Обычно используется широкополосный фотоприемник. Это означает, что он регистрирует всю оптическую мощность, приходящую на него в диапазоне 800 – 1800 нм. Выставляя измеряемую длину волны (калиброванную) мы получаем численное значение в дБм или Вт. Если в оптическом тракте будут присутствовать одновременно излучения на нескольких длинах волн, то прибор отобразит некую суммарную величину мощности.
Типичными значениями измеряемых длин волн (калиброванных) являются все те же 1310 и 1550 нм, но также могут быть и другие: 850, 980, 1300, 1490 нм и т.д. Динамический диапазон измерителя (оптические мощности, которые он может измерять) зависит от применяемого фотоприемника, типичное значение для InGaAs составляет порядка 60-70 дБ. В зависимости от конкретных применений можно подобрать оптимальный прибор. Для измерений в телекоммуникационных сетях подойдут измерители мощности с большей чувствительностью фотодетектора (+6…-70 дБм), а для оптических сетей кабельного телевидения важно измерение достаточно больших мощностей (+26…-50 дБм). Как и источники излучения, устройство работает от встроенной батареи, имеет подсветку экрана, функцию автоматического выключения, сохранения результатов и много другого. Входной оптический порт, как правило, имеет адаптер FC/UPC. Одной из важнейших функций данного устройства является возможность измерять потери оптического сигнала относительно произвольного начального уровня (более детально смотрите ниже).
Общий вид MULTITEST MT 1103, MT1108 и MT1106
3.4 Оптический тестер
Это устройство представляет собой источник излучения и измеритель оптической мощности в одном корпусе. Преимущества и недостатки, по сравнению с отдельными устройствами, каждый решает сам для себя, учитывая специфику применения данного устройства.
- компактность;
- независимая работа источника и измерителя;
- аналогичные функциональные возможности источника и измерителя.
Общий вид оптического тестера MULTITEST MT3204С
Перейдем к вопросу практического применения этих устройств. Первая и самая главная задача сводится к измерению затухания сигнала в оптической линии. Для этого нам необходимы как источник излучения, так и измеритель оптической мощности.
4. Измерение потерь методом вносимых потерь
Поскольку измеритель определяет только уровень мощности, то для измерения потерь (затухания) в оптической линии нужно сделать два измерения. Сначала – определить уровень мощности на выходе источника излучения (опорный уровень), а потом – уровень мощности сигнала, прошедшего через тестируемую линию. Разность этих значений (в дБм) или их логарифмическое отношение (в Вт) и составит потери в линии.
Опорный уровень определяется при непосредственном соединении источника и измерителя соединительным шнуром (патч-кордом). При измерении выставляем соответствующую длину волны на источнике и измерителе. После получения результата переходим в режим измерения относительных потерь (кнопка dB), на экране измерителя появится значение 00.00 dB. Это позволяет не заниматься пересчетом, а при следующем измерении прямо получить значение затухания на экране измерителя.
Определение опорного уровня
При втором измерении, мы подключаем после шнура интересующий нас участок, на котором нам необходимо произвести измерение потерь, и сразу же получим на экране значение потерь в дБ.
Измерение потерь в линии методом вносимых потерь
Данный метод измерения очень прост, практичен, не требует длительного времени и дорогого оборудования. При этом достигается небольшая погрешность измерений, порядка 0,1 дБ. При отсутствии измерительного источника излучения для измерения затухания может использоваться любой оптический передатчик с длиной волны, которая есть в вашем измерителе мощности, имеющем режим непрерывного излучения (CW).
Если вам нужно проводить измерения потерь, когда оба конца оптической линии находятся в одном месте (например, бухта кабеля), то удобно будет воспользоваться оптически тестером. Принцип измерения таким прибором аналогичен с совместной работой источника и измерителя. Ниже приведена типичная схема измерения с помощью оптического тестера.
Измерение тестером опорного уровня и установка условного нуля
Измерение вносимых потерь с применением оптического тестера
На экране оптического тестера отображаются вносимые потери исследуемым образцом волокна. С помощью оптического тестера (а также пары приборов источник + измеритель) можно измерять вносимые потери не только линейных участков волокна, а также оптических делителей, механических соединений и т.д.
5. Измерение мощности в оптических сетях
Кроме потерь в линии измеритель мощности позволяет определять уровень оптической мощности в отдельных точках оптической сети. Например, существует оптическая сеть кабельного телевидения и нам необходимо измерять уровень оптического сигнала на входе оптического приемника. Для этого мы в работающей сети (оптический передатчик включен) подключаем измеритель в нужном месте, выставляем длину волны, на которой происходит передача сигнала, и измеряем уровень сигнала.
В результате данного измерения получаем некоторое значение в дБм. Если данное значение соответствует допустимому входному уровню оптического приемника и совпадает с расчетным значением по проекту, значит потери в оптическом тракте (оптический передатчик - оптический приемник) находятся в допустимых пределах (типичное значение входного уровня от -7 дБм до +3 дБм в зависимости от типа оптического приемника). Более того, если есть возможность измерить уровень сигнала не только на входе приемника, но и на выходе оптического передатчика, то можно достаточно точно оценить потери в оптическом тракте.
Измерение уровня оптического сигнала в кабельном телевидении
Примечание: В сетях кабельного телевидения применяются оптические разъемы с угловой полировкой (APC), это нужно учитывать, поскольку измерители оптической мощности, как правило, имеют полировку типа UPC. В этом случае необходимо применять комбинированные оптические шнуры для предотвращения соединения коннекторов с различными полировками.
5.1 PON тестер
Следует отметить отдельный тип устройств для тестирования полностью пассивных оптических сетей (PON сети). Тестирование производится путем включения прибора в оптическую линию (в разрыв), с одновременным сканированием на трех длинах волн - восходящего потока (от абонента к станции) на длине волны 1310 нм и нисходящих потоков (от станции к абонентам) - 1490/1550 нм, что экономит время и дает наиболее полную картину измерения. Основным отличием в сравнении с измерителями оптической мощности является наличие оптических фильтров и отдельных фотодетекторов для каждой измеряемой длинны волны.
Внешний вид MULTITEST MT3212 PON тестера
Измерения могут отображаться в различных единицах - дБм или Вт.
В данном приборе предусмотрена функция сохранения результатов измерений во внутренней памяти прибора с возможностью дальнейшего анализа данных па ПК. А также очень полезная функция автоматического выключения, что позволит значительно увеличить время работы прибора от батареи.
Пременение PON тестеров
PON тестер может применяться как при вводе PON сети в эксплуатацию для контроля уровней оптической мощности, так и при проведении ремонтно-восстановительных работ, а также для мониторинга сети.
Детально о применении PON тестера можно ознакомиться в статье «Измерения в пассивных оптических сетях (PON)».
5.2 Идентификатор активных волокон
Внешний вид устройства
На рисунке выше представлен компактный прибор для обнаружения активных (наличие оптического излучения) оптических волокон MULTITEST MT3306A. Устройство обеспечивает быстрый неразрушающий способ определения наличия и направления распространения оптического сигнала в одномодовых волокнах. Прибор позволяет без отключения приемопередающей аппаратуры определить наличие сигнала в волокнах и его направление, а также оценить оптическую мощность. Если в качестве сигнала применяется модулированное излучение источника 270 Гц, 1 кГц или 2 кГц - идентификатор также определяет частоту модуляции. Принцип действия заключается в регистрации оптического сигнала в месте макроизгиба. Для универсальности предусмотрены сменные насадки под различные диаметры (волокно, пигтейлы и патч-корды).
С точки зрения практического применения это устройство очень удобно при поиске «активных» и «темных» волокон в оптических кроссах и муфтах, где используется много волокон и большая вероятность случайного разрыва соединения.
6. Измерение ВОЛС с помощью оптического рефлектометра
Описанные выше методы измерений позволяют измерять уровень оптических потерь в линии, но обнаружить конкретное место повреждения в случае аварийной ситуации с их помощью невозможно. Единственным выходом из этой ситуации является применение оптического рефлектометра (OTDR).
Преимущества рефлектометра:
- Рефлектометр - позволяет за один цикл измерений одновременно определить целый ряд основных параметров оптического волокна:
- его длину,
- величину затухания на километр,
- наличие мест неоднородностей, их характер и расстояние до них,
- потери в соединителях, местах сварки и т.д. без проведения подготовительных работ;
- Проведение большого количества измерений с одного конца оптического волокна, в отличие от оптических тестеров.
Проблемные стороны рефлектометра:
- Высокие требования к вводу излучения в тестируемое волокно;
- Время для получения рефлектограммы с относительно неплохой точностью составляет не менее 30 секунд;
- Относительно высокая стоимость измерительного оборудования.
Принцип работы оптического рефлектометра
Принцип действия рефлектометра заключается в посылании в тестируемое волокно короткого оптического импульса. Из-за отражений от различных неоднородностей происходит образование обратного потока (обратное рассеяние). Рефлектометр измеряет временную задержку сигнала и уровень отраженного излучения. На основе этих данных строит рефлектограмму, представляющую собой график зависимости потерь в волокне от расстояния.
6.1 Рефлектограмма
Выше на рисунке представлена модель рефлектограммы с обозначением неоднородностей, которые могут встречаться в волокне.
Неоднородности в оптическом волокне, показанные на рефлектограмме
6.2 На какие характеристики рефлектометра следует обращать внимание при выборе модели?
- Основной параметр любого рефлектометра - это динамический диапазон. Этот параметр характеризует диапазон между уровнем передачи и минимальным уровнем приема сигнала (как правило, при соотношении сигнал/шум = 1). Типичное среднее значение этого параметра составляет 34-36 дБ. Для измерений в коротких линиях могут использоваться модели с динамическим диапазоном 28-32 дБ, а для протяженных участков или для сетей с большим затуханием в пассивных элементах (PON, разветвленные сети КТВ) – до 40-45 дБ и больше.
- Каждый рефлектометр имеет такую характеристику как мертвая зона – расстояние на рефлектограмме после неоднородности, на котором нельзя проводить измерения. Самое первое событие, которое будет присутствовать на любой рефлектограмме - это отражение от входного разъема. Поскольку этот разъем находится в непосредственной близости к фотоприемнику, отражение от него будет «ослеплять» фотоприемник. Эта область рефлектограммы и попадает в мертвую зону.
Различают мертвую зону по отражению и мертвую зону по затуханию. Типичные значения составляют: по отражению 1 - 3 метра, по затуханию 7 - 10 метров. Что означают эти значения? Что для правильного измерения расстояние между двумя неоднородностями должно быть не менее 7-10 м, а увидеть на рефлектограмме, например, два последующих разъема можно через 1-3 м.
Рефлектометры у нас в каталоге:
6.3 Влияние мертвой зоны на рефлектометрические измерения
Если очень важно провести измерения и увидеть на рефлектограмме буквально первый метр исследуемой трассы, применяется так называемая «компенсационная катушка» или «согласующая катушка» - название может быть разным, но смысл остается прежним. Она представляет собой отрезок оптического волокна определенной длины, как правило, от 100 м до 1 км.
Благодаря этому устройству вся «мертва зона» попадает на длину этого волокна, после которого мы видим все начало измеряемой трассы. Если возникает необходимость увидеть и самый последний оптический разъем, тогда необходимо в конце линии также установить так называемую «приемную катушку». Это такой же отрезок волокна, компенсирующий мертвую зону при отражении сигнала от дальнего конца волокна. При проведении измерений с такими дополнительными катушками наша оптическая линия будет находиться в середине рефлектограммы, что позволяет нам с уверенностью проверять ее работоспособность.
Рефлектограмма с применением согласующей и приемной катушкой
6.4 Дополнительные функции рефлектометров:
- функцию обнаружения наличия излучения в волокне (активное волокно),
- подключения тестируемого к входному оптическому разъему рефлектометра,
- наложение нескольких рефлектограмм,
- двусторонний анализ,
- различные функции оповещения и предупреждения.
К достоинствам некоторых моделей можно отнести встроенный источник излучения, источник видимого излучения, измеритель оптической мощности и т.д., но все это непосредственно влияет на стоимость, и совсем не в меньшую сторону.
6.5 Полезные советы по работе с рефлектометрами
- При использовании рефлектометра очень часто происходит ситуация, когда оператор производит коммутацию оптических разъемов с различной полировкой (UPC-APC), что категорически недопустимо. В первую очередь это приведет к повреждению поверхности ферулы входного оптического разъема рефлектометра, а во-вторых, о достоверности измерений уже и говорить не приходится. Для предотвращения таких ситуаций необходимо применять различные комбинированные оптические шнуры (патч-корды) с различными типами полировок на концах.
- Не будет лишним напомнить, что абсолютно все оптические адаптеры (разъемы) имеют конечное число подключений, это означает, что со временем происходит ухудшение параметров соединения. Применение коммутационного шнура на выходе с оптического разъема рефлектометра позволит Вам значительно увеличить время работы данного прибора без ремонта.
- Также не следует забывать о чистоте оптических коннекторов: невооруженным глазом загрязнений не видно, но они всегда присутствуют, даже если оптический патч-корд или пигтейл Вы только что распечатали из упаковки. Недостаточно чистый коннектор, подключенный к рефлектометру, способен внести сильные искажения в картинку рефлектограммы, т.к. прибор реально работает с очень слабыми отраженными сигналами.
7. Определитель повреждения оптической линии
Одну из важнейших задач рефлектометрии - определение расстояния до места повреждения - можно успешно реализовать с помощью более простого и, соответственно, более дешевого прибора – определителя повреждений оптической линии (Fiber Ranger). Такой прибор работает по принципу OTDR: посылает зондирующие импульсы в линию и детектирует отраженную мощность. Однако он не производит серьезную математическую обработку сигнала, не строит рефлектограмму, а просто показывает расстояние до места сильного отражения оптической мощности (до обрыва, до конца волокна и т.д.). Результат измерений прибор показывает на экране в метрах.
Прибор очень полезен при эксплуатации оптической сети, например, когда важно быстро определить место повреждения. Fiber Ranger предельно прост в использовании, обладает хорошей точностью – от одного до нескольких метров - и может отображать значения расстояний до 8 событий (например, промежуточные некачественные разъемные соединения на оптической линии, сильные изгибы волокна в кассетах и т.п.). Устройство имеет встроенный лазерный излучатель красного света (650 нм) для визуального обнаружения повреждений.
Внешний вид прибора MT3304N Fiber Ranger
На сегодняшний день предоставление качественных услуг в сфере телекоммуникаций является одним из главных критериев. Компания ДЕПС всегда поможет подобрать именно то измерительное оборудование, которое идеально подойдет к особенностям вашей сети, дабы обеспечить ей надежную и долговечную работу.
Отдел волоконно-оптических технологий и кабельных сетей компании ДЕПС
