TESTAREA FIBRELOR OPTICE

10.1. INTRODUCERE

În capitolul dat vom studia metodele de măsurare şi testare a fibrelor optice. Prin această denumire ne referim la măsurarea caracteristicilor fibrelor optice (de transmisie, geometrice, optice şi mecanice), precum şi la procesele de verificare a parametrilor de performanţă ai componentelor, sistemelor şi reţelelor cu fibre optice. Testările de bază includ măsurările puterii optice emanate din fibră şi a pierderilor optice în fibră, cablu, conectori şi îmbinări. Testarea lărgimii benzii sau a dispersiei determină informaţia despre capacitatea de transmisie a fibrei sau a cablului optic. De asemenea, există o necesitate de repetare a majorităţii testelor pentru determinarea schimbărilor în parametrii măsuraţi sub acţiunea tensiunilor mediului înconjurător.

Vom analiza şi metodele de testare a principalelor componente şi sisteme cu fibre optice, inclusiv fibrele şi cablurile,îmbinările şi conectorii, cuploarele şi comutatoarele, emiţătoarele şi receptoarele, fotodiodele, legăturile şi reţelele, adică metodele de acumulare a informaţiei practice (a specificaţiilor de testat, echipamentul necesar, cum de testat etc.) necesare pentru lucrul cu componentele în producere, instalare şi utilizarea zi de zi. Sunt prezentate şi principiile monitorizării automate a sistemelor de comunicaţii prin fibre optice.

10.2. MĂSURAREA ATENUĂRII FIBREI OPTICE

În prezent, existг un şir de metode folosite la măsurările în laborator a diferitelor caracteristici ale fibrelor optice, printre care un, interes mare îl prezintă atenuarea optică,

Pentru determinarea atenuării totale a fibrei pe o unitate de lungime se aplică metoda diferenţială (a scurtării inverse). în fig. 10.1 este ilustrat schematic principiul de funcţionare a instalaţiei experimentale pentru măsurarea spectrului atenuării totale a fibrei.

După cum se observă din figura 10.1, instalaţia de măsurare a atenuării totale a fibrei optice constă dintr-o lampă cu halogen (lumină albă) al cărei fascicul este focalizat, apoi este mecanic tăiat la frecvenţe joase (cîteva sute de hertzi). Aceasta permite amplificatorului de la repetor să îndeplinească detectarea senzitivă la fază.

Fig. 10.1. Aranjamentul instalaţiei experimentale pentru măsurarea pierderilor spectrale în fibrele optice prin metoda scurtării inverse

Apoi lumina trece printr-un monocromator, care selectează lungimea de undă la care se măsoară atenuarea, fiind în final filtrată înainte de a fi focalizată pe fibra optică. Deseori se foloseşte un separator de fascicul, care asigură lumină pentru optica de vizualizare şi pentru semnalul de referinţă utilizat la compensarea fluctuaţiilor puterii la ieşire. Optica de injectare a luminii în fibră este aranjată încît dă o distribuţie stabilă a stării modului la intrarea fibrei, mai poate fi utilizată şi o fibră lungă („machetă"),

urmată de un dispozitiv de mixare (scramblare) a modurilor, care este plasat în limitele primului metru de lungime. Acest dispozitiv se foloseєte pentru obţinerea distribuţiei modului de echilibru prin aplicarea unor mari perturbaţii mecanice într-o secţiune scurtă a fibrei optice (cu scopul de a induce rapid cuplarea modului şi, respectiv, distribuţia de echilibru a modului). De asemenea, fibra mai este plasată printr-un dispozitiv de înlăturare a modurilor cămăşii, care constă din canale sub formă de S, tăiate în teflon şi umplute cu glicerina. Astfel, lumina injectată în cămaşa fibrei optice este înlăturatгă prin radiaţie în glicerina cu indicele adaptat.

La capătul receptorului, puterea optică din fibră este detectată cu ajutorul unui detector pe Ge sau fotodiodă cu avalanşă. Pentru obţinerea rezultatelor reproductibile, suprafaţa detectorului fotoelectric este adaptată la capătul fibrei cu o răşină epoxy. Semnalul electric de la detectorul fotoelectric este transmis către un radiometru special sau la amplificator a cărui ieşire este conectată la monitor (sau înregistrator).

Metoda diferenţială include îndeplinirea unui set de mгsurări ale puterii optice de ieşire P2 pe întreg spectrul necesar asupra unei fibre lungi L2 (de cel puţin 1 km). Fibra supusă măsurărilor este necablată, avînd doar învelişul protector primar. Apoi fibra este scurtată invers, de la capătul de intrare L1 (cu cîţiva metri, de obicei, 2 m), şi, menţinînd aceleaşi condiţii de injectare a luminii, este supusă unui nou set de măsurări ale puterii optice la ieşire P2. Atenuarea optică pe o unitate de lungime αdB(λ) a fibrei poate fi determinată cu ajutorul ecuaţiei : 10 P2

adB(λ) = — ---------- lg ---, (10.1) L2 – L1 P1

unde L2 şi L1 sunt, respectiv, lungimile fibrei originale şi a celei scurtate invers, iar P2 şi P1 sunt puterile optice de ieşire corespunzătoare lungimii de undă λ specifică, de la lungimile originară şi scurtată invers. Unităţile de mгăură sunt dB/km, deoarece L este măsurată în km.Puterile optice la ieşirea fibrei, P2 şi P1, pot fi substituite prin tensiunile de la ieşire, V2 şi V1, respectiv, în ecuaţia (10.1), deoarece ele sunt direct proporţionale.

Metoda scurtăii inverse se aplică pe larg la măsurarea atenuării totale a fibrelor optice, însă are un neajuns evident, deoarece este o metodă distructivă. Din această cauză este convenabilă pentru măsurările de laborator şi nu de cîmp. Dar în prezent există şi cîteva metode nedistructive, care permit determinarea pierderilor fibrei printr-o singură citire a puterii optice de ieşire la capătul îndepărtat al fibrei,)după ce a fost măsurată puterea la capătul apropiat. Fibra testată este conectată sau îmbinată cu o fibră a cărei ieşire optică este cunoscută la lungimea de undă respectivă. Cînd toată puterea optică este complet cuplată între cele două fibre (sau sunt cunoscute pierderile la conector), măsurarea puterii optice la ieşirea fibrei testate indică pierderile, datorită inserării ei în sistem. Astfel, pierderile de inserţie, datorită fibrei testate, asigură măsurarea atenuării pe o unitate de lungime. Cea mai populară metodă nedistructivă de determinare a atenuării în condiţii de laborator şi practice este metoda măsurării împrăştierii inverse, care necesită accesul doar la un capăt al fibrei optice. Metoda dată utilizează reflectometria optică cu domenii de timp, care asigură măsurarea pierderilor la conectori, la îmbinări, precum şi determină locul defecării.

10.3. MĂSURAREA DISPERSIEI FIBREI

Măsurările dispersiei permit determinarea nivelului distorsionării semnalelor optice pe parcursul propagării prin fibrele optice. Aceste măsurări permit determinarea lărgimii de bandă a fibrei optice. După cum s-a mai menţionat în capitolul 3, dispersia, ca cea mai importantă caracteristică de transmisie, are trei mecanisme principale ca:

•dispersia materialului;•dispersia ghidului de unde;•dispersia intermodală.

Importanţa acestor mecanisme ale dispersiei totale a fibrei optice fiind depinde de tipul fibrei utilizate.Efectele dispersiei pot fi caracterizate prin executarea măsurărilor răspunsului impulsurilor fibrei în domeniul de timp sau prin măsurarea răspunsului frecvenţei în banda de bază în domeniul frecvenţei.

10.3.1.Măsurarea în domenii de timpUna din metodele de măsurare în domenii de timp a dispersiei pulsului în fibrele optice este reprezentată schematic în figura 10.2.

Fig.10.2. Diagrama schematică a instalaţiei pentru îndeplinirea măsurărilor dispersiei fibrei în domenii de timp.

După cum se arată în figura 10.2, pulsurile optice scurte (de ordinul zecimilor de nanometri) de la laser injectează în fibra optică. Aceste pulsuri, traversînd pe lungimea ei, sunt extinse datorită mecanismelor de dispersieDupă îndeplinirea măsurărilor lărgimii pulsului de ieşire, fibra se scurtează invers la o lungime mică (de ordinul a 2 m), repetînd măsurările pentru a obţine lărgimea efectivă a pulsului de intrare. Dispersia fibrei se determină din aceste două măsurări ale lărgimii pulsului, ridicate la nivelul jumătăţii amplitudinii maxime sau în punctele de 3 dB. Astfel, dispersia pulsului în fibra optică (referindu-ne la extinderea impulsului cînd cu lărgimea de 3 dB) în ns/km poate fi exprimată cu ajutorul ecuaţiei.

_________________

√τ2 ies (3 dB)- τ 2

int (3 dB) τ (3 dB ) = L

unde τ 2ies(3 dB), τ2

int(3 dB) sunt lărgimile impulsului de 3 dB de la ieşirea şi de la intrarea fibrei respectiv,τ (3dB) este lărgimea răspunsului impulsului fibrei măsurat din nou la jumătatea amplitudinii maxime măsurate în ns, iar L este lungimea fibrei optice în km. Este necesar de menţionat că dacă o fibră lungă este scurtată la o lungime mică, pentru a măsura lărgimea impulsului de intrare, atunci L corespunde diferenţei dintre acele două lungimi ale fibrei în km.Dacă impulsul optic injectat şi răspunsul lui sunt de formă Gaussiană, atunci lărgimea benzii optice la 3 dB poate fi calculată conform relaţiei:

Bopt x τ(3dB) = 0.44 GHz• ns. (10.3)

10.3.2 Măsurarea în domeniul frecvenţei Măsurarea în domeniul frecvenţei este o metodă ce se aplică pe larg la determinarea lărgimii de bandă a fibrelor optice, datorită posibilitгţii de a obţine direct din măsurări răspunsul frecvenţei benzii de bază. Astfel, lărgimea benzii optice a fibrei poate fi obţinută din aceste măsurări în domeniul frecvenţei, care pot fi îndeplinite prin două căi.

Fig. 10.3. Reprezentarea schematică a aranjării experimentale pentru îndeplinirea măsurărilor dispersiei fibrei optice

În figura 10.3 este schiţată schematic aranjarea experimentală pentru măsurarea dispersiei fibrei optice în domeniul frecvenţei.Osciloscopul cu eşantionare este substituit printr-un analizor special, care îndeplineşte transformarea Fourier a impulsului în domeniul de timp, şi indică componentele constituente ale frecvenţei.În cea de-a două metodă se foloseşte injectarea unui semnal optic, modulat sinusoidal la diferite frecvenţe selectate cu ajutorul unui oscilator special.

10.4. MĂSURAREA APERTURII NUMERICE A FIBREI

Necesitatea măsurării aperturii numerice este motivată de importanţa acestui parametru ce afectează caracteristicile fibrei optice (ca frecvenţa normalizată V şi eficienţa colectării luminii). Valoarea aperturii numerice poate fi calculată dacă se cunoaşte profilul indicelui de refracţie al fibrei optice, utilizînd ecuaţiile respective.

Fig. 10.4. Reprezentarea metodei trigonometrice de măsurare a aperturii numerice a fibrei

optice.

Este evident că precizia metodei descrise depinde de aprecierea vizuală a modelului cîmpului îndepărtat de la fibră. Metoda vizuală este utilizată, în general, în cazul fibrelor multimod, deoarece modelele cîmpului îndepîrtat la fibrele multimod sunt afectate de fenomenul de difracţie.

Fibra supusă măsurărilor este aliniată, astfel încît intensitatea optică pe ecran este maximă. După măsurarea dimensiunii H a petei pe ecran,poate fi calculată valoarea aperturii numerice cu ajutorul ecuaţiei:

H 2 H AN = sin0a = --------------------- = ----------------- (10.4) √(H/2)2 +D2 √ H2 + 4D 2

O altă metodă de măsurare a aperturii numerice cu o precizie mai оnaltă este metoda scanării. În figura 10.5 este reprezentată aranjarea instalaţiei pentru măsurarea unghiului cîmpului îndepărtat din fibră ce utilizează o masă rotitoare cu coordonate. Capetele fibrei preparate corespunzător sunt poziţionate pe masa rotitoare cu coordonate.

Lumina se injectează în fibră sub toate unghiurile posibile, utilizînd sistemul optic. Detectorul fotoelectric este plasat la o distanţă de cîteva zeci de centimetri de la fibră şi poziţionat, astfel încît să se obţină semnalul maxim la indicaţia "0°".

Semnalul modelului cîmpului îndepărtat

Lumină de sursa opticг

Suport izolator de vibraţii

Fig. 10.5. Reprezentarea schematică a metodei scanării de măsurare a aperturii numerice.

Puterea de la ieşire este monitorizată în funcţie de unghi. Unghiul maxim de acceptanţă este obţinut cînd puterea scade la o valoare de pînă la 5 % din cea maximă. Astfel, se determină apertura numerică:

AN = sin θ max . (10.5)Aceste metode descrise de măsurare a AN pentru fibrele multimod depind de lungimea fibrei testate.

Cînd se îndeplinesc măsurări asupra fibrelor de lungimi mici (cîţiva metri), atunci AN obţinută astfel corespunde celei definite de ecuaţia generală:

AN (r) = sin θa (r) = √n21(r)- n 2

2 (10.6)Însă cînd se folosesc fibre de lungimi mari arc loc cuplarea şi atenuarea modurilor de ordin înalt şi măsurările indică valori mai mici ale aperturii numerice.

10.5. MĂSURAREA PROFILULUI INDICELUI DE REFRACŢIE

Cunoaşterea profilului indicelui de refracţie al fibrei optice permite determinarea aperturii numerice, precum şi a numărului de moduri ce se propagă. Deoarece capacitatea de transmisie a informaţiei prin fibra optică este dependentă.

La baza metodelor interferometrice se află utilizarea microscoapelor cu interferenţă (de exemplu Mach - Zehnder) pentru determinarea profilurilor indicilor de refracţie ale fibrelor optice. În aceste metode fibra este preparată sub formă de plachetă cu ambele capete lustruite şi plane faţă de axa fibrei. După aceasta, placheta este scufundată într-un lichid cu indicele adaptat, iar apoi ansamblul este examinat cu microscopul cu interferenţă. Lumina de la microscop traversează pe normală către suprafeţele fibrci-plachetă, iar diferenţele în indicele de refracţie cauzează diferite lungimi ale traiectoriilor optice. Acest caz este reprezentat pentru interferometrul Mach - Zehnder în figura 10.6 (a). După compararea fazei luminii incidente cu faza luminii ce apare se observă un cîmp de fîşii de interferenţă paralele, după cum este prezentat în figura 10.6 (b).

Diferenţa indicilor de refracţie între punctele din miezul fibrei şi cămaşă poate fi obţinută din deplasarea q a fîşiilor ce corespunde unui număr de deplasări a lor. Această diferenţă în indicele de refracţie Δn este dată prin ecuaţia:

q •λ Δn = ------ , (10.7) d

unde λ este lungimea de undă optică incidenţă, iar d este grosimea probei de fibră. Metoda descrisă permite determinarea cu precizie

a profilului indicelui de refracţie, o limitare fiind timpul necesar pentru prepararea probei de fibră.O altă metodă ce se foloseşte la măsurarea profilului indicelui de refracţie este metoda scanării în cîmpul apropiat. Această metodă utilizează asemănarea ce există între distribuţia

intensităţii cîmpului apropiat şi profilul indicelui de refracţie pentni fibra optică cu toate modurile ghidate egal iluminate.

Fig. 10.6. Reprezentarea metodei interferometrice de determinare a profilului indicelui de refracţie: (a) pe baza principiului interferometruiui Mach - Zehndeă şi (b) modelul fîşiilor obţinute cu un microscop cu interferenţă de la o fibră optică.

Metoda reflecţiei la capăt, de asemenea, se aplică pe larg pentru determinarea profilului indicelui de refracţie. Indicele de refracţie în orice punct al secţiunii transversale a fibrei optice este relatat direct la puterea reflectată de la suprafaţa fibrei în aer. Fracţiunea de lumină reflectată la interfaţa aer-fibră este:

puterea optica reflectata n1 -1

r = ------------------------------- =( ------) (10.8)

puterea optica incidente n2 +2

unde nl este indicele de refracţie în punctul în care are loc reflecţia puterii optice. Pentru schimbări mici ale valorii indicelui de refracţie:

n1-1

Δr = 4• ------ • Δn1 (10.9)

n1+1

Combinînd ecuaţiile (10.8) şi (10.9), obţinem:

∆r 4 ---- = ---------- • ∆n1 (10.10)

r n12 - 1

Ecuaţia (10.10) indică schimbarea relativă a coeficientului reflecţiei Fresnel r ce corespunde schimbării indicelui de refracţie în punctul în care se îndeplineşte măsurarea.

In figura 10.7 este schiţată aranjarea experimentală pentru îndeplinirea măsurărilor profilului indicelui de refracţie al fibrelor optice, în care se utilizează un flux laser incident pe suprafaţa capătului fibrei ce asigură rezoluţia spaţială necesară. Măsurările se îndeplinesc fără adaptarea indicelui fibrei la celălalt capăt.

Celulă solară Chopper Plachetă

"

Fig.10.7. Reprezentarea schematică a

instalaţiei pentru măsurarea profilului indicelui de

refracţie al fibrelor optice prin metoda reflecţiei la capăt.

După cum se observă din figura 10.7, fluxul laserului este direcţionat printr-un polarizator şi o plachetă λ/4, în scopul prevenirii reacţiei inverse a puterii optice reflectate de la ambele suprafeţe ale capetelor fibrei testate şi de la optica intermediară ce cauzează modularea ieşirii laserului prin interferenţă. Fluxul de lumină polarizat circular de la placheta λ/4 este apoi filtrată spaţial şi extinsă pentru asigurarea unei mărimi convenabile.

Fasciculele reflectate se utilizează pentru măsurarea printr-o fotodiodă p-i-n, precum şi pentru controlul vizual al alinierii capătului fibrei, folosind un ecran. Puterea optică reflectată este monitorizată ca funcţie a poziţiei lineare a fibrei optice pe un înregistrator X - Y, iar profilul indicelui de refracţie poate fi obţinut direct aplicînd ecuaţia (10.10). Alte reflecţii posibile de la celălalt capăt al fibrei sunt înlăturate prin scufundarea lui într-un lichid cu indicele de refracţie adaptat.

10.6. MĂSURAREA DIAMETRULUI FIBREI

Orice variaţii ale diametrului miezului şi ale diametrului exterior al fibrei optice pot cauza pierderi excesive de radiaţie, precum şi dificultăţi ale conexiunii precise fibră-fibră. În scopul determinării diametrului fibrei optice au fost elaborate un şir de metode de măsurare, care permit monitorizarea lui cu precizie chiar pe parcursul procesului de producere. Sistemele de măsurare încontinuu a diametrului

Filtru spaюial

Separator de

fascicul

Ecran

fibrei pe parcursul tragerii ei trebuie să aibă o precizie de 0,3 % şi o viteză de măsurare mai mare de 100 Hz. Din această cauză se aplică metodele optice fără contact, ca proiectarea imaginii fibrei şi analiza modelului împrăştiat.

Cel mai des se utilizează metoda măsurării încontinuu a diametrului exterior al fibrei optice care are la bază principiul proiectării imaginii, adică metoda umbrei. O altă metodă de măsurare mai rapidă include analiza modelelor cîmpului îndepărtat direct sau invers ce sunt produse cînd unda plană este transversal incidenţă pe fibră. Această metodă necesită măsurarea maximului în porţiunea centrală a modelului împrăştierii de la care poate fi calculat diametrul după analize matematice detaliate.

Pentru măsurarea diametrului exterior al fibrelor existente deja se poate de utilizat şi un micrometru, care permite o precizie de ordinul a ± 0,5 μm. De asemenea, măpsurările pot fi îndeplinite şi cu ajutorul unui microscop ce are un micrometru calibrat convenabil. La măsurarea diametrului miezului fibrelor cu indice gradat pot fi utilizate metodele de determinare a profilului indicelui de refracţie descrise în secţiunea 10.5, datorită schimbării sub formă de treaptă a profilului indicelui de refracţie la interfaţa miez-cămaşă.

Măsurarea diametrului miezului poate fi îndeplinită şi în baza modelul cîmpului apropiat al fibrei iluminate astfel încît să fie excitate toate modurile ghidate. Măsurările se îndeplinesc utilizînd un microscop echipat cu un micromelru calibrat convenabil. În cazul fibrelor cu indice gradat este mai dificil de identificat interfaţa miez-cămaşă, datorită atenuării distribuţiei luminii în direcţia cămăşii.

O altă definiţie posibilă este considerarea diametrului miezului fibrei ca o dimensiune a suprafeţei prin care se transmite o anumită fracţiune (de circa 95 %) din puterea optică totală. Adică, măsurările pot fi îndeplinite pentru a stabili distribuţia puterii optice în fibră, folosind metoda scanării cîmpului apropiat sau măsurînd puterea transmisă printr-o diafragmă variabilă calibrată şi poziţionată pe o imagine mărită a fibrei. Însă aceste măsurări sunt dependente de lungimea fibrei şi de condiţiile de injectare optică. Alte metode posibile sunt similare celor utilizate în tehnologia materialelor semiconductoare şi constau în corodarea selectivă a materialului miezului fibrei optice.

10.7. INSTRUMENTAŢIA PENTRU TESTAREA FIBRELOR OPTICE

Tabelul 10.1. Cerinţe pentru testarea fibrelor opticeParametrul testat Instrumentul necesar

Puterea optică (ieşirea sursei, nivelul la receptor)

Măsurătorul puterii optice

Atenuarea sau pierderile în fibre, cabluri şi conectori

Măsurătorul puterii optice şi sursa optică de test, Completul de testare sau setul de testare al pierderilor optice (OLTS)Lungimea de undă a sursei optice Analizor spectral

Lărgimea de bandă Dispersia (modală şi

Tester al lărgimii de bandă sau softuri de

împrăştierea inversă (pierderile, lungimea, locul defectării)

Reflectometrul optic cu domenii de timp (OTDR)

Locul defectării Localizatoru! vizual al defectării