Использование стробоскопического преобразования при исследовании многомодовых оптических волокон

Введение

Основным фактором, определяющим максимальную скорость передачи по многомодовому волоконному световоду, является межмодовая дисперсия. Ограничение скорости передачи связано с искажением (уширением) импульсного сигнала, распространяющегося по оптическому волокну (ОВ), что приводит к межсимвольной интерференции и увеличению вероятности ошибочного приёма. Сегодня, с началом перехода многих локальных сетей на технологию Gigabit Ethernet, проблема измерения полосы пропускания ОВ ощущается особенно остро. Необходимо определить, способна ли существующая или проектируемая волоконно-оптическая сеть поддерживать протокол 1 Gigabit Ethernet [1,2]. Также, эта проблема всегда стоит у производителей оптических кабелей.

1. Методы измерения полосы пропускания многомодовых волоконных световодов

Существует большое количество методов измерения и оценки ПП ОВ, которые можно разделить на прямые и косвенные [3]. При косвенных методах оценка ПП проводится исходя из геометрических параметров оптического волокна: диаметр модового пятна, диаметр сердцевины, числовая апертура. При прямых методах проводится анализ оптического измерительного сигнала прошедшего через ОВ. Рассмотрим прямые методы измерения ПП оптических волокон.

Частотный метод. Принцип действия метода основан на измерении амплитуды синусоидального сигнала переменной частоты при прохождении его через измеряемое ОВ. На индикаторном устройстве сразу отображается АЧХ исследуемого волокна. Достоинством данного метода является наглядность - непосредственное наблюдение АЧХ. Недостатком - необходимость построения высоко линейных сверхширокополосных передающих и приёмных устройств. Также требуется проведение сложных предварительных калибровочных процедур для обеспечения заданной точности измерения.

Импульсный метод. Принцип действия метода основан на сравнении форм импульсных сигналов пикосекундного диапазона на входе и выходе измеряемого ОВ. В качестве индикаторного устройства может использоваться стробоскопический осциллограф. Рассчитывая спектры исходного и прошедшего через ОВ сигналов, определяется АЧХ и ФЧХ измеряемого ОВ. Этот метод проще в реализации, чем частотный метод - не требуется сверхвысокочастотное оборудование, формирование коротких оптических импульсов длительностью примерно 200 пс не представляет сложности [4,5].

Частотно-импульсный метод. Этот метод является модификацией импульсного метода. Структурная схема измерительной установки аналогична импульсному методу. Отличие методов - в индикаторном устройстве, в данном случае используется анализатор спектра. Если длительность импульса достаточно мала (меньше импульсного отклика измеряемого ОВ в 10 раз), то на экране анализатора спектра можно наблюдать АЧХ измеряемого ОВ, что является достоинством этого метода. К недостаткам этого метода, как и в случае частотного метода измерений, относятся сложность реализации широкополосного высоко линейного оптического приёмного устройства, громоздкость измерительной установки и, как следствие, высокая стоимость.

2. Построение прибора для измерения полосы пропускания

Были проведены исследования и разработан прибор для измерения ПП ОВ на основе импульсного метода измерения, в котором реализована стробоскопическая регистрация измерительного сигнала.

Принцип действия оптического стробоскопического преобразования основан на изменении коэффициента усиления лавинного фотодиода (ЛФД) путём подачи в его цепь смещения коротких стробирующих импульсов, которые сдвигаются по времени относительно момента прихода оптического сигнала. При этом на нагрузке фотодиода выделяется последовательность расширенных импульсов, огибающая которых повторяет форму оптического сигнала. Далее ведётся обработка низкочастотного сигнала, что значительно проще и дешевле, чем построение СВЧ трактов.

Структурная схема прибора представлена на рисунке 1. Работа прибора осуществляется под управлением компьютера класса PC. Программное обеспечение работает в среде Windows 95/98/2000/NT. По команде от цифрового сигнального процессора 5 осуществляется запуск формирователя измерительного сигнала на длине волны 850 нм либо 1300 нм. Через оптический разветвитель 3 и смеситель мод 4 измерительный сигнал вводится в исследуемое оптическое волокно 6. На приёмной стороне измерительный сигнал поступает на стробоскопическое оптическое устройство 8, которое выполнено на основе германиевого лавинного фотодиода. В цепь смещения ЛФД через цифровую линию задержки 7 поступают непрерывно сдвигаемые во времени стробирующие импульсы. Формирователь стробирующих импульсов 10 осуществляет управление напряжением смещения ЛФД. При этом по команде от PC возможны следующие интервалы сканирования: 20, 10 и 5 нс. Количество точек стробирования в каждом интервале - N = 256. Далее последовательность импульсов, огибающая которых повторяет форму измерительного оптического сигнала, усиливается и фильтруется в низкочастотном усилителе 9. С помощью параллельного аналого-цифрового преобразователя 11 сигнал считывается в память цифрового сигнального процессора. Для повышения отношения сигнал-шум в процессоре организован процесс усреднения. После этого информация пересылается в PC для отображения, преобразования Фурье и расчета полосы пропускания.

3. Особенности измерения АЧХ многомодовых волокон

Процесс измерения состоит из двух этапов. На первом этапе измеряется и записывается измерительный сигнал на выходе оптического передающего устройства. Это производится путём соединения оптических выхода и входа прибора коротким (1..2 м) отрезком ОВ. Второй этап аналогичен первому, только вместо короткого ОВ присоединяется измеряемое.

На рисунке 2 приведены результаты измерения импульсов, прошедших через короткий отрезок и через измеряемое ОВ. Производится вычисление длительностей импульсов по уровню 0.5 и их положение на временной оси, что позволяет производить измерение длины измеряемого ОВ с высокой точностью. Далее с помощью преобразования Фурье рассчитываются спектры импульсов и определяется АЧХ измеряемого оптического кабеля (рис. 3.).

4. Повышение точности измерения ПП ОВ

Одним из способов повышения точности измерения ПП ОВ является оптимизация длительности измерительного импульса. Это связано с тем, что при распространении измерительного импульса по оптическому волокну его амплитуда уменьшается не только вследствие затухания, но и из-за ограниченной ПП ОВ. Таким образом, существует оптимальная длительность измерительного импульса, позволяющая измерить ширину полосы пропускания заданного ОВ с максимальной точностью [5].

Напряжение U(t) расширенных импульсов на нагрузке ЛФД определяется из решения нелинейного дифференциального уравнения:

где R и C - нагрузочный резистор ЛФД и паразитная ёмкость входного каскада оптического приёмника,
- чувствительность ЛФД при коэффициенте лавинного умножения М = 1,
P(t) - оптическая мощность на входе.

Были проведены расчеты, моделирующие регистрацию оптического измерительного импульса гауссовой формы. Предполагалось, что стробирующие импульсы также имеют гауссову форму. При расчётах изменялась длительность стробимпульса, при условии, что сохраняется требуемая точность воспроизведения формы измерительного сигнала. Расчеты показали, что длительность стробирующего импульса должна быть равна длительности оптического измерительного импульса. При этом достигается максимальное ОСШ на выходе оптического приёмного устройства и сохраняется адекватность формы преобразованного в низкочастотную область оптического сигнала.

5. Технические характеристики

Выбранный метод измерения соответствуют всем национальным и международным требованиям [6-8]. Проведенные испытания показали, что прибор для измерения полосы пропускания оптических кабелей имеет высокие параметры. В таблице 1 приведены его технические характеристики.

Таблица 1.

Выводы

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования показали, что использование стробоскопического оптического преобразования позволяет существенно повысить точность измерения и обеспечить получение высоких метрологических характеристик приборов для измерения полосы пропускания многомодовых оптических кабелей.

Список литературы

1. Hackert M.J. Characterizing multimode fiber bandwidth for gigabit ethernet.-Corning, WP4062, 2001.
2. Мулич Д. Пригодна ли существующая проводка для Gigabit Ethernet? - Сети и системы связи. - 1999. - N2.
3. Бабкина Т.В., Григорьянц В.В. Методы измерения дисперсионных свойств многомодовых волоконных световодов. - Измерительная техника. - 1989. - N11.
4. Марьенков А.А., Лузгин А.Н., Лузгина А.В. Устройство для измерения ширины полосы пропускания оптических кабелей. - Патент RU 2020445, G 01 M 11/00, 1991.
5. Марьенков А.А., Лузгин А.Н. Влияние параметров измерительных сигналов на точность определения дисперсионных искажений оптических кабелей. - Радиотехника и электроника. - Мн., 1991, вып. 20, с.48-50.
6. Optical fibres. Generic specification. Measuring methods for transmission and optical characteristics.- International Electrotechnical Commission, IEC 793-1-4, 1995.
7. Measurement of bandwidth on multimode fiber.- TIA/EIA, FOTP-204, 2000.
8. Волокна оптические. Общие технические требования. - ГОСТ Р МЭК 794-1-93, 1994.