..:: Pomiar tłumienia i tłumienności ::..

Pomiar tego parametru transmisyjnego sprowadza się do ustalenia pewnej wartości tłumienia, która może być przyporządkowania pewnej długości światłowodu, wobec tego w celu określenia całkowitego tłumienia połączonych odcinków sieci możemy sumować tłumienia poszczególnych odcinków.

Wartości tłumienia specyfikowane dla fabrykacyjnych odcinków światłowodów powinny być mierzone w temperaturze pokojowej (tj. jedna wartość tłumienia dla zakresu od 10^oC do 35^oC).

Zjawisko to może być mierzone wykorzystując następujące metody:

·    metoda dwupunktowa, która jest również nazywana metodą odcięcia (Cut–back Technique);

·    metoda wtrąceniowa, która jest również nazywana metodą tłumienia wtrąconego albo metodą transmisyjną (Insertion Loss Technique);

·   metoda reflektometryczna, która jest również nazywana metodą rozproszenia wstecznego, gdyż większość reflektometrów pracuje
w oparciu o zjawisko rozproszenia wstecznego zwanego rozproszeniem Rayleigha (Backscattering Technique).

Pomiary tłumienia powinny być wykonywane w dwóch kierunkach,
a następnie z otrzymanych wyników powinna być wyciągnięta średnia arytmetyczna, gdyż pozwala to na otrzymanie bardziej prawdopodobnych wyników. Należy również dodać, że przy wyznaczaniu średniej wartości mierzonej wielkości należy uwzględniać znaki otrzymanych wyników („+” albo „-”).

Metoda dwupunktowa – metoda odcięcia

Polega ona na wyznaczeniu mocy optycznej w dwóch ściśle określonych punktach światłowodu odległych od siebie o znaną wartość dystansu. Najczęściej jeden z tych punktów wybierany jest na końcu badanego światłowodu, a drugi blisko jego początku – tuż za źródłem światła.

Metoda ta jest bardzo dokładna i w szczególności stosowana przy pomiarach fabrykacyjnych odcinków włókien i kabli optotelekomunikacyjnych.

Rys. 4.1 Pomiar mocy optycznej w dwóch punktach światłowodu
oddalonych od siebie o długość L

Rys. 4.2 Schemat aparatury do pomiaru tłumienia światłowodu metodą dwupunktową
dla określonej długości fali

Jako źródło światła powinna być użyta lampa halogenowa, laser lub dioda elektroluminescencyjna LED. Ważne jest stabilne usytuowanie źródła światła na czas trwania pomiaru, aby zapewnić odpowiednią stabilność natężenia promieniowania i długości fali na czas konieczny do przeprowadzenia pomiaru. Zaleca się stosowanie modulacji źródła światła, gdyż powoduje to zwiększenie
w odbiorniku odstępu sygnału od szumu kwantyzacji, co powoduje bardziej wiarygodne wyniki. W tym celu odbiornik powinien być zsynchronizowany
z częstotliwością modulacji źródła. Pobudzany powinien być mod podstawowy zwany modem zdegenerowanym LP₀₁, w tym celu można stosować następujące techniki: połączenie z innym światłowodem albo pobudzenie z wykorzystaniem układu optycznego. W celu zapewnienia w światłowodzie mierzonym propagacji tylko modu zwyrodniałego można stosować filtr modowy zaraz po źródle światła, który zabezpieczy przed propagacją modów wyższego rzędu w odcinku mierzonym po odcięciu. Klasycznym sposobem usuwania modów wyższego rzędu jest wprowadzenie zgięć. Odbiornik (detektor) – miernik mocy optycznej powinien przejmować całe promieniowanie wychodzące ze światłowodu. Powinien być jednorodny i mieć liniową charakterystykę w całym zakresie dynamicznym pomiaru, tzn. przy określonej długości fali, na której wykonywany był pomiar.

Przed przystąpieniem do pomiaru każde włókno należy odpowiednio przygotować, a mianowicie trzeba przyciąć prostopadle do osi światłowodu
i je oczyścić. Jeżeli dokonujemy pomiaru włókna nieokablowanego należy zwrócić uwagę na to, aby zapewnić brak wpływu mikrozgięć na wynik pomiaru.

Procedura pomiaru tłumienia lub tłumienności z wykorzystaniem tej metody jest następująca:

·    światłowód umieszczamy w układzie pomiarowym przedstawionym
na Rys. 4.2 i dokonujemy pomiaru mocy optycznej P₂;

·    utrzymując warunki pobudzenia odcinamy światłowód w odległości
2 metrów od punktu pobudzenia i dokonujemy pomiaru mocy optycznej P₁;

·   tłumienie pomiędzy punktami badanego światłowodu, gdzie zmierzono moce optyczne P₁ i P₂, wyznaczamy z równości, a tłumienność tego odcinka światłowodu wyznaczamy na podstawie równości, oczywiście musimy znać długość – L badanego odcinka.

Metoda wtrąceniowa

Polega ona na określeniu strat mocy światłowodu wstawionego do układu pomiarowego pomiędzy źródłem światła a miernikiem mocy optycznej, które wcześniej były ze sobą połączone tworząc tzw. układ odniesienia. W metodzie tej nie są określone w tak prosty sposób moce optyczne P₁ i P₂, tak jak miało
to miejsce w metodzie dwupunktowej (metodzie odcięcia).

Metoda ta nie jest tak dokładna, jak metoda dwupunktowa, jednak ma bardzo szerokie zastosowanie w pomiarach światłowodów i kabli zaopatrzonych
w złącza, a więc w zastosowaniach polowych, jednak nie jest wskazana
do pomiarów fabrykacyjnych odcinków światłowodów i kabli światłowodowych.

 Rys. 4.3 Schemat układu odniesienia wykorzystywany w metodzie wtrąceniowej

Rys. 4.4 Schemat aparatury do pomiaru tłumienia światłowodu metodą wtrąceniową            

Jako źródło światła powinna być użyta lampa halogenowa, laser lub dioda elektroluminescencyjna LED. Ważne jest stabilne usytuowanie źródła światła na czas trwania pomiaru, aby zapewnić odpowiednią stabilność natężenia promieniowania i długości fali na czas konieczny do przeprowadzenia pomiaru. Zaleca się stosowanie modulacji źródła światła, gdyż powoduje to zwiększenie
w odbiorniku odstępu sygnału od szumu kwantyzacji, co powoduje bardziej wiarygodne wyniki. W tym celu odbiornik powinien być zsynchronizowany
z częstotliwością modulacji źródła. W czasie pobudzania rozmiar plamki świetlnej pobudzającej powinien odpowiadać średnicy pola modu, natomiast rozkład natężenia promieniowania powinien odpowiadać rozkładowi promieniowania
w bliskim i dalekim końcu światłowodu mierzonego. Jeśli chodzi o układ odniesienia, to jest on krótkim odcinkiem światłowodu (często patchcord) o takiej samej nominalnej charakterystyce jak światłowód mierzony. Dodatkowo może on wyposażony w filtr modów umieszczony za źródłem światła, który będzie tłumił mody boczne, a nie wpływa na propagację modu podstawowego. Przykładowym rozwiązaniem może być zastosowanie odpowiedniego promienia gięcia światłowodu. Odbiornik (detektor) – miernik mocy optycznej powinien przejmować całe promieniowanie wychodzące ze światłowodu. Powinien być jednorodny i mieć liniową charakterystykę w całym zakresie dynamicznym pomiaru.

Procedura pomiaru tłumienia z wykorzystaniem tej metody jest następująca:

·    określenie mocy optycznej P₁, jaka dotarła do odbiornika
po przejściu przez krótki odcinek światłowodu w układzie odniesienia
(Rys. 4.3);

·   dołączenie badanego włókna do odcina krótkiego i do miernika mocy optycznej, a następnie wykonanie pomiaru mocy optycznej P₂, która dotarła do odbiornika po przejściu przez badany światłowód (Rys. 4.4);

·    wyznaczenie tłumienia na podstawie wzoru z uwzględnieniem tłumienia użytych w metodzie złączek, przyjmuje on postać:

gdzie: C_a – średnie nominalne tłumienie połączenia światłowodu mierzonego
z układem pomiarowym. 

Należy dodać, że przy pomiarze mocy optycznej P₁ nie jest wymagany układ odniesienia i układ pobudzenia jest bezpośrednio połączony z układem odbiorczym.

Jak już wspominano, metoda ta nie jest tak dokładna jak metoda dwupunktowa. Aby uzyskać możliwie jak największą dokładność należy zadbać
o możliwie dużą zgodność parametrów światłowodu stosowanego w układzie odniesienia i światłowodu mierzonego.

Metody reflektometryczne

Propagowane we włóknie światłowodowym promieniowanie świetlne podlega rozproszeniu – rozproszeniu Rayleigh. Zatem wskutek tego zjawiska powstają dwa promienie –
w kierunku transmisji oraz przeciwnie do kierunku transmisji (promieniowanie wstecz). Właśnie promieniowanie wsteczne wykorzystywane jest przez reflektometry.

W technice pomiarowej rozproszenia wstecznego światło jest wprowadzane i odbierane z jednego końca światłowodu. Sygnał rozproszony wstecz, o znacznie mniejszym poziomie niż transmitowany wprzód, niesie informacje o rozkładzie tłumienia wzdłuż światłowodu. Zatem pomiar reflektometryczny polega
na analizie mocy rozproszonej wstecz. Sam reflektometr funkcjonuje w dziedzinie czasu. Zbiera dane na podstawie sygnału powracającego i zapisuje w dziedzinie czasu. Użytkownik otrzymuje wynik pomiaru w funkcji drogi, ponieważ zakładamy, że propagacja w światłowodzie jest jednostajna. Zatem wzór na drogę w włóknie światłowodowym ma postać:

gdzie: s – droga, v – prędkość rozchodzenia się promienia świetlnego we włóknie światłowodowym, t – czas przejścia promienia świetlnego od początku do końca światłowodu, c – prędkość światła, n – współczynnik załamania.

Na podstawie tych rozważań nasuwa się wniosek, że metody reflektometryczne pozwalają na uzyskanie obrazu całej trasy, badania jej fragmentów z jednego miejsca, możliwości stwierdzenia na podstawie reflektogramu, jakie zdarzenie (spaw, złączka, makrozgięcie albo mikrozgięcie) powoduje zbyt duże straty mocy optycznej, co nie jest możliwe jeżeli wykorzystujemy miernik mocy optycznej – stosujemy metody omawiane
w powyższych paragrafach (metodę dwupunktową i metodę wtrąceniową). Można również powiedzieć, że pomiary tłumienia i tłumienności są obecnie najczęściej wykonywane z użyciem reflektometru światłowodowego.

Rys. 4.5 Schemat aparatury do pomiaru tłumienia światłowodu metodą reflektometryczną

Procedura pomiarowa z wykorzystaniem reflektometru światłowodowego jest następująca:

·    sprzężenie badanego światłowodu z reflektometrem (OTDR);

·    wykonanie dwóch jednokierunkowych pomiarów z obydwu końców światłowodu;

·  określenie długości badanego światłowodu na podstawie odczytu z ekranu reflektometru;

·    określenie dwukierunkowej krzywej tłumienia na podstawie pomiarów światłowodu w dwóch kierunkach;

·    wyznaczenie tłumienia poszczególnych zdarzeń w oparciu o którąkolwiek
z omówionych poniżej metod, jak również tłumienia całej trasy A(λ)
w oparciu o metodę dwupunktową, a następnie wyznaczenie tłumienności całej trasy w oparciu o równanie. Pomiary dokonujemy w dwóch kierunkach i wyznaczamy z nich wartość średnią.

Metoda dwupunktowa – 2PA (Two Point Approximation)

Rys. 4.6 Reflektogram z naniesionymi kursorami ilustrujący metodę dwupunktową

Na powyższym rysunku (Rys. 4.6) poziomy mocy optycznej P_A i P_B określone są przez punkty przecięcia kursorów z przebiegiem reflektogramu (krzywej reflektometrycznej). Tłumienie wtrącone wyraża się wzorem:

W metodzie tej, przy nieliniowym przebiegu reflektogramu, na dokładność pomiaru ma wpływ wybór miejsc ustawienia kursorów, kiedy badamy tłumienie, jakie jest wnoszone przez rozpatrywane zdarzenie. Ponadto kształt charakterystyki między kursorami nie jest uwzględniony w ocenie parametrów tłumieniowych linii, co ma swoje zalety, ponieważ pozwala, przy odpowiednim ustawieniu kursorów, zbadać tłumienie całej trasy, co nie jest możliwe przy zastosowaniu metody reflektometrycznej LSA.

Metoda LSA (Least Square Approximation)

Rys. 4.7 Reflektogram z naniesionymi kursorami ilustrujący metodę LSA

Odcinki prostoliniowe (tzw. strefy LSA) uzyskano stosując aproksymację liniową dla przedziałów odległości między punktami 1 i 2 oraz 3 i 4. Metoda ta jest również zwana czteropunktową. Poziomy mocy optycznej P_A i P_B (Rys. 4.7) określone są punktami przecięcia odcinków aproksymacyjnych z kursorem ustawionym w miejscu badanego zdarzenia. Tłumienie wtrącone wyraża się wzorem:

Metoda ta jest mało dokładna, ponieważ w czasie wykonywania pomiarów udział biorą wszystkie punkty charakterystyki znajdujące się w strefie LSA, zatem aby można było powiedzieć, że pomiar wykonany tą metoda jest dokładny, to w strefie LSA nie powinno być żądnego innego zdarzenia. Metoda ta jest mniej dokładna
od metody dwupunktowej, ponieważ w metodzie dwupunktowej na dokładność
ma wpływ jedynie usytuowanie kursorów (markerów), a zdarzenia pomiędzy nimi nie biorą udziału w pomiarze.