8.1. Профиль показателя преломления в заготовках ОВ
8.2. Геометрические размеры ОВ
После получения заготовок и вытяжки ОВ измеряют их основные оптические параметры, которые вносят в паспорт на ОВ. Здесь рассмотрим лишь те методы измерения этих параметров, которые используют для контроля за качеством ОВ на этапе их изготовления. К таким параметрам относятся:
профиль ПП в заготовках ОВ;
геометрические размеры в ОВ;
коэффициент затухания;
числовая апертура ОВ;
диаметр модового пятна в одномодовых ОВ;
длина волны отсечки в одномодовых ОВ;
хроматическая дисперсия в одномодовых ОВ или ширина пллосы пропускания в многомодовых ОВ.
8.1. Профиль ПП в заготовках ОВ
Рис. 8.1. Структурная схема анализатора заготовок: 1 – He-Ne лазер, 2 – заготовка ОВ, 3 – ячейка с иммерсионной жидкостью, 4 – линза, 5 – модулятор, 6 – сканирующий фотоприемник, 7 – устройство обработки, 8 – персональный компьютер, 9 — графопостроитель
Для измерения профиля ПП в заготовке ОВ используется метод отклонения луча при поперечном сканировании заготовки. На рис. 8.1 приведена схема установки, называемой обычно преформ-анализатором (анализатором заготовки). Заготовка помещается в кювету с иммерсионной жидкостью, ПП которой близок ПП материала заготовки. Луч света, проходя через заготовку, преломляется в ней. С помощью сканирующего фотоприемника измеряется угол преломленного луча для многих положений луча. Данные вводятся в персональный компьютер, который на основании проведенных измерений рассчитывает зависимость n(r). В данном сечении измерения проводят в двух взаимно перпендикулярных направлениях, что позволяет контролировать эллиптичность сердцевины и оболочки. Для примера на рис. 8.2 приведены профили ПП в заготовках радиационно-стойкого одномодового ОВ с кварцевой сердцевиной и фторсиликатной «депрессированной» светоотражающей оболочкой, полученной при использовании в качестве фторагента SiF4 (1) либо при использовании в качестве фторагента сначала SF6, а затем SiF4. Считается, что профиль ПП в ОВ тождественен измеренному профилю ПП в заготовке, хотя он может иногда и заметно отличаться.
Рис. 8.2. Профильи ПП в заготовках радиационно-стойких ОВ с кварцевой сердцевиной и депрессированной фторсиликатной оболочкой: 1 – фторагент – SiF4, 2- фторагенты – первоначально SF6, а затем SiF4
8.2. Геометрические размеры ОВ
Геометрические размеры в ОВ измеряются с помощью микроскопа (обычно специализированного –»Fiber-check»), обеспечивающего точность измерения десятые доли мкм. К измеряемым геометрическим параметрам относятся: диаметр кварцевого волокна, диаметр волокна с защитным покрытием, неконцентричность сердцевины и волокна, некруглость волокна, диаметр модового пятна и т. д. В таблице 5.2 приведены типичные значения этих параметров для стандартных одномодовых ОВ (типа SM-28).
8.3. Измерение потерь
Существуют три метода измерения потерь (коэффициента затухания) в ОВ: метод «облома», метод обратного рассеяния и измерение потерь с помощью оптических тестеров (мультиметров).
1. Метод облома наиболее широко используется для измерения спектральной зависимости полных потерь в ОВ. Схема метода показана на рис. 8.3.
Рис. 8.3. Схема измерения потерь в волокне методом «облома»: 1 – источник света с монохроматором, 2 – место облома, 3 – тестируемое волокно, 4 — фотоприемник
Свет через монохроматор на определенной длине волны (1) вводится в ОВ (3) и затем попадает на фотоприемник (4). Сначала (рис. 8.3а) снимают спектральное пропускание света большим отрезком волокна (Lдл.), затем, не трогая систему ввода света в волокно, обламывают его, оставляя отрезок длиной 2-5 м (Lкор.), и измеряют спектральное пропускание короткого отрез-
ка ОВ (рис. 8.3б). Величину потерь для каждой длины волны определяют по формуле:
дБ/км (8.1),
где Ркор. и Рдл. – интенсивности света на выходе из короткого и длинного кусков волокна соответственно. Спектральную зависимость потерь часто строят в масштабе a=f(l-4), что дает возможность определить коэффициент Рэлеев
ского рассеяния (А) и величину «серых» потерь (В). Для примера на рис. 8.4 приведена подобная спектральная зависимость полных потерь в одном из образцов одномодового ОВ с германосиликатной сердцевиной. В данном случае А = 1,39 дБ/км*мкм 4 и В=0,23 дБ/км. Пик в области 1…1,15 мкм обусловлен отсечкой высшей моды, а пики на l = 1,25 и 1,38 мкм – гидроксильными группами.
Рис. 8.4. Спектральная зависимость полных потерь в образце ОВ с германосиликатной сердцевиной, построенная в координатах α=f (λ-4)
2. Метод обратного рассеяния применяется для измерения потерь на определенной длине волны (обычно 1,3 или 1,55 мкм) с помощью рефлектометра. Принцип работы рефлектометра (OTDR – Optical Time Domain Reflectometer) следующий: в ОВ посылают мощный оптический импульс, который рассеиваясь на неоднородностях (в том числе рэлеевских), возвращается назад и с помощью ответвителя поступает на фотоприемник. Измеряя мощность и время запаздывания импульсов, вернувшихся обратно в рефлектометр, можно определить величину погонных потерь и потери на отдельных «дефектных» участках (например, в местах сварки волокон). На рис. 8.5 приведена блок-схема рефлектометра, а на рис. 8.6 показана типичная рефлектограмма, по которой можно вычислить как погонные потери в ОВ, так и величину отдельных дефектов.
Рис. 8.5. Блок- схема рефлектометра: а) – оптический модуль, б) — базовый модуль: 1 – импульсный генератор, 2 — лазерный диод, 3 – ответвитель, 4 – оптический разъем, 5 – оптическое волокно, 6 – АЦП, 7 – фотоприемник, 8 – микропроцессоры RISC и Intel, 9 — дисплей
Величина потерь вычисляется в этом случае по формуле:
a(z) = 5 lg (P0/Pz) – 5 lg(S0/Sz) (7.2),
где P0 и Pz – мощности импульса в начале и в конце волокна длиной (z), S0 и Sz – коэффициенты рассеяния в начале и в конце волокна. Коэффициент перед логарифмами равен 5, а не 10 (как в уравнении 1.4) поскольку импульс проходит двойное расстояние: от начала к концу и затем возвращается назад к началу волокна.
Если коэффициент рассеяния постоянен вдоль всего волокна (линии), т.е. Sz=S0, то второе слагаемое обращается в ноль, и показания рефлектометра будут прямо пропорциональны величине потерь в волокне (линии). Вариации коэффициента рассеяния возникают, в основном, из-за вариаций диаметра модового пятна, что приводит к появлению систематической погрешности, пропорциональной величине изменения диаметра модового пятна (Dw/w). Эту систематическую погрешность можно устранить, если измерить рефлектограммы с обеих сторон волокна (линии), тогда полусумма рефлектограмм будет показывать изменение коэффициента рассеяния, а полуразность рефлектограмм – изменение величины потерь.
Следует отметить, что рефлектометры используются не только для измерения потерь в волокнах, оптических кабелях и линиях связи, но и для измерения расстояний до неоднородностей волокне (дефектов сварки, трещины в волокне и т.д.), которые после обнаружения можно устранять.
Погрешность измерений возникает за счет:
— инструментальных ошибок, связанных с неточность измерения начала и конца волокна, с ошибками в калибровке горизонтальной шкалы;
— методических ошибок, возникающих из-за того, что неоднородности на рефлектограмме получаются разными для отражающей и неотражающей неоднородности;
— ошибок оператора и т.д.
Рис. 8.6. Типичная рефлектограмма линии передачи. По вертикальной оси в логарифмическом масштабе откладывается мощность вернувшихся в рефлектометр импульсов, а по горизонтальной оси – расстояние до места отражения
3. Схема измерения потерь в волокне с помощью мультиметров (оптических тесторов) показана на рис. 8.7. В начале оператор, соединив вход и выход мультиметра оптическим шнуром, измеряет величину опорного сигнала. Затем он отсоединяет разъем шнура от розетки фотоприемного блока и подсоединяет через розетку к началу волокна (линии), а выходной конец волокна подсоединяет к фотоприемному блоку второго мультиметра. Величина потерь (с учетом разности показаний фотоприемных блоков, полученных в процессе их сверки) рассчитывается по формуле:
a (дБ) = опорный сигнал в дБм – сигнал в дБм (8.3),
где дБм – мощность оптического излучения (Р), соотнесенная с 1 мВт, т.е.
a = 10 lg (P/1 мВт) (8.4).
Измерение потерь с помощью мультиметров проводится на конкретных длинах волн (обычно 0,85; 1,3 или 1,55 мкм).
При такой системе измерений погрешность возникает в основном по следующим причинам:
· нестабильность источника излучения,
· нелинейность шкалы мультиметра,
· разная чувствительность фотоприемных блоков на разных концах волокна (линии),
· отклонение величины потерь в разъемах от их номинального значения.
Рис. 8.7. Измерение потерь с помощью мультиметров: а) – измерение мощности излучения, прошедшего через линию, б) – измерение опорного сигнала, в) – сверка фотоприемных блоков
8.4. Числовая апертура
Числовая апертура измеряется методом дальнего поля, т.е. по изображению излучения, выходящего из волокна, на экране. Измеряя диаметр светового пятна на экране и расстояние от торца волокна до экрана, величину числовой апертуры можно вычислить по формуле:
NA = (nc2 – no2)1/2 =n0 Sinq » 2 tg (d/2l) = dп/l (8.5),
где nc и n0 – показатели преломления сердцевины и оболочки соответ-ственно, q — телесный угол, в пределах которого лучи распространяются по волокну без вытекания, dп – диаметр светового пятна на экран, l – расстояние от торца волокна до экрана.
8.5. Модовое пятно
Диаметр модового пятна (w) является одной из важнейших характеристик одномодовых ОВ, поскольку определяет согласование волокон между собой, величины изгибных и микроизгибных потерь и т.д. Диаметр модового пятна отличается от диаметра сердцевины в ОВ, причем это отличие увеличивается с уменьшением величины нормализованной частоты, и для одномодовых световодов со ступенчатым профилем ПП записывается согласно формуле (5,6). На рис. 8.8 приведена спектральная зависимость диаметра модового пятна для одного из образцов ОВ. Видно, что с ростом длины волны (соответственно, с уменьшением V) диаметр модового пятна также растет, а наименьшее его значение находится вблизи длины волны отсечки высшей моды (λс). Существует несколько методов измерения диаметра модового пятна, остановимся на 2-х из них, рекомендованных Международным стандартом.
Рис. 8.8. Спектральная зависимость диаметра модового пятна
Метод поперечного сдвига заключается в том, что свет вводят в два состыкованных между собой волокна, а затем торец второго волокна начинают перемещать относительно выходного торца первого волокна, (т.е. его сканировать), снимая при этом показания интенсивности света на выходе второго волокна. Диаметр модового пятна определяют по уровню 1/е2»0,135 радиального распределения интенсивности света, как это видно на рис. 8.9. Второй метод, принятый американским бюро стандартов TIA, основан на диафрагмировании картины дальнего поля таким образом, чтобы интегральная интенсивность света в диафрагмированной области составляла 1-0,135 = 0,865 от общей интенсивности света на картине дальнего поля. Диаметр модового пятна рассчитывают используя отношение диаметров отверстий диафрагмы, позволяющей получать оба эти случая.
8.6. Длина волны отсечки
Условие одномодового излучения в ОВ получается из следующего соотношения рабочей длины волны (l) с длиной волны отсечки (lс) LP11-моды: l>lс. Значение lс определяется критическим значением нормализованной частоты (Vc£ 2,405), а, следовательно, видом профиля ПП волокна. Теоретически строго рассчитать величину lс можно только для ОВ со ступенчатым профилем ПП, поэтому эффективную длину волны отсечки для одномдового ОВ с любым профилем ПП обычно определяют экспериментально. В предыдущем разделе было показано, что величину lс можно определить методом поперечного сдвига. Однако более распространен метод изгиба, который основан на сравнении спектральных зависимостей пропускания света в одномодовых ОВ с изгибом – Р(l) и без него – Р0(l). При измерениях принято брать образец волокна длиной ~ 2 м и изгиб делать радиусом около 20 мм. За величину lс в методе изгиба принимают длину волны, на которой имеет ме сто увеличение относительного пропускания Р0-Р на 0,1 дБ по сравнению с плоским участком (рис. 8.10).
Рис. 8.9. Угловое распределение интенсивности света, выходящего из волокна («дальнее поле»)
