Pomiary parametrów telekomunikacyjnych światłowodów

Pomiary parametrów
telekomunikacyjnych
światłowodów jednomodowych
Na poprzednim wykładzie przedstawiono
podstawowe parametry światłowodów
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 2004
Parametry światłowodów jednomodowych
1. Średnica pola modu
2. Średnica płaszcza, błąd koncentryczności i eliptyczność
3. Długość fali odcięcia
4. Tłumienność
5. Dyspersja chromatyczna
6. Parametry i badania wytrzymałościowe
7. Dyspersja polaryzacyjna
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
2
Metody pomiarów
– definicja metody podstawowej i alternatywnej
Metoda podstawowa Reference Test Method (RTM)
Metoda, w której parametry są mierzone zgodnie z definicją
określonego parametru. Rezultaty są dokładne, odtwarzalne i
odniesione do praktycznych zastosowań.
Metoda alternatywna Alternative Test Method (ATM)
Metoda, w której dany parametr jest mierzony w sposób
spójny z jego definicją. Rezultaty są powtarzalne i podobne
do rezultatów otrzymywanych metodą referencyjną.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
3
Pomiar średnicy pola modu
Średnica pola modu określa rozkład pola pojedynczego modu
LP01. W światłowodzie jednomodowym określa rozkład
natężenia światła.
Średnica pola modu Mode Field Diameter (MFD) 2w jest miarą
wielkości plamki światła w przekroju poprzecznym światłowodu.
Z definicji MFD jest określana z pomiarów kątowych rozkładu
natężenia wyjściowej wiązki światła w dalekim polu:




2
(
)
θ
θ
θ
θ
2
F
sin
cos
d

def
λ  ∫0

2w =  π
π2

 F 2 (θ)sin 3 θ cos θdθ 
 ∫0

π
2
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
1
2
4
Układ do pomiaru MFD
źródło
stripper modów
płaszczowych
θ
θ
badany światłowód
detektor
układ
akwizycji
danych
d
Pomiar rozkładu natężenia w dalekim polu - skanowanie z pomocą
detektora z pinholem lub pigtaila.
Odległość światłowód - detektor: min. 10 mm,
d > 40wb/λ,
gdzie 2w to przewidywana MFD, b - średnica detektora.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
5
Elementy układu do pomiaru MFD
Źródło światła: stabilne pod względem pozycji, natężenia i długości
fali. Charakterystyka spektralna wykluczająca pracę wielomodową.
FWHM nie większe niż 10 nm.
Modulacja: stosowana dla zmniejszenia stosunku sygnał/szum
detektora.
Stripper modów płaszczowych: usuwa mody płaszczowe z toru
pomiarowego.
Światłowód mierzony: Krótki odcinek włókna. W obszarze strippera
pokrycie pierwotne usunięte. Końce włókna czyste, gładkie i
prostopadłe do osi z dokładnością lepszą niż 1°.
Minimalna dynamika układu pomiarowego - 50 dB.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
6
MFD – procedura pomiarowa
Wejście i wyjście włókna dopasowane do układów
nadawczego i detekcyjnego.
• Skanowanie pola wyjściowego za pomocą detektora - krok
nie większy niż 0.5°
• rozkład natężenia w dalekim polu F2(θ), MFD 2w obliczane
z równania:
π
 2



2
(
)
2
F
θ
sin
θ
cos
θ
d
θ

λ  ∫0

2w =  π
π 2

 F 2 (θ )sin 3 θ cosθ dθ 
 ∫0



(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
1
2
7
Prezentacja wyników pomiaru
a)
b)
c)
d)
e)
f)
g)
h)
i)
Protokół pomiarowy powinien zawierać:
Schemat układu pomiarowego, dynamikę układu pomiarowego,
algorytm obróbki danych, opis urządzenia skanującego (w tym
kątowy zakres pomiaru).
Sposób wprowadzania światła.
Długość fali i FWHM źródła.
Dane i długość włókna.
Rodzaj strippera modów.
Rodzaj i wymiary detektora.
Warunki przeprowadzania pomiaru (temperatura, wilgotność i
inne) jeżeli mogą mieć wpływ na wynik pomiaru
Uwagi na temat dokładności i powtarzalności.
Wynik - MFD.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
8
Pomiar MFD– pierwsza metoda alternatywna
Metoda zmiennej apertury, MFD określamy za
pomocą dopełnienia funkcji transmisji aperturowej a(x)

x
2 w = (λ / πD ) ∫ a( x )
x2 + D2
 0
∞
gdzie:
(
)
2

dx 

− 12
średnica apertury x = D · tan θ
D - odległość pomiędzy aperturą włóknem
dopełnienie funkcji transmisji aperturowej a(x):
P(x )
a(x ) = 1 −
Pmax
Pmax - moc transmitowana przez największą aperturę,
x promień apertury.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
9
MFD - pomiar metodą zmiennej apertury
zmienna apertura
stripper modów
płaszczowych
źródło
soczewka ogniskująca
θ
θ
Specimen
d
detektor
układ
akwizycji
danych
Co najmniej 12 różnych apertur, obejmujących zakres apertury
numerycznej od 0.02 do 0.25 (0.4 dla włókien G.653).
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
10
Pomiar MFD– 2. metoda alternatywna
Skanowanie bliskiego pola. MFD jest określane na podstawie
rozkładu natężenia f2(r) w bliskim polu:


2
rf (r )dr 

∫

2 w = 22 ∞ 0
2


 df (r ) 
dr 
 ∫ r

 0  dr 

∞
1
2
gdzie: r współrzędna radialna
Metody dalekiego i bliskiego pola są wzajemnie
komplementarne, poprzez transformatę Henkela
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
11
2. metoda alternatywna - układ pomiarowy
skanowania w bliskim polu
stripper modów
płaszczowych
źródło
mierzone włókno
optyka powiększająca
d
detektor
skanujący
układ
akwizycji
danych
Kalibracja - powiększenie układu optycznego powinno zostać
określone przez pomiar długości obiektu o znanych wymiarach.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
12
2. metoda alternatywna - procedura pomiarowa
• Bliskie pole obrazu włókna jest powiększane, i
ogniskowane na powierzchni detektora.
• Rozkład natężenia bliskiego pola, f2(r), jest skanowany.
Na podstawie pomiarów z równania wyliczana jest MFD.
• Alternatywnie - Zmierzony rozkład bliskiego pola może
być za pomocą transformaty Henkela przeliczony na
rozkład pola dalekiego. Dalej postępujemy jak w
metodzie referencyjnej.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
13
Medtody pomiaru średnicy płaszcza, centryczności
pola modu i eliptyczności płaszcza
Metoda referencyjna: Metoda transmisyjna bliskiego pola.
• Źródło - tak jak przy pomiarach MFD
• Optyczny układ powiększający składa się z obiektywu
mikroskopowego, rzutującego obraz na detektor skanujący..
• Detektor
a) detektor skanujący z pinholem;
b) zwierciadło skanujące z ustaloną aperturą (pinhol) i
fotodetektorem;
c) widikon, CCD lub inne urządzenie do obróbki obrazu.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
14
Alternatywne metody pomiaru średnicy płaszcza,
koncentryczności pola modu i eliptyczności płaszcza
• 1. metoda alternatywna: Metoda refrakcyjna
bliskiego pola. Mierzymy rozkład
współczynnika załamania w przekroju
poprzecznym włókna (rdzeń i płaszcz).
Charakterystyki geometryczne włókna są
wyliczane z profilu rozkładu współczynnika
załamania.
• 2. metoda alternatywna. Metoda boczna.
Mierzymy rozkład natężenia wykonując skan
boczny włókna. Na podstawie otrzymanych
rozkładów obliczamy obliczamy rozkłady
współczynników załamania, a następnie
charakterystyki geometryczne.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
detector
source
fibre
detector
source
fibre
15
Metody pomiaru długości fali odcięcia (DFO)
Cel pomiaru: zapewnienie jednomodowej pracy systemu
określonym przedziale długości fali.
Metoda referencyjna pomiaru MFD dla światłowodów (λc) i
kabli przyłączeniowych (λcj) : Metoda mocy transmitowanej
Charakteryzacja metody: pomiar w funkcji długości fali
mocy transmitowanej przez krótki odcinek włókna a następnie
porównanie jej z mocą referencyjną.
Dwa sposoby uzyskania mocy referencyjnej:
a)
transmisja przez włókno mierzone z pętlą mniejszą niż
w pomiarze właściwym - P2(λ)
b)
transmisja przez krótkie włókno wielomodowe (1-2 m)
P3(λ) .
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
16
Układ pomiarowy
Źródło światła: szerokość spektralna linii < 10 nm (FWHM),
zmienność długości fali w całym zakresie pomiarowym.
Sprzęganie: światło należy wprowadzać do włókna w taki
sposób, aby równomiernie wzbudzać mody LP01 i LP11.
Przykładowe metody sprzęgania:
a) połączenie z włóknem wielomodowym,
b) wprowadzanie z wiązki o dużej plamce i dużej aperturze
numerycznej..
Stripper modów płaszczowych:
Stripper ma za zadanie usuwanie modów płaszczowych. Należy
zadbać aby nie zaburzał propagacji modu LP11.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
17
Procedura pomiarowa
1. Pomiar na włóknie o długości 2m w formie luźno ułożonej
pętli. Pętla powinna zawierać jedno pełne koło o promieniu
140 mm. Pozostałe włókno powinno być ułożone luźno, tak
aby nie wprowadzać naprężeń.
2. Pomiar mocy P1(λ) w funkcji λ w odpowiednim zakresie
obejmującym długość fali odcięcia.
Tłumienność spektralną α(λ) obliczamy za wzoru
a (λ ) = 10log
P1 (λ )
Pi (λ )
gdzie: i = 2 or 3 dla różnych metod pomiaru mocy referencyjnej
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
18
Określenie długości fali odcięcia
W obszarze przejściowym mody wyższego rzędu są silnie
tłumione przy wzroście długości fali.
Z definicji, długość fali odcięcia to długość fali, λc, dla której
moc modu wyższego rzędu stanowi 0.1 dB modu
podstawowego.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
19
Pomiar DFO - moc referencyjna ze światłowodu
jednomodowego (metoda a)
Trans
Upper
Attenuation (dB)
Cut-off
1188 nm
Wavelength (µm)
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
T1524540-96
20
Pomiar DFO - moc referencyjna ze światłowodu
wielomodowego (metoda b)
Trans
Upper
Attenuation (dB)
Cut-off
1232 nm
Wavelength (µm)
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
T1524560-96
21
Metody pomiaru tłumienności światłowodów
• metoda referencyjna: Metoda odcięcia
• 1. metoda alternatywna: Metoda rozproszenia wstecznego
• 2. metoda alternatywna: Metoda wtrącenia
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
22
Metoda odcięcia
Metoda odcięcia jest bezpośrednim zastosowaniem definicji
tłumienia.
Moce P1 i P2 są mierzone w dwóch przekrojach poprzecznych
włókna, bez zmiany warunków wprowadzania i prowadzenia
światła. P2 jest mocą na wyjściu badanego odcinka, P1 mocą na
jego wejściu.
P1 mierzymy po ucięciu kabla.
P1 (λ )
A(λ ) = 10 log
P2 (λ )
(dB)
Pomiary przeprowadza się dla jednej długości fali, lub w
określonym zakresie spektrum.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
23
Tłumienność: układ pomiarowy.
Pomiar jednopunktowy
źródło
światła
Filtr
modowy
Testowane
włókno
Stripper
modów
płaszczowych Detektor
Stripper
system
wprowadzania modów
płaszczowych
światła
zasilanie
(c) Sergiusz Patela 2004
Wzmacniacz
Miernik
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
24
Tłumienność: układ pomiarowy.
pomiary spektralne
Halogen
Testowane
Stripper
Stripper
włókno
system
modów
modów
wprowadzania
płaszczowych
płaszczowych
światła
Monochromator
˛detektor
filtr
modowy
sygnał referencyjny
modulator
światła
Lock-in
amplifier
sterownik
ploter
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
25
1. metoda alternatywna: metoda rozpraszania
wstecznego
Metoda pomiaru tłumienności światłowodów
jednomodowych oparta na pomiarze sygnału
rozproszonego wstecznie.
Metoda pozwala dodatkowo charakteryzować inne
parametry i zdarzenia w linii światłowodowej (złącza,
spawy, długości odcinków instalacyjnych)
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
26
Metoda rozpraszania wstecznego - układ
pomiarowy
Układ
wprowadzania
Układ
światła Rozgałęziacz
Źródło światła
wprowadzania
światłowodowy
światła
Testowany światłowód
Układ
wprowadzania
światła
Oscyloskop
Wzmacniacz
Detektor
Układ
obróbki
sygnału
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
System
zbierania i
przetwarzania
danych
27
Przykładowy wynik
Moc
in dB
1)
5)
2)
3)
4)
Długość
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
28
2. metoda alternatywna:
metoda strat wtrąceniowych
Metoda strat wtrąceniowych polega na pomiarze strat mocy po
wstawieniu w linię mierzonego odcinka światłowodu.
Mierzony światłowód umieszczany jest pomiędzy układem
nadawczym i odbiorczym.
Dokładność metody jest mniejsza od metody odcięcia.
Metoda nie jest przeznaczona do pomiarów fabrycznych. Służy
do pomiarów instalowanych linii światłowodowych.
Metoda wtrącenia jest metodą nieniszczącą.
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
29
Metoda strat wtrąconych - wersja “laboratoryjna”
Zasilanie,
polaryzacja,
modulacja
Testowane
włókna
Stripper
modowy
Stripper
modowy
2
1
MF
Źródło
światła
MF
Filtr
System
modowy
wprowadzania
światła
(c) Sergiusz Patela 2004
Detektor
1
2
Filtr
modowy
Układ pomiarowy
Poziom odniesienia
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
30
Metoda strat wtrąconych - wersja “polowa”
Zasilanie,
polaryzacja,
modulacja
Źródło
światła
System
wprowadzania
światła
Testowane
włókna
Detektor
Reference system
MF
System
pomiarowy
Filtr
Stripper
modowy modowy
(c) Sergiusz Patela 2004
Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów
31