|
|
Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерьСтр 1 из 10Следующая ⇒ Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь Измерение оптической мощности Измерение оптической мощности является метрологической основой волоконной оптики, а измерительный преобразователь оптической мощности в той или иной форме используется практически в каждом средстве измерения параметров световой волны. Различают измерение абсолютной и относительной мощности: первое – используется для определения характеристик источников и приемников оптического излучения, а второе – для измерения его ослабления, усиления, возвратных и вносимых потерь. Например, измерение абсолютной мощности оптического передатчика или чувствительности оптического усилителя (ОУ), позволяет определить запас мощности, а измерение относительной мощности позволяет установить потери ОВ, коэффициента усиления ОУ и другие. Оптическая мощность обычно определяется на основе измерений электрической мощности, так как последняя может быть точно определена по току и напряжению. Большинство лабораторий национальных стандартов, таких, как NIST (США), PTB (Германия) и NPL (Великобритания), детально исследуют этот вопрос. Можно выделить две основные группы измерителей оптической мощности:
Хотя измерители мощности на ФД имеют небольшой диапазон рабочих длин волн, а также нуждаются в абсолютной калибровке, они используются чаще вследствие своей высокой чувствительности. Измерители мощности на ТФД предпочтительнее использовать в метрологических лабораториях ввиду их высокой стабильности и независимости показаний от длины волны оптического излучения в широком динамическом диапазоне. Кроме этого, сами ТФД могут быть непосредственно проверены при помощи измерений электрической мощности. Характеристики этих типов измерителей мощности приведены в табл. 1-1. Таблица 1-1
Измерители мощности с термофотодиодами
Известны различные принципы измерения оптической мощности с помощью ТФД, наиболее распространенный из них основан на радиометрическом методе замещения, являющемся в общем случае методом автокалибровки. Согласно этому методу измеритель мощности сначала подвергается воздействию оптического излучения, а затем излучение отсекается (при помощи шторки или прерывателя) и заменяется электрическим источником, мощность которого контролируется так, чтобы поддерживать постоянную температуру. Так как электрическая мощность может быть измерена с высокой точностью, то обеспечивается высокая точность данного метода измерения оптической мощности. В этом методе поглощающий слой, например, поверхность, покрытую черной краской, сначала облучают падающим светом, а затем нагревают его резистором, имеющим контакт с поглощающим слоем. Одна сторона резистора имеет изолированный слой серебра, покрытого черной краской для уравнивания колебаний температуры. Температура измеряется при помощи термобатареи (последовательно соединенных термоэлементов, расположенных в непосредственной близости от серебряной пластины), вырабатывающей напряжение, пропорциональное разности температур между поглощающим слоем и поверхностью с достаточно большой тепловой массой. Нелинейность метода не рассматривается, так как основой является достижение равенства температур для двух типов возбуждения. Необходимо, однако, обеспечить следующее: 1. Необходимую площадь поверхности с большой тепловой массой для поддержания постоянной температуры во время измерения; 2. Блокирование фонового и рассеянного светового излучения; 3. Оптимизацию теплового потока между поглощающим слоем и нагревателем; 4. Высокую поглощающую способность поверхности; 5. Точное измерение электрической мощности. Другая реализация данного метода основана на том, что вместо последовательного оптического и электрического воздействия, ТФД непрерывно электрически нагревается, потребляя мощность несколько большую оптической мощности, которую предстоит измерить, при этом фиксируется напряжение на ТФД. Затем он подвергается оптическому воздействию, а электрическая мощность уменьшается посредством обратной связи до тех пор, пока напряжение на ТФД не станет таким же, как и прежде. Результат измерения оптической мощности представляет собой разницу значений электрической мощности в этих двух процедурах (в измерении напряжения на ТФД нет необходимости). Наибольшая трудность при использовании ТФД заключается в их низкой чувствительности и большой продолжительности измерения (постоянная времени от нескольких секунд до нескольких минут в зависимости от размера ТФД). Лучшие результаты возможны при использовании термочувствительных элементов, выполненных на полупроводниковых материалах. Такие характеристики позволяют использовать тепловые измерители мощности для проведения калибровки, для других измерений в волоконно-оптической технике они используются довольно редко. Особым типом теплового измерителя мощности является криогенный радиометр, представляющий собой ТФД, помещенный в вакуум и охлажденный жидким гелием до 6° К. Криогенные радиометры являются наиболее точными измерителями мощности благодаря тому, что:
На практике криогенные радиометры при измерении мощности позволяют достичь погрешности, равной ±0,01%, однако вследствие высокой стоимости оборудования и сложности его эксплуатации они обычно используются только в национальных калибровочных лабораториях. Термостабилизация Чувствительность германиевого ФД имеет относительно небольшую температурную зависимость для большей части диапазона длин волн, в то время как выше 1550 нм, наблюдается значительная температурная зависимость. Ее можно описать, как смещение верхней критической длины волны с коэффициентом приблизительно 1 нм/К. Примерно такое же смещение можно наблюдать в InGaAs ФД в районе 1650 нм. По этой причине измерители мощности с термостабилизированными фотодиодами имеют лучшую воспроизводимость результатов измерений. Измерение вносимых потерь Вносимые потери представляют собой оптическое затухание, вызванное вводом оптического элемента в оптическую систему. Эти потери непосредственно влияют на энергетический бюджет ВОСП. Одним из видов вносимых потерь, с которым мы уже сталкивались, – затухание ОВ. Другими, не менее важными, являются вносимые потери таких оптических элементов, как коннекторы, аттенюаторы, фильтры, ответвители и мультиплексоры. Следует отметить, что принципы, положенные в основу данного вида измерений, могут быть использованы и для измерений возвратных потерь. Измерение PDL Во многих случаях мало устранить влияние PDL, необходимо рассматривать данный параметр как самостоятельную характеристику, проводя измерение PDL в дополнение к измерениям вносимых потерь. Двумя наиболее распространенными методами измерения PDL являются сканирование поляризации и метод Мюллера, хотя возможны и другие методы измерений. Метод Мюллера Этот метод основан на анализе четырех состояний поляризации с измерением передачи оптической мощности через ТЭ только в этих состояниях и последующим расчетом PDL из результатов этих измерений. Измерение PDL методом Мюллера аналогично предыдущей схеме измерения, однако контроллер поляризации в ней выполнен на основе волновых пластин, используя в частности, для синтеза различных состояний поляризации четвертьволновую (Q) и полуволновую (H) пластины. Кроме этого, для обеспечения необходимой ориентации поляризованного сигнала данная схема дополняется поляризатором (P), который устанавливается на входе контроллера. Первым шагом в использовании этой схемы является вращение поляризатора до получения максимальной передачи излучения при максимальном уровне входного сигнала путем соответствующей установки пластин Q и H относительно эталонного угла. Вначале измерение выполняется без ТЭ путем измерения оптической мощности при четырех хорошо определенных состояниях поляризации, а затем вводится ТЭ, и измерение повторяется для тех же состояний поляризации. Табл. 1-4 иллюстрирует этот процесс (уровни мощности с прописными подписями указывают измерения, осуществленные с ТЭ, а уровни мощности с более мелкими подписями измерены без ТЭ). Таблица 1-4
Значение PDL в этом методе определяется по формуле:
где максимальное Tmax и минимальное Tmin значения коэффициентов передачи могут быть определены, используя коэффициенты mij матрицы Мюллера, матрицы размера 4x4, которая выражает связь входного и выходного векторов Стокса любого оптического устройства в форме:
где S и S’ – векторы Стокса входной и выходной световой волны оптического устройства. Особенности этого метода измерения такие же, как и метода сканирования, в частности, также необходимо исключить зависимость интенсивности излучения лазерного источника и показаний измерителя мощности от поляризации. Учитывая, что контроллеры поляризации с волновыми пластинами (по сравнению с контроллерами на ОВ) часто создают большие вариации мощности, поляризационная зависимость уровня мощности в данном методе корректируется математически, что усложняет его реализацию, но снижает требование к параметрам контроллера. Кроме этого, метод Мюллера, по сравнению с методом сканирования, включает два этапа измерения, но фактически этап калибровки может быть проведен один раз перед серией измерений. С точки зрения точности измерения, метод Мюллера характеризуется, по крайней мере, такой же точностью, как и метод сканирования поляризации. Например, с учетом повторяемости установки волновых пластин для значений PDL 0,1 дБ вполне достижимой является точность порядка ±0,003-0,005 дБ. В заключение отметим, что основное преимущество метода Мюллера заключается в том, что его время измерения значительно меньше времени измерения методом сканирования поляризации. Это чрезвычайно важно для проведения измерений PDL, независимых от длины волны. Шумы оптического излучения Другим способом описания шумов оптического излучения является выражение их в виде отношения мощности шума в полосе частот 1 Гц, нормированной относительно постоянной мощности сигнала. Такое описание полезно, учитывая независимость его от уровня мощности, достигшей ФД. Данная мощность шума в полосе частот часто называется относительным шумом оптического излучения RIN’ и определяется следующим образом:
где <Di2> – усредненная по времени мощность шумов излучения в полосе частот 1 Гц, Io – средняя интенсивность излучения. На практике RIN’ можно определить с помощью АОС, измеряющего усредненную по времени мощность шума фототока<Di2> и амперметра, контролирующего среднее значение постоянного тока ФД I0. Компоненты теплового и дробового шумов, следует вычесть из измеренной мощности шума для получения более точного значения шумов излучения входного оптического сигнала.
Измерение параметров ВОСП Виды дрейфа и дрожания фазы Дрожание фазы может ухудшить функционирование ВОСП, так как вызывает появление битовых ошибок. Для точного определения того, равен ли данный бит 1 или 0, сигнал должен быть восстановлен в тот момент времени, когда его значение в случае бита 1 является максимальным, а в случае бита 0 минимальным. Поэтому, если дрожание фазы вызывает смещение этой точки в интервале синхронизации на приеме, вероятность приемника сформировать ложный бит увеличивается, а, следовательно, увеличивается и коэффициент ошибок. Кроме этого, дрожание фазы в сети передачи может увеличиваться в зависимости от механизма его генерации и преобразования. В ВОСП встречаются различные типы дрожания фазы, а именно: · случайное дрожание фазы, которое не зависит от передаваемой последовательности и возникает вследствие шумов, создаваемых электронными элементами регенератора; · детерминированное фазовое дрожание, которое представляет собой последовательность смещений, создаваемых схемой восстановления тактовой частоты. Детерминированное дрожание фазы также может возникать вследствие искажений формы сигнала и преобразований амплитуда – фаза – шум. Учитывая, что между терминалами может быть несколько регенераторов, происходит накопление уровня дрожания фазы в зависимости от их количества. Приняв модель некоррелированного дрожания фазы, считаем, что результирующее дрожание фазы пропорционально квадратному корню из количества регенераторов, в то время как при детерминированном дрожании фазы регенераторов результирующее дрожание обычно пропорционально количеству регенераторов. Последний тип дрожания фазы является доминирующим в реальных системах с большим числом регенераторов.
Литература 1. IEC 60793-1-2 (1995). Optical fibres. Part 1: Generic specifications - Section 2: Measuring methods for dimensions.
Измерение оптической мощности, затухания и вносимых потерь   ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...  Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...  ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...  Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
