Pomiary parametrów telekomunikacyjnych światłowodów jednomodowych. Na poprzednim wykładzie przedstawiono podstawowe parametry światłowodów

Transkrypt

1 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 004

2 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów Parametry światłowodów jednomodowych 1. Średnica pola modu. Średnica płaszcza, błąd koncentryczności i eliptyczność 3. Długość fali odcięcia 4. Tłumienność 5. Dyspersja chromatyczna 6. Parametry i badania wytrzymałościowe 7. Dyspersja polaryzacyjna

3 Metody pomiarów definicja metody podstawowej i alternatywnej (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 3 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.

4 Pomiar średnicy pola modu (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 4 Średnica pola modu określa rozkład pola pojedynczego modu LP01. W światłowodzie jednomodowym określa rozkład natężenia światła. Średnica pola modu Mode Field Diameter (MFD) w 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: w def = λ π 0 π 0 π F F ( θ) ( θ) sin θcosθdθ 3 sin θcosθdθ 1

5 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 5 Układ do pomiaru MFD źródło stripper modów płaszczowych θ θ detektor układ akwizycji danych badany światłowód 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 w to przewidywana MFD, b - średnica detektora.

6 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 6 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 -50dB.

7 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 7 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 F (θ), MFD w obliczane z równania: w = π F λ 0 π π F 0 ( θ ) ( θ ) sinθ cosθdθ 3 sin θ cosθdθ 1

8 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 8 Prezentacja wyników pomiaru Protokół pomiarowy powinien zawierać: a) Schemat układu pomiarowego, dynamikę układu pomiarowego, algorytm obróbki danych, opis urządzenia skanującego (w tym kątowy zakres pomiaru). b) Sposób wprowadzania światła. c) Długość fali i FWHM źródła. d) Dane i długość włókna. e) Rodzaj strippera modów. f) Rodzaj i wymiary detektora. g) Warunki przeprowadzania pomiaru (temperatura, wilgotność i inne) jeżeli mogą mieć wpływ na wynik pomiaru h) Uwagi na temat dokładności i powtarzalności. i) Wynik - MFD.

9 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 9 Pomiar MFD pierwsza metoda alternatywna Metoda zmiennej apertury, MFD określamy za pomocą dopełnienia funkcji transmisji aperturowej a(x) gdzie: w = πd dx 0 x + D średnica apertury x = D tan θ x ( λ / ) a( x) ( ) D - odległość pomiędzy aperturą włóknem dopełnienie funkcji transmisji aperturowej a(x): P( x) a x = 1 P ( ) P max - moc transmitowana przez największą aperturę, x promień apertury. max 1

10 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 10 MFD - pomiar metodą zmiennej apertury źródło stripper modów płaszczowych zmienna apertura soczewka ogniskująca θ θ Specimen d detektor układ akwizycji danych Co najmniej 1 różnych apertur, obejmujących zakres apertury numerycznej od 0.0 do 0.5 (0.4 dla włókien G.653).

11 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 11 Pomiar MFD. metoda alternatywna Skanowanie bliskiego pola. MFD jest określane na podstawie rozkładu natężenia f (r) w bliskim polu: w = 0 0 rf df r dr () r () r dr dr 1 gdzie: r współrzędna radialna Metody dalekiego i bliskiego pola są wzajemnie komplementarne, poprzez transformatę Henkela

12 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 1. metoda alternatywna - układ pomiarowy skanowania w bliskim polu źródło stripper modów płaszczowych optyka powiększająca mierzone włókno d detektor skanujący układ akwizycji danych Kalibracja - powiększenie układu optycznego powinno zostać określone przez pomiar długości obiektu o znanych wymiarach.

13 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 13. metoda alternatywna - procedura pomiarowa Bliskie pole obrazu włókna jest powiększane, i ogniskowane na powierzchni detektora. Rozkład natężenia bliskiego pola, f (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.

14 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 14 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.

15 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 15 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. source fibre detector. metoda alternatywna. Metoda boczna. Mierzymy rozkład natężenia wykonując skan boczny włókna. Na podstawie otrzymanych rozkładów obliczamy obliczamy rozkłady współczynników załamania, a następnie charakterystyki geometryczne. source fibre detector

16 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 16 Metody pomiaru długości fali odcięcia (DFO) Cel pomiaru: zapewnienie jednomodowej pracy systemu określonym przedziale długości fali. Metoda referencyjna pomiaru MFD dla światłowodów (λ c ) i kabli przyłączeniowych (λ cj ) : 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 - P (λ) b) transmisja przez krótkie włókno wielomodowe (1- m) P 3 (λ).

17 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 17 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 LP 01 i LP 11. 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 LP 11.

18 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 18 Procedura pomiarowa 1. Pomiar na włóknie o długości m 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.. Pomiar mocy P 1 (λ) w funkcji λ w odpowiednim zakresie obejmującym długość fali odcięcia. Tłumienność spektralną α(λ) obliczamy za wzoru P1 a( λ) = 10log P i gdzie: i = or 3 dla różnych metod pomiaru mocy referencyjnej ( λ) ( λ)

19 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 19 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, λ c, dla której moc modu wyższego rzędu stanowi 0.1 db modu podstawowego.

20 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 0 Pomiar DFO - moc referencyjna ze światłowodu jednomodowego (metoda a) Trans Upper Cut-off 1188 nm Attenuation (db) Wavelength (µm) T

21 Pomiar DFO - moc referencyjna ze światłowodu wielomodowego (metoda b) (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 1 Trans Upper Cut-off 13 nm Attenuation (db) Wavelength (µm) T

22 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów Metody pomiaru tłumienności światłowodów metoda referencyjna: Metoda odcięcia 1. metoda alternatywna: Metoda rozproszenia wstecznego. metoda alternatywna: Metoda wtrącenia

23 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 3 Metoda odcięcia Metoda odcięcia jest bezpośrednim zastosowaniem definicji tłumienia. Moce P 1 i P są mierzone w dwóch przekrojach poprzecznych włókna, bez zmiany warunków wprowadzania i prowadzenia światła. P jest mocą na wyjściu badanego odcinka, P 1 mocą na jego wejściu. P1 mierzymy po ucięciu kabla. ( λ) A = 10log P P 1 ( λ) ( λ) ( db) Pomiary przeprowadza się dla jednej długości fali, lub w określonym zakresie spektrum.

24 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 4 Tłumienność: układ pomiarowy. Pomiar jednopunktowy źródło światła Filtr modowy Testowane włókno Stripper modów płaszczowych Detektor zasilanie system wprowadzania światła Stripper modów płaszczowych Wzmacniacz Miernik

25 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 5 Tłumienność: układ pomiarowy. pomiary spektralne Halogen system wprowadzania światła Testowane Stripper włókno Stripper modów modów płaszczowych płaszczowych detektor Monochromator filtr modowy sygnał referencyjny Lock-in amplifier modulator światła sterownik ploter

26 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 6 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)

27 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 7 Metoda rozpraszania wstecznego - układ pomiarowy Układ wprowadzania światła Źródło światła Rozgałęziacz światłowodowy Układ wprowadzania światła Układ wprowadzania światła Detektor Wzmacniacz Układ obróbki sygnału Oscyloskop Testowany światłowód System zbierania i przetwarzania danych

28 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 8 Przykładowy wynik Moc in db 1) ) 5) 3) 4) Długość

29 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 9. 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.

30 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 30 Metoda strat wtrąconych - wersja laboratoryjna Zasilanie, polaryzacja, modulacja MF Stripper modowy 1 Testowane włókna Stripper modowy MF Detektor Źródło światła System wprowadzania światła Filtr modowy 1 Poziom odniesienia Filtr modowy Układ pomiarowy

31 (c) Sergiusz Patela 004 Pomiary parametrów jednomodowych światłowodów 31 Metoda strat wtrąconych - wersja polowa Zasilanie, polaryzacja, modulacja Testowane włókna Detektor Źródło światła System wprowadzania światła Reference system MF System pomiarowy Filtr modowy Stripper modowy