книги / Методы испытаний и диагностики кабелей и проводов

Схемы возбуждения СД менее сложны, а рабочее напряже­ т е меньше, чем у ПЛ. Они имеют линейную ватт-амперную характеристику и более слабую, чем у ПЛ, температурную зависимость мощности излучения. Однако они имеют низкую эффективность ввода излучения в волокно с малой числовой апертурой. Широкий спектр излучения СД (30— 100 нм) превос­ ходит ширину спектра многомодовых лазеров в десятки раз. Ширина полосы частот модуляции составляет 100—200 МГц.

Ширина спектра излучения при использовании ПЛ состав­ ляет примерно 2 нм, а ширина полосы частот модуляции—до 2 ГГц. Эффективность ввода излучения в волокно с числовой апертурой менее 0,2 достигает 50%.

При измерениях параметров ОВ применяют почти ис­ ключительно ПЛ с фиксированными частотами, с интенсив­ ностью излучения не более 10~3 Вт, в импульсном режиме

внаносекундном и субнаиосекундиом диапазонах длительности.

Вкачестве приемных измерительных устройств (ИП) ис­ пользуются фотоэлектрические преобразователи. Измеритель­ ный канал включает согласующую оптику, фотоэлектрический приемник излучения, электронную схему и систему обработки и регистрации электрического сигнала.

Приемниками излучения могут служить фотоэлектрические

умножители (ФЭУ). Их коэффициент преобразования может достигать 105 A/Вт. Быстродействие ФЭУ оценивается диапазо­ ном значений длительности импульсов 30— 1 нс. Специальные ФЭУ (со стробированием) расширяют этот диапазон в сторону

внимание относительно большие размеры самих ФЭУ и ис­ точников питания высокого напряжения, их применяют для стационарных измерительных установок и в устройствах вы­ сокой точности— эталонах, поверочных установках.

Широкое применение в качестве ИП находят специально отобранные и метрологически аттестованные фотоприемники на основе внутреннего фотоэффекта (фотодиоды).

Измерительный фотоприемник в сочетании с последующим масштабным электронным преобразователем можно назвать оптоэлектрическим измерительным преобразователем (ОЭИП). Применение ОЭИП в сочетании со стробоскопическими регист­ рирующими измерительными устройствами и преобразова­ телями [42, 43] позволяет получить высокую чувствительность

Быстродействие приборов ОЭИП (их динамические харак­ теристики) должны позволять измерять параметры световых импульсов, которые генерируются источником излучения. При

101

этом необходима линейность характеристик ОЭИП во всем диапазоне оптических и соответствующих им электрических сигналов.

Соединение источников и приемников излучения со свето­ водом возможно через торцы очищенных от защитных обо­ лочек участков вблизи входного и выходного торцов световода или через оптические соединители. Первый способ применяют

Защитную полимерную оболочку удаляют обжигом, с при­ менением растворителя полимера и специальными инстру­ ментами.

Для получения входного и выходного торцов применяют способы неуправляемого и управляемого обламывания. При неуправляемом обламывании очищенный от защитной оболоч­ ки световод надрезают на небольшом расстоянии от конца алмазным или победитовым резцом, а затем, прижимая световод к цилиндрической оправе диаметром 30— 50 мм, обламывают в месте надреза. При управляемом обламывании надрез производится с постоянным, подобранным для данного световода усилием и обламывается также с постоянным усилием и радиусом изгиба световода. Применяется также способ разрыва надрезанного световода при его растяжении. Качество поверхности торца подвергается визуальному конт­ ролю под микроскопом с увеличением 15—20. На кромке световода не должно быть раковин, выступов, трещин и других дефектов. Реже используются шлифовка и полировка торца.

В световодных системах источник излучения с одного конца волоконного световода и приемник излучения с другого его конца должны быть надежно оптически состыкованы.

Для многомодовых световодов коэффициент затухания, дисперсионная задержка импульсов и числовая апертура долж­ ны измеряться и имеют стационарные значения только при достижении РММ. Для получения РММ между источником и световодом располагают смесители мод. Экспериментально установлено, что наилучшие результаты в достижении РММ дает возбуждение световода «70%-ными пучками». При этом размер пятна излучения и числовая апертура излучателя должны быть в пределах 70% от диаметра и числовой апертуры световода и должно быть обеспечено однородное возбуждение всех типов мод. Формирование возбуждающих пучков может осуществляться длинным вспомогательным от­ резком световода, смесителями мод (короткий световод с из­ гибами) или системой диафрагм и линз.

При измерениях мощности необходимо следить за тем, чтобы поперечное сечение измеряемого потока излучений вписывалось в рабочую площадку измерительного приемника,

102

и распространяющееся по световоду излучение полностью доводилось до измерительного приемника.

Для многих методов измерений применяют иммерсирование, т. е. заполнение пространства около световода специальной прозрачной иммерсирующей жидкостью с заданным ПП.

На результат измерения может оказывать влияние неудов­ летворительное качество поверхностей входного и выходного торцов измеряемого световода. В этом случае применяется заполнение жидкостью с ПП, близким к ПП сердечника.

В некоторых методах измерений необходимо предотвратить распространение излучения по светоизолирующей оболочке. Для этого очищенный у входного конца от защитной оболочки на расстоянии 100 мм или более и слегка изогнутый световод помещают в иммерсионную жидкость с ПП, равным или близким к ПП оболочки, и получают фильтр оболоченных мод (ФОМ).

Иммерсирование применяют при измерениях поперечных размеров сердечника и ПП как световодов, так и исходных заготовок при их изготовлении. При этом для исключения влияния внешней границы оптической оболочки световода или заготовки объект помещают в кювету с иммерсионной жид­ костью с ПП, равным ПП оптической оболочки.

При измерениях геометрических параметров и ПП применя­ ют методы и средства интерференционной рефрактометрии. Принцип действия интерферометра состоит в том, что пучок излучения пространственно разделяют на два или большее количество когерентных лучей, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе, при этом наблюда­ ется результат их интерференции. Если поместить исследуемый образец на пути одного из этих лучей, то интерференционная картина изменится. Путем анализа интерференционной картины можно вычислить различные параметры исследуемого объекта. Применяют интерферометры и интерференционные микроскопы на их основе.

8.4. ИЗМЕРЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ И ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

Диаметры сердцевины и оболочки градиентных многомо­ довых световодов обычно находятся в пределах от 50/125 до 250/375 мкм. Допуск на диаметр сердцевины ± 6, оболочки 2,4—6%, некруглость сердцевины и оболочки 6 и 2,4, погреш­ ность концентричности 6%. Одномодовые волокна имеют диаметр оболочки примерно 125 мкм и диаметр сердцевины 5—7 мкм.

При получении волокна методом вытяжки из заготовки искажения геометрической формы последней передаются волок­ ну, поэтому размеры заготовки необходимо контролировать.

103

Диаметр волокна контролируется в процессе вытяжки, при этом осуществляется автоматическая регулировка размеров волокна. Разрешающая способность средств измерения должна быть не менее 0,1—0,01 мкм.

Строительная длина световодов и кабелей обычно не превышает 500—2200 м, а наращивание длины линии связи производят путем сварки или разъемных соединений. Измере­

при создании и эксплуатации линий связи. Вносимые потери при наращивании линий связи обычно составляют 0,3—0,5 дБ. Повреждения ОВ могут существовать в виде нерегулярностей по его длине и может быть даже обрыв.

Измерение геометрических размеров ОВ производят по распределению мощности излучения в ближнем поле оптичес­ кого волокна (метод МЭК 793-1-А2; ГОСТ 26814—86).

Вкачестве источника излучения используют любой излучатель

сдостаточной интенсивностью. Источник излучения устанавлива­ ют у свободного конца образца. Другой конец ОВ устанавливают

в измерительный микроскоп с увеличением в 100— 600 раз и производят фокусировку торца световода в микроскопе. Источник излучения регулируют таким образом, чтобы изобра­ жение торца ОВ в микроскопе было полным и четким.

Микроскоп снабжен микрометром, а также дополнитель­ ными приборами— фотокамерой, детектором с разверткой и др. Измерительная шкала снабжается кольцевыми рисками для измерения диаметров сердечника и оптической оболочки. Минимальный и максимальный диаметры измеряют путем поворота изображения или шкалы по кругу.

Для измерения размеров используют также регистрацию интенсивности излучения. При этом оптическая система фо­ кусирует увеличенное изображение торца световода на плос­ кость поверхности фотоприемника. Применяют различные сканирующие устройства, позволяющие измерять изменение интенсивности излучения по линии диаметра ОВ (устройство с точечной диафрагмой и детектором излучения, сканирующее зеркало и др.). Применяют системы автоматизации измерений различного уровня вплоть до вычерчивания диаграммы ин­ тенсивности излучения и численной обработки результатов.

Измерение геометрических размеров ОВ методом четырех концентрических окружностей (МЭК 793-1-А2) используют для сравнительной оценки размеров ОВ и допусков. Определяют диаметры сердцевины и оптической оболочки, некруглость и нарушение концентричности. Четыре концентрические окру­ жности определяют поле допусков. Диаметры этих окружностей

104

2

1

Рис. 8.3. Схема измерений по методу ближней зоны

Считают, что ОВ выдержало испытания, если контуры оболочки и сердцевины расположены внутри этих колец. Этот метод представляет собой модификацию предыдущего метода.

Для измерения длины L образца ОВ используют измерение времени задержки А/ передаваемого (проходящего) или от­ раженного импульса с учетом известного значения группового показателя преломления ОВ:

измерения группового показателя преломления ОВ известной длины. В практике приборы по этому методу калибруют по измерениям известной длины образца того же типа. По отраженным импульсам определяют также место повреждения или нерегулярности ОВ. Для измерения этих параметров

распределения интенсивности излучения в ближней зоне, струк­ турная схема которого показана на рис. 8.3. В качестве источника излучения 1 применяют измерительную лампу, диа­ грамма направленности излучения которой подчиняется закону Ламберта (сила света /ф, отраженного или рассеянного в на­ правлении, составляющем угол ср с нормалью поверхности, связана с силой света /0, отраженного вдоль нормали, соотношением

с помощью линзы 4 на измерительную площадку скани­ рующего фотодиода 6 (приемная площадка размером 250 мкм). Площадка фотодиода для сканирования может перемещаться

105

излучений с помощью устройства 5. Диаграмму интенсивности регистрируют двухкоординатным прибором 8.

Расчет относительного изменения профиля ПП по диаметру сердцевины производят на основе соотношения (8.4) и (8.5):

Модификацией рассмотренного метода измерения профиля является «Метод измерения интенсивности излучения в ближней зоне», основанный на измерении полной интенсивности про­ пущенного отрезком световода излучения при облучении не­ большого участка его сердцевины. Метод предусматривает сканирование оптического пятна по входному торцу световода. Метод ближней зоны может быть использован также для измерения числовой апертуры.

Определение профиля ПП и числовой апертуры методом дальней зоны осуществляют путем измерения распределения интенсивности излучения по углу достаточно далеко от выход­ ного торца световода. Измерение числовой апертуры осущест­ вляют на коротком отрезке световода (длиной 2 м), возбуж­ денного излучением определенной длины волны при условии переполнения (диаметр пучка больше диаметра сердечника, угол пучка больше числовой апертуры световода). Значение числовой апертуры определяют как синус половины угла, при котором интенсивность излучения в дальней зоне составляет 5% максимального значения. Для многомодовых ОВ с почти параболическим профилем ПП синус этого угла близок к числовой апертуре.

Измерение геометрических размеров заготовок и профиль ПП световодов производят также интерференционными мето­ дами с применением иммерсирования на внешней поверхности оболочки [40, 41 ].

8.5. ИЗМЕРЕНИЕ ЗАТУХАНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕТОВОДАХ

Основными параметрами, определяющими качество оп­ тических линий связи, являются затухание и ширина полосы пропускания.

Наибольшее распространение для измерения коэффициента затухания в исследовательской практике получил метод обрыва. На примере этого метода рассмотрим подробнее особенности измерений в световодах. Схема типичного устройства, ре­ ализующего этот метод, показана на рис. 8.4 [40, 41]. Излуче­ ние от лампы 1 конденсором 2 направляется на входную щель монохроматора 3, который выделяет необходимую длину

106

Рис. 8.4. Схема измерений по методу обрыва

волны. Объектив 8, диафрагма 9 и микрообъектив 10 форми­ руют пучок с необходимыми для измеряемого ОВ 13 значе­ ниями диаметра и числовой апертуры. Часть излучения из выходной щели монохроматора после механического модуля­ тора 4 делительной пластиной 5 направляется в фотоприем­ ник 7 с регистрирующим прибором 6 для контроля стабиль­ ности источника излучения.

Подготовленный входной конец ОВ, очищенный от защит­ ной оболочки, помещают в держатель 77, расположенный в трехкоординатном юстировочном устройстве. Наибольшее распространение получили держатели в виде V-образной канав­ ки, к сторонам которой пружиной или резиновой прокладкой прижимают очищенный от защитной оболочки световод.

Входной конец световода помещают в кювету с иммер­ сионной жидкостью 72, являющуюся фильтром оболочечных мод. Выходной конец световода также помещают в кювету 14

ности, измеряют прибором 6 и при регулировании длины волны в 3 зависимость мощности излучения от длины волны может быть записана двухкоординатным самописцем 15.

Первоначально световод юстируется в устройстве ввода 77 до получения максимального показания на выбранной длине волны, и это показание фиксируется. Затем без нарушения условий ввода и фильтрации оболочечных мод световод обламывают на расстоянии 3—5 м от входного конца, подгота­ вливают торец выходного конца короткого отрезка, который помещается затем в 14 и снова производят измерения. Затухание определяют по (8.6), а коэффициент затухания— по (8.7).

Погрешность измерения обусловлена следующими частными причинами: нестабильностью источника излучения, нелиней­ ностью амплитудной характеристики фотоприемника и регист­ рирующего устройства, нестабильностью согласования передачи излучения выхода из световода в фотоприемник. Кроме того,

107

должен быть обеспечен ввод излучения с равновесным модовым режимом. Для этого используют выравниватель мод, систему линз, эталонное ОВ.

Этот метод измерения затухания рекомендован МЭК (Стан­ дарт 793-1-С1). В качестве источника излучения используют лампу, лазер или световод. Этим методом можно выполнять

характер, приводящий при каждом измерении к потере 3—5 м ОВ. При проведении испытаний методом замещения (стандарт МЭК 793-1-С2) измеряемый световод подсоединяют к источ­ нику по схеме рис. 8.4 и производят измерение мощности. Далее производят измерение мощности при замещении длин­ ного измеряемого световода коротким отрезком такого же световода. При этом появляется дополнительная погрешность вследствие нестабильности параметров ввода (узлов 11 и 12).

Измерение параметров обратного рассеяния (Стандарт 793- 1-СЗ) применяют для измерения затухания, определения оп­ тической нерегулярности^ обратного излучения, качества со­ единений. Этот метод основан на измерении мощности излуче­ ния, рассеянного в веществе световода, а также на различных неоднородностях ОВ.

В качестве источника рекомендуется использовать полу­ проводниковый лазер. Ширину импульсов и скважность выбира­

источник излучения повышенной мощности и приемное устрой­ ство повышенной чувствительности. Кроме того, ширину импульса выбирают такой, чтобы достигнуть оптимального соотношения между разрешающей способностью аппаратуры и энергией импульса.

Схема, реализующая этот метод, приведена на рис. 8.5. Импульсы от источника излучения 1 через разделительное зеркало 2 фокусируются на входе 3 измеряемого ОВ. Обратное рассеянное излучение поступает в приемник 4, микропроцес­ сор 5 и регистрируется осциллографом 6 и двухкоординатным построителем 7. Приемное устройство должно иметь близкую к логарифмической характеристику усиления.

Измерения производят дважды с разных концов ОВ в про­ тивоположных направлениях. На кривой рис. 8.6, соответст­ вующей мощности отраженной энергии, видны следующие характерные зоны: 1— отражение в устройстве ввода от входного конца ОВ и смешивание мод на некоторой входной длине ОВ; 2 — типичная кривая обратного рассеяния импульса,

108

распространяющегося по длине ОВ; 3— потери в месте локального дефекта, разъемного или неразъемного соединения; 4— отражения вследствие диэлектрического дефекта; 5— отражение от конца ОВ.

При отсутствии дефектов, соответствующих зонам 3 н 4, и при постоянстве угла наклона в интервале 2 значение коэффициента наклона в уравнении линии позволяет определить коэффициент затухания, дБ/м:

<x=\Q(\gPa — \gPb)/l,

lg Ра и \gPb показаны на рис. 8.6.

8.6.ИЗМЕРЕНИЕ ШИРИНЫ ПОЛОСЫ ПРОПУСКАНИЯ В СВЕ­

ТОВОДАХ

Дисперсионные свойства световода можно характеризовать на основе искажений, которые претерпевает распространяющийся в нем оптический импульс. Количественно оценивают увеличение среднеквадратического отклонения от центра тяжести импульса

по выражению A a= x/o f —а§, где сг0 и а ,—среднеквадратические отклонения на входе и выходе из световода:

00

/•

109