Механизмы возникновения потерь и отражений сигнала в световоде оптического волокна

0:14:05

Кроме того, очень важным показателем является угол, с которым сигнал падает на границу раздела двух сред. Видите, здесь на слайде модель оптического волокна. Как она формировалась, мы рассмотрели в прошлой презентации на прошлом вебинаре. Центральная темная часть - это сердцевина оптического волокна. Она выполнена из более плотного материала, поэтому она темнее. Оболочка выполнена из менее плотного материала, поэтому она здесь светлее. 

• Если оптический свет падает на границу раздела двух сред с острым углом к нормали (менее чем альфа), то большая часть энергии преломляется и уходит за пределы сердцевины.
• При угле падения света равным альфа -  свет тоже преломляется, но начинает распространяться по границе раздела двух сред. Вы, кстати, это видели в видео перед началом вебинара. Затухание в таком случае большое, поэтому тоже не используется для передачи такой эффект.
• Самый идеальный случай – полное внутреннее отражение, которое происходит при падении света из более плотной среды на границу раздела с менее плотной при угле падения больше граничного (альфа).

Угол падения света на границу раздела двух сред (сердцевины и оболочки волокна в данном случае) называется граничным углом в случае, если после прохождения его свет начал распространяться по границе раздела двух сред. Эффект полного внутреннего отражения наблюдается при падении из более плотной среды на границу раздела с менее плотной при угле падения больше граничного.

0:16:11

Перейдём и рассмотрим каждый эффект по отдельности. Угол к нормали острый, в результате чего, по закону Френеля, конечно же, угол падения равен углу отражения. Соответственно, отражение сигнала есть, но в данном случае отражённый сигнал очень маленькой мощности. Поэтому буквально несколько метров он пройдёт далее в зависимости от этого угла и затухнет полностью. Основная же часть мощности уходит за пределы сердцевины оптического волокна и вообще выходит за пределы оптического волокна.

0:16:57

Следующий - граничный угол. В данном случае вся мощность сигнала преломляется и распространяется по границе раздела двух сред.

0:17:12

И наконец -  эффект полного внутреннего преломления или отражения. Представьте себе, свет в волокне распространяется, отражаясь под таким углом от границы раздела двух сред. И теперь представьте, это волокно мы изгибаем с большим углом. В результате чего этот угол

0:17:44  

превращается в этот угол, что продемонстрировано на картинке.

0:17:52

Когда мы изогнули оптическое волокно,  угол падения света стал острым, в результате чего свет вышел за пределы оптического волокна. Если мы светим красным светом, то мы наблюдаем в патч-корде такую картину (свет на оболочке патчкорда и на изгибе волокна в сплайс кассете). ​​​

Это событие называется макроизгиб. На макроизгибе всегда наблюдаются очень большие потери, больше чем на сварке, коннекторе зачастую. Его очень трудно локализовать, потому что макроизгиб выглядит на рефлектограмме. Тему рефлектометров мы будем обсуждать в одном из следующих вебинаров.

В данном случае чтобы определить макроизгиб, необходимо использовать рефлектометр с двумя длинами волн. Потому что чем больше длина волны, например, 850 нм меньше чем 1310 нм, 1310 нм меньше чем 1550 нм. Чем больше длина волны, тем больше мощности сигнала будет выходить на макроизгибе. Если на одном и том же макроизгибе светить двумя разными длинами волн, то на 1310 нм потеряется меньше сигнала на макроизгибе, а на 1550 нм потеряется больше сигнала на макроизгибе.

0:20:07

​​​

Так как макроизгиб визуально на рефлектограмме выглядит так же, как и сварка, то единственным способом различить сварку и макроизгиб или понять, на чём же у нас такие потери: на сварке или макроизгибе, нам надо только померить двумя длинами волн: на 1310 нм чаще всего и на 1550 нм и сравнить результаты. Если на большей длине волны потери существенно больше - то на рефлектограмме макроизгиб. Если потери одинаковые, или отличаются не существенно (на несколько процентов) - то это сварка.

Посмотрите на слайде. На длине волны 1310 нм (черная линия) мы видим неотражающее событие с маленькими потерями. А на длине волны 1550 нм (красная линия) потери очень большие. То в данном это не сварка, а макроизгиб (или сварка + макроизгиб), который появилс в результате неправильной укладки волокна в сплайс кассете.

В результате в данном случае вы видите явное изображение макроизгиба на рефлектограмме. 

​​​

Существует также понятие микроизгиба. Микроизгиб – это изменение траектории распространения оптического сигнала больше чем на ноль градусов, но не приводящий ни к каким критическим последствиям. Микроизгибы есть в каждом волокне, но мы их не видим и никак не можем увидеть. Поэтому вроде как есть, но обращать внимания на это не стоит. Ну и наоборот, на макроизгибы надо всегда обращать внимание и стремиться к тому, чтобы их было поменьше особенно в межсезонье, когда бывает  оптические линии подвесные и при изменении температуры кабель может натягиваться или отпускаться.  В результате натягивания подвесного кабеля, волокно тоже натягивается, часть его вытягивается из сплайс кассеты кольца запаса волокна в сплайс кассете уменьшаются в диаметре. Это приводит к макроизгибам и на длине волны 1550 нм ухудшается или вовсе прекращается передача сигнала. Поэтому если вы заметили, что в системе передачи на длине волны в 1550 нм мощность сигнала резко уменьшилась или передача прекратилась, а на 1310 нм работает, то надо искать макроизгиб однозначно.

0:28:41

Теперь рассмотрим механизмы возникновения потерь в оптическом волокне. Первый из них – это Френелевское отражение, второй – это внутреннее поглощение в оптическом волокне и содержащихся в нём примесях и Рэлеевское рассеяние в оптическом волокне и содержащихся в нём примесях. Потери на микро- и макроизгибах мы уже частично рассмотрели, просто немного повторим.

0:29:08

Что такое коннекторное соединение?  Какие эффекты здесь происходят? Представьте себе, как мы говорили ранее, свет идёт и распространяется по сердцевине оптического волокна.  Есть два коннектора. Можем ли мы их подключить так друг другу, чтобы между сердцевиной одного волокна и сердцевиной другого волокна не попало даже атома воздуха? Конечно же, нет. В любом случае хоть как бы мы ни давили их друг в друга, в любом случае между ними будет воздух, потому как оно в воздухе находится.  А воздух – другая среда. Поэтому сигнал, который идёт и распространяется по сердцевине оптического волокна, попадает на границу раздела двух сред. Каких сред? Сердцевину оптического волокна и воздуха. А если сигнал падает на границу раздела двух сред, то что происходит? Происходит отражение. Отражённый сигнал возвращается назад, конечно, он не весь отразится. Часть сигнала отражается, часть продолжает распространяться дальше. Сигнал, который отразился, возвращается назад к передатчику.

Помните, мы говорили, что свет в инфракрасном диапазоне очень горячий, поэтому, когда он отражается и приходит в передатчик, мы видим, что наш SFP модуль греется. Замечали такой эффект? Поэтому если вы хотите, чтобы он не так грелся, надо следить за тем, чтобы отражение на коннекторных соединениях по линиям были поменьше. Для этого используются коннекторы с полировкой APC или нужно следить за чистотой коннекторов. Чем грязнее коннектор, тем больше отражение будет уходить назад. Вообще, коннектам будет посвящён целый вебинар. Он будет следующим. Об этом вы будете говорить с моим коллегой, про коннекторы, про типы коннекторов, про типы полировок коннекторов, как и где их использовать, характеристики и т. д. Очень полезно и интересно. Вот такое соединение, которое вы сейчас видите на экране, это коннекторное соединение и здесь происходит отражение. Отражения эти называются Френелевскими отражениями, потому как учёный Френель их исследовал.

0:32:06

На рефлектограмме эти повреждения, вернее, неоднородности отображаются в виде таких пиков. Если вы видели рефлектограмму, вы знаете, что вот это коннектор. Конец линии обозначается таким же самым образом. Потому что конец линии это и  есть тот же самый коннектор. Часто говорят, что даже обрыв это то же самое. Иногда да, если обрыв так получился, что оптическое волокно сломалось более-менее ровно, то обрыв может выглядеть тоже так же. Но чем хуже сломалось оптическое волокно, чем более криво, тем меньше будет отражение. Бывает такое, что при обрыве вообще отражения нет. Просто потери большие пошли и всё. Это возникает в случаях, когда волокно оборвалось и на торец волокна попал гидрофобный заполнитель, который есть в кабеле. В таком случае сигнал попал в этот гидрофобный заполнитель и где-то там потерялся и назад ничего не вернулось.

0:33:30

Следующий тип событий – это Рэлеевское рассеяние. Оно возникает из-за примесей, которые есть в сердцевине оптического волокна. Если помните предыдущий вебинар, то мы рассказывали, как делается оптическое волокно, как вносятся примеси в сердцевину оптического волокна и без них вообще никак нельзя. Без них передачи вообще не возникало, не создавались бы условия для передачи информации по сердцевине оптического волокна. Этот эффект исследовал учёный Рэлей и поэтому эти центры (эти участки примесей) называют Рэлеевскими центрами. Они примерно равномерно распределены вдоль всего волокна и когда свет идёт (источник передаёт информацию) часть сигналов проходит беспрепятственно, другая часть наталкивается на эти Рэлеевские центры и отражается в разные стороны. Представьте, бах и разлетелся: часть попала вверх, часть вниз, часть в сторону, часть ещё куда-то и маленькая часть вернулась назад к источнику. Единственное, что отличает от Френелевского отражения это то, что здесь мощность сигнала, которая отражается, очень-очень маленькая.

​​​​​​

И так она отражается в каждой точке волокна, Нам это очень помогает при обнаружении потерь на сварках, потому что прибор – рефлектометр, который мы подключаем для этой цели к линии, "видит" уровень мощности сигнала в каждой точке рефлектограммы и может отследить степень его затухания в каждой точке волокна. 

Если рефлектометр видит, что с одной точке отразилось много сигнала, а со следующей, которая находится через метр, отразилось мало сигнала, значит, что? Значит, с той, которая через метр, отразилось то же самое, только где-то на этом участке коротком оно затухло. И в результате этот порог устанавливается и прибор делает вывод, что здесь сварка с такими-то потерями. Поэтому Рэлеевские центры в данном случае очень помогают, но они, конечно же, приводят к тому, что мощность сигнала в итоге, который распространяется, он уменьшается. Рэлеевский центр приводит к какому-то уровню отражений и, кроме того, к затуханию оптического сигнала в оптическом волокне.

0:36:19

​​​​​​

Стоит отметить, что при сварке оптического волокна разных производителей может наблюдаться вот такой эффект. При производстве оптического волокна есть какие-то допуски, сколько запускать примесей в сердцевину оптического волокна. Конечно, они стандартизированы, плюс-минус, но у каждого производителя этот коэффициент немножко отличается. Я имею в виду коэффициент преломления сердцевины оптического волокна. Отличается он в основном тысячными долями, иногда сотые доли. Отличается немного, но тем не менее. Если так получается, что свариваются два волокна, которые были выпущены различными производителями, то сейчас утрировано я иллюстрирую эту картинку. Одно волокно имеет больше примесей, другое волокно имеет меньше примесей. Если мы оптическим рефлектометром измеряем со стороны А в сторону B (направление, изображенное красной стрелкой), то отражённый сигнал сначала возвращается большой, вследствие отражения от большого количества примесей, а после сварки уровень отраженного сигнала (рассеянного) резко падает.

​​​​​​

Анализируя рефлектограмму можно сделать ошибочный вывод, что на сварном соединении происходит сильное затухание сигнала. Однако это не обязательно так. Чтобы убедиться, необходимо провести измерение потерь на той же сварке с другой стороны волокна (со стороны B в сторону A).

В случае измерения с другой стороны (со стороны B в сторону A - изображено зеленой стрелкой) сварного соединения двух разных волокон, может наблюдаться ситуация, когда сначала (в волокне, имеющем меньшее количество примесей) происходит меньше отражений (меньше рассеяния возвращается в рефлектометр), а после сварного соединения уровень рассеянного сигнала сильно возрастает. Рефлектометр при этом фиксирует как будто усиление сигнала. Разумеется, никакого усиления не происходит.

В этом случае потери на сварном соединении определяются как среднее арифметическое потерь, измеренных с разных сторон линии.

Поэтому во всех отчётах при паспортизации оптических линий требуют на каждом сваянном соединении рассчитать это значение средних потерь на каждой из длин волн: на 1310 нм и 1550 нм. Это мы будем более подробно рассматривать, когда будем рассматривать паспортизацию оптических линий.

0:39:16

​​​​​​

Кроме того, что происходит отражение от Рэлеевских центров, происходит ещё и внутреннее поглощение. На самом деле это неразрывные понятия, но там мы рассматривали отражение, а тут другая сторона того же самого поглощения. Конечно, если сигнал отразился, то дальше он не пошёл. Поэтому если смотреть с точки зрения поглощения, то он куда-то поглотился этот сигнал. В результате мощность сигнала постоянно уменьшается, уменьшается и уменьшается. Если привязать это значение к длине волны, то сигнал на разных длинах волн затухает по-разному. Этот коэффициент называется погонные потери, погонное затухание оптического волокна. Я рекомендую запомнить следующие цифры: на длине волны 1310 нм – 0,33 дБ/км. Я не говорю, что это аксиома, оно может 0,32, 0,34, 0,35, 0,30 дБ/км. Но это не считается ошибкой, если будет 0,32 дБ/км или 0,34 дБ/км или другое названное значение. Проще запомнить – 0,33 дБ/км. На длине волны в 1550 нм 0,22 дБ/км. Тоже проще запомнить. Хотя может быть 0,19, 0,20 0,21 дБ/км. Но чаще всего больше, чем 0,22 дБ/км, ну 0,23 дБ/км разве что. Больше оно не бывает, обычно меньше. Но мне эта цифра удобна, потому что проще запоминать. Я так рекомендую. На 1490 нм и на 1625 нм тоже есть цифры, но я их особо не помню. В принципе их редко надо помнить. Обычно вот эти длины волн используются для паспортизации, поэтому чаще всего этими значениями и оперируют.

​​​​​​