POTENTIAL OF THE OPTICAL REFLECTOMETRY IN THE VISIBLE SPECTRAL RANGE

Full Text

Использование кварцевых одномодовых ОВ в телекоммуникациях до настоящего времени ограничивалось «прозвонкой» волокон и поиском дефектов монтажа ОВ в оптических кроссах. Их использование считалось неперспективным из-за большого коэффициента затухания в видимой области спектра. Отметим, что наряду с волоконно-оптическими сетями (ВОС) большой протяженности существуют сети или участки сетей малой протяженности, для которых относительно большой коэффициент затухания не является критичным. К ним относятся абонентские участки сетей широкополосного доступа, большая часть локальных сетей, включая сенсорные и технологические сети, в том числе бортовые системы связи и передачи данных. Видимое излучение может найти применение во внутренних сетях центров обработки данных (ЦОД) и дата - центрах. Остановимся на одном из перспективных применений видимого излучения при рефлектометрическом контроле параметров пассивных оптических сетей (PON) с технологиями GPON и EPON [1]. При строительстве и эксплуатации PON для тестирования магистральных участков оптических линейных трактов (ОЛТ) от оконечного линейного терминала (OLT) до сплиттера используют универсальные оптические рефлектометры (ОР), подключаемые в OLT. Магистральные участки PON содержат сравнительно малое (одно на 32 … 64 абонента) количество оптических волокон (ОВ), отличаются высокой надежностью, редко выходят из строя. Гораздо сложнее из OLT контролировать состояние многочисленных абонентских участков (АУ). Это обусловлено не только большим затуханием в сплиттерах, но и тем, что сигналы обратного рассеяния (СОР) от всех АУ складываются и выделить СОР от конкретного абонента практически невозможно [1]. Большая часть неисправностей в сетях PON возникает именно на АУ, которые имеют низкие показатели надежности, подвержены несанкционированному доступу и вандализму. Для локализации неисправностей на АУ также необходимо использовать ОР, который можно подключать непосредственно у абонента, или в месте расположения сплиттера. Работы по инсталляции сети PON у абонента и проведение ремонтных и профилактических работ выполняют работники средней квалификации: монтажники, ремонтники и инсталляторы. Предоставлять им для этого дорогие универсальные и сложные в использовании ОР не целесообразно. Возникает потребность в специализированном простом, компактном и дешевом ОР монтажника и ремонтника. Для такого ОР можно использовать источники видимого излучения. При этом большое затухание в видимой области спектра, обусловленное рэлеевским рассеянием, может быть полезным в оптической рефлектометрии кварцевых ОВ относительно небольшой протяженности, так как СОР сильно возрастает. Кроме того, такой ОР позволяет не только регистрировать рефлектограммы, но и визуализировать изгибы, трещины и некачественные стыки в ОВ. Выбор параметров ОР для сети PON Разрабатываемый ОР предназначен для работы на абонентских участках сети PON, которые соединяют абонента со сплиттером. Такие участки для PON в многоквартирных домах имеют длину 10 … 100 м, а протяженность абонентских участков в коттеджных поселках не превышает 500 м. Поэтому выбираем максимальное расстояние L = 512 м. Разрешающую способность (интервал между отсчетами) желательно иметь менее ΔL = 1 м. Ее можно обеспечить при длительности тактового интервала между отсчетами до 10 нс. Примем Δt = 2,5 нс, а длительность зондирующего импульса tu =5 нс. В качестве излучателя для ОР предлагается использовать лазерный диод (ЛД) с длиной волны λ = 650 нм (красное излучение). Это позволяет увеличить СОР в 32 раза (динамический диапазон при этом возрастает на 7,5 дБ) по сравнению с ОР, работающим на длине 1550 нм. Переход в видимую область спектра позволяет в качестве фотоприемников использовать высокоэффективные кремниевые лавинные фотодиоды (ЛФД), которые отличаются высокой чувствительностью, линейностью и малым уровнем шумов. Структурная схема специализированного ОР Практически все схемы современных ОР используют быстродействующие аналого-цифровые преобразователи с большим количеством разрядов и параллельное накопление СОР во многих точках [2-4]. Такое техническое решение обеспечивает высокую точность регистрации СОР, высокое разрешение по расстоянию и по шкале затухания. Однако это техническое решение требует использования дорогостоящей высокочастотной элементной базы, которая имеет значительное энергопотребление. В данной работе предлагаются структурная схема (см. рис. 1) специализированного недорогого ОР с малым энергопотреблением и последовательным накоплением СОР. Для уменьшения энергопотребления ОР работает в двух режимах: регистрации рефлектограммы и ее отображения. Рассмотрим режим регистрации рефлектограммы. Схема ОР содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ), который в режиме регистрации имеет частоту f1 = 400 МГц. При этом длительность такта Δt = 2,5 нс (Δl = 0,25 м). С помощью двоичного счетчика СЧ1 с емкостью равной C1 = 2048 на шине адреса ША1 формируется код адреса ячейки памяти, в которой накапливается СОР от одной точки. Зондирующий импульс длительностью tu = 5 нс формируется на выходе СЧ1 с помощью формирователя зондирующих импульсов (ФЗИ) и поступает на источник излучения - лазерный диод (ЛД). Период следования зондирующих импульсов составляет Tu = ΔtC1 = 5.12 мкс, а максимальное расстояние по рефлектограмме - Lmax = 512 м. Зондирующий импульс от ЛД через направленный ответвитель (НО) или оптический циркулятор поступает в исследуемый волоконно-оптический тракт (ВТ). Двоичный счетчик СЧ2 определяет количество накоплений сигнала N в одной точке рефлектограммы. Например, его можно установить с помощью устройства управления (УУ) равным С2 =N= 256. Рис. 1. Структурная схема специализированного ОР с последовательным накоплением Сигнал с СЧ2 поступает на двоичный счетчик СЧ3 аналогичный счетчику СЧ1. Процесс регистрации рефлектограммы заканчивается с появлением импульса «строб 2» на выходе СЧ3. Общее время регистрации рефлектограммы составляет с. (1) СОР из ВТ через НО или циркулятор поступает на фотоприемное устройство (ФПУ), преобразуется в электрическое напряжение и поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий напряжение СОР в цифровой код на шине данных ШД1 в момент прихода строб-импульса (строб 1, который формируется в цифровом компараторе в тот момент, когда код на шине адреса ША1 совпадет с кодом адреса на шине ША2). Функции накопления СОР выполняет накопитель (НАК), который запускается оператором с клавиатуры устройства управления (УУ) командой «Пуск» и на который поступают коды с шины данных ШД1 и шины адреса ША1, а также строб-импульс. Окончание этого режима происходит при появлении импульса на выходе счетчика СЧ3 (строб 2). В режиме регистрации НАК выполняет следующие операции. 1. Очистка памяти накопителя. 2. Подача на один вход сумматора кода АЦП с шины данных (ШД1). 3. Извлечение из памяти накопителя кода, записанного в ячейку с адресом, соответствующим коду на шине адреса ША1, и подача его на второй вход сумматора. 4. Суммирование кодов и помещение результата суммирования в ячейку памяти накопителя с тем же адресом. 5. Повторение действий п.п. 1-4 до появления импульса на выходе СЧ3 и переключение ОР в режим отображения. Для экономии электроэнергии в режиме регистрации устройство управления (УУ) отключает дисплей (Дисп) и схему цифровой обработки сигналов (ЦОС). В режиме отображения для экономии электроэнергии устройство управления отключает счетчики СЧ2 и СЧ3, источник излучения ЛД и схему ФЗИ, а также переключает частоту ГТИ на меньшее значение f2 = 200 кГц. Тогда частота смены кадров Гц. (2) После завершения накопления СОР схема цифровой обработки (ЦОС) выполняет операцию логарифмирования всех значений СОР из памяти НАК и помещает результаты в память дисплея, которая содержит информацию о ранее зарегистрированных рефлектограммах. Основными функциями ОР в режиме отображения являются: вывод рефлектограмм на дисплей, управление изображением и курсорами на экране с помощью клавиатуры, подключенной к УУ. Управление узлами ОР осуществляется по шине управления (ШУ). Математическая модель сигнала обратного рассеяния в неоднородной ВОС Моделируемый ОР является цифровым измерительным прибором, который регистрирует рефлектограмму, то есть СОР в последовательно расположенных точках ВТ. Каждая i-ая точка характеризуется мощностью Pi СОР и расстоянием li до нее. Максимальный интервал дискретизации определяется длительностью зондирующего импульса tu. Выбираем количество точек с некоторой избыточностью . (3) Принимая kiz = 2 и учитывая, что в схеме ОР удобно использовать двоичные счетчики импульсов принимаем Mt = С1 = 2048 точек. Введение избыточности позволяет уменьшить погрешность регистрации за счет цифровой обработки СОР. При моделировании СОР рефлектограмма от ОВ длиной lm, содержащая одну отражающую неоднородность на расстоянии ln, разбивалась на 6 участков. Рассмотрим выражения для фрагмента рефлектограммы, содержащего неоднородность с коэффициентом отражения r и вносимыми потерями ас. Мощность СОР в i-ой точке рефлектограммы без учета шумов ФПУ может быть рассчитана по следующим выражениям: - на участке до стыка, расположенного на расстоянии ln при : ; (4) - на участке в пределах стыка, для которого : ; (5) - на участке после стыка, для которого : . (6) Уровень СОР определяется в дБм . (7) Полагаем, что ФПУ состоит из усилителя фототока (УФТ) и усилителя напряжения (УН) с коэффициентом усиления Ky. УФТ выполнен по трансимпедансной схеме на основе операционного усилителя (ОУ) с резистором R в цепи обратной связи. Шумами УН пренебрегаем, полагая, что шум ФПУ обусловлен дробовым током ЛФД с учетом лавины, тепловыми шумами резистора R, шумовым током ОУ [2-4]. Запишем выражение для дисперсии шумового тока ЛФД для i-ой точки рефлектограммы , (8) где e = 1.6 10-19 Кл - заряд электрона; Tа - абсолютная температура; k = 1,38 10-23 Дж/К - постоянная Больцмана; Ity- умножаемая часть темнового тока ЛФД без учета лавины; Itн- неумножаемая часть темнового тока ЛФД без учета лавины; S- чувствительность ЛФД без учета лавины, M - коэффициент лавинного умножения, который для p-i-n ФД равен единице; SIy - спектральная плотность шумового тока УФТ, приведенная ко входу; ΔF - полоса пропускания ФПУ как фильтра нижних частот; функция, учитывающая избыточные шумы лавины [6]: , (9) где - коэффициент, определяемый отношением коэффициентов ионизации дырок и электронов, который для кремниевого ЛФД лежит в пределах k = 0,05 … 0,1. Исходя из длительности зондирующего импульса tu, определим R - максимально допустимое сопротивление резистора обратной связи в ОУ и ΔF - полосу пропускания ФПУ: ; , (10) где С - входная емкость ОУ. Принимая С = 1пФ, tu = 5 нс, получим R = 800 Ом и ΔF = 200 МГц. Среднеквадратическое отклонение (СКО) пороговой оптической мощности шума для ФПУ с учетом накопления СОР . (11) Для моделирования на ЭВМ мгновенных значений гауссовского шума использовалась сумма из K = 18 псевдослучайных чисел с равномерным законом распределения (функция RND). Для мгновенных значений шума и смеси сигнала с шумом с учетом N накоплений использовалось следующее выражение . (12) Из (4)-(9) и (12) можно получить выражение для мгновенных значений отсчетов мощности и уровней мощности сигнала и шума на рефлектограмме ; (13) ; . C целью увеличения отношения СОР к шуму помимо накопления используют также фильтрацию сигнала в ФПУ при помощи фильтра нижних частот (ФНЧ). Для учета влияния ФНЧ в работе проведено моделирование СОР прошедшего через цифровой фильтр [5], разностное уравнение которого имеет вид: , (14) где ; ; Δt = tu / kiz - интервал времени между двумя последовательными отсчетами СОР, t = tu - постоянная времени аналогового фильтра-прототипа. Из (14) можно получить выражения для мощностей сигнала и шума P2_s_i и P2_N_i, и, по аналогии с (13), для уровней сигнала и шума Y2_s_i и Y2_N_i после накопления и фильтрации. На рис. 2а представлены результаты моделирования рефлектограммы АУ длиной 500 м, построенного на ОВ с коэффициентом затухания α = 6,47 дБ/км. АУ содержит на расстоянии 400 м отражающую неоднородность с коэффициентом отражения r = 10-6 и вносимым затуханием ас = 0,05 дБ. Такой выбор параметров фрагмента рефлектограммы позволяет оценить способность ОР регистрировать сигнал рэлеевского рассеяния, а также определять параметры небольших неоднородностей. На рис. 2б показан фрагмент той же рефлектограммы, содержащий неоднородность. При моделировании рефлектограмм по выражениям (4)-(7) и расчета СКО шумового тока и пороговой мощности по выражениям (8)-(14) использовались следующие исходные данные: - для ФПУ: S = 0.5 А/Вт, Ity = 10-9A,Itн = 0 A,M = 40,С = 10-12Ф,R=800Ом,Ta = 300 K, N=256, иSI = 3.2 10-26A2/Гц[3]; - для зондирующего сигнала: длина волны λ = 650 нм, мощность в ОВ P0 = 25 мВт, длительность зондирующего импульса tu = 5 нс. а) б) Рис. 2. Рефлектограмма абонентского участка ВТ (а) и фрагмент этой рефлектограммы (б). Результаты моделирования показывают, что принятые технические решения обеспечивают поставленную задачу контроля АУ PON. Коэффициент затухания ОВ и параметры неоднородностей могут быть измерены. Определим требования к АЦП для предлагаемого ОР. Запишем выражение для i -го отсчета напряжения на выходе ФПУ: . (15) Полагаем, что максимальное напряжение АЦП U0 = 1 В; максимальное напряжение СОР, обусловленное релеевским рассеянием, примем равным 0,5 В. Расчеты показывают, что величины = 1,5∙107 1/А и = 4·104. Примем M = 40 и Ky = 100, тогда фототок ЛФД при максимальном СОР в ближней зоне рефлектограммы составит IΦ = 0,64 мкА. Затухание в ВТ протяженностью L = 512 м составит a = α L = 3,25 дБ, а минимальный СОР будет соответствовать напряжению 0,112 В. Из рис. 3б видно, что отношение сигнала к шуму для обеспечения разрешающей способности 0,01 дБ должно быть не меньше 12,5 дБ. Тогда количество уровней АЦП должно быть не менее 2800, то есть АЦП должен иметь не менее 12 двоичных разрядов (4096 уровней). Из проведенных расчетов видно, что в случае необходимости, можно улучшить параметры ОР, например, увеличить длину ВТ. При этом появляется возможность использовать предлагаемый ОР для большинства локальных сетей. Оценим потенциальные возможности ОР, работающего в видимой области спектра. Для этого воспользуемся выражением, связывающим СКО погрешности определения вносимого затухания a12 между двумя близко расположенными точками (первой и второй) с отношением СОР к шуму (дБ) [3] . (16) Запишем выражение для отношения СОР к шуму, дБ, после накопления и фильтрации: . (17) а) б) Рис. 3. Зависимость отношения СОР к шуму от расстояния (а) и зависимость СКО погрешности определения вносимого затухания между двумя близкими точками от отношения СОР к шуму при значениях вносимого затухания 0, 1 и 2 дБ (б). На рис. 3а показана зависимость отношения СОР к шуму SN от расстояния (17); на рис. 3б - зависимость СКО погрешности измерения вносимого затухания (16) для коэффициента лавинного умножения M = 100 (обычно это максимальное рекомендуемое значение для кремниевых ЛФД). На графике для SN показана прямая аппроксимирующая зависимость SN(L). Видно, что при расстоянии 1,5 км погрешность определения вносимого затухания не превышает 0,1 дБ. Это позволяет использовать такой ОР в локальных сетях с максимальными расстояниями 2 … 3 км. Кроме того, остаются возможности улучшения параметров за счет увеличения длительности и мощности зондирующего импульса, числа накоплений. Выводы Результаты моделирования доказывают возможность определять длину АУ PON, расстояние до небольших отражающих и неотражающих неоднородностей и их параметры: коэффициент отражения, вносимые и возвратные потери, а также оценивать коэффициент затухания ОВ на длине волны λ = 650 нм. Для существенного улучшения параметров, специализированного ОР в дальнейшем необходимо рассмотреть переход от схемы последовательного накопления к схеме параллельно-последовательного накопления без существенного увеличения стоимости. Внедрение специализированного ОР, работающего в видимом свете, позволит повысить эффективность и упростить процедуру тестирования, контроля и измерения параметров абонентских участков PON. Предлагаемый ОР может также использоваться для контроля параметров волоконно-оптических локальных сетей и сетей доступа. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-50088.

About the authors

Sergey Fedorovich Glagolev

The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications

Email: glagolevSF@yandex.ru

Michael Victorovich Dashkov

Povolzhskiy State University of Telecommunication and Informatics

Email: mvd.srttc@gmail.com

Andrei Sergeevich Diubov

The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications

Email: blip@mail.ru

Valentin Alexandrovich Hrichkov

The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications

Email: hrichkovv@gmail.com

References

Supplementary files