Рефлектометры, виды, принцип работы и применение

Что такое рефлектометры?

"Рефлектометры - это приборы для измерения коэффициента отражения объектов, то есть доли падающей оптической мощности, которая отражается..." 

Полезные статьи:

Что такое отражатели, виды, принцип работы

Зеркальное отражение света

Вспе статьи

Оптические рефлектометры временной области

Оптические рефлектометры временной области - это приборы, которые измеряют отражательные способности и потери в оптических волокнах с пространственным разрешением. В основном они используются в технологии оптоволоконной связи для тестирования волоконно-оптических линий связи.

Например, в кабельном телевидении, локальной сети, городских сетях или магистралях Интернета большой протяженности с точки зрения распределенных потерь при распространении, локализованных потерь, например, из-за оптических компонентов или плохого соединения волокон. Метод измерения, который объясняется в следующем разделе, называется оптической рефлектометрией временной области. Аббревиатура OTDR используется как для приборов, так и для метода.

Обратите внимание, что сетевую функцию также можно протестировать на более высоком уровне, например, с помощью тестера частоты ошибок в битах. Однако проблемы, обнаруженные на этом уровне, не обязательно легко отследить. OTDR можно использовать для анализа сетей на базовом физическом уровне, и они также часто значительно помогают в локализации проблем.

Принцип работы рефлектометра

Принцип работы оптической рефлектометрии временной области прост для понимания. Прибор излучает короткие лазерные импульсы, например, с длительностью импульсов в несколько десятков наносекунд. Имеет пиковую мощность в несколько сотен милливатт, что может быть получено с помощью одномодового лазерного диода. Эти импульсы вводятся через стартовый кабель в тестируемое оптическое волокно или в волоконно-оптическую линию связи, которая может содержать дополнительные компоненты такие как:

• волоконные соединения и оптоволоконные соединители, 
• оптические фильтры, 
• волоконные усилители, 
• изоляторы Фарадея, 
• мониторы оптической мощности 
• фотодетекторы телекоммуникационных приемников. 

Любой отраженный свет извлекается с помощью направленного волоконного ответвителя и отправляется на быстрый и чувствительный фотоприемник. Это позволяет измерять отраженную оптическую мощность с временным разрешением и, следовательно, обратные потери. Рэлеевское обратное рассеяние в волокне играет решающую роль для функционирования систем рефлектометра.

Крайне важно, чтобы были не только локализованные отражения, например, от крошечных воздушных зазоров в механических соединениях или на соединителях, но и распределенные отражения из-за рэлеевского рассеяния в волокне, которое вызвано микроскопическими колебаниями в волокне. Они в некоторой степени неизбежны из-за аморфной структуры стекла. Небольшая часть рассеянного света направляется волокном в обратном направлении и, следовательно, может быть обнаружена на входном конце.

Применение рефлектометров

Таким образом, становится ясно, какие измерения можно выполнять с помощью оптического рефлектометра временной области:

• Можно измерить потери при распространении в волокне на тестируемой длине волны. 
• Также можно проверить, является ли коэффициент потерь постоянным вдоль волокна или изменяется локально, например, из-за потерь на изгиб или из-за объединения разных волокон.
• Обнаружить и количественно оценить дополнительные локализованные потери, например, из-за неисправных соединений или оптоволоконных соединителей оптоволоконных соединительных кабелей. Кроме того, если волокно повреждено, оно все еще может пропускать некоторое количество света, но со значительными потерями при передаче. 
• Кроме того, можно измерить характеристики волоконных соединителей и вносимые потери таких компонентов, как изоляторы Фарадея. Волоконные усилители, даже в ненакачанном состоянии, обычно также видны из-за повторного поглощения в обычной среде с квазитрехуровневым лазерным усилением.
• Если волоконно-оптический канал поврежден, например, в результате строительных работ, также можно быстро обнаружить проблему.

Чтобы эти результаты были релевантными, обычно выбирают длину волны тестовых импульсов в диапазоне, который также используется для передачи сигнала. Для телекоммуникационных систем длина волны может находиться в разных диапазонах, например, около 850 нм, 1,3 мкм или 1,55 мкм. 

Однако можно добиться лучшей чувствительности измерений, выбрав существенно более короткую длину волны, где обратное рассеяние Рэлея соответственно сильнее. В некоторых случаях это может быть полезно, например, для точного определения местоположения некоторых повреждений волокна. 

Существует возможность выполнять измерения OTDR несколько за пределами диапазона длин волн телекоммуникационных сигналов, чтобы облегчить измерения во время передачи сигнала. Обратите внимание, что тестируемая длина волны также должна находиться за пределами области длин волн, где есть усиление от любых волоконных усилителей, поскольку это, очевидно, может повлиять на результаты измерений.

В некоторых случаях необходимо учитывать, что могут возникать множественные отражения – например, если волокно содержит две разные точки со значительной отражательной способностью. В этом случае трассировку OTDR интерпретировать сложнее, поскольку теряется простое сопоставление времени и пространства.

Измерения OTDR особенно полезны для выявления проблем. Например, если частота битовых ошибок в волоконно-оптической линии связи слишком высока, это может иметь много причин. В этом случае может оказаться довольно утомительным последующая проверка всех разъемов, а проверка соединений особенно трудоемка. Один след рефлектометра может немедленно выявить проблему, даже если он находится на расстоянии нескольких километров от прибора.

Рефлектометры свободного пространства

Рефлектометр свободного пространства позволяет измерять отражательную способность образцов с помощью светового пучка свободного пространства. Как правило, коэффициент отражения может существенно зависеть от угла падения на образец. Поэтому многие оптические рефлектометры позволяют измерять коэффициент отражения в широком диапазоне углов падения, но некоторые устройства работают только с фиксированным углом, что, конечно, позволяет использовать гораздо более простую оптическую установку без движущихся частей.

Спектроскопические рефлектометры

Коэффициент отражения также зависит от оптической длины волны, поэтому идеально позволяет измерять коэффициент отражения также как функцию длины волны в широком спектральном диапазоне. Такое устройство можно назвать спектроскопическим рефлектометром, который можно рассматривать как тип спектрофотометра. Однако для некоторых целей достаточно работать с фиксированной длиной волны или с фиксированным интервалом длин волн.

Спектроскопические рефлектометры необходимы, например, для характеристики диэлектрических зеркал и других видов диэлектрических покрытий. Здесь важно спектральное разрешение, поскольку ошибки при выращивании тонких пленок могут спектрально сдвигать или искажать полосы отражения. Аналогичные области применения включают тонкопленочные полупроводниковые устройства, такие как структуры усиления.

Калибровка

Калибровка рефлектометра становится критической, когда необходимо измерить значения коэффициента отражения, очень близкие к единице (идеальный коэффициент отражения). Для оптимизации таких процедур калибровки могут быть использованы усовершенствованные методы. Например, можно использовать оптическую установку, в которой можно поочередно измерять оптическую мощность света, отраженного от образца, и мощность света от того же источника, попадающего на тот же фотоприемник по некоторому эталонному пути. Однако для получения очень высоких значений коэффициента отражения – например, в контексте суперзеркал – приходится прибегать к другим методам, например, методу кольцевого рассеяния.

Зеркальные и рассеянные отражения

Рефлектометры часто используются для зеркальных отражений, но некоторые, называемые оптическими рефлектометрами обратного рассеяния, также работают с диффузно рассеянным светом. Существуют другие устройства для измерения оптического рассеяния, которые могут отличать зеркальные отражения от рассеянного света и предоставлять подробную информацию также о последнем.

Поляризация

Для наклонного (неперпендикулярного) падения на образец также может иметь значение поляризация тестируемого света. Прибор может работать либо с линейно поляризованным, либо с неполяризованным светом, или, возможно, с другими определенными состояниями поляризации.

Родственным методом является эллипсометрия, где, однако, измеряются не только отражения, но и состояние поляризации отраженного света. Следовательно, эллипсометры должны содержать дополнительное оптическое оборудование для анализа поляризации.

Измерения с пространственным разрешением

Коэффициент отражения образца также может зависеть от положения на образце. Некоторые рефлектометры работают с плотно сфокусированным светом и могут измерять коэффициент отражения в зависимости от положения с относительно высоким разрешением.

Другой потенциально полезной функцией является возможность работы с образцами, имеющими изогнутые поверхности.

Волоконно-оптические рефлектометры

Другой вид оптических рефлектометров часто используется с волоконной оптикой, и особенно в контексте оптоволоконной связи. Обычно это оптические рефлектометры временной области, которые в дополнение к коэффициенту отражения также обеспечивают временное разрешение. 

Можно измерить в какое время достигается определенная интенсивность отражения, и это показывает, в каком месте произошло соответствующее отражение. Такие волоконно-оптические устройства очень полезны для проверки волоконно-оптических линий, особенно для определения местоположения неисправностей.