Задачи метрологического обеспечения измерений, поверки, калибровки и сертификации СИ в данной области так же, как и в ряде других областей, могут решаться следующими путями:
Разработка эталонов физических единиц, базирующихся на фундаментальных физических законах, что необходимо для воспроизведения единицы оптической мощности.
Создание (или отбор) прецизионных устройств, действующих на основе стандартных методов, но с метрологическими характеристиками, превышающими характеристики применяемых на практике средств измерений. Эти устройства могут служить вторичными эталонами для калибровки и поверки средств измерений, которые осуществляются при этом с помощью компаратора. При таком подходе сложно качественно превысить характеристики калибруемых приборов, а также избавиться от составляющих погрешности, связанных со свойствами компараторов (преимущественно – образцов оптического волокна).
Применение результатов межлабораторных сличений, проводимых на основе образцов оптического волокна. В этом случае указанные образцы, характеристики которых определяются статистическими методами как результат оценки на нескольких средствах измерений, могут применяться в качестве компараторов либо эталонных мер. При подобном подходе так же, как и в первом случае, следует учитывать погрешности за счет свойств волокна. На результаты калибровки могут также влиять старение волокна, микроизгибы, изменение усилия натяжения.
Упомянутые трудности не возникнут, если создать исходные средства измерений, моделируя прохождение излучения через волокно. Такие СИ можно использовать непосредственно как эталоны единиц определенных физических величин.
Следует подчеркнуть, что последний подход основывается на том, что в данном случае должна решаться не задача измерения характеристик оптического волокна, а задача поверки и калибровки приборов, определяющих эти характеристики.
В этой связи были разработаны установки высшей точности (УВТ), возглавляющие соответствующие поверочные схемы для следующих единиц, характеризующих измерение параметров световодов: затухание – для измерений двухточечным методом и методом ОТDR; расстояние до места повреждения; полоса пропускания; числовая апертура; профиль показателя преломления /4/.
В УВТ с учетом создания требуемых условий ввода излучения используется метод обрыва /5/. Предварительно с высокой степенью точности определяются градуировочные характеристики (нелинейность) фотоприемных устройств, применяемых в УВТ.
Погрешность установки не превышает 0,2 дБ в диапазоне до 30 дБ. Она работает на длинах волн 0,85 мкм; 1,3 мкм, 1,55 мкм.
УВТ для поверки средств, измеряющих расстояние до места повреждения оптического кабеля – оптических рефлектометров.
Для обеспечения поверки и калибровки оптических рефлектометров по шкалам расстояний и амплитуд в состав УВТ включены устройства, позволяющие решать поставленную задачу разными методами – путем прямых измерений (первый из описанных выше подходов) и путем создания исходной меры, воспроизводящей единицу длины (времени задержки) для световода /5/. Это независимая система для измерения времени задержки оптического сигнала в ОВ, специальный эхо-генератор и прецизионный измеритель длины оптического волокна.
Отметим, что эхо-генератор, построенный на основании третьего подхода, позволяет калибровать оптические рефлектометры как по шкале затуханий, так и по шкале расстояний в широком динамическом диапазоне. Это дает возможность избежать погрешностей, присущих другим известным способам /10/.
В настоящее время эхо-генератор выполнен в виде отдельного прибора, работающего в лабораторных условиях, и может быть использован также как образцовое средство измерений для калибровки оптических рефлектометров. С его помощью проводились исследования метрологических характеристик рефлектометров фирм "АНДО", "Филипс", "Гранерт Прецитроник", "Hewlett Packard", "Wavetek", "Wandel & Goltermann" и др. и были обеспечены государственные испытания рефлектометров. Если необходимо измерение непосредственно длины либо оценка групповой скорости, может применяться входящий в состав УВТ прецизионный измеритель длины ОВ, обладающий погрешностью измерения длины не более 0,3 м в пределах 1 км.
Погрешности (предельные значения) воспроизведения в УВТ равны для временных интервалов не более 1 нс (0,1м) в диапазоне 5·10-8 1,5·10-3 с (5м ± 150км);
затухания -0,1 ± -0,7 дБ в диапазоне 0,5 ± 30 дБ. Рабочие длины волн составляют 0,85; 1,3; 1,55 мкм.
УВТ для поверки СИ ширины полосы пропускания ОВ.
В данной установке также используется последний из перечисленных подходов – создание исходной меры путем моделирования прохождения излучения через ОВ /7/. Для этой цели применяется тракт в виде специальной перестраиваемой оптической линии задержки, который служит "эталоном" частотной характеристики и обладает известной задаваемой частотной характеристикой, волоконным входом и выходом.
Изменяя длину линии задержки, которая должна определяться при этом со сравнительно небольшой точностью, можно получать различные значения ± (или f), соответствующие задаваемой ширине полосы пропускания.
УВТ работает на длинах волн 0,85 мкм и 1,3 мкм в диапазоне частот до 1,5 ГГц. Погрешность воспроизведения – не более 2%.
Три другие разработанные УВТ основаны на применении первого подхода и стандартных методов измерений параметров оптического волокна.
Установка построена на базе гониофотометрического устройства, позволяющего получить распределение интенсивности с выхода волокна в дальнем поле и значение апертуры на требуемом уровне распределения.
Особенностью прибора является возможность работы на нескольких длинах волн - 0,6; 0,85; 1,3; 1,55 мкм и в "белом" свете.
Погрешность УВТ не превышает 1,5% в диапазоне апертур 0,1–0,4. В качестве ОСИ используются отрезки оптического волокна.
4УВТ для поверки средств, измеряющих профиль показателя преломления, основана на методе рефракции в ближнем поле. Рабочие длины волн УВТ 0,85 и 0,63 мкм, погрешность не превышает 5·10-4 ед. показателя преломления. В настоящее время УВТ находится в Ереванском институте оптико-физических исследований.
Для метрологического обеспечения измерений энергетических и динамических характеристик источников и приемников излучения малых уровней разработаны эталоны и вторичные стандарты максимальной и средней мощности, обеспечивающие калибровку в динамическом диапазоне от 1·10-9 до 1·10-2Вт (по средней мощности) в спектральной области 0,6 мкм; 1,3 мкм; 1,55 мкм. Принцип действия эталонов и соответствующих стандартов для средней мощности (согласно поверочной схеме ГОСТ8.275-91) основан на применении неселективного теплового приемника с электрическим замещением, работающего в диапазоне 10-3 ± 10-4 Вт с погрешностью 0,5%, и стабилизированного излучателя. Расширение динамического диапазона достигается использованием вторичных стандартов на основе фотоэлектрических приемников с измеренной нелинейностью в диапазоне 10-3 ± 10-8 Вт с погрешностью 2–3%.
Для метрологического обеспечения измерений максимальной мощности и динамических параметров (в соответствии с поверочной схемой ГОСТ8.198-85) используется эталон, работающий в диапазоне 10-4 ± 10-2 Вт с погрешностью воспроизведения максимальной мощности и относительной формы импульса не более 3% при длительности импульсов 2·10-8 ± 10-7 с и длительности фронта 2·10-9 с. Расширение динамического, временного и спектрального диапазонов производится с помощью вторичных эталонов на основе быстродействующих полупроводниковых источников и приемников с использованием алгоритмических методов восстановления формы сигналов и обработки результатов измерений.
Рассмотренные эталонные средства измерений и соответствующие поверочные схемы определяют порядок и погрешности передачи размеров единиц при поверке, калибровке и аттестации рабочих средств измерений. Для этого были выпущены соответствующие нормативные документы в том числе методические указания, определяющие способы и средства поверки (МИ 1818-87, МИ 1046-86, МИ 1686-87, МИ 1687-87, МИ 1688-87 ) , а также рабочие места поверителя для средств измерений средней мощности и оптических рефлектометров, параметры которых указаны ниже:
1. Рабочее место поверителя для поверки и калибровки средств измерений средней мощности:
· основная погрешность на длине волны калибровки – не более 5%;
· основная погрешность измерений относительных уровней мощности – не более 2%;
· погрешность измерений нелинейности (на декаду) – 0,1%;
· диапазон измеряемой мощности – 10-8 ± 10-3 Вт;
·
фиксированные значения длин волн
калибровки в диапазонах:
850 ± 10 нм; 1300 ± 10 нм; 1550 ± 10 нм
2. Рабочее место поверителя для поверки и калибровки оптических рефлектометров:
·
длины волн для:
многомодового оптического волокна – 0,85 мкм; 1,30 мкм;
одномодового оптического волокна – 1,31 мкм; 1,55 мкм.
·
Диапазон нормируемых длин –
0,5–250 км.
временных интервалов – 5·10-6 – 2·10-5 с.
Основная погрешность измерений длин,м – не более 0,5–1,0
временных интервалов – не более 5·10-9–10-8 с.
· Диапазон нормируемых значений затухания – 0,5–30 дБ.
· Основная погрешность измерений затухания – не более 0,05–1,0.
В настоящее время указанным поверочным оборудованием оснащаются государственные и ведомственные метрологические службы.
В имеющемся виде перечисленные устройства позволяют решать только часть возникающих в настоящее время задач. Как было сказано выше, развитие волоконно-оптических систем потребовало применения следующего поколения компонентов, в первую очередь, связанных с использованием одномодового ОВ, а также ужесточениятребований к погрешностям средств измерений и расширения диапазонов измерений.