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光纤通信产品的激光安全分级评估方法研究

发布时间:2021-06-10 16:55所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:光纤通信产品的激光安全等级认证是国际市场准入的强制要求,但其执行标准为通用激光产品安全标准,操作性不强。针对光纤通信产品的激光安全分级评估,文章根据其激光特性及应用场景,结合国际激光安全通用标准的要求,在测量几何学、激光安全分级、自

  摘要:光纤通信产品的激光安全等级认证是国际市场准入的强制要求,但其执行标准为通用激光产品安全标准,操作性不强。针对光纤通信产品的激光安全分级评估,文章根据其激光特性及应用场景,结合国际激光安全通用标准的要求,在测量几何学、激光安全分级、自动降低光功率技术、激光安全分级的评估方法和安全设计要求等方面进行了综合探讨,并提出了两种用于测量光纤通信系统中自动降低光功率激活时间及最大时间间隔内辐射量的方法。本研究可为光纤通信产品的激光安全设计、分级、测试和激光安全等级认证等提供参考。

  关键词:激光安全;激光安全评估与分级;测试方法;光纤通信产品;光功率自动降低

光纤通信

  引言激光对人的伤害主要是眼睛和皮肤,波长在400~1400nm范围内,主要是对视网膜的危害,波长>1400nm时,主要是热危害。现有光纤通信系统(OpticalFibreCommunicationSystems,OFCS)中所用到的激光,主要工作波长集中在800~1700nm之间,都在可见光范围之外,当这些光束暴露在人员可接触区域范围内时,因为无法通过肉眼观察,人们无法第一时间察觉到其危害,此类光束对人员造成伤害的可能性更大。

  随着掺饵光纤放大器(ErbiumDopedFibreAmplifier,EDFA)和拉曼放大器的应用,使得OFCS中所承载的光功率超过30dBm,这样强的激光如果暴露后,对设备操作和维护人员的安全将造成强烈威胁。因此,针对具有发射激光能力的光纤通信产品,应对其激光安全进行评估和分级,并采取适当防护措施来降低光辐射的潜在危险。

  光纤通信产品的激光安全等级评估是参照通用激光产品安全标准,此标准针对性不强,没有对应的测试方法。本文根据国际激光安全通用标准的要求,针对光纤通信产品激光器的工作波长、输出功率和激光工作模式等产品特性及其应用场景,结合相关光纤通信产品标准要求,探讨了其激光安全分级的评估方法,并提出了对OFCS的自动光功率降低(Automaticpowerreduction,APR)激活时间和最大时间间隔内的辐射量的测试方法。

  1相关标准介绍

  因国内标准并没有与国际标准完成同步修订,下文探讨与研究将以国际电工委员会(InternationalElectrotechnicalCommission,IEC)和国际电信联盟电信标准化相关标准的最新版本为依据。

  2测量几何学

  目前光纤通信产品中的光源对向角α较小,一般可使用默认(简单)方法进行激光可达发射的测量,该方法规定了3种检测条件。下面简要说明一下3种检测条件:条件1:适用于准直激光束,在其适用波长范围内模拟使用光学器具辅助观察可能增加的危害,模拟人员通过望远镜观察光束;条件2:适用于OFCS测量,模拟OFCS的激光泄露;条件3:在其适用波长范围内模拟裸眼观察可能增加的危害,也适用于扫描激光辐射的功率和能量测量。

  考虑到主流的光纤通信产品的工作波长主要集中在800~1700nm之间,为用于简单评估的测量孔径直径和测量距离要求。激光安全评估主要是考虑激光产品发出的激光对人员的伤害,比如当人员无意识或间接用眼睛直接观察激光或皮肤暴露在激光下的情况,在这种情况下,人员距离激光源均有一定的距离,在测试中需要模拟类似场景,在特定的测量距离下,让光束通过一定孔径大小的光阑(模拟光学器具和人类瞳孔特性),再采用非接触式光功率计进行测量其可达发射(总的发射功率、辐照度或辐照量)。

  3光纤通信产品的激光安全分级

  对于独立的光纤通信产品按照IEC60825-1用激光类别来评价产品激光安全等级,对于OFCS按照IEC60825-2采用危险等级来评价系统的激光安全等级。光纤通信产品作为一台独立产品,对于其激光发射安全有要求,同时其作为OFCS组成部分,由于光纤通信的延伸特性(光功率可能传输至很远的距离),将危险等级降低至最低的预防措施不同于本地操作员控制激光源情况。故光纤通信产品在做激光安全评估时,需要分别按照IEC60825-1和IEC60825-2对每一个光输出端口进行测试,来判定激光的类别和危险等级。光纤通信产品发出的激光,其激光类别以及危险等级是由系统的主波长和在相应检测条件下检测的可达发射来决定的。

  3.1光纤通信产品激光类别

  在IEC60825-1中将不同波长的激光产品按照其可达发射大小来进行分类,目前光纤通信产品的激光类别主要涉及1类、1M类、3R类、3B类和4类,共5类。对于激光类别的判定,依据条件1和条件3,在产品正常工作和模拟异常条件下进行可达发射测试,将结果依次与AEL进行比较,从而来判定激光产品类别。激光类别的判定原则是“由低到高,就高不就低”。一般来说,条件3比条件1严格,可优先采用条件3的测试结果与AEL比较。具体AEL可参考IEC60825-1中表3~8。总体来说,AEL是随着激光类别的增高而增大。

  3.2OFCS激光危险等级

  OFCS在正常运行条件下,光辐射完全被封闭,不会产生危险,IEC认可OFCS在技术上可划分为1类激光产品,但OFCS潜在危险主要是系统安装施工、光纤连接器的松脱、光分路器空闲端口直接暴露或光缆的断裂等情况下导致的激光暴露,这类潜在危险需单独评估其激光危险等级。在IEC60825-2中将产品依据危险等级进行分级,其分级程序AEL均与IEC60825-1激光分类一致,只是进行危险等级判定时,测试条件采用条件2。需要特别注意的是:当AEL计算公式带有校正因子C7时,针对波长范围为1200~1400nm时,C7值为8,相关要求见IEC60825-2-i2(ed3.0)[9]。

  4OFCS的APR要求

  如果光纤中承载光功率较高,IEC60825-2允许采用APR技术来获得较低的危险等级,同时ITU-T专门针对通信系统中的激光安全制定了G.664标准,其明确提出了在光传送网络系统设备中对超出光功率限值的光接口上需采取APR技术,以保障当光纤意外断开时泄露的激光不会伤害到人眼或其他身体部位,要求从光传送段(OpticalTransmissionSection,OTS)中的连接中断之时起,对于受影响的OTS中所有的光输出必须在一定时间(最长3s)内将限定位置的功率降到1M危险等级(或在受控位置降到3B危险等级)[6]。

  5光纤通信产品的激光安全分级评估

  5.1光纤通信产品的激光安全判定

  5.1.1分级判定流程

  目前光纤通信系统中的激光大多为持续发光的小光源(α≤αmin=1.5mrad)。主要步骤如下:(1)产品输出参数测量:包括产品输出波长、可达发射和对向角等参数的测量。产品光输出的波长可用光谱分析仪进行测量;可达发射的测试,需要参考IEC60825-1和IEC60825-2的规定,在规定的可达辐射距离,使用规定的限制孔径进行测量,对向角可借助工业相机进行;(2)激光的类别和时基的选择:需要根据产品输出的中心波长进行选择。

  考虑到光纤通信产品的工作波长一般都>400nm,且产品的激光辐射在使用时并不会出现有意识的长时间观察的现象,时基一般选择为100s;(3)类别AEL值确定:在确定了激光类别和时基后,根据波长即可查阅标准中对应每一类别下的AEL值;(4)检查产品特定条件下的产品可达发射是否超过该AEL值;(5)如果选择的AEL值较大,必要时可以选择较低类别进行再次判定。在进行可达发射的测量时,需要对每一个光输出端口进行测试,除了考虑正常工作条件外,还需要考虑可能导致可达发射变大的单一故障条件(例如激光泵浦电流控制器短路等),取这两种情况下可达发射的较大值作为最终测量值。当多波长在同一光纤中传输时,如波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing,WDM)系统,激光类别和危险等级不仅取决于光功率水平,还取决于波长是否产生叠加效应。

  针对光纤通信产品1400nm是叠加关系的变化点,当多个工作波长均高于或低于1400nm,则危险会叠加。而对于一个波长高于1400nm,一个波长低于1400nm,则危险不会叠加。所以测试和计算限值时还需要考虑不同波长光的叠加效应对激光类别和危险等级判定的影响。

  6检测方法

  光纤通信产品在进行激光安全分级评估时,主要是测试可达发射,针对具有APR功能的产品,还需要检测APR动作时间以及最大时间间隔内(非受限位置为1s,受限位置或受控位置为3s)的辐射量。检测工作需要使用光学隔振平台、固定支架、位移支架、光阑、卡尺和光功率计等设备在暗室环境下开展。在进行APR的动作时间和最大时间间隔内的辐射量的测量和计算时,还需要使用到光衰减器、光开关、示波器、光电转换探头、耦合器和分路器等设备。同时,为了准确控制探头和激光源的相对位置和测量距离,需要配备光斑检测卡、升降台、位移台、旋转台以及带长度标注的滑动导轨等。

  6.1可达发射检测

  对光纤通信产品的每一个光输出端口在正常工作和单一故障条件下分别测试可达发射。开始检测时,需要根据产品规格书(发射功率和波长),选择合适量程的光功率计和合适波长光电探头。然后按照标准规定,在平移台调整探头的测量距离和光阑孔径。在检测过程中,需要调整光源、光阑和探头相对的位置,确保测量结果的准确。在进行正常工作条件下的检测时,需要使待测样品正常工作,同时将待测端口的输出功率调整至最大。在进行单一故障条件检测时,需要在正常工作条件的基础上,依据产品发光控制电路,对所有可能影响输出功率的元器件进行开路/短路模拟测试。影响可达发射检测值的元器件一般有控制三极管、二极管、光探测器和限流电阻等。

  7安全设计要求

  在对光纤通信产品安全分级后,对产品的安全结构、警告标记和说明书的内容要进行确认和检测,保证产品符合对应安全等级要求。一般来说,针对人员可能接触到的超过1类AEL激光辐射的位置,均需要安装防护措施。防护措施可以为防护罩、挡板、安全连锁、复位装置和控制器等等。防护措施的具体要求,可参考IEC60825-1第6章要求。在确认了产品的激光等级或危险等级后,还应依据IEC60825-1第7章以及IEC60825-2第4.6章等安全标识的要求,在产品上加贴相应的标识,并明确其使用区域。如果激光产品因尺寸或设计的原因,无法在产品上粘贴相关标识,则标识应附在说明书中或包装箱上。

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  8结束语

  通过激光安全等级认证,可以降低国际市场准入责任风险,快速提升和扩大全球市场竞争力。本文通过对相关激光标准的研究,结合光纤通信产品的特性,探讨了光纤通信产品激光安全分级的评估方法,可为产品设计、测试和认证提供参考。文章最后也建议对相关的国内标准尽快完成同步修订工作,以利于消除国际贸易中的技术壁垒,促进国际技术交流和合作。

  参考文献:

  [1]IEC60825-1:2014,SafetyofLaserProducts–Part1:EquipmentClassificationandRequirements[S].

  [2]IEC60825-2:2010,SafetyofLaserProducts–Part2:SafetyofOpticalFibreCommunicationSystems(OFCS)[S].

  [3]GB/T7427.1-2012,激光产品的安全第1部分:设备分类、要求[S].

  [4]IEC60825-1:2007,SafetyofLaserProducts–Part1:EquipmentClassificationandRequirements[S].

  [5]GB/T7427.2-2018,激光产品的安全第2部分:光纤通信系统(OFCS)的安全[S].

  作者:陈玺,胡春琳,刘建龙

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《光纤通信产品的激光安全分级评估方法研究》

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