Kromatikus- és polarizációs módus diszperzió jelenségek és mérési ajánlások

Kromatikus- és polarizációs módus diszperzió jelenségek és mérési ajánlások

Diszperziós jelenségek Diszperzió fogalma alatt szó jelentése szerint is a jel szóródását értjük. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a bemeneti keskeny impulzusból a vevő detektorába már egy a bemeneti jelhez képest szélesebb és laposabb impulzus fog érkezni. A jel kiszélesedése könnyen átlapolódást okozhat az egyes impulzusok között nagy adatátviteli sebességeknél, ezért hatása nem hagyható figyelmen kívül a távoli és nagysebességű összeköttetéseknél. A diszperzió okozta jelek közötti átlapolódást szimbólumközi áthallásnak nevezzük és ISI-nek (Inter-Symbol Interference) rövidítjük, az angol elnevezésből adódóan. A nagymértékű ISI megakadályozza a vevőt a helyes bitminta detektálásában, ami hibákat okoz az adatátvitelben. A szimbólumközi áthallás jelensége az 1. ábrán figyelhető meg. Az ábra a) része mutatja az üvegszál bemenetére adott 1-0-1 jelsorozat alakját, ahol TB egy bit periódusidejét jelzi. A b) részen látható, amint a diszperzió következtében az eredeti jelimpulzus kiszélesedik és ellaposodik. A diszperzió hatására az impulzusunknak két csúcsa lett. Az ábra c) részén a vevőbe megérkező diszperziót szenvedett jelalak látható. A diszperzió következtében az egy bithez tatozó impulzus, időben átlóg a másik bit időablakába. A vevő a két impulzus eredőjét fogja érzékelni és a nagymértékű átlapolódás következtében nem fogja tudni eldönteni, hogy most éppen 1 vagy 0 értékű bit érkezett. A diszperzió okozója a fény módusainak vagy különböző frekvenciájú spektrum vonalainak eltérő futásideje. Az optikai jelátvitelben háromféle diszperziót különböztetünk meg: módus diszperzió, kromatikus diszperzió és polarizációs módus diszperzió.

1. a, b, és c ábrák Diszperzió okozta szimbólumközi áthallás

Kolozs Csaba • Kromatikus- és polarizációs módus diszperzió jelenségek és mérési ajánlások

1

Módus diszperzió Minél nagyobb egy fényvezető szál magja annál több módus képes terjedni az üvegszálban. Minden módus más-más útvonalon jut el a vevőhöz, ezáltal az egyes módusok futásideje eltérő lesz. A módusok közötti futásidő különbség okozza a módus diszperziót. Ezen diszperziós hatás multimódusú szálak esetén sokkal nagyobb, mint a másik két diszperzió eredő hatása. A módus diszperzó hatását különböző szálak esetén a 2. ábra mutatja. Lépcsős törésmutatójú multimódusú szál esetén (2.a ábra), a különböző módusok eltérő szöggel érkeznek a szálba és ezáltal egy-egy módus eltérő hosszúságú utat fog megtenni. Mivel az üvegszálban a fény mindenhol azonos sebességgel terjed, ezért az eltérő utak miatt, az egyes módusok nem egyszerre fognak megérkezni a szál végére, különbözni fog a futásidejük. A szál végén a módusok összegződnek, és az így visszakapott diszperziót szenvedett jel impulzus szélessége nagyobb, intenzitása pedig kisebb lesz, mint az üvegszál elején beadott jelnek. A gradiens indexű multimódusú szálakban (2.b ábra) is több módus terjed, melyek különböző utakat futnak be eltérő idővel, így itt is fellép a módus diszperzió, de hatása kisebb, mint a lépcsős törésmutatójú szál esetén. Ez két okra vezethető vissza. Az egyik ok, hogy a kisebb magátmérő és a szál szerkezete miatt a szálban kevesebb módus képes kialakulni. A másik tényező a szál gradiens indexű törésmutató-eloszlásából ered. A mag folyamatos törésmutató változása miatt (a törésmutató a szál közepe felé egyre nagyobb) a fény sebessége nem állandó a szálban, így a módusok között kisebb futásidő különbségek alakulnak ki, ami kisebb módus diszperziót okoz. Az egymódusú szálak esetén (2.c ábra) ez a diszperzió fel sem lép, mivel ezekben a szálakban csak egy módus képes terjed a kis magátmérő miatt. Az egyetlen terjedő módus miatt nem lehet a módusok között futásidő különbségről beszélni. A három diszperzió közül tehát ezzel kell a legkevésbé foglalkozni, mivel csak multimódusú szálak esetén van jelentős hatása, a nagytávolságú összeköttetésekben pedig természetesen kizárólag egymódusú szálakat alkalmazunk, ahol ez a jelenség fel sem lép az előbb említett okok miatt.

2. ábra Módus diszperzió hatása a jel impulzusra eltérő üvegszál típusoknál

Kromatikus diszperzió A kromatikus diszperzió (CD) okozta jelalak torzulás körülbelül 1000-szer kisebb, mint a módus diszperzióból eredő, ezért sokáig nem is foglalkoztak vele. Amikor viszont elkezdték alkalmazni az egymódusú (SM) üvegszálakat, a módus diszperzió hiánya folytán, a kromatikus diszper-

2

EQUICOM Méréstechnikai Kft. • © 2011 Minden jog fenntartva • www.equicom.hu

zió lett a legnagyobb hatással a jel kiszélesedésére. Ezen diszperzió abból ered, hogy egy SM üvegszálon, a különböző hullámhosszúságú fények más-más sebességgel terjednek. Az eltérő terjedés miatt, pedig a vevőhöz egy kiszélesedett fényimpulzus fog megérkezni. A kromatikus diszperzió két összetevőre bontható az anyagi diszperzióra, és a hullámvezető diszperzióra.

Anyagi diszperzió Az anyagi diszperzió a kvarcüveg tulajdonságaiból adódik. Az üveg törésmutatója más-más hullámhosszon nagyon kicsit (néhány századnyit) eltérő, ahogy azt a 8. ábrán látni lehet. Az eltérő törésmutató miatt, pedig a különböző hullámhosszok eltérő sebességgel fognak terjedni az üvegszálban. Az eltérő sebességű terjedés az alábbi egyszerű képletből következik, ami megadja, hogy a fény milyen sebességgel terjed egy adott közegben: v=c/n. Ahol c a fénysebessége vákuumban és n a közeg törésmutatója. Az anyagi diszperzió hatása kiküszöbölhető lenne, ha tudnánk olyan adót (lézert) előállítani, ami csak egyetlen λ hullámhosszon sugározna, azonban az adók által kibocsájtott fény spektrumának véges szélessége van. Az adók spektrumának szélességének jellemzésére a félérték szélességet (adó maximális teljesítményének felénél a spektrum szélessége) használják. Lézerek esetén ennek értéke 2-5nm. Ezen kívül bármennyire is szeretnénk, de nem lehet teljesen homogén optikai szálat gyártani, azaz az üvegszál gyártásakor szennyeződések és ez által kristályosodási helyek lépnek fel, ahol szintén megtörhet a fény, vagyis lelassulhat és az időben különböző érkezése miatt újfent hozzájárulhat az anyagi diszperzióhoz.

3. ábra Törésmutató változása a hullámhossz függvényében

Hullámvezető diszperzió A hullámvezető diszperzió kicsit összetettebb az előzőhöz képest. Az SM üvegszálak esetén a fény átmérője éppen nagyobb a mag átmérőjénél, aminek következtében a fény egy kis része a héj maghoz közeli részébe esik, és ott terjed. Azt a határt, ameddig a fény behatol a héjba, „mode field diameter”-nek (MFD) nevezik. Az MFD függ a fény hullámhosszától, hosszabb hullámhosszúságú fényhez nagyobb MFD tartozik. Azaz nagyobb hullámhossz esetén a fény nagyobb része halad az üvegszál magján kívül. Ezt szemlélteti a 4. ábra.

4. ábra MFD nagysága rövidebb illetve hosszabb hullámhossz esetén


3

A héj kisebb törésmutatója miatt, az ott terjedő fény sebessége nagyobb lesz, mint a magban terjedő fényé (5. ábra). A hullámvezető diszperziót az MFD és az üvegszál törésmutató kialakítása együtt határozza meg. A hullámvezető diszperzió az alábbi hatásoktól függ: • törésmutató különbség a mag és a héj között, valamint az üvegszál törésmutató kialakítása • magátmérőtől, kisebb magátmérő nagyobb diszperziót okoz • szál gyártásától (mag és héj alakja) A kromatikus diszperziót gyakorlatilag az anyagi és a hullámvezető diszperzió együtt határozza meg. A két diszperziós hatás a hullámhossz függvényében egymással ellentétes hatású, ahogy azt a 6. ábra mutatja. Összességében a kromatikus diszperzió a hullámhossz növekedésével nő, ahogy azt az ábrán a folytonos fekete vonal mutatja. A standard SM szál esetén a CD=0 ps/nm a λ0=1310nm környékén van. A gyakorlatban, a CD értékének megadása mellett használni szokták kromatikus diszperzió meredekséget (CD slope) is. A meredekség megadja a CD változásának nagyságát a hullámhossz függvényében. A CD slope nem más, mint a kromatikus diszperzió függvény deriváltja. Az ITU-T több eltolt diszperziójú szálat is szabványosított az eltérő követelményekhez és alkalmazásokhoz. Az 1550nm-en működő optikai rendszerekhez kifejlesztették a G.653-as szálat, melynek a diszperziója ezen a hullámhos�szon nulla. Ez előnyös mivel a csillapítás 1550nm-en minimális és ehhez most már nulla diszperziós érték tartozik, szemben a hagyományos üvegszál nagy 17-18 értékéhez képest, viszont sajnos a gerinc hálózatokban alkalmazott WDM, azaz hullámhossz-osztásos eljáráshoz nem alkalmazható, mert nemlineáris hatást válthat ki, ami nem szerencsés egy sok csatornás hálózat használata esetén. A WDM rendszerek számára a G.655 (vagy újabb G.656) típusú szálat fejlesztették ki, melynek a nulla diszperzióját 1500nm környékére tolták el így a WDM rendszer hullámhossz tartományában azonos előjelű, de különböző nagyságú kromatikus diszperziót kell kompenzálni egyes hullámhosszokon, ami jóval egyszerűbb, mintha néhány hullámhosszon a diszperzió előjele ellentétes lenne, ezért ennél a szálnál már kisebb jelentősége van a nemlineáris effektusnak. Az azonos előjelű CD-nek ugyanis nagy előnye, hogy a DWDM csatornák között nem jön létre nemlineáris kölcsönhatás. A 7. ábrán néhány eltolt diszperziójú szál törésmutató kialakítása látható, alattuk pedig a kromatikus diszperzió függvénye van ábrázolva a hullámhossz függvényében.

4

5. ábra Hullámvezető diszperzió. A fény a héjban (piros) gyorsabban terjed minta a magban (sárga)

6. ábra Az anyagi (sárga) és hullámvezetői (piros) diszperzió együtt adja a kromatikus diszperziót (fekete)

7. ábra Eltolt diszperziójú üvegszálak törésmutató kialakítása és kromatikus diszperziójuk a hullámhossz függvényében. Felső sorban az üvegszál típusok balról jobbra: NDSF, DSF, NZ-DSF8


Polarizációs módus diszperzió A polarizációs módus diszperzió (PMD) röviden nem más, mint a különböző polarizációs síkok egymáshoz viszonyított futásidő-különbségéből származó jelszóródás. A PMD-vel az utóbbi időben kezdtek el részletesebben foglalkozni. A kromatikus diszperzió a nagytávolságú „alacsony” átviteli sebességű (<10Gbit/s) rendszerekben a jelátvitelre nagyobb hatással van, mint a PMD. A gyorsabb (≥10Gbit/s) átviteli rendszerek terjedésével kiderült, hogy a nagytávolságú jelátvitelnél a kromatikus diszperzión kívül van egy másik korlátozó tényező, ez pedig a PMD. A polarizációs módus diszperzió csökkentésére az utóbbi időkben helyeznek nagy hangsúlyt, ezért egy régebben lefektetett optikai kábelszakasz PMD értéke sokkal rosszabb lehet, mint egy manapság lefektetett szakaszé (pl. G.652A típusú üvegszál). Az üvegszálban terjedő fény leírható hullám elmélettel, mely szerint a fény egy elektromágneses hullám, aminek a terjedése a 8. ábrán látható. Minden elektromágneses hullám jellemezhető a polarizációjával, így a fény is. A fény polarizációja azt jelenti, hogy a terjedése során, annak irányára merőlegesen, különböző irányokban rezeg. A két alapvető polarizációs síknál a rezgés iránya megegyezik az elektromos (E), illetve a mágneses mező (H) irányával. A fény (és minden elektromágneses hullám esetén) polarizációs síkját, annak elektromos mezejének rezgési síkja határozza meg. Ez a 8. ábrán látható fény esetében függőleges polarizációs irányt jelent. A polarizációs módus diszperzió az üvegszálban a fény kettős töréséből ered. A kettős törés alatt azt értjük, hogy az üvegszálban terjedő polarizált fény polarizációs síkjai, eltérő törésmutatójú üveget „látnak”, így eltérő sebességgel terjednek. A jelenséget a 9. ábra szemlélteti. A fény sebessége egy közegben az anyagi diszperzió bekezdésben már bemutatott képlet szerint határozható meg: v=c/n, ahol c a fény vákuumbeli sebessége, n pedig a közeg törésmutatója. A 9. ábra a) részén egy üvegszál magjának keresztmetszeti törésmutató eloszlása látható. Esetünkben ez most teljesen szimmetrikus. Szimmetrikus törésmutató eloszlás esetén, a szálban haladó fény sebessége nem függ a fény polarizációjától. Az X vagy Y irányban polarizált fény is ugyanazt a törésmutató értéket látja, vagyis az X irányú törésmutató (nx) megegyezik az Y irányú (ny) törésmutatóval. Ha felírjuk a fenti képletet a sebességekre, ahogy az az ábrán látható, akkor azt kapjuk, hogy a két irányban (X és Y tengely mentén) a sebesség azonos, Vx=Vy. Ez nem meglepő, hiszen az alkalmazott összefüggésben csak egy szabad változó volt az n törésmutató, ami viszont X és Y irányban is megegyezett, nx=ny. Az ábra (9. ábra) b) részén ábrázoltuk azt az esetet, amikor az üvegszál magjának X és Y irányban eltérő nagyságú a

8. ábra A fény, mint elektromágneses hullám terjedése

9. a és b ábrák üvegszál kettős törése (birefringence)


5

törésmutatója. Ezt az esetet nevezik az angol szakirodalmakban „birefringence”-nek, amit magyarra kettős törésnek lehet lefordítani. A két irányban eltérő törésmutató érték egy ellipszist eredményez a keresztmetszeti törésmutató eloszlás ábrázolásban, de ettől még az üvegszál keresztmetszeti képén a mag lehet szabályos kör alakú. Jelen esetben a mag X irányban nx nagyságú, Y irányban pedig ny értékű törésmutatóval rendelkezik. A példánkban az nx>ny. Alkalmazva a terjedési sebességre vonatkozó képletünket, azt kapjuk eredményül, hogy az X irányban polarizált fény lassabban halad, mint az Y irányban polarizált fény, tehát Vx
6

10. ábra A kettős törés hatása egy polarizált fényimpulzusra

11. ábra Gyártási hibából adódó kettős törés

12. ábra Telepítés során kialakuló kettőstörés


iránya véletlenszerűen változik. Egy üvegszál felfogható úgy, mintha sok apró üvegszálból állna, és mindegyik üvegszálnak más-más irányba esne a lassú és a gyors tengelye. Ezt mutatja a 13. ábra a) része. Külső környezeti tényezők hatására (pl.: hőmérséklet, szél), egyes szekciók tengelyei elfordulhatnak, ami változást okoz az üvegszál DGD értékében. A fenti ábra b) részén, látható amint az üvegszálban haladó fény (narancssárga nyíl) polarizációja a τM-1, részben megegyezik az egyik tengely irányával, míg a következő szekcióban (τM) a fény polarizációja megváltozik. Itt már mind a két tengely irányában tartalmaz polarizációs összetevőt az áthaladó fény. Az üvegszál teljes pillanatnyi DGD értékét az eltérő kettős töréssel rendelkező száldarabok „összefűzése adja”. Amennyiben a pillanatnyi DGD értékét mérnénk a szálnak, azt tapasztalnánk, hogy a DGD értéke véletlenszerű. Egy üvegszál DGD értékeinek mérési eredménye látható a 14. ábrán, ahol a függőleges tengelyen a mért Δτ, előfordulási gyakoriság van. Rendkívül sok kutatás bizonyította már, hogy a fenti DGD diagram jól közelíthető a Maxwell valószínűségi eloszlással, melynek képlete szintén látható az ábrán. Az eloszlást egyetlen paraméter befolyásolja, ez pedig az átlagos DGD, aminek a jele: <Δτ>. Az átlagos DGD értékét az ábrán narancssárga nyíl jelöli, ami kicsit jobbra található a Maxwell eloszlás maximumától. Ezt az átlagos DGD értéket nevezik az üvegszál PMD értékének. Számos kutatás kimutatta, hogy a PMD értéke négyzetgyökösen arányos az üvegszál hosszával. A kettő között megtalált összefüggés a PMD értékére a következő: PMD = PMDcoeff * √L, ahol PMDcoeff: egy az üvegszálra jellemző paraméter ps/√km mértékegységben és L: az üvegszál hossza, km-ben. A polarizációs módus diszperzió pontos értékét nem lehet előre kiszámolni, mint a kromatikus diszperzióét, ezért a szál telepítése után mindig meg kell mérni. Minden átviteli sebességhez tartozik egy maximális PMD érték, mely alatt a polarizációs módus diszperzió okozta torzítás nem okoz hibát az átvitelben. A polarizációs módus diszperzió ismertetésénél még egy hatásról kell említést tenni, ez pedig a mode coupling. Ez a jelenség a különböző mérési elrendezéseknél válhat fontossá, ugyanis könnyen befolyásolhatja a mérés pontosságát. Mint már említettük az üvegszál hossza mentén a gyors és lassú tengelyek elhelyezkedése véletlenszerűen változik, ahogy ez a 15. ábrán látható. Amikor a tengelyirányok megváltoznak a gyors és lassú tengelyen haladó energia, átadódik valami másnak (csak az egyik tengelynek vagy mindkettőnek), attól függően, hogy a következő szakasz gyors és lassú tengelyei hogyan helyezkednek el. Ezt a jelenséget nevezik az angol irodal-

13. ábra A kettőstörés változása a szálban, és a fény polarizáció váltása az üvegszál szekciók eltérő polarizációs tengely iránya miatt

14. ábra Egy üvegszál DGD mérési eredményének szórása és közelítése Maxwell eloszlással

15. ábra Strong-mode coupling üvegszál


7

makban „mode coupling”-nak. Azon üvegszálakra, amikben sok ilyen jelenség játszódik le „strong-mode coupling”-ként szoktak hivatkozni (15. ábra). Néhány üvegszálból ezt a jelenséget megfelelő gyártási trükköket alkalmazva (pl. az üvegszálba beépített feszültség, ami akadályozza a tengelyek megváltozását) eltüntették. Az ilyen szálakban a gyors és a lassú tengely iránya nem változik, ezekre „weak-mode coupling” vagy „single coupling mode” (16. ábra) néven hivatkoznak.


Kromatikus diszperzió mérése A kromatikus diszperziót lehet közvetlenül mérni az adott hullámhosszokon, vagy közvetve. Közvetett mérésnél, az impulzus csoport késleltetési (group delay) idejét mérik a hullámhossz függvényében. A mért pontokra egy görbét kell illeszteni, majd deriválva a görbét megkapható a kromatikus diszperzió értéke. Ha ezt még egyszer deriváljuk, akkor megkapjuk a CD slope értékét. A gyakorlatban a közvetett és közvetlen mérési módszert is alkalmazzák. Ebben a részben két kromatikus diszperzió mérési módszert mutatunk be, melyek mindegyike közvetett módon méri a CD értékét. A két bemutatandó mérési módszer az impulzus késleltetési (pulse-delay) és a fázis eltolásos (phase-shift) vagy a fázis különbség eltolásos (differential phase-shift) metódusok.

Impulzus késleltetési módszer (TIA/EIA FOTP-168) A pulse-delay mérési módszernél az üvegszálon áthaladó impulzusok csoport késleltetési idejét mérik, több különböző hullámhosszon, vagy egy hullámhossz tartományban. Az üvegszál egyik végén az adó lézer, a másikon a vevő van, ahogy azt a 17. ábra mutatja. Az adó és vevő elhelyezhető egy egységben is, ekkor egy OTDR-hez hasonló elrendezést kapunk. Az ábrán az üvegszálat a DUT (Device Under Test) jelképezi. A késleltetés nagyságát az idő késleltetési generátor (Time Delay Generator) méri, ami az adóval és a vevővel is kapcsolatban van, valamint a két egység szinkronitását biztosítja. A késleltetés méréshez szükség van egy referencia jelre az adó és vevő között, ami lehet elektromos vagy optikai. Elektromos jel esetén egy elektromos referencia csatorna van a két oldal között, és az idő késleltetési generátor méri a referencia csatorna és az üvegszálon érkező jel közötti késleltetést. A gyakorlatban referencia jelre

8

17. ábra Pulse-delay mérési elv


optikai jelet használnak, a referencia csatorna pedig maga a mérendő üvegszál. A pulse-delay módszer megvalósítható egy OTDR felépítésű eszközzel, ennek előnye az egy oldalas mérés (elég a méréshez a szál egyik vége) és az alacsony ár. Régen e módszereknek számos hátránya volt. Egyik legjelentősebb, hogy diszperziót szenvedett jel érkezési idejének meghatározásába hiba csúszhatott, annak kiszélesedett volta miatt, ráadásul az OTDR hullámhossz stabilitása (±3nm) sem elég nagy. További pontosság romlást tudott okozni, hogy az OTDR maximum négy pontot vett fel a késleltetést ábrázoló grafikonba, ezen pontokra azonban nem lehetett elég pontosan görbét illeszteni, azaz egymástól messze lévő hullámhosszak között a műszer extrapolálást végez, ami nagyon nagy hibaforrást vihet bele a kapott eredménybe. Ráadásul, ha a mért optikai szakasz különböző típusú üvegszálakat is tartalmaz (eltérő kromatikus diszperzió profillal rendelkeznek), akkor a felvett négy pont kevés ahhoz, hogy görbét lehessen illeszteni rájuk. A jó hír, hogy 2009 év vége óta létezik már egy szabványos és jobb impulzus késleltetési eljárás (TIA/EIA FOTP-168), ahol az EXFO kifejlesztett egy 8 hullámhosszas megoldást, ráadásul a beépített hangolható fényforrás segítségével ezen pontokat változtatni is lehet az adott igényeknek megfelelően 1475nm és 1626nm közti tartományban, melyet az ITU-T határozott meg. A műszer alapja szintén OTDR, de nem erre van a mérés kihegyezve, sőt az eljárás segítsége révén ugyanezen műszerben egy polarizációs állapotot mintavételező (SSA) PM analizátor is beépítésre került, ezáltal az előd műszerhez képest megmaradt a jó árfekvése, de nem, mint OTDR és kiegészített CD megoldás, hanem komplett CD/PMD mérőeszköz egyetlen kézi kivitelben, amit a 18. ábrán láthatunk.

Fázis eltolásos és fázis különbség eltolásos módszerek A mérés alapgondolata, hogy mérjük meg a detektált jel relatív fázis változását különböző hullámhosszokon, de a referencia jelünk hullámhossza most viszont fix. A fázis mérés megvalósítására két lehetőség van. Egyik esetben (19. ábra) a referencia fázist a vevőhöz egy elektromos hurkon keresztül juttatjuk el, melyen az adó és a vevő tud kommunikálni egymással. A másik lehetséges megoldást a 20. ábra mutatja, ebben az esetben egy adott hullámhosszt használunk referencia jelként a mérendő üvegszálon, ezzel elkerülhetjük a kommunikáció szükségességét az adó és vevő között, de ez által más a mérést korlátozó tényező keletkezik.

18. ábra Impulzus késleltetési megoldás az EXFO FTB-200 Kompakt platformmal és FTB-5700 CD/PMD mérőmodullal


20. ábra Phase-shift mérési elrendezés optikai referencia jel használata esetén


9

A mérés során az adó hullámhosszát változtatják, és a diszperzió hatása miatt a vevőbe a különböző hullámhos�szúságú fények a fix referencia jelhez képest eltérő fázissal fognak megérkezni. Mivel minden érkező jelet egy fix referencia jelhez hasonlítanak, a mért pontok között a távolság sokkal kisebb lehet, mint a differential phaseshift módszernél. A kisebb mérési távolságból adódik, hogy sokkal több mérési pontot lehet felvenni a mért hullámhossz tartományban, így sokkal pontosabban lehetséges egy görbét illeszteni a mért pontokra. Ezen mérési elvnél, szintén a csoport késleltetési időt figyeljük, a fáziskülönbség mérésével. A mért fáziskülönbség értékekből kiszámítható a group delay, amiből pedig már meghatározható a kromatikus diszperzió értéke, ahogy azt a pulse-delay módszernél már láttuk. Adóként egy szinuszosan modulált fényforrást használnak, ami lehet egy LED és egy monochromator, ami a LED spektrumát leszűkíti, egyszínűvé teszi, vagy lehet eltérő hullámhosszúságú lézerek egy csoportja. A LED-es adó alkalmazásával, egy sokkal rugalmasabb eszköz készíthető, amellyel mérni sokkal több pontban és/vagy hullámhossz tartományban lehet, mint egy csoport lézer adót alkalmazva.

Fázis különbség eltolásos (Differential phase-shift) módszer Ennél a mérési módszernél a CD értékét közvetlenül mérik, míg a phase-shift eljárás másik megvalósítása a diszperziót közvetett módon méri. A mérés sematikus elrendezését a 21. ábra mutatja. Ennél a mérési elvnél két eltérő hullámhosszúságú (λ1, λ2) fényt csatolnak be a vizsgált üvegszálba. Mindkét hullámhosszon az adó lézert szinuszosan modulálják és ezt a modulált jelet csatolják be a szálba. Az üvegszálon való áthaladás után a két hullámhosszt szétválasztják egy szűrővel (wavelength selection). Az egyiket referenciának véve, megmérik a két jel közötti fázis különbséget. A jelek között mért fázis különbségből kiszámolható a jelek közötti késleltetés, amiből CD értéke megkapható. A mérés során, mindig vesznek egy újabb párt alkotó λ1 és λ2 hullámhosszakat, és megint megmérik a köztük lévő fázis különbséget. Ezen helyi fáziskülönbség méréseket ismétlik a megmérni kívánt hullámhossz tartományban. A vevő egység (ábrán a számítógép) rögzíti a fázismérő által mért eltérő helyi fázis különbségeket. A fázis különbségekből a késleltetés is számolható, melyekhez egy adott hullámhossz tartomány tartozik, és ez által kiszámítható a helyi kromatikus diszperzió értéke. A kiszámolt helyi CD értékek a mért hullámhossz tartományban kiadják a kromatikus diszperzió görbéjét.

10

21. ábra Differential phase-shift módszer mérési elrendezése


Mivel a kromatikus diszperziót csak bizonyos helyeken méri a műszer, ezért a beállítása kicsit komplex, mert meg kell adni a mérési tartományt és az egyes hullámhossz párok közötti távolságot is. A helyes fázis különbség méréséhez a vevő (fázismérő) referencia jelének ugyanazokat a frekvencia komponenseket kell tartalmaznia, mint amiket a modulált adó referencia jele tartalmaz. Ez csak úgy lehetséges, ha az adót és vevőt szinkronizáljuk egymással, ezen kommunikáció számára egy üvegszálat használunk a kettő között. A CD helyes méréséhez szükséges, hogy az alkalmazott adó spektruma keskeny legyen. Lézeradó esetén ez nem okoz problémát, de egy széles spektrumú adót alkalmazva már szükséges elhelyezni egy sávszűrőt, hogy a ne növeljük a mérési eredmény bizonytalanságát, és megfeleljünk a szabvány által előírt (FOTP-175) adó spektrum szélességnek. Egy EXFO által használt megoldást láthatunk a 22. ábrán alább, ahol az impulzus késleltetési méréshez hasonlóan felhasználói előnyként lehet használni egy platformban mind CD mérőmodult fázis különbség eltolásos eljárással, mint pedig PMD modult interferometrikus mérési módszerrel, ami rugalmassá és egyszerűbbé teszi a hálózat komplett diszperzió karakterizálását.

22. ábra Fázis különbség eltolásos megoldás EXFO FLS-5800 CD/PMD fényforrással és FTB-500 Univerzális platformba helyezett FTB-5800 CD, valamint FTB-5500B PMD mérőmodulokkal

Polarizációs módus diszperzió mérése Nagysebességű összeköttetések (≥10Gbit/s) egyik korlátozó tényezője a polarizációs módus diszperzió, ezért fontos ismerni az adott optikai kábelszakasz polarizációs módus diszperziójának a pontos értékét. Ma már rengeteg féle PMD-t mérő műszer van a piacon, melyek eltérő elveken mérik az optikai kábel PMD értékét. A legtöbb műszer az adott kábelszakasz eredő PMD értékét méri meg, de létezik olyan műszer is (pl. EXFO POTDR-1100), mely a csillapítást mérő OTDR-hez hasonló eredményt ad. Ezeket a műszereket főleg régen lefektetett kábelek mérésénél használják, melyeket nagyobb sebességeken akarnak használni, de ezt az optikai kábel teljes PMD értéke nem engedi. A teljes összeköttetés cseréjénél sokkal olcsóbb, ha csak az optikai kábel egy részét kell kicserélni. A cserélendő kábelszakasz helyét lehet kimérni a POTDR mérőkkel. Egy ilyen műszerrel a kábelt megmérve megkapjuk, hogy egyes kábelszakaszoknak mekkora a PMD értéke. Az eredményül kapott grafikonról pedig már könnyen leolvasható a problémás kábelszakasz helye. Bár megmérik az adott üvegszál „jó” és „rossz” szakaszait PMD szempontjából, de a teljes szakasz PMD értékét nem mérik. A teljes szakasz PMD értéke egyszerűen számítható az egyes szakaszok mért PMD értékéből. Az eredő PMD értékét adja a szakaszok


11

értékeinek négyzetösszegéből vont négyzetgyök. Ma már létezik ennek egy továbbfejlesztett változata is, ahol gyakorlatilag a diszperzió eloszlását mérjük és figyelembe ves�szük a polarizációs állapoton kívül a szakaszról visszavert Rayleigh szóródást is, ami abban óriási segítség, hogy mint egy valós OTDR, eseménytől eseményig megtudjuk a PMD eloszlását és a nagy dinamika tartománnyal hosszú szakaszok is átmérhetők. Ebben a szakmai cikkben csak azokkal a mérési eljárásokkal fogunk részletesen foglalkozni, melyek a teljes optikai kábel PMD értékét mérik, és a gyakorlatban jobban elterjedtek, mivel a fent említett POTDR és PMD eloszlás analizátor árához képest jobban elérhetők és általában véve a teljes optikai szakaszokat lehet velük vizsgálni. Az itt részletezésre kerülő mérési módszerek a következők: Fixed Analyzer (FA), Jones-Matrix-Eigen Analysis (JME), Interferometry: Traditional method (TINTY), Interferometry: Generalized method (GINTY) és a State-of polarization Scrambling Analysis (SSA).

Fix analizátoros (Fixed Analyzer) vagy hullámhossz letapogatásos módszer A mérési elrendezést a 23. ábra mutatja. Ennél a mérési módszernél a PMD-t egy optikai spektrum analizátorral mérik. Adóként egy polarizált szélessávú fényforrást vagy egy hangolható lézert használnak, ezt az ábra baloldali szaggatottan bekarikázott része mutatja. Az így kialakított adó jelét becsatolják a mérni kívánt üvegszálba. A spektrum analizátor méri az érkező optikai jel teljesítményét. A jel mielőtt eljutna az OSA-ba áthalad az üvegszálon és egy polarizációs analizátoron (analyzer), ami a hullámhossz függvényében működik. Az üvegszálon áthaladó különböző hullámhosszok a szál végére érve eltérő polarizációs állapotba kerülnek a PMD miatt. Az OSA a fény intenzitását képes mérni, ezért kapcsolatot kell teremteni az OSA-ba érkező fény intenzitása és a PMD között. A kettő közötti kapcsolatot az analizátor végzi el, ami valójában nem más, mint egy polarizációt detektáló eszköz. Az analizátor által átengedett fény intenzitása nő vagy csökken, a polarizáció irányának megfelelően. Mivel hullámhosszonként változik a polarizációs állapot, ezért az OSA által mért hullámhossz tartományban a fény intenzitása is változni fog. Egyes hullámhosszokon intenzitás maximum lesz, míg másokon intenzitás minimum (24. ábra). Az intenzitás változásából mérhető az átlagos PMD, úgy hogy megszámoljuk az intenzitás csúcsokat (N) a mért hullámhossz tartomány-

12

23. ábra PMD mérés Fixed analyzer módszerrel

24. ábra Az analizátor által létrehozott maximum és minimum intenzitás helyek az OSAval mérve


ban (λ1->λ2). Az FA módszert alkalmazva az üvegszál PMD értéke pár másodperc alatt megmérhető, és mivel nem tartalmaz mozgó alkatrészt tökéletes lenne terepi mérésre. Azonban ezt a mérési elvet nem ajánlják lefektetett kábelek mérésére, mivel rendkívül érzékeny mindenféle kábelrezgésre, vibrációra, melynek következtében a mért eredmény pontatlan lesz. A PMD mérés távolságát két tényező korlátozza. Egyik az OSA, aminek a felbontása már nem megfelelő a nagy távolságú méréshez. A másik ilyen tényező a forrás és az OSA hullámhossz tartománya, mely rövid távolságoknál korlátoz. Ezen kívül a ROADM berendezések kimenetén és a 40 vagy 100Gbit/s-os jelek mérésénél – amikor eleve InBand mérési elvet kell használni, amikor az optikai spektrumot vizsgáljuk - a csatornákon mért PMD mérés nem lehet precíz az technológia legfontosabb használati tulajdonsága miatt és meghamisíthatja a valós értéket, mivel polarizáció nullázási módszert használ a jel és a zaj alakjainak eltávolítása esetén.

Jones-Matrix-Eigen Analyses A részletezésre kerülő mérési elvek közül ez a legpontosabb, de egyben a legdrágább is. Ma már nem nagyon készítenek ezen elvet használó műszert, mivel az ára miatt nincs rá igény. Akinek szüksége volt rá az már megvette, másoknak pedig elég az interferométerrel szerelt műszerek pontossága. A JME-vel történő mérési elrendezést a 25. ábra mutatja. Tömören a mérésről annyit lehetne mondani, hogy a polarizációs diszperzió vektort mérjük, aminek a nagysága a DGD értéke, az iránya pedig a polarizáció iránya. Az adó oldalon egy keskenysávú hangolható lézeradó található, aminek a polarizációját három fix iránnyal rendelkező polarizátor szabályozza. A három polarizációs irány általában a 0°,45°, 90°, de lehet a 0°, 60°, 120° is. A lézert végighangolják a hullámhossz tartományon, és minden beállított hullámhosszon a lézer fényét mindhárom polarizációs iránnyal polarizálják. Az üvegszál végén elhelyezkedő polariméter analizálja a vevőbe megérkezett három polarizációs irányt. Ezen információk elegendőek a Jones mátrix kiszámításához, ami koherens az üvegszál polarizáció transzformációjával. A Jones mátrix értékei hullámhossz függőek, és a szomszédos hullámhosszhoz tartozó értékek megadják a DGD értékét (26. ábra) a szomszédos hullámhosszoktól egyenlő távolságra lévő hullámhosszon. A PMD innen már egyszerűen számítható, venni kell az előbbi DGD értékek átlagát a mért hullámhossz tartományban. A JME mérési módszer előnye, hogy nagy pontosságú és érzéketlen

25. ábra JME elven működő PMD mérő mérési elrendezése

26. ábra PMD számítása a JME módszer esetén


13

a bemeneti polarizáció változására. A módszer hátránya, hogy minden hullámhosszon mérni kell, ami hosszadalmassá teszi a mérést, valamint az alkalmazott lézeradó miatt, főként laboratóriumi mérésekre alkalmas.

Hagyományos interferometrikus (Traditional interferometry) módszer (TINTY, FOTP-124) Az interferometrikus módszer alapja a különböző polarizációs állapotokhoz tartozó interferencia mérése a kimeneten. A mérési elrendezést a 27. ábra mutatja. Egy szélessávú polarizált adó fényét csatolják be a mérendő üvegszálba. A fény az üvegszálon való áthaladás után egy Michelson interferométerre jut. A fényt az interferométer két részre osztja, melyek más-más úton haladnak tovább. A két útvonal megfelel egy-egy polarizációs állapotnak, és ezen állapotok egymásra merőlegesek. Az egyik úton terjedő fény egy fix tükörre érkezik, ott visszaverődik, az így megtett többlet út miatt fix késleltetést szenved a fénynyaláb. A másik úton haladó fénynyaláb egy mozgó tükrön verődik vissza, így az ezen az útvonalon terjedő fény késleltetése változik. A késleltetést szenvedett fénynyalábokat összegezik, és az eredőjüket juttatják el a vevő fotodiódára. A két fénynyaláb eredőjeként interferencia gyűrűk alakulnak ki, amit megmérni a tükör mozgatásával tudnak. Alaposabban szemügyre véve az eredményül kapott interferogramot, látható, hogy az a kereszt-korrelációs (cross-correlation) függvényt valósítja meg. Az üvegszálas összeköttetéseknél eredményül véletlenszerű fázisokkal rendelkező interferogramot kapunk. Az átlagos DGD értéket (PMD) megkapjuk, ha kiszámítjuk a kapott görbe szórását. Az interferogram közepén található csúcs megegyezik azzal a tükörpozícióval, amikor mindkét tükör egyforma távolságra van beam splitter-től. Ezt a csúcsot az auto-korrelációs (auto-correlation) függvény valósítja meg. Összefoglalva, az interferometrikus módszer a kereszt- és az auto-korrelációs függvények kombinációja. Interferencia akkor jön létre, ha a késleltetés a két fény út között rövidebb, mint a forrás koherencia ideje (coherence time). Amikor a késleltetés minimális (nincs), akkor létrejön az interferencia. Ahogy mozog a tükör, a késleltetés növekszik, és közel azonos lesz a koherencia idejével, ami az interferencia nagyságának csökkenésével jár, míg végül már nem lesz interferencia, mert a késleltetés nagyobb, mint a koherencia ideje. Ez a tükör mindkét lehetséges mozgás irányában

14

27. ábra PMD mérési elrendezés TINTY módszer használata esetén


lejátszódik. Az így kapott interferencia intenzitás csúcsokat egy görbével le lehet határolni. Az eredményül kapott csúcsot „auto-correlation” csúcsnak nevezik (28. ábra), ez az az eset, amikor a fény saját magával interferál. Ugyan ilyen ábrát kapunk, ha két polarizált fény között nincs késleltetés (PMD=0). A kapott csúcs szélessége meghatározza a mérés felbontását, pontosságát. Minél keskenyebb ez az autocorrelation csúcs, annál pontosabban lehet mérni. Ne feledjük az autocorrelation csúcs az interferencia csúcsok burkolója, ez akkor tud keskenyebb lenni, ha kisebb a koherencia ideje. Kisebb koherencia időt széles spektrumú adóval (pl. LED) hozható létre, ami keskenyebb csúcsot eredményez, éppen ezért használnak LED forrásokat ezen műszerekben. De túl széles adó spektrum esetén már érvényesül a kromatikus diszperzió hatása, ami csökkenti a mérés pontosságát. Ez volt az első megoldás PMD mérésre terepi körülmények között, ami akkor nagy áttörést jelentett a gerinc hálózatos üzemeltetőknek, hiszen ezzel tudhatták meg, hogy régi kábelei (pláne légkábelek és régi G.652A szálak) milyen minőségűek a telepítés után több évvel. E megoldás egyetlen problémája, hogy az autó korrelációs csúcsot nem lehet kivonni a kereszt korrelációból, ezért 0ps-os késleltetési PMD érték nem mérhető és optikai erősítőkön sem lehet átlátni ezzel a megoldással. Pár év alatt sikerült kifejleszteni és megoldani ezt és az már GINTY, azaz általános interferometrikus módszer néven terjedt el szerte a világban. További előnye az eljárásnak, hogy széles dinamika tartománnyal rendelkezik és kicsi a bizonytalansága, hátránya, hogy ez a módszer még viszonylag lassú volt és mozgó alkatrésszel rendelkezik, ami könnyen károsodhat.

Autókorrelációs csúcs

Autókorrelációs Kereszt korreláció

Gauss illeszkedés Kereszt korreláció

csúcs

Fél érték szélesség

28. ábra Interferometrikus TINTY módszer mérés után kapott eredmény képe

Általános interferometrikus (Generalized Interferometry ) módszer (GINTY, FOTP-124A) A GINTY mérési módszer hasonló a TINTY eljáráshoz, annak továbbfejlesztett, javított változatának tekinthető. Ezért csak a két módszer közötti különbségeket emelem ki itt. A mérés tipikus elrendezése a 29. ábrán látható. A polarization beam splitter alkalmazásával lehetőség nyílt arra, hogy egyszerre detektálják az egymásra merőleges két polarizációs síkot, így a mérési eredményben megszabadultak az auto-correlation csúcstól. A mérőműszerben található polarizátornak (analyzer) képesnek kell lennie a kezdeti beállítások 90°-kal való elforgatására. A mérendő üvegszál elejére és végére elhelyezésre került egy-egy

29. ábra GINTY módszer mérési elrendezése


15

polarization scrambler (polarizáció keverő). A polarizáció keverők nem részei a GINTY módszernek, de előszeretettel alkalmazzák mivel használatukkal a mérés gyorsabbá és pontosabbá tehető. A polarizáció keverőkkel, meghatározható az üvegszál be- és kimenő fényimpulzusának a polarizációs állapotai. A keverőket használva a PMD meghatározható a két interferogram burkoló görbéjének négyzetes átlagából. Mivel a GINTY módszer hasonló a TINTY-hez, ezért annak előnyeivel ugyanúgy rendelkezik. A TINTY-hez képest viszont néhány másodperc alatt meg tudja mérni a PMD-t, és polarizáció keverőket alkalmazva a bemeneti polarizáció változásaira nem lesz érzékeny. A TINTY-hez hasonlóan megőrizte azt az apró hátrányát, hogy mozgó alkatrészt tartalmaz, de bárki is használ ilyen műszert, valószínűleg nem az jut az eszébe, hogy dobálni kellene. Polarizációs állapotot analizáló (State-of polarization Scrambling Analysis) módszer (SSA, FOTP-243) Az eddig ismertetett mérési módszerekhez képest ez több okból is kivétel. Ez egy egyoldalas mérés, azaz elég az optikai kábel egyik végéhez hozzáférni, hogy megmérjük annak PMD értékét. A mérési elvet nemrég fejlesztették ki, és jelenleg csak egy cég terméke kapható a piacon, ami ezt a módszert használja. A méréshez adónak egy aránylag keskeny spektrumú, de széles tartományban hangolható lézert használnak. A mérendő üvegszálba egy véletlenszerű polarizációs állapottal rendelkező fényt csatolnak be, aminek a véletlenszerű polarizációs állapotát egy szabályzó állítja be. A detektálandó jel az üvegszál túlsó végéről reflektálódik, és visszaérkezik a műszerhez. Az üvegszál túlsó végén ilyen reflektáló hely lehet egy nyitott PC csatlakozó, ahol a 4%-os Fresnel reflexió fellép, vagy a szál végére csatlakoztatott optikai tükör. A visszaérkezett jelből az optikai kábel teljes PMD értéke kerül meghatározásra. A mérés kulcsa az, hogy sok-sok fényimpulzus párt csatolnak be az üvegszálba, melyek hullámhossza egymáshoz közel esik. Ezek a szál végén reflektálódnak, majd visszaérkezve a műszerhez detektálják őket. Minden impulzus párnak van egy nem korelálló polarizációs állapota és eltérő középhullámhossza. A mérési berendezés egyszerűsített rajza az 30. ábrán látható. A hangolható lézerhez a következő struktúra tartozik: egy gyűrű szerkezetű polarizációt tartó üvegszál, az erősítésről egy szélessávú félvezető erősítő gondoskodik (SOA1), és egy hangolható sáváteresztő szűrő (TBF), ami a hullámhossz szelektivitást biztosítja. A hangolható lézer a „Controlling and Signal Procesing” nevű dobozban van. A C1 csatolóval a folyamatos lézerfény kb. 25%-át kicsatolják a gyűrűből és modulálják a SOA2-vel, hogy a PMD méréshez megkapják a szükséges rövid, <1-20ms idejű fényimpulzust.

16

30. ábra SSA módszerrel történő PMD mérő sematikus felépítése


A fény a C2 cirkulátoron keresztül eljut a PBS-re (Polarization Beam Splitter), majd áthaladva rajta a polarizáció keverőre jut (PS). A PS véletlenszerűen beállítja az üvegszálba becsatolandó fény polarizációs állapotát. A fény az üvegszál végén reflektálódik és visszaérkezik a műszerhez, ahol ugyanazon a polarizáció keverőn halad át, mint a szálba való belépés előtt. A PBS a visszaérkezett jelet két részre bontja a polarizációs állapotától függően, majd a két jelet egyszerre detektálják a fotodiódákkal (APD1, APD2).

Összehasonlítások és konklúzió Összességében az alábbi táblázatban összefoglaltam a főbb PMD mérések előnyeit, hátrányait, és hogy milyen mérési elrendezésekben használhatók a szabványok ajánlásai alapján. Légkábeles és erősítővel ellátott hálózat mérésénél elmondható, hogy az ITU-T szervezet is a GINTY módszert használó mérőeszközt javasolja ezen mérésekre, bár az EXFO FTB-5700 SSA módszer is elég pontosan méri a PMD értéket légkábeles szakaszokon (konkrét mérési tapasztalat saját és ügyfelek részéről), de az általa mért adatok inkább tájékozódáshoz vagy a hálózatunk minőségének megismeréséhez megfelelőek. Bármilyen típusú optikai kábel és hálózati infrastruktúra pontosabb analizálásához már szükség lehet a GINTY módszert használó EXFO FTB-5500B-re. Úgy is lehetne mondani, hogy akik „szűkebb pénztárcával” rendelkeznek és erősítő nélküli szakaszok mérése a főbb cél, azoknak nyugodt szívvel tudjuk ajánlani az SSA módszert, ami az EXFO FTB-5700 moduljába testesül meg FTB-200 vagy FTB-500 keretrendszerben, ráadásul opcionális komplett CD/PMD mérést tudunk megvalósítani impulzus késleltetési CD metódussal. Akiknek komolyabb mérés szükséges és CD mérés oldaláról az is cél, hogy a berendezés gyártók felé kompenzációs, azaz precíz eredményt tudjanak felmutatni a rendszer szállítása előtt, valamint ROADM, illetve optikai erősítős szakaszaik vannak és nem csupán a 40G, hanem a 100Gbit/s sebesség is fontos lehet a közeli- vagy távoli jövőben, akkor azoknak PMD mérés oldaláról mindenféleképpen a GINTY mérési módszert és a fázis különbség eltolásos CD metódust javasoljuk. Ez a mérés egy FTB-500 univerzális mérőrendszerben elhelyezett FTB-5500B PMD modulban és FTB-5800 CD modulban használható komplex és tökéletes diszperzió karakterizálást tesz lehetővé, míg a túloldalra egy FLS-5800 CD/PMD fényforrás alkalmazása itt elengedhetetlen, hiszen mind a PMD és mind CD mérés ebben az esetben kétoldalas elv alapján történik.


17

Ezen túlmenően pedig, akiknek problémájuk van a PMD értékkel a hálózaton és szeretnék megtudni, hogy egy gerinc hálózaton, mely szakaszon vagy szakaszokon van probléma annak érdekében, hogy ne kelljen a teljes szakasz cseréjében gondolkozni, azoknak az EXFO FTB-5600 PMD eloszlás analizátora lehet a tökéletes megoldás szintén FTB-500 keretrendszer használatával. Ebben az esetben viszont a büdzsé tervezése komoly kulcskérdés, mert ez már nem egy egyszerű beszerzési procedúra, hanem hosszabb tervezés után történhet csak meg. Ezen mérés kapcsán, ha bárkinek szakmai vagy egyéb kérdése van a technológiával kapcsolatban, úgy kérem, hogy keresse az EQUICOM Méréstechnikai Kft szakembereit, akik mindig készséggel állnak az Önök rendelkezésére. www.equicom.hu

1. táblázat Mérési módszerek előnyei és hátrányai és alkalmazási területei

EQUICOM Méréstechnikai Kft. © 2011 Minden jog fenntartva Jelen kiadvány a jogtulajdonos írásos engedélye nélkül sem részben, sem egészben nem másolható, sem elektronikus, sem mechanikus eljárással, beleértve a fénymásolást, számítógépes rögzítést is.

18


Kromatikus- és polarizációs módus diszperzió jelenségek és mérési ajánlások

Recommend Documents