MĚŘENÍ CHROMATICKÉ A POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE JEDNOVIDOVÝCH OPTICKÝCH TRAS Martin Hájek, Petr Holomeček
Úvod Požadavky na přenosovou kapacitu telekomunikačních spojů stále stoupají a jejich provozovatelé jsou nuceni své trasy stále efektivněji využívat či zkvalitňovat. V případě optických tras to také znamená zabývat se stále více dalšími, dříve poněkud opomíjenými parametry optických vláken a případně i jejich měřením. V našem příspěvku bychom se chtěli zabývat problematikou dvou velmi významných jevů omezujících přenosovou rychlost jednovidových optických vláken, což je chromatická disperze a polarizační vidová disperze. Chtěli bychom nejdříve stručně popsat základní rysy obou těchto jevů, jejich účinky na optický komunikační systém a dále se pak zejména věnovat metodám jejich měření na optických kabelových trasách. Také bychom se chtěli podělit o praktické zkušenosti s takovými měřeními na trasách v terénu přímo v ČR.
Chromatická disperze - CD Chromatická disperze je jev nejsilněji omezující přenosovou rychlost v optických jednovidových vláknech. Její působení tkví v tom, že se různé spektrální složky signálu (tzn. na odlišných vlnových délkách) šíří optickým vláknem rozdílnou rychlostí. Impuls informačního toku, který nutně obsahuje více spektrálních složek, se bude průchodem vláknem časově roztahovat, jelikož se některé jeho spektrální složky budou zpožďovat oproti jiným. Tímto časovým roztažením může docházet k meziimpulsové interferenci se sousedními kanály a také se snižuje výkonové maximum impulsu a tím odstup signálu od šumu SNR – viz. obrázek č. 1. Při vyšších přenosových rychlostech s užšími impulsy blíže u sebe působí rozšiřování impulsů větší zkreslení a tím pádem představuje chromatická disperze silný omezující faktor přenosové rychlosti systému.
b) spektrální šířkou zdroje záření ∆λ (při větší ∆λ budou rozdílnější spektrální složky impulsu, které se šíří vláknem odlišnou rychlostí) c) délkou optické trasy L. Velmi důležitý je fakt, že velikost koeficientu chromatické disperze D je dána pouze výrobou vlákna a je prakticky nezávislá na montáži trasy (ohyby a deformace vlákna) a vlivech okolního prostředí. Na obr. č. 2 [1] je typická spektrální závislost koeficientu chromatické disperze D konvenčního jednovidového vlákna (dle doporučení ITU-T G.652). Na ní jsou vyznačeny i další dva důležité parametry: vlnová délka nulové chromatické disperze λ0 [nm] a sklon disperzní charakteristiky v místě nulové chromatické disperze S0 [ps/(nm2×km)]. Tyto parametry jsou spolu s koeficientem D běžně udávány mezi katalogovými údaji výrobců vláken. Z těchto údajů je možné poměrně jednoduchým výpočtem stanovit pro určité vlnové délky velikost chromatické disperze optické trasy. Obr. č. 2
Obr. č. 1 konec trasy
začátek trasy
λ1
λ1+λ2
λ2
konec trasy
začátek trasy
Samotná chromatická disperze optického vlákna se skládá ze dvou složek: disperze materiálové a vlnovodové. Materiálová disperze je způsobena závislostí indexu lomu samotného materiálu vlákna na vlnové délce záření. Vlnovodová disperze spočívá v geometrických vlastnostech vlákna. Výsledné působení obou jevů nazýváme chromatickou disperzí. (Pozn. Každý kdo měří optické trasy přístrojem OTDR se s původem chromatické disperze setkává při zadávání indexu lomu, který je rozdílný pro různé vlnové délky.) Velikost chromatické disperze optického vlákna charakterizuje tzv. koeficient chromatické disperze D: D (λ) =
dτg (λ) d (λ)
[
ps ] nm× km
který udává změnu skupinového zpoždění signálu τg při průchodu vláknem v závislosti na vlnové délce λ. Hodnota koeficientu udává rozšíření impulsu (Gaussovského) v ps, při užití zdroje záření se spektrální pološířkou 1 nm, po průchodu vláknem délky 1 km. Z výše uvedeného můžeme konstatovat, že velikost roztažení impulsů vlivem chromatické disperze roste s: a) velikostí koeficientu chromatické disperze vlákna D
Vlnová délka nulové chromatické disperze λ0 je pro konvenční vlákna v oblasti 1300 – 1324 nm [4], což je též patrné na obr. č. 2. V současnosti pro přenos nejvýznamnější spektrální oblasti okolo 1550 nm dosahuje hodnota D konvenčních vláken cca 18 ps/ (nm×km). To je již poměrně vysoká hodnota, vezmeme-li v úvahu, že bitový interval pro přenosovou rychlost 2,5 Gbit/s (STM-16) je cca 400 ps a pro 10 Gbit/s (STM-64) cca 100 ps. Maximální přípustná hodnota chromatické disperze optické trasy bývá jedním ze základních parametrů přenosových systémů. Udává se v jednotkách [ps/nm] a je možné z ní jednoduše spočítat dosah systému (limit chromatické disperze). Např. u systému s maximální hodnotou chromatické disperze trasy 800 ps/nm je dosah s konvenčním vláknem (18 ps/ (nm×km)) maximálně cca 44 km. Jelikož je hodnota chromatické disperze konvenčních jednovidových vláken zejména v oblasti 1550 nm poměrně vysoká a omezující, zkoumali se a stále zkoumají možnosti, jak nežádoucí dopady chromatické disperze na přenosový systém snižovat. Existuje k tomu celá paleta možností. První možnost spočívá v samotném výběru systému respektive zdroje záření – jak bylo uvedeno širší spektrální pološířka zdroje záření způsobuje větší roztažení impulsů vlivem chromatické disperze. Velká pozornost je dále věnována změně parametrů vláken – byla vyvinuta vlákna s různě změněnou spektrální charakteristikou koeficientu chromatické disperze: vlákna DSF dle ITU-T G.653, NZDF dle ITU-T G.655... Čímž se u nich dosahuje nižší hodnoty chromatické disperze v klíčovém pásmu 1550 nm.
Kromě změny zdroje záření a vlákna existuje řada způsobů kompenzace chromatické disperze již postavené optické trasy. Velmi důležité je, že hodnota chromatická disperze vlákna s časem nekolísá, nemá náhodný charakter, a proto může být způsob její kompenzace statický, jednodušší a je i velmi efektivní. Existuje řada systémových nástrojů na zmírnění vlivu chromatické disperze na přenos, počínaje vhodnou předmodulací impulsů signálu až po spektrální konverzi vlnových délek impulsu signálu uprostřed trasy.
V praxi je používanější metoda diferenciálního fázového posuvu, kdy měříme vzájemný rozdíl fází signálů na různých vlnových délkách. Tím odpadá nutnost používat referenční trasu. V praxi se i přesto používají pro měření aparatury, které při měření dvě vlákna používají. Jedno jako měřené a druhé jako komunikační, po kterém je možné ovládat vysílač.
Nejpoužívanější je však její pasivní optická kompenzace, ke které se používají zejména speciální kompenzační vlákna DCF (Dispersion Compensation Fiber) s vysokou hodnotou záporné chromatické disperze. Ty se připojují obvykle na začátek nebo na konec trasy (délka bývá pro konvenční vlákna cca. 1/6 délky vlákna trasy) a dochází v nich k opačnému disperznímu jevu než na trase, čímž se vyrovnává zpoždění mezi složkami signálu o různých vlnových délkách. Obdobně lze k tomuto účelu požít také vláknové Braggovské mřížky s proměnnou mřížkovou periodou.
Potom je nutné jednotlivé měřicí vlnové délky vybrat monochromátorem (za zdrojem záření nebo před detekční soustavou). Jinou alternativou zdroje záření je skupina laserových diod (LD). Uspořádání s širokospektrálním zdrojem záření má oproti sadě laserových diod vyšší stabilitu vlnové délky, zatímco se sadou LD lze dosáhnout vyššího měřicího výkonu a tím i dynamického rozsahu. Toto platí obecně i pro ostatní metody.
Měření chromatické disperze
Úvodem bychom chtěli nastínit důvody nárůstu poptávky po měření chromatické disperze optických tras, jestliže je možné ji, jak bylo uvedeno, poměrně jednoduše a přesně spočítat a na její hodnotu prakticky nemá vliv montáž trasy a vlivy okolního prostředí. Důvodů je více. S dalším růstem přenosové rychlosti se dopady chromatické disperze více projevují a vyvstává naléhavěji nutnost jejího velmi přesného stanovení z důvodu např. její přesné kompenzace (zvláště s možným přechodem na rychlost 40 Gbit/s). Dále s nasazováním hustého vlnového multiplexu DWDM je možné využívat k přenosu širokou spektrální oblast (dnes od 1530 až do 1625 nm). Tudíž je třeba stanovit chromatickou disperzi nejen pro např. vlnovou délku 1550 nm, ale v celé užité spektrální oblasti. I případná kompenzace musí být provedena širokospektrálně. Dalším důvodem může být skutečnost, že s liberalizací telekomunikačního trhu může snadno nastat situace, kdy signál bude přenášen po různých vláknech různých provozovatelů. V takovém případě nemusí vždy být úplně jednoduché zjistit a spočítat chromatickou disperzi pro celou trasu. To vše vede právě k potřebě chromatickou disperzi optických tras stanovovat měřením. Jak bylo řečeno, chromatická disperze optického vlákna způsobuje rozdílné zpoždění různých spektrálních složek signálu. Z hlediska měření se dá takto vzniklé zpoždění zjišťovat buď přímým měřením časového zpoždění signálů o různých vlnových délkách nebo měřením jejich fázového zpoždění, které odpovídá časovému. Ve většině případů bývá zpoždění měřeno pro diskrétní vlnové délky. Pro stanovení samotné chromatické disperze musíme v takovém případě použít matematickou aproximaci – proložit naměřené hodnoty křivkou, jelikož chromatická disperze je definována jako změna skupinového zpoždění signálu v závislosti na vlnové délce – viz. definice výše. Metody pro měření chromatické disperze, jsou již dnes velmi přesné. Přesnost měření vždy závisí na konkrétním měřicím přístroji, jeho parametrech, použitých komponentách a jejich stabilitě. Lze však říci, že u všech základních metod je dosahováno přesnosti stanovení koeficientu chromatické disperze v desetinách i setinách ps/(nm×km) a přesnosti stanovení vlnové délky nulové chromatické disperze až v desetinách nm [7].
Měření chromatické disperze metodou fázového posuvu a diferenciálního fázového posuvu
Dle doporučení ITU-T G.650 je metoda fázového posuvu uvedena jako referenční metoda pro měření chromatické disperze optických vláken. Schématické znázornění metody je na obrázku č. 3. K měření se využívá modulovaný zdroj záření na několika vlnových délkách. Na detekční straně měřicí soustavy je zjišťována fáze signálu pomocí přístroje pro měření fáze (např. vektorvoltmetr). U metody fázového posuvu je změřená fáze na konci trasy porovnávána s fází vstupního signálu. Z jejich rozdílu je stanovena změna fáze signálu po průchodu měřenou kabelovou trasou. Proto je nutné použít referenční trasu (např. jiné vlákno v kabelu), kterou je možné přenášet k přijímači informaci o vstupní fázi.
Zdroj záření může být širokospektrální (LED nebo zdroj ASE – zesílená spontánní emise vláknových zesilovačů).
Zdroj optického záření je modulován signálem o frekvenci v řádu stovek MHz (100, 300 MHz) až desítek GHz. Výběr modulační frekvence určuje přesnost měření a maximální měřitelnou hodnotu zpoždění (disperze). Obr. č. 3 Metoda fázového posuvu referenční signál měřená trasa monochromátor
monochromátor
vysílač
přijímač
Přístroje založené na těchto metodách se pro měření chromatické disperze používají nejdéle. Čas potřebný k měření vlákna u nich závisí hlavně na počtu měřicích vlnových délek a je řádově v desítkách sekund až jednotek minut. Jednou ze zajímavých modifikací této metody je přímé měření chromatické disperze, kdy se jako zdroj záření využívá laditelný zdroj záření (nebo laditelný filtr).
Měření chromatické disperze interferometrickou metodou
Tuto metodu tu jen zmíníme, jelikož není vhodná pro měření optických tras. Interferometrická metoda využívá nejčastěji Michelsonův nebo Mach-Zehnderův interferometr. Pomocí interference mezi zářením z měřeného a referenčního vlákna (o známé chromatické disperzi) se zjišťuje fázový rozdíl obou signálů. Touto metodou je možné měřit jen krátké úseky vláken (o celkové hodnotě chromatické disperze nejvýše jednotek ps). Jelikož se jedná o měření na jednom místě, není ani nedostatkem nutné užití referenčního vlákna. Z tohoto důvodu se jedná o metodu spíše laboratorní, která není určena pro měření tras, kde jsou konce od sebe vzdáleny i desítky kilometrů. Měření chromatické disperze metodou zpoždění impulsů v časové oblasti Měřicí signál je tvořen optickými impulsy o různých vlnových délkách, které jsou do trasy poslány v přesných rozestupech. Z porovnání těchto rozestupů na vstupu a na výstupu měřené trasy se určuje zpoždění vlivem chromatické disperze. Metoda je schematicky znázorněna na obrázku č. 4. Opět je možné pro generování impulsů na jednotlivých vlnových délkách využít sadu LD nebo širokospektrální zdroj v kombinaci s monochromátorem. Časové rozestupy impulsů na vstupu určují maximální měřitelné zpoždění vlivem chromatické disperze. Obr. č. 4 Metoda zpoždění impulsů v časové oblasti trasa monochromátor vysílač
monochromátor přijímač
K měření se používá pouze jedno optické vlákno (přímo měřená trasa). Jedná se o metodu velmi rychlou, jelikož měření jednoho vlákna trvá jednotky sekund (neplatí pro modifikaci OTDR o níž bude řeč dále). Přesnost, jako u předchozích metod, je dána samotnou měřicí soustavou, ale je navíc ovlivněna samotnou chromatickou disperzí díky níž se impulsy navzájem nejen vzdalují, ale také sami roztahují. I samotný impuls je totiž tvořen více spektrálními složkami. Roztahování způsobuje problematičtější stanovení časové polohy impulsů. Přesnost tedy závisí také na velikosti měřené chromatické disperze. Jednou z modifikací této metody je využití principu OTDR (metoda měření zpětného rozptylu užívaná standardně k měření útlumu optických tras). Přístroje pracující na této bázi využívají jako impulsní zdroje záření samotné laserové diody klasických OTDR pro měření útlumu s tím, že v tomto případě je nutné měřit na více vlnových délkách (standardně čtyřech). Obvykle se využívají vlnové délky pokrývající celé užívané spektrální pásmo jednovidových optických vláken (1310 nm až 1625 nm). Z tohoto důvodu tato metoda skýtá úskalí při matematické aproximaci naměřených hodnot zpoždění, jak uvidíme dále, což se může projevit na přesnosti stanovení hodnot chromatické disperze. Výhoda této metody může být v tom, že touto metodou provádíme zároveň též spektrální měření útlumu optické trasy. Jiná výhoda plynoucí z principu OTDR spočívá v tom, že měření se provádí na trase vždy z jednoho místa, jelikož se vyhodnocuje odražený signál od druhého nezapojeného konce trasy. Je ovšem také nutné, aby na volném konci byl dostatečný odraz, což je problematické u tras se šikmými APC konektory. V tomto případě je nutné na konec trasy připojit ještě přídavný odrazný modul, čímž se výhoda jednostranného měření ztrácí. Z principu OTDR plyne, že doba měření je závislá na délce trasy.
Zpracování výsledků měření Jelikož chromatická disperze je definována jako závislost změny skupinového zpoždění na vlnové délce, je nutné ve většině meřících aparatur provést matematickou aproximaci výsledků – proložit hodnoty naměřené na diskrétních vlnových délkách určitou křivkou. Její sklon v každém spektrálním bodě nám pak dává hodnotu chromatické disperze na dané vlnové délce. Například pro konvenční jednovidová vlákna (dle ITU-T G.652) se pro aproximaci používá tříčlenný Sellmeierův vztah:
Tento přístroj také obsahoval větší výběr aproximačních charakteristik. Naměřené hodnoty chromatické disperze se velmi dobře shodovaly s vypočtenými hodnotami pro vlnovou délku 1550 nm z katalogových údajů vlákna. Měření s přístrojem na bázi metody zpoždění impulsů v časové oblasti: S tímto přístrojem jsme měřili řadu optických vláken na trasách přímo v terénu. Na přijímači bylo možné vybrat spektrální oblast 1310 nm nebo 1550 nm. Samotné měření pak probíhalo pouze několik sekund. Bylo měřeno několik desítek tras s vlákny dle G.652 a G.655. Naměřené výsledky chromatické disperze korespondovaly s předpoklady učiněnými na základě katalogových údajů těchto vláken. Měření ukázalo, že velikost chromatické disperze vláken je prakticky nezávislá na mechanickém namáhání vzniklém při montáži trasy, též zvýšený útlum vlákna se na zvýšení chromatické disperze neprojevil. Měření ukázalo tudíž dobrou shodu naměřených a teoreticky spočítaných hodnot z katalogových údajů pro vlnové délky 1310 nm a 1550 nm při měření na trasách obsahujících jeden typ vlákna.
Polarizační vidová disperze - PMD Z hlediska přenosu informací existuje v jednovidovém optickém vláknu ještě další obdobně působící jev nazývaný Polarizační vidová disperze – PMD. Přestože je jeho vliv ve srovnání s chromatickou disperzí výrazně slabší, v současné době začíná pro provozovatele optických tras představovat ještě složitější problém. Důvodem je, že působení PMD je značně nepředvídatelné a závislé na mnoha dalších faktorech. Původ PMD spočívá v tom, že optické vlákno není ideálně kruhové a homogenní. Říkáme, že ve vláknu je přítomen tzv. dvojlom. Navážeme-li do jednovidového optického vlákna záření, šíří se v něm ve dvou navzájem kolmých rovinách – tzv. polarizačních videch. Vlivem dvojlomu se ovšem záření šíří v obou těchto videch různě rychle. V důsledku toho dochází na konci trasy mezi oběma polarizačními vidy k časovému zpoždění a jelikož impuls nesoucí informaci je tvořen oběma vidy, dochází k jeho roztahování. To vede k omezování maximální přenosové rychlosti systému a též ke snížení odstupu signálu od šumu (SNR) tím, že časovým rozšířením impulsu se snižuje výkonová špička impulsu – viz. obrázek č. 5. Obr. č. 5
τg (λ) = A + B λ2 + C λ-2 Uvedená rovnice je pro výpočet dostatečně přesná ve spektrální oblasti nulové chromatické disperze (1270 – 1314 nm). Pro spektrální oblast okolo 1550 nm je rovnice též použitelná s poněkud menší přesností aproximace. Pro jiná jednovidová vlákna (DSF dle ITU-T G.653, NZDF dle ITU-T G.655, kompenzační vlákna DCF...) se používají jiné aproximační vztahy. Veškeré aproximační rovnice jsou určeny zejména pro oblast nulové chromatické disperze, kde je přesnost měření nejkritičtější. Výsledky měření jsou tedy ovlivněny nejen výběrem vhodné aproximace, ale také spektrální oblastí měření. Vztahy též udávají nutný počet měřicích vlnových délek – kromě speciálních vláken alespoň tři. Vždy platí, že nejpřesnějšího vyhodnocení docílíme, pokud jsou v oblasti nulové chromatické disperze daného vlákna (viz. zmíněné úskalí metody OTDR).
Praktické zkušenosti s měřením chromatické disperze Měli jsme možnost vyzkoušet si dva měřicí přístroje pro měření chromatické disperze, které pracovaly na odlišných metodách: metoda zpoždění impulsů v časové oblasti a metoda diferenciálního fázového zpoždění. Oba přístroje používaly pro měření pouze jedno (měřené) vlákno. Ovládání obou přístrojů bylo jednoduché. U obou bylo třeba zadat typ aproximace (dle typu vlákna) a pro určení koeficientu chromatické disperze též délku měřeného vlákna. Měření s přístrojem na bázi metody diferenciálního fázového posuvu: S tímto přístrojem jsme neměli možnost měřit přímo na trasách v terénu, ale pouze v laboratoři. Na přijímači bylo možné vybrat počet měřicích spektrálních bodů (až více než 400 bodů) a nastavit spektrální vzdálenost mezi nimi (minimální vzdálenost mezi body byla až 0,2 nm). Doba měření byla závislá na počtu zvolených spektrálních bodů, přičemž měření každého bodu trvalo cca 2 vteřiny. Tento přístroj pokrýval pouze spektrální oblast 1550 nm. Výhodou tohoto přístroje byl velmi vysoký počet měřicích bodů, které zpřesňují, ale zároveň i prodlužují měření.
ideální vlákno
reálné vlákno
impulsy procházející trasou
Působení PMD je tedy obdobné působení chromatické disperze. Zásadní odlišnost tkví ovšem v ovlivnitelnosti obou jevů dalšími faktory. Zatímco chromatická disperze je prakticky zcela určena pouze výrobou vlákna a je v podstatě nezávislá na montáži trasy a vlivech okolního prostředí, situace je zcela jiná v případě PMD. Dvojlom ve vláknu, jež je příčinou PMD je dán nejen výrobou vlákna (zejména podélnou homogenitou jeho kruhovosti a materiálovými nehomogenitami), ale též kabelováním a – což je zejména důležité – ohyby a mechanickými pnutími vlákna tzn. kvalitou montáže trasy. Také vlivy okolního prostředí, jako jsou vibrace nebo teplotní změny, mohou velikost PMD optického vlákna změnit. Problematičnost PMD tkví také v tom, že uvedené faktory ho ovlivňují značně náhodným způsobem.
Navíc zmíněné dva polarizační vidy se v běžných telekomunikačních vláknech nešíří nezávisle, ale velmi intenzivně si navzájem při průchodu vláknem vyměňují energii. Výsledkem je značná náhodnost PMD a to dále přispívá k nevypočitatelnosti tohoto jevu. Souhrnně lze říci, že PMD nejenže závisí na mnoha faktorech, ale je nutné k němu přistupovat jako k náhodnému kolísajícímu jevu. Narozdíl od chromatické disperze tudíž v případě PMD není možné stanovit s dostatečnou přesností její hodnotu pro optickou trasu výpočtem.
Takto malé časové hodnoty je nutné zjišťovat nepřímým měřením. Proto se používají jiné metody, než například pro měření chromatické disperze, kde je také měřeno zpoždění jednotlivých složek signálu.
Uvedené vlastnosti PMD mají za následek také obtížnou kompenzaci jejího vlivu. Na rozdíl od poměrně jednoduché, velmi účinné a statické (pasivní) kompenzaci chromatické disperze je kompenzace PMD takřka jejím pravý opakem. Pro značnou náhodnost a proměnlivost jevu by měla být kompenzace PMD dynamická a tudíž je i velmi drahá.
Interferometrická metoda měření PMD je založena na interferenci nízko-koherentního optického záření. Princip metody je na obrázku č. 6.
Navíc je také méně účinná. Vliv PMD nelze jako v případě chromatické disperze v podstatě zcela vykompenzovat, ale jen částečně snížit např. na 1/3 (dnes již jsou komerčně nabízené kompenzátory PMD umožňující přenos 10 Gbit/s i na trase s celkovou hodnotou PMD zpoždění až do 100 ps [8]). Zpoždění vlivem PMD dokonce také do určité míry kolísá i se změnou vlnové délky záření a udávaná hodnota PMD představuje spektrální střední hodnotu. (Toto spektrální kolísání vystihuje tzv. PMD 2. řádu, kterým se dále zabývat nebudeme, neboť jeho vliv je ještě výrazně slabší a s výjimkou velmi širokopásmových analogových přenosů nás prozatím příliš znepokojovat nemusí.) Pro běžná telekomunikační vlákna je statistický charakter PMD vyjádřen i v jednotkách jejich PMD koeficientu: ps ] √km tzn., že celkové zpoždění nenarůstá se vzdáleností tak rychle (lineárně) jako v případě chromatické disperze. Běžnými telekomunikačními vlákny rozumíme všechna jednovidová optická vlákna kromě speciálních vláken s velkým dvojlomem (tzv. HiBi vlákna) používaná např. v senzorové technice jako vlákna zachovávající polarizaci (PMF). [
U vláken dnes vyráběných je zpravidla garantována hodnota PMD koeficientu Ł 0,5 ps/√km, což je hodnota ve srovnání s koeficientem chromatické disperze velmi nízká, přičemž skutečná hodnota PMD koeficientu bývá ještě podstatně nižší. Důležité je, aby hodnota koeficientu byla udávána pro vlákna v kabelu, jelikož kabelování a konstrukce kabelu má na PMD také vliv (zvláště to platí pro páskovou – tzv. ribbonovou konstrukci kabelů). Z výše uvedeného vyplývá, že polarizační vidová disperze se začne uplatňovat až při vyšších přenosových rychlostech (systémy s přenosovou rychlostí 10 Gbit/s). Hodnoty koeficientu PMD mohou být však vyšší v případě starších vláken vyrobených před rokem 1997, kdy ještě PMD vláken nebylo pečlivě sledováno – čím starší vlákno, tím je větší riziko zvýšené hodnoty. Podle studie tehdejšího Bellcoru měla vlákna vyrobená v roce 1996 z 20% větší koeficient PMD než 0,8 ps/√km [9]. (Pozn.: Pro nasazování systémů s ještě vyšší přenosovou rychlostí – 40 Gbit/s se požaduje mezní hodnota PMD koeficientu vláken 0,1 ps/√km.) Shrneme-li to, co jsme si o polarizační vidové disperzi uvedli, můžeme říci, že se jedná o jev výrazně slabší než je chromatická disperze, uplatňující se zpravidla až od přenosové rychlosti 10 Gbit/s (STM - 64). Na druhé straně je to ovšem jev do značné míry náhodný, velmi obtížně, draze a ne zcela kompenzovatelný, který závisí i na montáži trasy a vlivech okolního prostředí. To vede k tomu, že PMD není možné exaktně spočítat a je ho nutné měřit ve všech stadiích života vlákna – tedy také po výstavbě trasy. Nutnost měření zvláště platí pro trasy se staršími vlákny. Hodnoty zpoždění PMD mohou být velmi odlišné pro jednotlivá vlákna kabelu (i v jedné trubičce) a to i v případě, je-li jejich útlumová charakteristika identická. Ačkoliv je tedy vliv PMD podstatně slabší než vliv chromatické disperze, její měření se již dnes na vysokorychlostních optických trasách stává standardem.
Měření polarizační vidové disperze Z předcházející části popisující jev polarizační vidové disperze vyplývá i nutnost měření tohoto parametru. Měření PMD vlákna se provádí od výroby, přes kabelování, závěrečné měření při uvedení instalované kabelové trasy do provozu až po údržbová měření. Jak bylo řečeno, polarizační vidová disperze optického vlákna je důsledkem rozdílného zpoždění dvou polarizačních vidů signálu. Hodnoty zpoždění způsobené vlivem PMD jsou velmi malé (řádu jednotek až desítek ps).
Principy základních metod ke zjištění PMD budou popsány níže s orientací na měření optických kabelových tras.
Měření polarizační vidové disperze metodou interferometrickou
Jako zdroj záření se využívá polarizovaná širokospektrální LED dioda (nízkokoherentní zdroj záření). Na výstupu měřené kabelové trasy je užit Michaelsonův interferometr, na kterém se získává autokorelační funkce přicházejícího optického záření. Detailnější pohled na Michelsonův interferometr je na obrázku č. 7. Optické záření se v interferometru rozdělí do dvou větví z nichž v jedné větvi je pevné zrcadlo a v druhé zrcadlo pohyblivé. Pohyblivým zrcadlem měníme fázový posun mezi signály obou větví a pomocí jejich interference na detektoru zjišťujeme zpoždění vlivem PMD. Obr. č. 6 Metoda interferometrická měřená trasa
PMD analyzátor
polarizátor zdroj záření
interferometr
Obr. č. 7 Michelsonův interferometr zrcadlo
polopropustné zrcadlo
pohyblivé zrcadlo
detektor
Měření se provádí pouze v jednom kroku, protože není třeba provádět nastavování referenční hodnoty. K měření se používá pouze měřené optické vlákno. Tato měřicí metoda je velmi rychlá a dostatečně přesná pro měření PMD optických tras. Je možné měřit hodnoty zpoždění PMD od 0,1 ps až po stovky ps, což je pro měření optických kabelových tras naprosto postačující. Tato metoda je vhodná pro měření v terénu pro svou rychlost, odolnost vůči vibracím optického vlákna a nepotřebě stanovování referenční hodnoty. Ukázkou interferogramu při měření PMD telekomunikačního vlákna je obrázek č. 8. Obr. č. 8 Ukázka náměru PMD vlákna pomocí interferometrické metody
Měření polarizační vidové disperze metodou skenování vlnové délky (metoda s fixním analyzátorem) Základem této metody je měření optického výkonu procházejícího měřenou trasou v závislosti na vlnové délce. Měřicí sestava je zobrazena na obrázku č. 9. Jako zdroj záření je možné použít širokospektrální LED diodu, nebo laditelný laser. Za zdrojem následuje polarizátor. Na detekční straně měřicího systému je nutné dle užitého zdroje použít detekční prvek tak, aby bylo možné provádět měření výkonu v závislosti na vlnové délce. Tzn. pro širokospektrální zdroj je to optický spektrální analyzátor OSA, pro laditelný laser postačuje měřidlo výkonu. Tato metoda vyžaduje měření ve dvou krocích. Nejprve je měření provedeno tak, jak je znázorněno na obrázku č. 9, se zařazeným polarizátorem také před detekční soustavou. Takto získáme spektrální závislost složky výkonu o určité polarizaci (dané polarizátorem) P(l). Poté odstraníme polarizátor před přijímačem a změříme referenční hodnotu – spektrální závislost celkového výkonu Ptot(l). Z poměru obou naměřených spektrálních průběhů P(l)/Ptot(l) vyplývá spektrální závislost změny polarizace výstupního záření a z toho lze výpočtem stanovit hodnotu PMD dané optické trasy. Většinou se ke stanovení PMD používá rychlá Fourierova transformace (FFT), která umožňuje naměřené spektrální výsledky převést přímo do časové oblasti.
· pokud je udán koeficient PMD vláken kabelu, lze z něj stanovit jen předběžný odhad celkové PMD trasy, směrodatnou hodnotu zjistíme až měřením · z naší analýzy nevyplývá závislost PMD na jiném přenosovém parametru (například útlumu) · PMD vláken se výrazně neliší na 1310 nm a 1550 nm · starší vlákna a kabely vykazují horší PMD · nezjistili jsme obecně podstatné rozdíly v PMD u kabelů úložných a závěsných · PMD se liší od výrobce k výrobci a může se lišit i od dodávky k dodávce · výrazně odlišné PMD mohou vykazovat vlákna ze stejného kabelu i stejné trubičky, a to i u kabelu dosud na bubnu může být nutný výběr vláken pro nasazení systému Literatura [1] Kucharski, M., Dubský, P.: Měření přenosových parametrů optických vláken, kabelů a tras, MIKROKOM, Praha 1998 [2] Saleh, B. E. A., Teich, M. C.: Základy fotoniky 4, MATFYZPRESS, Praha 1996 [3] Norma ČSN EN 188000 [4] Norma ČSN EN 188101 [5] Norma ITU-T Recommendation G.650 [6] Derickson D.: Fiber Optic Test and Measurement, Prentice Hall PTR, 1998
Metoda skenování vlnové délky je časově náročnější, jelikož je třeba provádět dva měřicí kroky a je náchylnější na vibrace vlákna.
[7] firemní literatura a katalogové listy firem Luciol Instruments, Perkin Elmer Optoelectronics, NetTest a EXFO Electro-Optical Engineering
Obr. č. 9 Metoda skenování vlnové délky
[8] firemní literatura a katalogové listy firmy Yafo Networks [9] Chbat, M., W.: Managing polarization mode dispersion, Photonics Spectra 6/2000
mšřená trasa polarizátor
polarizátor
zdroj záření
detekční systém
Ing. Martin Hájek
[email protected]
Ing. Petr Holomeček
[email protected]
MIKROKOM s.r.o.
Měření polarizační vidové disperze metodou polarimetrickou Polarimetrická metoda je dle ITU stanovena jako referenční metoda pro měření PMD. Pod názvem polarimetricka metoda se skrývá více metod, které pracují na obdobném základě. Jádrem těchto metod je zjišťování komplexních informací o polarizačním stavu na vstupu a na výstupu optické trasy, což obě dříve popsané metody neumožňují. Jedná se o metody: - metoda analýzy Jonesovy matice - metoda Poincarého koule - metoda polarizačních stavů (SOP) Polarimetrické metody jsou ze zmiňovaných metod nejpřesnější a umožňují vysokou reprodukovatelnost naměřených výsledků, jelikož skutečně známe veškeré informace o polarizaci vstupního a výstupního záření. Nevýhodou těchto metod je vysoká časová náročnost měření a složitost měřicí aparatury. Použití této metody je také více náchylné na vibrace vlákna a navíc vysokou přesnost při měření PMD tras ani nevyužijeme. Tyto metody se používají pro přesná měření PMD velmi malých hodnot, například u optických součástek ve výrobě. Jelikož soubor polarimetrických metod není příliš vhodný pro měření optických kabelových tras v terénu, leží mimo hlavní oblast našeho zájmu.
Zkušenosti z měření PMD optických kabelových tras Měření polarizační vidové disperze není již dnes ani u nás žádná kuriozita. U vysokorychlostních přenosových tras se již standardně provádí vedle měření útlumu a útlumu odrazu. Také naše firma tato měření provádí, přičemž používáme PMD analyzátory na bázi interferenční metody s polarizovaným širokospektrálním LED zdrojem záření. K měření je třeba jen samotné měřené vlákno, žádná komunikace PMD analyzátoru se zdrojem záření neprobíhá. Měření je rychlé (jednotky sekund), obsluha přístroje a zadávání potřebných vstupních údajů jsou velmi jednoduché – podstatně jednodušší než např. v případě měření útlumu trasy přístrojem OTDR. Výsledkem měření je celková hodnota PMD optické trasy [ps] a při zadání délky vlákna trasy též hodnota koeficientu PMD vlákna [ps/√km]. Použitá měřicí souprava umožňuje měřit PMD i pro velmi dlouhé optické trasy, měřili jsme ve spektrální oblasti 1550 nm i trasy dlouhé až přes 150 km. Z celé řady měření PMD optických tras, které jsme prováděli na různých typech kabelů (závěsné, kombinovaná zemnící lana, ovíjené, uložené v zemi) lze vyvodit některé obecné poznatky:
Pod Vinicí 622 Praha 4 143 00 tel.: 417 60 100 fax.: 417 64 822 www.mikrokom.cz
