Měření optických vláken Leoš Boháč
Autor: Leoš Boháč Název díla: Měření optických vláken Zpracoval(a): České vysoké učení technické v Praze Fakulta elektrotechnická Kontaktní adresa: Technická 2, Praha 6
Inovace předmětů a studijních materiálů pro e-learningovou výuku v prezenční a kombinované formě studia
Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti
VYSVĚTLIVKY
Definice
Zajímavost
Poznámka
Příklad
Shrnutí
Výhody
Nevýhody
ANOTACE Optická vlákna patří v dnešní době k přenosovým médiím, která jako jediná umožňují přenášet informace velkými rychlostmi a na dlouhé vzdálenosti. Z mnoha pohledů lze optická vlákna považovat za primární přenosové médium budoucnosti, které postupně nahradí metalická vedení. Je tedy velice důležité umět správně charakterizovat přenosové vlastnosti optického vlákna a také měřit jeho přenosové parametry. Tento výukový modul bude pojednávat o měření přenosových a optických parametrů vláken, především pak s ohledem na jejich reálné použití v praxi.
CÍLE Cílem modulu je poskytnout studentům základní znalosti týkající se měření přenosových parametrů optických vláken, především s ohledem na potřeby reálné praxi v telekomunikačním oboru.
LITERATURA [1]
GOFF, David R, Kimberly S HANSEN a Michelle K STULL. Fiber optic reference guide: a practical guide to communications technology. 3rd ed. Boston: Focal Press, c2002, viii, 260 p. ISBN 02-408-0486-4. KOZIEROK, Charles M. The TCP/IP Guide : A Comprehensive, Illustrated Internet Protocols Reference. San Francisco : No Starch Press, 2005. 1648 s. ISBN 978-1-59327-047-6
[2]
MAHLKE, Günther a Peter GÖSSING. Fiber optic cables: fundamentals, cable design, system planning. 4th rev. and enl. ed. Munich: Publicis MCD Corporate Pub., 2001, 304 p. ISBN 38-957-8162-2. ZININ, Alex. Cisco IP Routing : Packet Forwarding and Intradomain Routing Protocols . [s.l.] : Addison Wesley Professional, 2001. 656 s. ISBN 0201-60473-6
[3]
DERIKSON, Dennis. Fiber Optic Test and Measurement. Upper Saddle River: Prentice Hall, 1998. ISBN 01-353-4330-5.
Obsah 1 Základní přenosové charakteristiky optických vláken..................................................... 6 1.1
Útlum optického vlákna ............................................................................................. 6
1.2
Disperze optického vlákna ......................................................................................... 8
1.3
Útlum odrazu ............................................................................................................ 10
1.4
Nelineární jevy ......................................................................................................... 11
1.5
Standardy pro optická vlákna ................................................................................... 13
2 Měření vložného útlum a útlumu odrazu......................................................................... 14 2.1
Měření vložného útlumu prvku s konektory na vláknech ........................................ 15
2.2
Měření vložného útlumu prvku s přírubovými konektory ....................................... 16
2.3
Měření vložného útlumu prvku s přívodními vlákny ............................................... 17
2.4
Měření vložného útlumu prvku metodou „cutback“ ................................................ 18
2.5
Měření vložného útlumu prvků integrované optiky ................................................. 19
3 Měření optické trasy metodou OTDR .............................................................................. 20 3.1
Základní informace o OTDR metodě ....................................................................... 20
3.2
Princip měření metodou OTDR ............................................................................... 21
3.3
Rayleighův rozptyl u metody OTDR ....................................................................... 22
3.4
Výsledky měření OTDR přístrojem ......................................................................... 24
3.5
Mrtvá zóna OTDR .................................................................................................... 26
4 Měření disperzních vlastností optických vláken ............................................................. 27 4.1
Pulzní metoda měření vidové disperze ..................................................................... 27
4.2
Frekvenční metoda měření vidové disperze ............................................................. 29
4.3
Chromatická disperze ............................................................................................... 30
4.4
Měření chromatické disperze metodou měření fázového posuvu ............................ 31
4.5
Závěrečný test........................................................................................................... 33
1 Základní přenosové charakteristiky optických vláken 1.1 Útlum optického vlákna Správná funkce optického datového spoje závisí na dostatečném výkonu modulovaného optického signálu dopadajícího na detektor přijímače. Útlum je veličinou určující míru snížení výkonu optického signálu a je způsoben přítomností pasivních komponent v optické trase, jako je vlastní optické vlákno, kabelová spojka či konektor. I přesto, že je u optických vláken útlum výrazně nižší, než u jiných médií, stále se zde vyskytuje a na dlouhých trasách, řádově desítky kilometrů a více, není již zanedbatelný a je nutné s ním při návrhu přenosového systému počítat. Útlum optického signálu je způsoben celou řadou fyzikálních jevů, k nimž zejména patří •
absorpce
•
lineární rozptyl
•
nelineární rozptyl
•
ohyby vlákna
Při přenosu optického záření nás primárně zajímá, kolik se z navázané energie na začátku optické trasy přenese k přijímači. Parametru, který tuto vlastnost kvantifikuje, se říká útlum (attenuation). Stejně jako v klasické přenosové technice, kde se přenáší signál po metalických přenosových traktech, se i v oboru vláknové optiky používá pro vyjádření útlumu logaritmická jednotka decibel [dB]. Definiční vztah je též stejný:
A = 10log
P1 , P2
kde P1 je vstupní výkon záření navázaný do trasy [mW], P2 je výstupní výkon záření vycházejí z trasy [mW] Útlum výkonu záření není jen vlastností optické trasy, ale lze jej definovat i pro libovolnou optickou komponentu. Pokud jsou tyto komponenty zapojeny v kaskádě, lze s výhodou jejich dílčí útlumy sčítat a získat tak jednoduše útlum celé optické trasy. Důležitým parametrem optických vláken je měrný útlum α [dB/km]. Tento parametr kvantifikuje velikost optických ztrát vztažených na jednotku délky vlákna, typicky na 1 km. Dnešní nejkvalitnější jednovidová vlákna disponují měrným útlumem pod 0,2 dB/km při vlnové délce 1550 nm, což je hodnota kterou nepředčí žádné dnes známé přenosové médium (vlnovod).
Ne vždy však tomu tak bylo. Historicky první optická vlákna vykazovala hodnoty měrného útlumu několik desítek až stovek dB/km. Při šíření záření vláknem dochází k celé řadě interakcí mezi atomy materiálu a fotony, které toto záření představují (kvantová povaha záření). Jedna z nejdůležitějších interakcí se nazývá absorpce. Jak samotný název napovídá, jedná se o jev, kdy jsou fotony průběžně pohlcovány atomy materiálu jádra (popř. i pláštěm, vzpomeňme si, že pole částečně zasahuje i do pláště) a přeměněny na jinou formu energie, typicky teplo. I když je tento jev relativně slabý, pro velice dlouhá vlákna se jeho účinky výrazně projeví. Druhým, snad nejpalčivějším fyzikálním jevem, který nepřímo způsobuje útlum, je lineární rozptyl záření na nerovnoměrných shlucích atomů či molekul základního materiálu optického vlákna. Charakter rozptylu v tomto případě závisí na míře fluktuace a vlnové délce záření. U jednokanálových optických systémů lze považovat za zdroj útlumu i nelineární rozptyl, který vzniká při velkých intenzitách záření ve vlákně. V tomto případě je interakce mezi fotony silného záření neelastická, protože po střetu fotonu s atomem sice dojde ke vzniku fotonu nového, ten má však nižší frekvenci než foton dopadající. Tyto „konvertované“ fotony následně chybí na straně přijímače, jsou opticky filtrované, což se projeví jako ztráta, resp. útlum.
Zdroje útlumu u optických vláken
7
1.2 Disperze optického vlákna Již víme, že jedním z omezujících faktorů při přenosu záření v optických vláknech je jeho útlum. Skutečně, v počátcích rozvoje vláknové optiky byla problematika snížení útlumu optického vlákna na prvním místě. Když už se ale podařilo ztráty snížit, zjistilo se, že při vyšších modulačních rychlostem dochází k deformaci modulační obálky optického signálu. Příčinou této deformace byla disperze. Nejčastěji se jev disperze vysvětluje jednoduše jako rozšíření optického pulsu po průchodu vláknem. To lze demonstrovat pomocí obrázku. Pokud jednotlivé pulsy budou představovat logickou „1“ a stav bez pulsu logickou „0“, může dojít vlivem disperze v kritických případech k tak velkému překrytí dvou sousedních pulsů, že přijímač nebude schopen rozeznat případný symbol logická „0“, který může ležet mezi nimi.
Vliv disperze na přenos binárního signálu
Jevu překrývání pulsů se říká mezisymbolová interference ISI (Inter Symbol Interference). Při zvětšování přenosové rychlosti se musí délka bitového intervalu logicky zkracovat, tím se samozřejmě musí zkracovat i jednotlivé pulsy a dříve či později dojde vlivem disperze k jejich nadměrnému roztažení a velké mezisymbolové interferenci. Následně potom k neschopnosti přijímače od sebe odlišit jednotlivé symboly, čímž začne postupně digitální systém vykazovat chyby. Disperze omezuje maximální dosažitelnou přenosovou rychlost digitálního optického systému. Jestliže je dnes neustále vyvíjen tlak na zvyšování přenosových rychlostí, je nutné velikost disperze zmenšit nebo lépe zcela eliminovat. Metod jak to udělat je více. Disperze není omezujícím jevem pouze u digitálních optických systémů, ale též i u optických systémů analogových. Obecně lze říci, že disperze funguje jako pomyslná dolní propust omezující šířku pásma modulačního signálu. Podle fyzikální příčiny vzniku, existuje více typů disperzí, jako je: •
vidová disperze, které se uplatňuje u mnohovidových vláken a je způsobena různou skupinovou rychlostí vidů v mnohovidovém vlákně
8
•
chromatická disperze, která se uplatňuje jak u mnohovidových, tak i jednovidových vláken a je způsobena nenulovou šířkou spektra vyzařovaného záření zdroje a závislostí skupinové rychlosti na vlnové délce
•
polarizačně vidová disperze, která je způsobena tím, že index lomu materiálů optického vlákna vykazuje jistou míru anizotropie (dvojlomu), což způsobí, že se ve vlákně šíří daný vid ve dvou polarizacích s rozdílnou skupinovou rychlostí, což v konečném důsledku vede ke vzniku polarizační vidové disperze
9
1.3 Útlum odrazu Optický signál se primárně šíří vláknem v dopředném směru od zdroje záření ve vysílači k detektoru záření v přijímači. Optické vlákno však umožňuje obecně šíření signálu v obou směrech. Pokud signál při svém šíření vláknem narazí na oblast, která vykazuje odlišný index lomu nebo vlnovou diskontinuitu prostředí, dojde k odrazu, přičemž čím je rozdíl mezi těmito indexy lomu větší, tím dojde i k většímu odrazu. V optické trase jsou místa, která mohou být potenciálně zdrojem odrazů. Typicky se jedná o konektorové spojky, popř. přechody mezi vláknem a určitou optickou komponentou, jako je detektor, zdroj, modulátor a další. Zpětně odražený signál se může stát kritický především u systémů využívajících koherentní zdroje záření, lasery. Zpětně odražený signál může u laserů způsobit přeladění na jinou vlnovou délku. Vícenásobné selektivní odrazy mohou také zvyšovat šum optického systému převodem náhodných fluktuací frekvence optické nosné laseru na náhodné fluktuace amplitudu záření.
Útlum odraz je definován matematickým vztahem
ORLdB = 10 log
Ps [dB; mW ; mW ] Pref
kde ORL (Optical Return Loss) je útlum odrazu, Ps je střední výkon optického signálu v dopředném směru a Pref je odražený střední výkon signálů. Základní zjednodušený princip měření ORL jen naznačen na následujícím obrázku.
Principiální měření útlumu odrazu
10
1.4 Nelineární jevy Závislost indexu lomu na intenzitě záření vede ke vzniku některých zajímavých efektů. Dva z nich nejčastěji studované a mající úzkou spojitost s praxí jsou: •
vlastní fázová modulace – SPM (Self-Phase Modulation),
•
vzájemná fázová modulace – XPM (Cross-Phase Modulation),
•
čtyřvlnné směšování – FWM (Four Wave Mixing).
Příklad nelinearity typu XPM a SPM
Vlastní fázová modulace SPM (Self Phase Modulation) se nejlépe vysvětluje na příkladu optického pulsu s velkou špičkovou intenzitou záření tak, aby se projevily nelineární jevy (obrázek vpravo). V částech pulsu, kde je malá hodnota intenzity, je index lomu roven běžnému indexu lomu. Nicméně s postupným přechodem k vyšším intenzitám se index lomu podle předchozí definice začne zvětšovat a s ním i vlnová délka a okamžitá frekvence záření. Stručně řečeno, u vzrůstající části pulsu dochází ke snížení okamžité frekvence optické nosné (posun do infračervené oblasti ) a u klesající části dochází naopak ke zvýšení frekvence (posun do ultrafialové oblasti). Tyto dočasné změny frekvence mají i svůj název, v češtině se jim říká frekvenční cvrkot, nicméně v odborné praxi se pro ně spíše vžil anglický pojem „chirp“ (čteno jako čirp). Připomeňme si, že průběh změny okamžité frekvence podél celého pulsu silně závisí na jeho tvaru, špičkové hodnotě výkonu a strmosti nárůstu obou hran. Vzájemná fázová modulace XPM (Cross Phase Modulation) (obrázek vlevo) je speciálním případem SPM, kde ovšem nedochází ke změně indexu lomu jen jedním pulsem samotným, ale i pulsy ostatními, které se mohou přenášet vláknem současně, ale na jiné vlnové délce. Typickým případem je WDM systém. K danému jevu dojde tehdy, když se dva nebo více pulsů začnou při přenosu vzájemně překrývat a míjet jeden druhý. To se může snadno stát, protože skupinová rychlost šíření se mění s vlnovou délkou.
11
Dalším a posledním zde zmiňovaným nelineárním parametrickým jevem je čtyřvlnné směšování FWM (Four Wave Mixing). Tento jev je velice významný u dnešních systémů DWDM, protože způsobuje přeslechy a přenos energie mezi jednotlivými kanály.
12
1.5 Standardy pro optická vlákna I když optická vlákna jsou funkční média, pro jejich výrazné uplatnění v praxi to nestačí. Pokud by každý výrobce vyráběl svá vlákna, nebylo by jednoduché zajistit jejich kompatibilitu s vlákny od jiných výrobců. Stejná situace je i v oblasti měření, kde by se staly výsledky získané odlišnými metodami vzájemně neporovnatelné. Z tohoto důvodu hrají v praktickém světě nezastupitelnou úlohu normy a standardy. Optická vlákna, jejich vlastnosti a způsoby měření jsou definovány v různých standardech. Obrázek dole ilustruje rozdělení těchto standardů do kategorií podle různých hledisek. Na mezinárodní úrovni např. působí organizace jako je IEC (International Electrotechnical Commission) nebo ITU (International Telecommunication Union). Do národní nebo oblastní působnosti lze zařadit evropskou organizace ETSI (European Telecommunication Standards Institute) a americké organizace jako TIA (Telecommunication Industries Association) a ANSI (American National Standards Institute). Pro testování a měření optických vláken lze standardy rozdělit podle různých hledisek jako je •
skupina obecných standardů: IEC 61350 – Kalibrace měřičů optického výkonu; IEC 61746 – Kalibrace přístroje OTDR; G.650.1 – Definice a metody testování lineárních a deterministických vlastností jednovidových vláken a kabelů; G.650.2 – Definice a metody testování statistických a nelineárních vlastností jednovidových vláken a kabelů
•
skupina standardů měření pro měření polarizačně vidové disperze: G.650.2 – Definice a metody testování statistických a nelineárních vlastností jednovidových vláken a kabelů; IEC 60793 – Měřící metody a postupy pro stanovení PMD disperze; IEC/TS 61941 – Specifikace pro měřicí techniky PMD pro jednovidová vlákna
•
skupina standardů měření pro měření chromatické disperze: IEC 60793 – Měřicí metody pro testování velikosti chromatické disperze, TIA/EIA FOTP175-B – Měření chromatické disperze jednovidových optických vláken
Standardy pro optická vlákna
13
2 Měření vložného útlum a útlumu odrazu Nejpřesnější metoda pro měření celkového útlumu v optickém vlákně je založena na tom, že se do vlákna naváže přesně známá úroveň optického záření a na jeho konci změříme úroveň záření, které z vlákna vystupuje ven. Zdroj záření a měřič optického výkonu jsou hlavním zařízením, které ITU a standard IEC 61350 doporučuje pro měření vložného útlumu. U tohoto typu měření je nezbytné mít přístup k oběma koncům vlákna. V praxi se používají dle povahy měření dvě možné metody vyhodnocování útlumu, které budou následně principiálně popsány.
14
2.1 Měření vložného útlumu prvku s konektory na vláknech Měření vložného útlumu se vždy skládá ze dvou kroků: •
kalibrace, kdy se de facto změří vstupní výkon do testovaného prvku měřičem výkonu
•
ve druhé fázi se do řetězce zapojí testovaný optický prvek a změří se stejným způsobem optický výkon měřičem
•
následně se oba výkony podělí a logaritmují, čímž získáme hodnotu vložného útlum v jednotkách dB
V praxi existují různé typy optický zařízení či prvků s odlišným uspořádáním vstupů a výstupů. V této kapitole se zmíníme o principu měření vložného útlumu u těch optických prvků, které jsou vyrobeny tak, že z nich vychází optické vlákno (vstupní nebo výstupní strana) opatřené na svém konci konkrétním typem optického konektoru (ten bude v obrázcích dále označovaný písmenem „K“), viz obrázek.
Měřen vložného útlumu optického prvku s konektory na přívodních vláknech
Jak je patrné, v kalibračním kroku se nejprve propojí zdroj záření s měřičem výkonu přímo pomocí referenčního vlákna, v ideálním případě stejný typ jaký je použit na měřeném prvku jako vývody (tzv. „pigtaily“). V následujícím kroku se konektor KA měřeného prvku spojí se systémovým konektorem K3 a konektor KB měřeného prvku se zapojí přímo do měřiče optického výkonu. V ideálním případě záměna konektoru K3 a KB na vstupním rozhraní měřiče výkonu by neměla ovlivnit výsledky měření. Nicméně druhý krok přidává do postupu další pár konektorů. Z tohoto důvodu je v naměřené hodnotě vložného útlumu též zahrnutý i útlum konektorového páru K3/KA. Vzhledem k tomu, že jeho útlum lze jen odhadnout (od 0,5 do 1 dB [3]), je chyba měření typicky kolem ± 0,3 dB [3] a to i tehdy, pokud jsou použité dobré konektory.
15
2.2 Měření vložného útlumu prvku s přírubovými konektory Poněkud složitější situace nastane, pokud měřený optický prvek bude obsahovat optické konektory jako součást šasi, tzv. přírubové konektory. Typickým příkladem může být proměnlivý optický útlumový článek. Tato situace je nakreslená na následujícím obrázku. Kalibrační fáze v tomto případě obsahuje dvě referenční optická vlákna, v ideálním případě totožná s těmi, co jsou součástí měřeného prvku uvnitř jeho šasi a jeden pár konektorů K3/K4. Po provedené kalibraci a odečtení referenčního optického výkonu se rozpojí konektorový pár K3/K4 a do řetězce se vloží měřený prvek. V tomto případě dojde k následující situaci: •
konektorový pár K3/K4 je zaměněn za pár KB/K4
•
další konektorový pár K3/KA je vložen do optického řetězce
Z tohoto pohledu změřený vložný útlum zahrnuje opět také útlum jednoho konektorového páru. Vzhledem k tomu, že v procesu měření dochází ke spojení dvou konektorů, je chyba měření v tomto případě dvojnásobná vztažmo k předchozímu případu a činí typicky ± 0,6 dB [3].
Měření vložného útlumu optického prvku s přírubovými konektory [3]
16
2.3 Měření vložného útlumu prvku s přívodními vlákny Optické prvky s „holými“ optickými vlákny existují v praxi z několika důvodů: •
aby je mohl konkrétní uživatel opatřit svým vlastním typem optického konektoru
•
aby je bylo možné svářecím přístrojem přímo zapojit od optického přenosového řetězce
Ať už je to první nebo druhý případ, je vždy v praxi nezbytné měřit hodnotu vložného útlumu jako jeden z výkonových parametrů. Jedno z možných uspořádání měření a postup je naznačen na obrázku. V kalibračním kroku je nejprve změřen výkon zdroje prostřednictvím referenčního vlákna, které je zakončené v adapteru holých vláken a ten je zapojen do měřiče výkonu. Měřič výkonu by měl být schopen detekovat prostorově celý vyzářený výkon z volného konce vlákna zakončeného v adapteru. Následně v kroku měření se měřený prvek vstupním vláknem přivaří (nebo se použije mechanická permanentní nebo semipermanentní spojka) ke konci referenčního vlákna, které se vyjme z adapteru a druhé vlákno měřeného prvku se přes adapter opět připojí k měřiči výkonu. V této konfiguraci je chyba měření vložného útlumu výrazně menší než v předchozích případech s použitím optických konektorů, protože kvalitní svar vykazuje velice malý vložný útlum (typicky menší než 0,1 dB) [3]. Opět jako v předchozím případě, hodnota vložného útlumu i nyní obsahuje i útlum svaru. Největší přesnosti měření vložného útlumu se dosahuje v konfiguraci známé jako metoda „cutback“, která bude diskutována v následujícím bloku.
Měření vložného útlumu optického prvku s přívodními vlákny (pigtail) [3]
17
2.4 Měření vložného útlumu prvku metodou „cutback“ Nejpřesnější z metod měření vložného útlumu je metoda zvaná jako „cutback“. Její vysoká přesnost a malá chyba měření je však vykoupena nutností fyzického přerušení optického přívodního vlákna. Je tedy vhodná pro ty situace, kde lze toto přerušení tolerovat. Jednou z jejích typických oblastí použití je měření vložného útlumu samotných vláken nebo vláken vložených do optického kabelu. V tomto případě nám přerušení vlákna nevadí. Tuto metodu však nelze použít v praxi u reálných optických tras, protože by to znamenalo přerušení optického vlákna trasy, což logicky nepotřebujeme. Z hlediska principu měření, metoda „cutback“ zcela obrací postup, kdy se u předchozích metod nejprve v prvním kroku měřil referenční výkon zdroje záření, viz obrázek. Zde se nejprve zapojí mezi zdroj záření a měřič optického výkonu měřený prvek tak, že se jeho vstupní vlákno přímo navaří k referenčnímu vláknu. Výstupní vlákno se přes adapter holých vláken připojí k měřiči optického výkonu a změří se referenční výkon. Poté se přeruší vstupní vlákno měřeného prvku těsně za místem svaru, konec se vloží do adapteru a ten se zapojí do měřiče výkonu. Odečte se druhý výkon. Poměrem obou výše uvedených výkonů a logaritmováním (a násobením 10) získáme velikost vložného útlumu v jednotkách dB.
Měření vložného útlumu optického prvku metodou „cutback“ [3]
18
2.5 Měření vložného útlumu prvků integrované optiky Integrovaná optika je název pro komponenty, které jsou dosti často integrovány na jeden planární (rovinný) optický čip. Do této kategorie dnes patří rostoucí skupina prvků, jako jsou optické filtry, multiplexery, demultiplexory, přepínače, pole zdrojů, modulátory a další. Pro výrobce těchto prvků je nezbytné znát potřebné optické parametry dané komponenty před relativně drahým krokem fixace vstupních/výstupních optických vláken k čipu, protože zjištění po připevnění vláken, že daný prvek nefunguje nebo nevykazuje potřebné vlastnosti, by bylo velmi neefektivní. V tomto případě jsou k měření zapotřebí typicky dva mikromanipulátory (viz obrázek), kterými se „připojí“ v nich upevněná optická vlákna do požadované polohy v blízkosti čipu. U této metody je chyba absolutního měření vložného útlumu značná, protože záleží na přesném nastavení mikromanipulátorů, což znamená, že se tato metoda příliš nehodí pro absolutní, přesné a reprodukovatelné měření vložného útlumu. Je spíše vhodná tam, kde je zapotřebí měřit závislost vložného útlumu na jiných parametrech, jako je vlnová délka záření nebo stav jeho polarizace.
Měření vložného útlumu optického prvku integrované optiky [3]
19
3 Měření optické trasy metodou OTDR 3.1 Základní informace o OTDR metodě Měřicí technika, která je mnohem sofistikovanější a která nalézá uplatnění v mnoha aplikacích, jak v laboratoři, tak přímo v praxi, se nazývá metoda optické reflektrometrie – OTDR (Optical Time Domain Reflectrometry). Tato měřicí metoda se často nazývá metodou měřením zpětného optického rozptylu optického záření. Umožňuje měření útlumu vlákna, či trasy podél celé jeho (její) délky a co je podstatné, poskytuje důležitou informaci o průběhu útlumu trasy v závislosti na vzdálenosti od jejího začátku (vlákna). V tomto smyslu je dokonalejší metodou než klasické metoda přímého měření útlumu optického vlákna (trasy), která v zásadě umožňuje jen zjištění integrované hodnoty měrného útlumu α v celé délce optického vlákna od jeho začátku až na konec, většinou měřeného v jednotkách dB.km-1. Pokud se útlum trasy či vlákna mění v závislosti na délce, není informace o celkovém integrovaném výkonu dostačující. OTDR metoda umožňuje, na rozdíl od klasické přímé metody měření útlumu, získat mnohem detailnější informace i o podélném charakteru optické trasy z hlediska útlumových, ale i odrazných poměrů. Takto lze snadno zjistit např. lokální defekty způsobující útlum nebo odraz, jako jsou konektory, svary, rozdílné geometrické rozměry spojovaných vláken apod. OTDR metoda je založena na detekci zlomku zpětně odraženého záření, které se vrací zpět při buzení vlákna v dopředném směru. Svým způsoben je OTDR metody podobná metodě TDR (Time Domain Reflectometry) používané při měření diskontinuit u elektrických vedení, jen s tím rozdílem, že u optických vláken se ve zpětném směru nešíří jen část odražených signálů do nehomogenit, ale také i rozptýlené záření dané fyzikálním jeven známým jako Rayleigh rozptyl. Na následujícím obrázku jsou nakresleny názorně ty fyzikální jevy, které přispívají ke vzniku optického záření šířeného zpětným směrem v optické trase.
Odrazové a rozptylové jevy v optické trase
20
3.2 Princip měření metodou OTDR Velkou výhodou OTDR metody měření je skutečnost, že není zapotřebí mít k dispozici oba konce vláken, abychom mohli optickou trasu co do útlumu vyhodnotit. U klasické přímé metody měření je nutné vždy mít k dispozici obě strany trasy. Na jednom konci je umístěn zdroj záření a na druhém měřič optického výkonu. Tato vlastnost je velice výhodná pro praktické použití u velmi dlouhých tras, kdy stačí pro první náhled změřit trasu jen z jedné strany.
Nutné ale připomenou, že pro certifikovaná měření je často nezbytné měřit trasu z obou stran, hlavně v případě, kdy se na trase vyskytují tzv. „zesilovací“ efekty, které lze posoudit jen z měření OTDR provedené z obou stran trasy. Aby mohl OTDR přístroj lokalizovat útlumové a odrazové anomálie na trase, popř. bylo možné určit měrný útlum úseků trasy a jeho případnou nerovnoměrnost, je nezbytné vysílat do trasy ne kontinuální optický signál, ale optické pulsy. V zásadě to lze poněkud laicky přirovnat ke klasickému radaru, který také vysílá pulsní elmag. pole. Tak jak se optický puls šíří trasou, postupně prochází celým jejím úsekem a v každém místě a daném čase vyvolá vznik příspěvku ke zpětně generovanému signálu, který se šíří k začátku trasy, kde je detekován na přijímači. Pokud budeme na začátku trasy sledovat zpětně odražený signál v čase, lze poté na základě znalosti skupinové rychlosti šíření pulsu ve vlákně vypočítat, k jakému místu se daná okamžitá hodnota velikosti signálu vztahuje. Principiální blokové schéma měřiče OTDR je naznačeno na následujícím obrázku.
Principiální schéma měřiče OTDR
21
3.3 Rayleighův rozptyl u metody OTDR U měřicí metody optického zpětného rozptylu hraje velice důležitou roli Rayleighův rozptyl. Vzhledem k jeho důležitosti si tento jev stručně zhodnotíme. Obecně rozptyl optického záření znamená „roztříštění“ záření do více směrů v místě, kde je přítomen rozptylový efekt. Rozptylový efekt může mít různý charakter, nicméně pro naše účely se bude jednat především o lokální změnu indexu lomu, tj. o jeho nehomogenitu. Pokud jsou tyto nehomogenity či změny v materiálu jádra vlákna mnohem menší než vlnová délka záření (typicky menší než desetina vlnové délky), dochází na nich k Rayleightovu rozptylu. Prostorové rozložení rozptýlené energie záření a jeho celková velikost závisí na vlnové délce, „velikosti“ a také tvaru nehomogenity indexu lomu. Materiál jádra reálně vyrobeného optického vlákna není krystalický, ale amorfní, což je dáno metodou jeho výroby tažením z preformy za tepla a následným rychlým tuhnutím. Právě toto rychlé tuhnutí má za následek, že se atomy nestačí uspořádat do pravidelného, prostorově přesně se opakujícího tvaru. Výsledkem na molekulární úrovni je neuspořádaný charakter hmoty, kdy jsou v prostoru mikrooblasti s větší hustotou a naopak někde s menší hustotou. Toto se poté odpovídajícím způsobem projeví i na fluktuaci změny indexu lomu, která představuje rozptylové efekty, o nichž jsme se zmínili dříve. Rayleightův rozptyl je téměř všesměrový, optické záření se tedy rovnoměrně rozptyluje ve všech směrech. Pro ilustraci je na následujícím obrázku zachyceno, jakým způsobem dochází ke vzniku rozptylu a jak se jeho jednotlivé prostorové části šíří optických vláknem. Pro funkce OTDR měřicího zařízení je podstatná ta část záření rozptylu, které se navazuje do zpětného směru ve vlákně. Bočně vyzářený rozptyl bohužel přispívá ke ztrátám vyzářením. Záření vznikající díky Rayleigh rozptylu ve vzdálenosti x = vg t od začátku a šířící se zpět k začátku vlákna je dáno vztahem:
PRa (t ) = 0,5PS i γ RWo vg exp( −γ vg t ), kde Pi - je výkon pulsu generovaný zdrojem záření [mW]; S - je vazební faktor zohledňující to, že se do vlákna naváže jen dílčí část výkonu zdrojem generovaného pulsu [-]; γ R - je Rayleigh koeficient [1/km]; Wo - je šířka pulsu v časové oblasti [s]; γ – je poměrný koeficient útlumu vlákna [1/km] a vg – je skupinová rychlost šíření ve vlákně [km/s].
22
Rayleigh rozptyl a jeho součásti
23
3.4 Výsledky měření OTDR přístrojem Hlavním úkolem měřiče OTDR je určit zpětně rozptýlený a odražený výkon optického záření v reakci na navázaný optický puls(y) do vlákna trasy. Následující obrázek ilustruje typický výstup z OTDR přístroje. Na svislé ose je vynesena v logaritmických souřadnicích zpětně přijatá relativní úroveň optického signálu z trasy v jednotkách dB. Vodorovná osa odpovídá vzdálenosti mezi OTDR přístrojem a danou útlumovou událostí na optickém vlákně trasy. Nutno podotknout, že OTDR dokáže měřit přímo jen čas, který se musí přepočítat na vzdálenost. Přesnost lokalizace dané útlumové události silně závisí na přesnosti přepočtu údaje času na délku. Zde hraje důležitou roli skupinový index lomu vlákna, přesnost měření času a kabelovací faktor vláken, který zohledňuje skutečnost, že optická vlákna jsou v kabelu v trubičkách sekundárních ochran volně uložená a taktéž mohou opisovat uvnitř duše kabelu šroubovici. Uvažovaná odezva typicky vykazuje tři typy událostí (viz obrázek): •
přímkové části grafu, ty představují Rayleigh rozptyl na daném úseku vlákna trasy
•
nahoru sahající (pozitivní) špičky, které reprezentují diskrétní odrazy na trasy v místě jejich vzniku
•
negativní nebo pozitivní skoky (bez špičky), které reprezentují diskrétní útlumovou událost bez odrazu, typicky se jedná o svar. Typ skoku je v tomto případě dán typem a vlastnostmi vzájemně spojovaných vláken.
První špička na grafu vzniká vlivem odrazu na prvním konektoru OTDR přístroje, kterým je připojen k měřenému vláknu optické trasy. Kvalita tohoto konektoru je velice zásadní pro funkci OTDR přístroje. Pokud nebude dostatečně kvalitní s malým odrazem, může na něm dojít k dvojité reflexi signálu a na grafu OTDR vzniknou zrcadlové události (tzv. „duchy“), což může vést ke špatné interpretaci měření. Vzhledem k tomu, že zobrazená křivka OTDR přístroje je vynesena jako výkon versus vzdálenost, odpovídá sklon dané lineární části křivky přímo měrnému útlumu - α[dB/km] korespondujícího úseku vlákna. Jak již bylo řešeno, skoky bez špiček odpovídají svarům vláken na trase, viz obrázek. Velikost skoku v tomto případě odpovídá útlumu svaru jen za předpokladu, že budou spojována identická vlákna. Podobný skokovitý charakter křivky může ale také odpovídat situaci, kdy je v daném místě svaru vlákno ohnuté, čímž dojde k vyvázání optického výkonu záření mimo jádro vlákna (a způsobí to útlum), ale zároveň nedojde k odrazu (absence špičky).
24
Na druhou stranu, optické konektory, spojky a případné narušení optického vlákna většinou vede k odrazům místo rozptylu a ty se na křivce OTDR projeví vznikem špiček. V zásadě se jedná o ty jevy, kdy dochází obecně k určité změně indexu lomu. Křivka OTDR končí skokovou částí, za níž již následuje oblast šumu reprezentující limit přístroje OTDR. Jak již bylo řečeno, přístroj OTDR musí vzhledem k velice slabému zpětně se šířícímu signálu odstraňovat šum pomocí průměrování, tj. do trasy se vysílají pulsy opakovaně (několik desítek tisíc) a vypočítá se průměr všech odezev. Pokud je konec vlákna dobře zalomený, dochází zde k odrazu, na křivce OTDR se to projeví jako vznik velké špičky na konci trasy. Pokud na konci bude jen rozptyl (např. špatně zalomené vlákno nebo ohyb) bude konec křivky bez špičky.
Výstupní křivka přístroje OTDR
25
3.5 Mrtvá zóna OTDR Základní výzvou OTDR principu měření útlumu je fakt, že zpětný signál vznikající vlivem Rayleightovu rozptylu má velice nízkou úroveň výkonu. Jen na samotném začátku vlákna se signál vrací s úrovní cca 40 – 50 dB nižším než je výkon vstupního pulsu. Když k tomu připočteme ztráty signálu v dopředném a zpětném směru vlastní trasy, snadno se dostaneme k hodnotám 70 dB a vyšším. V tomto případě se dostáváme s výkonem signálu na detektoru k limitním hodnotám odstupu signál/šum. Jinými slovy, elektrický signál je po detekci silně zatížený šumem. Běžnou metodou pro odstranění šumu u OTDR je sčítaní několik stovek až tisíc stejných odezev pro velký počet pulsů. Této metodě se říká průměrování. Zároveň je nutné použít detektory s co největší citlivostí, což většinou vede k lavinovým fotodiodám (APD). Jedním z problémů OTDR přístrojů je tzv. mrtvá zóna, což je vzdálenost od začátku vlákna, kde není OTDR schopen detekovat žádnou útlumovou událost ani rozumně měřit úroveň rozptylu. Důvodem je konektor OTDR, kterým se napojuje optická trasa (nebo měřený úsek vlákna) k přístroji. Na tomto konektoru totiž vždy dochází po celou dobu trvání měřicího pulsu ke značnému Fresnelovu odrazu, který je svou úrovní mnohem větší a způsobí tak přebuzení detektoru v přijímací části OTDR zařízení, a to i přesto, že se použijí speciální konektory s úhlovým zábrusem, které vykazují minimální odraz (maximální útlum odrazu). Charakteristickou částí mrtvé zóny je taktéž doba odbuzení (viz obrázek), kdy se detektor postupně vrací z přebuzeného stavu do normálního. Pokud je tedy v praxi zapotřebí měřit též úsek vlákna trasy od samého jeho počátku, je nezbytné použít předřadné vlákno, které svou délkou pokryje celou mrtvou zónu a zbytek už odpovídá měřenému vláknu trasy. Typická délka předřadného vlákna se pohybuje v hodnotách stovek metrů až několik kilometrů a její volba souvisí s délkami optických pulsů použitých při měření OTDR.
Mrtvá zóna a použití předřadného vlákna
26
4 Měření disperzních vlastností optických vláken 4.1 Pulzní metoda měření vidové disperze Jednovidová vlákna jsou za normálních okolností provozována v jednovidovém režimu, to znamená, že se jimi šíří jen jediný elektromagnetický vid optického záření. Na druhou stranu u mnohovidových vláken se jedním vláknem šíří až několika set elektromagnetických vidů současně. Tato skutečnost vede ke vzniku jevu vidové disperze. Vzhledem k tomu, že se jednotlivé vidy šíří každý po jiné trajektorii, složky modulační obálky záření v odlišných videch se postupně dostávají mimo fázi. V případě běžného digitálního signálu nese každý dílčí vid odpovídající část vstupního pulsu, avšak rozložení dob příchodů těchto pulsů pro různé vidy způsobené rozdílnou dobou jejich šíření způsobí, že se vyslaný puls rozšíří v čase a sníží se jeho amplituda. Pro účely měření se většinou vidová disperze definuje jako nejnižší modulační frekvence, při které se sníží odezva harmonicky modulovaného signálu o 3 dB. Pulzní metoda měření velikosti vidové disperze je založena na analýze rozšíření pulsů, viz obrázek.
Měření vidové disperze pulzní metodou [3]
V tomto případě je záření z pulzně modulovaného polovodičového laseru navázáno přes vidový promíchávač (scrambler) do vstupu mnohovidového vlákna. Podmínkou je, aby laser vykazoval dostatečně úzké spektrum, aby se do měření ještě nepromítal vliv chromatické disperze. Signál vycházející z konce testovaného mnohovidového vlákna je zaveden na fotodetektor a jeho elektrický výstup je dále připojen na vstup vzorkovacího osciloskopu, který je časově synchronizovaný spouštěcí vstupem, kterému předchází zařazený zpožďovací článek vyrovnávající zpoždění průchodu signálu mezi krátkým referenčním a testovaným vláknem. Referenční vlákno je typicky dlouhé jen pár metrů. 27
Nejprve se tedy do testovaného vlákna naváže pulz a změří se tvar výstupního pulzu. Poté se testované vlákno nahradí referenčním vláknem a změří se výstupní puls znovu. Přenosovou funkci v tomto případě spočítáme podle vztahu
H( f ) =
X(f ) Y( f )
kde X(f) je Fourierova transformace výstupního pulsu při zařazeném testovacím vlákně a Y(f) je Fourierova transformace výstupního pulsu při zapojeném referenčním vlákně. Šířka pásma je poté definovánu jako frekvence, při které H ( f ) = 0, 5 .
28
4.2 Frekvenční metoda měření vidové disperze Alternativní metoda měření přenosové šířky pásma mnohovidového optického vlákna je založena na měření odezvy amplitudově modulovaného optického signálu, viz obrázek. Úzkopásmový optický zdroj záření je harmonicky a intenzitně modulován z rozmítaného radiového nebo mikrovlnného zdroje a následně je navázán do měřeného optického vlákna přes vidový promíchávač (scrambler). Po průchodu optickým vláknem se tento signál detekuje na detektoru a výsledný signál se zavede na vstup síťového analyzátoru (Pout). Podobným způsobem se měří i vstupní výkon před vláknem Pin. Podstatou měření je, že se mění postupně frekvence modulace. Analyzátor poté zachytí frekvenčně závislou přenosovou funkci definovanou jako [3]
H ( f ) = log10 (
Pout ( f ) ) Pin ( f )
Šířka pásma se na této funkci odečte jako frekvence, při níž poklesne H(f) o 3 dB. V tomto měření je nutné pamatovat, že analyzátor počítá s elektrickým výkonem, kdežto optický výkon je přímo úměrný proudu. To znamená, že změna optického výkonu o 3 dB odpovídá na elektrickém analyzátoru poklesu výkonu o 6 dB.
Princip měření frekvenční metody vidové disperze[3]
29
4.3 Chromatická disperze Vidová disperze není jediným omezujícím faktorem při přenosu optického signálu vláknem. Vidová disperze se uplatňuje u taktových vláken, která v daném rozsahu vlnových délek umožňují šíření více vidů, tj. poněkud nepřesně, paprsků záření. Vidová disperze je však velice omezujícím fyzikálním jevem, pokud je naším cílem přenášet signál o velké šířce pásma nebo s velkou přenosovou rychlostí. Z toho důvody byla navržena jednovidová vlákna, která pracují v režimu s přenosem jen jediného vidu, paprsku. Logicky potom nemůže dojít ke vzniku vidové disperze, pokud se vláknem šíří jen jeden jediný vid. Ukazuje se však, že i v těchto případech dochází k omezení přenosové rychlosti díky dominaci jinému typu disperze, která se nazývá chromatická. Chromatické disperze, jak napovídá i její název, souvisí s konečnou šířkou spektra (tedy barvy, „chroma“) každého zdroje záření. V tomto případě se šíří vláknem sice jediný vid, ale ve více svých „kopiích“, každá odpovídá jiné vlnové délce zdroje. A protože se se změnou vlnové délky obecně mění i index lomu materiálu a rozložení pole šířícího se vidu, ve výsledku se to projeví tak, že se každá „kopie“ vidu dostane na konec vlákna v jiný časový okamžik. Detektor ale detekuje celkové pole, což vede k tomu, že se původní puls roztáhne. Velikost tohoto roztažení je pro délkově homogenní vlákno přímo úměrná jeho délce, materiálu vlákna, profilu indexu lomu a rovněž šířce spektra použitého zdroje. Pro výpočet platí jednoduchý vztah
ΔT = Dλ LΔλ kde ∆T je velikost rozšíření pulsu v [ps], Dλ je koeficient chromatické disperze [
ps.km−1.nm−1 ] při střední vlnové délce zdroje λ, L je délka vlákna v [km] a ∆λ je šířka spektra zdroje záření v [nm]. Je nutné poznamenat, že velikost koeficientu chromatické disperze závisí na vlnové délce zdroje a může se výrazně lišit pro různé vlnové délky.
Rozklad spektra zdroje do dílčích spektrálních komponent
30
4.4 Měření chromatické disperze metodou měření fázového posuvu Pro měření velikosti chromatické disperze lze použít více metod, např.[3] •
metoda měření fázového posuvu AM modulace
•
metoda diference fázového posuvu nebo
•
metoda založená na měření AM odezvy, podobně jako v případě vidové disperze
Metoda založená na měření fázové posuvu využívá toho, že se měří rozdíl fáze AM modulovaného signálu při změně vlnové délky. Vychází se přitom z faktu, že koeficient chromatické disperze je matematicky definován vztahem
Dλ =
1dτ Ld λ
kde Dλ je koeficient chromatické disperze [ ps.km−1.nm−1 ] při střední vlnové délce zdroje λ, L je délka vlákna v [km] a τ je skupinová doba šíření modulovaného signálu v [s]. Při měření chromatické disperze metodou fázového posuvu se postupuje podle níže uvedeného obrázku. Použije se přeladitelný laser s úzkou šířkou spektra. Pro každou měřenou hodnotu disperze pro danou vlnovou délku λ se zdroj přeladí nejprve směrem k nižší vlnové délce λ − Δλ / 2 a potom k vyšší vlnové délce λ + Δλ / 2 a vždy se na AM obálce změří fáze ϕλ −Δλ / 2 a ϕλ +Δλ / 2 v [rad]. Následně se vypočte koeficient Dλ podle vztahu
Dλ = −
ϕλ +Δλ / 2 − ϕλ −Δλ / 2 12 10 2π f m LΔλ
kde fm je modulační frekvence v [Hz], L je délka vlákna v [km] a Δλ je změna vlnové délky v [nm]. Koeficient disperze je v tomto případě udáván v často používaných jednotkách [ps.km-1.nm-1].
31
Měření chromatické disperze metodou změny fáze
32
4.5 Závěrečný test 1. Útlum optické trasy se vyjadřuje v jednotkách
a) dB b) W c) km d) mW správné řešení: a
2. Sestupný skon na křivce OTDR značí v daném místě přítomnost
a) svaru dvou vláken b) konektoru c) silné ložisko rozptylu d) ohyb e) 2 správné řešení: a, d
3. Útlumy dílčích komponent v optickém řetezci se
a) násobí b) sčítají c) dělí d) integrují správné řešení: b
4. Měrný útlum vlákna se v praxi vyjadřuje v jednotkách
a) dB b) dB/km c) Np/km d) dBm/km správné řešení: b
33
5. Jaký je měrný útlum moderních jednovidových telekomunikačních vláken v okně 1550nm
a) 0,35 dB/km b) 0,2 dB c) 1 dB/km d) >2 dB správné řešení: b
6. Jak se jmenuje jev, který způsobuje zmenšení šířky propustného pásma optického vlákna
a) disperze b) rozptyl c) absorpce záření d) Ramanův jev správné řešení: a
7. Jaký typ disperze primárně souvisí se šířkou spektra optického zdroje záření
a) chromatická b) vidová c) polarizační d) profilová správné řešení: a
8. Jak se jmenuje parametr, kterým se kvantifikuje velikost odraženého signálu
a) útlum tlumení b) útlum rozptylu c) útlum výkonu d) útlum odrazu ORL správné řešení: d
34
9. Jaká je chyba měření vložného útlumu u prvku s přívodními vlákny opatřenými optickými konektory
a) 0,1 dB b) 3 dB c) plus/minus 0,3 dB d) 5 dB správné řešení: c
10. Jaká je chyba měření vložného útlumu u prvku s přírubovými optickými konektory
a) 0,2 dB b) 4 dB c) plus/minus 0,6 dB d) 8 dB správné řešení: c
11. Jak se jmenuej nejpřesnější metoda měření vložného útlumu
a) cutback b) hotback c) cutoff d) insertion loss správné řešení: a
12. Jak se jmenuje ve zkratce technika měřící odražený a rozptýlený výkon optického záření
a) OTDR b) TDR c) ETDR d) POTDR správné řešení: a
35
13. Je u metody OTDR principiálně nutné mít přístup k oběma koncům optického vlákna
a) ano, vždy b) ano, ale jen pokud se měření z jedné strany nedaří provést c) není d) jen pokud není k dispozici optická odpočnice správné řešení: c
14. Jaký typ budicího optického signálu používá OTDR přístroj pro měření
a) kontinuální v čase neměnný výkon b) vlnově rozmítaný, ale amplitudově konstantní signál c) periodický pulsní signál d) amplitudově modulovaný optický signál správné řešení: c
15. Co je z dále jmenovaných faktorů nejdůležitější pro funkci OTDR
a) Rayleigh rozptyl b) disperze vlákna c) polarizační vlastnosti vlákna d) nelineární vlastnosti vlákna správné řešení: a
16. Rayleightův roztyl je primárně
a) všesměrový b) jen dopředný c) zpětný d) boční správné řešení: a
36
17. Lineární úseky na křivce OTDR
a) představují velikost útlumu svaru b) představují odraz c) korespondují s měrným útlumem daného úseku vlákna d) nemají žádnou vypovídací hodnotu správné řešení: c
18. Špička na křivce OTDR značí v daném místě přítomnost
a) svaru dvou vláken b) konektoru c) silné ložisko rozptylu d) ohyb správné řešení: b
19. Šířka pásma se odečítá při poklesu přenosové funkce
a) o 3 dB b) o 1 dB c) o 6 dB d) o 12 dB správné řešení: a
20. U metody měření chromatické disperze změnou fáze se vyhodnocuje
a) změna fáze optického záření při změně frekvence modulace b) změna fáze sinusové amplitudové modulace po její detekci na detektoru c) změna frekvence optické nosné se změnou modulační frekvence d) změna polarizace záření jako důsledek modulace správné řešení: b
37
