´ Uloha ˇ c. 7 - Pˇ renosov´ e vlastnosti optick´ ych vl´ aken 1
Teoretick´ yu ´ vod
Optick´e vl´aknov´e vlnovody jsou d˚ uleˇzitou komponentou optick´ ych komunikaˇcn´ıch s´ıt´ı. Jejich nejv´ yznamnˇejˇs´ımi parametry jsou mˇern´ yu ´tlum a pˇrenosov´a kapacita, kter´a je omezen´a zejm´ena disperz´ı. C´ılem praktika je sezn´amit se s moˇznostmi mˇeˇren´ı d˚ uleˇzit´ ych charakteristik optick´ ych vl´aken a analyzovat vlivy, kter´e omezuj´ı pˇrenosov´e vlastnosti vlnovod˚ u. Pro u ´ˇcely mˇeˇren´ı u ´tlumu bude v r´amci praktika vyuˇz´ıv´ana metoda OTDR. Vidov´a disperze mnohovidov´eho vl´akna bude mˇeˇrena ve frekvenˇcn´ı oblasti pomoc´ı anal´ yzy pˇrenosu harmonick´ ych sign´al˚ u.
OTDR - Optical Time Domain Reflectometry Mˇeˇren´ı parametr˚ u optick´ ych vl´aken metodou zpˇetn´eho rozptylu pˇredstavuje v souˇcasnosti velmi d˚ uleˇzit´ y n´astroj pro zajiˇst’ov´an´ı spolehliv´eho provozu a u ´drˇzby pˇrenosov´ ych syst´em˚ u s optick´ ymi vl´akny. Metoda zpˇetn´eho rozptylu, naz´ yvan´a tak´e optick´a reflektometrie (OTDR), je metoda zaloˇzen´a na mˇeˇren´ı optick´eho v´ ykonu, kter´ y je rozpt´ ylen resp. odraˇzen v r˚ uzn´ ych bodech vl´akna zpˇet ke vstupn´ımu ˇcelu vl´akna. Mˇeˇr´ıc´ı pˇr´ıstroj vys´ıl´a do vl´akna pˇr´ısluˇsn´ y sign´al a mˇeˇr´ı zpˇetnˇe rozpt´ ylenou resp. odraˇzenou energii v z´avislosti na ˇcase. Ze zn´am´e rychlosti ˇs´ıˇren´ı potom urˇc´ı polohu dan´eho rozptylov´eho centra. Z podstaty vypl´ yv´a, ˇze touto metodou je moˇzn´e mˇeˇrit u ´tlum vl´akna, analyzovat u ´tlum jak v cel´e d´elce, tak i v jednotliv´ ych u ´sec´ıch, zjiˇst’ovat pod´elnou homogenitu vl´akna, u ´tlum sv´ar˚ u a konektor˚ u, d´elku vl´akna a z´aroveˇ n i lokalizovat poruchy. OTDR se pouˇz´ıv´a rovnˇeˇz ke zjiˇst’ov´an´ı optick´e kontinuity trasy. Z´akladn´ımi fyzik´aln´ımi procesy, kter´e umoˇzn ˇuj´ı fungov´an´ı metody jsou Rayleigh˚ uv rozptyl a Fresnel˚ uv odraz. K Rayleighovˇe rozptylu doch´az´ı po cel´e d´elce vl´akna a je proto moˇzn´e mˇeˇrit jeho u ´tlum spojitˇe i v u ´sec´ıch, kde se nevyskytuj´ı ˇz´adn´e makroskopick´e neˇcistoty, resp. poruchy. K Fresnelovˇe odrazu doch´az´ı v m´ıstech se skokovou zmˇenou indexu lomu jako jsou sv´ary, konektory, konec vl´akna, apod. Pro vyuˇzit´ı OTDR v technick´e praxi existuje v souˇcasn´e dobˇe ˇrada r˚ uznˇe dokonal´ ych mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u. Pˇrev´aˇznou vˇetˇsinou pˇr´ıstroj˚ u OTDR lze mˇeˇrit n´asleduj´ıc´ı parametry:
celkov´ yu ´tlum trasy d´elka trasy kontinuita tras pro ovˇeˇren´ı spr´avnosti mont´aˇze optick´e trasy a optick´ ych rozvadˇeˇc˚ u nehomogenita vl´aken u ´tlum (zpˇetn´ y odraz) vˇsech sv´ar˚ u a spojek mˇern´ yu ´tlum vˇsech vl´aken jednotliv´ ych kabelov´ ych d´elek trasy
Blokov´e sch´ema metody je na obr´azku 1. Pro matematickou z´avislost detekovan´eho v´ ykonu rozpt´ ylen´eho ve vl´aknˇe plat´ı: 1 (1) Pb (z) = P0 ∆tSαR e−2αz , 2 kde P0 je nav´azan´ y v´ ykon, Pb mˇeˇren´ y (detekovan´ y) v´ ykon, ∆t je ˇs´ıˇrka pulsu, S je koeficient zpˇetn´eho rozptylu, αR je ztr´ata rozptylem, z je vzd´alenost (km) a α jsou ztr´aty (dB/km). Koeficient zpˇetn´eho rozptylu S z´avis´ı na materi´alov´ ych vlastnostech (ˇcistotˇe a homogenitˇe vl´akna), geometrick´em proveden´ı (pr˚ umˇeru vidov´eho pole) optick´eho vl´akna, ale tak´e na parametrech mˇeˇr´ıc´ıho impulsu (spektr´aln´ı ˇs´ıˇrce). Pro orientaci se hodnota S pohybuje pro jednovidov´a (SM) vl´akna okolo S ≈ =50dB, pro mnohovidov´a (MM) okolo S ≈ =23dB. V´ yhodou t´eto metody mˇeˇren´ı je jej´ı relativn´ı jednoduchost a moˇznost monitorovat pr˚ ubˇeh (profil) nehomogenit v cel´e
1
optický pulz laserová dioda
dělič svazku
OTDR port
optické vlákno
odražený (rozptýlený) signál se vrací do OTDR generátor pulzů
fotodetektor
A/D konvertor
mikroprocesor
zobrazení
Obr´azek 1: Blokov´e schema OTDR.
d´elce mˇeˇren´ı vˇcetnˇe lokalizace poruchy. Nev´ yhodou jsou vysok´e poˇrizovac´ı n´aklady a nutnost mˇeˇrit z obou stran vl´akna. Pro vyj´adˇren´ı ztr´aty resp. u ´tlumu vˇetˇsinou nevyuˇz´ıvame jednotky v´ ykonu, ale jednotky dB, kdy ztr´ata, resp. u ´tlum mezi body 1 a 2 jsou definov´any jako A = 10.log
P1 [dB]. P2
(2)
Ztr´ata je tedy definov´ana jako kladn´a veliˇcina. V pˇr´ıpadˇe odrazu od sv´aru, spojky, resp. konce vl´akna definujeme reflexi jako Pr R = 10.log [dB], (3) Pi kde Pi a Pr jsou dopadaj´ıc´ı, resp. odraˇzen´ y v´ ykon. Odraz je tedy z´aporn´ y, pˇriˇcemˇz menˇs´ı ˇc´ıslo v dB znaˇc´ı menˇs´ı reflexi. Pˇr´ıstroje OTDR lze charakterizovat nˇekolika parametry, kter´e ud´avaj´ı moˇznosti mˇeˇren´ı pomoc´ı dan´eho zaˇr´ızen´ı. Mezi nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı z nich patˇr´ı:
D´elkov´ a pˇresnost - Pˇresnost mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıstroje z´avis´ı na pˇresnosti zadan´e hodnoty indexu lomu vl´akna (hodnota by mˇela b´ yt zad´ana s pˇresnost´ı alespoˇ n 10−3 ), pˇresnost´ı ˇcasov´e z´akladny a samotn´e chybˇe zp˚ usoben´e mˇeˇren´ım rozptylu. Vzd´alenost d je urˇcena vztahem d=
ct , n2
(4)
kde c je rychlost svˇetla, n index lomu vl´akna a t je ˇcasov´ y interval, kter´ y ubˇehne od vysl´an´ı sign´alu k jeho pˇrijet´ı.
Linearita (pˇresnost mˇeˇren´ı u ´tlumu) - Ud´av´a schopnost pˇr´ıstroje zachovat pˇr´ımoˇcar´ y pr˚ ubˇeh u ´tlumu mˇeˇren´eho vl´akna s line´arn´ı z´avislost´ı u ´tlumu na d´elce a nezkreslovat ho pˇr´ıdavn´ ym zakˇriven´ım. Dynamick´y, resp. mˇeˇric´ı rozsah - Tento rozsah vypov´ıd´a o maxim´aln´ı hodnotˇe u ´tlumu mˇeˇren´e trasy pˇri urˇcit´e pˇresnosti mˇeˇren´ı poruchy bl´ızko jej´ıho konce. Mrtv´ a z´ ona - D´elka mrtv´e z´ony z´avis´ı na pouˇzit´e ˇs´ıˇrce impulsu, velikosti odrazu poruchy, proveden´ı detekˇcn´ı ˇc´asti pˇr´ıstroje a na pouˇzit´em algoritmu anal´ yzy. Rozliˇsuj´ı se dvˇe mrtv´e z´ony, a to identifikaˇcn´ı mrtv´a z´ona (event dead zone), kter´a ud´av´a nejmenˇs´ı vzd´alenost dvou odrazn´ ych poruch, pˇri kter´e lze poruchu bezpeˇcnˇe rozliˇsit, a d´ale u ´tlumov´a mrtv´a z´ ona 2
(attenuation dead zone), kter´a charakterizuje vzd´alenost za poruchou s urˇcitou velikost´ı odrazu, kde nelze spolehlivˇe mˇeˇrit u ´tlum vl´akna. Podstatou existence mrtv´ ych z´on je saturace detektoru na jistou dobu po pˇrijet´ı intenzivn´ıho sign´alu vˇetˇsinou zp˚ usoben´eho odrazem. Velikost mrtv´e z´ony lze ovlivnit volbou d´elky pulzu.
Vlnov´ a d´elka pouˇzit´eho z´ aˇren´ı - vˇetˇsina pˇr´ıstroj˚ u umoˇzn ˇuje mˇeˇrit na v´ıce typick´ ych komunikaˇcn´ıch vlnov´ ych d´elk´ach, kter´e byly zvoleny s ohledem na minima u ´tlumu a disperze pouˇz´ıvan´ ych materi´alu pro v´ yrobu vl´aken. Jedn´a se zejm´ena o vlnov´e d´elky 1310nm a 1550nm.
OTDR signál (dB)
Typick´ y v´ ystup z mˇeˇren´ı pomoc´ı OTDR je zobrazen na obr´azku 2. odraz zdánlivé zesílení od vstupního (větší půměr pole) změna podélného čela vlákna útlumu, průměru Fresnelův odraz vidového pole na konektoru mnohonásobný odraz vlivem nesprávné volby délkového rozsahu konec vlákna
bodová porucha (svár, defekt struktury)
šum fluktuace vlnovodu, polarizační efekty, chyby přístroje délka (km)
Obr´azek 2: Pr´ıklad mˇeˇren´ı optick´e trasy pomoc´ı OTDR. Na obr´azku jsou demonstrov´any projevy nˇekter´ych z´akladn´ıch souˇc´ast´ı optick´e trasy.
Mˇ eˇ ren´ı disperzn´ıch vlastnost´ı vlnovod˚ u Pˇrenosov´e vlastnosti optick´ ych vl´aken jsou z´asadnˇe ovlivnˇeny disperz´ı. Disperze ovlivˇ nuje ˇcasov´e rozˇs´ıˇren´ı pˇren´aˇsen´ ych pulz˚ u a t´ım limituje pˇrenosovou kapacitu vl´akna. Disperze ve vl´aknech m˚ uˇze b´ yt zp˚ usobena r˚ uzn´ ymi faktory, podle nich rozliˇsujeme:
vidovou disperzi, chromatickou disperzi (materi´alov´a + vlnovodov´a), polarizaˇcn´ı disperzi.
Zat´ımco chromatick´a a polarizaˇcn´ı disperze se v principu vyskytuj´ı u vˇsech vlnovod˚ u (jednovidov´ ych i mnohovidov´ ych), vidov´a disperze je dom´enou mnohovidov´ ych vlnovod˚ u. Vzhledem k tomu, ˇze jej´ı vliv je vˇetˇsinou ˇr´adovˇe vˇetˇs´ı neˇz vliv chromatick´e a polarizaˇcn´ı disperze, je vidov´ a disperze pro mnohovidov´e vl´akna dominantn´ım faktorem limituj´ıc´ım pˇrenosovou charakteristiku. Omezen´ı ˇs´ıˇrky p´asma mnohovidov´ ych vlnovod˚ u je tak zp˚ usobeno r˚ uznou skupinovou rychlosti veden´ ych vid˚ u. Vyˇsˇs´ı vidy maj´ı menˇs´ı konstantu ˇs´ıˇren´ı a ˇs´ıˇr´ı se pomaleji. Pˇrivedeme-li na vstup vlnovodu ˇcasov´ y impulz, ˇs´ıˇr´ı se vlnovodem rozloˇzen do mnoha vid˚ u a d´ıky jejich nestejn´e rychlosti ˇs´ıˇren´ı doch´az´ı k jeho deformaci. Ve frekvenˇcn´ı oblasti m˚ uˇzeme vidovou disperzi interpretovat jako zmenˇsen´ı ˇs´ıˇrky pˇrenosov´eho p´asma. Vidovou disperzi lze znaˇcnˇe potlaˇcit vhodnou volbou profilu indexu lomu ve vl´aknˇe. Vyˇsˇs´ı vidy, kter´e maj´ı menˇs´ı konstantu ˇs´ıˇren´ı maj´ı oproti niˇzˇs´ım vid˚ um vˇetˇs´ı ˇc´ast svoj´ı energie rozloˇzenou mimo osu vl´akna. Sn´ıˇzen´ım indexu lomu vl´akna na kraj´ıch tedy m˚ uˇzeme kompenzovat rozd´ıl v rychlosti ˇs´ıˇren´ı vid˚ u. Tento efekt je podstatou tzv. gradientn´ıch vl´aken, kter´e maj´ı potlaˇcenou vidovou disperzi a t´ım dosahuj´ı dostateˇcn´e ˇs´ıˇrky pˇrenosov´eho p´asma. 3
U vlnovod˚ u jednovidov´ ych jsou pˇrenosov´e vlastnosti ovlivnˇeny chromatickou disperz´ı a pˇr´ıpadnˇe disperz´ı polarizaˇcn´ı. Rozˇs´ıˇren´ı impulzu je v pˇr´ıpadˇe chromatick´e disperze zp˚ usobeno z´avislost´ı rychlosti ˇs´ıˇren´ı optick´e vlny na vlnov´e d´elce a tedy na ˇs´ıˇrce spektr´aln´ı ˇc´ary zdroje. Chromatick´a disperze je tvoˇrena dvˇema sloˇzkami. Prvn´ı sloˇzka, tzv. materi´alov´a disperze souvis´ı se z´avislost´ı indexu lomu (jako materi´alov´eho parametru) na vlnov´e d´elce, druh´a sloˇzka, tzv. vlnovodov´a disperze pak souvis´ı s pˇr´ıˇcnou geometri´ı vlnovodu a profilem indexu lomu. I kdyˇz se vl´aknem ˇs´ıˇr´ı pouze jeden vid, je jeho rozloˇzen´ı pole z´avisl´e na vlnov´e d´elce. Proto pro r˚ uzn´e vlnov´e d´elky je pod´ıl energie ˇs´ıˇren´e j´adrem a pl´aˇstˇem r˚ uzn´ y a liˇs´ı se i konstanty ˇs´ıˇren´ı. Chromatick´a disperze se m˚ uˇze, jak jiˇz bylo ˇreˇceno, projevit i u vlnovod˚ u mnohovidov´ ych. A nakonec v obecn´em jednovidov´em vlnovodu se mohou ˇs´ıˇrit dvˇe ortogon´aln´ı sloˇzky vidu, kter´e si m˚ uˇzeme pˇredstavit jako dva skuteˇcn´e ortogon´ aln´ı vidy. R˚ uzn´a rychlost ˇs´ıˇren´ı tˇechto vid˚ u vede opˇet k rozˇs´ıˇren´ı impulsu - polarizaˇcn´ı disperzi a t´ım k omezen´ı pˇrenosov´e kapacity. Mˇeˇren´ı vˇsech druh˚ u disperze lze principi´alnˇe prov´adˇet v ˇcasov´e oblasti ze zmˇeny tvaru impulsu nebo v oblasti frekvenˇcn´ı, kde se mˇeˇr´ı ˇs´ıˇrka pˇren´aˇsen´eho p´asma pˇri definovan´e d´elce vlnovodu. Mˇeˇren´ı mal´ ych hodnot disperze klade znaˇcn´e n´aroky na vybaven´ı. V u ´loze se proto omez´ıme na mˇeˇren´ı mezividov´e disperze celoplastov´eho vl´aknov´eho optick´eho vlnovodu ve frekvenˇcn´ı oblasti. Mˇ eˇ ren´ı mezividov´ e disperze ve frekvenˇ cn´ı oblasti Z´akladn´ı sestava pracoviˇstˇe pro mˇeˇren´ı ve frekvenˇcn´ı oblasti je na obr´azku 3. Zdrojem optick´eho pulzní generátor METEX MXG-9810
řídící zdroj LDC210
laserová dioda
fotodetektor
osciloskop
termoregulační jednotka TED200
Obr´azek 3: Blokov´e schema zaˇr´ızen´ı pro mˇeˇren´ı disperzn´ıch vlastnost´ı optick´ych vl´aken.
sign´alu je laserov´a dioda ˇr´ızen´a gener´atorem pulz˚ u, kter´ y umoˇzn ˇuje vytv´aˇret harmonick´e i neharmonick´e (pravo´ uhl´e pulzy, troj´ uhlen´ıkov´ y profil, ...) sign´aly ve frekvenˇcn´ım p´asmu od 1Hz do 10MHz. Sign´al z diody je naveden do vl´akna a na jeho druh´em konci pˇriveden k fotodetektoru pˇripojen´emu k digit´aln´ımu osciloskopu. Sestava umoˇzn ˇuje mˇenit charakter sign´alu na vstupu a souˇcasnˇe pozorovat vliv pˇrenosu syst´emem na jeho v´ ystup. Bohuˇzel, jak lze snadno experiment´alnˇe uk´azat, sign´al je znaˇcnˇe ovlivnˇen jiˇz samotn´ ym vys´ılaˇcem a detektorem, kdy doch´ az´ı k jeho deformaci oproti ˇr´ıd´ıc´ımu napˇet’ov´emu sign´alu z gener´atoru i bez pˇr´ıtomnosti optick´eho vl´akna. Proto je nutn´e vliv tˇechto souˇc´ast´ı eliminovat dalˇs´ım mˇeˇren´ım. Pˇredpokl´adejme, ˇze se cel´ y syst´em chov´a jako line´arn´ı pˇrenosov´a soustava1 , kde pro pˇrenos napˇet’ov´ ych sign´al˚ u plat´ı: uo (t) = L {ui (t0 )},
(5)
kde L je line´arn´ı oper´ator popisuj´ıc´ı chov´an´ı syst´emu. Necht’ je d´ale tento syst´em tzv. ˇcasovˇe invariantn´ı, tedy jeho odezva nen´ı z´avisl´a na absolutn´ı poloze impulzu v ˇcase, coˇz lze matematicky 1
Pro zajiˇstˇen´ı linearity je nutn´e spr´ avnˇe zvolit intenzitu sign´ alu na vstupu, velikost stejnosmˇern´eho offsetu sign´ alu a tak´e nastavit spr´ avnˇe detekˇcn´ı ˇc´ ast syst´emu. Vzhledem k z´ avislosti v´ ykonu laserov´e diody na teplotˇe je nutn´e spr´ avnˇe stabilizovat teplotu pomoc´ı termoregulaˇcn´ı jednotky tak, aby nedoˇslo k ovlivnˇen´ı mˇeˇren´ı.
4
zapsat jako:
uo (t + ∆t) = L {ui (t0 + ∆t)}.
(6)
Potom lze zav´est tzv. impulzn´ı odezvu syst´emu h jako odezvu na jednotkov´ y impulz vztahem h(t) = L {δ(t0 )}.
(7)
Pro pˇrenos obecn´eho sign´alu potom plat´ı uo (t) = ui ∗ h,
(8)
Uo (f ) = Ui (f )H (f ),
(9)
resp. ve spektr´aln´ı dom´enˇe kde H (f ) = F T {h(t)} je pˇrenosov´a funkce syst´emu, ∗ oznaˇcuje operaci konvoluce a F T Fourierovu transformaci. Pokud sign´al proch´az´ı nˇekolika za sebou ˇrazen´ ymi syst´emy s pˇrenosov´ ymi funkcemi H1 , H2 , ...HN , plat´ı Uo (f ) = Ui (f )H1 (f )H2 (f )...HN (f ),
(10)
uo (t) = ui ∗ h1 ∗ h2 ∗ ... ∗ hN .
(11)
resp. Pokud tedy syst´em sest´av´a z diody, mˇeˇren´eho vl´akna a detektoru s pˇrenosov´ ymi funkcemi HS , HF a HD , plat´ı pˇri kalibraˇcn´ım mˇeˇren´ı (bez mˇeˇren´eho vl´akna pouze s kr´atk´ ym kalibraˇcn´ım vl´aknem) Uo1 (f ) = Ui (f )HS (f )HD (f ) (12) a pˇri mˇeˇren´ı s mˇeˇren´ ym (dlouh´ ym) vl´aknem Uo2 (f ) = Ui (f )HS (f )HD (f )HF (f ).
(13)
Pˇredpokl´adejme, ˇze do syst´emu pˇrivedeme harmonick´ y napˇet’ov´ y sign´al ui (t) = Ui e2πifi t s frekvenc´ı fi a amplitoudou Ui . Potom hodnotu pˇrenosov´e funkce vl´akna na dan´e frekvenci fi spoˇcteme jako Uo2 (fi ) , (14) HF (fi ) = Uo1 (fi ) tedy z pomˇeru amplitud jednotliv´ ych sign´al˚ u na v´ ystupu. Pokud chceme z´ıskat celou funkci HF (f ), mus´ıme mˇeˇren´ı prov´est postupnˇe pro cel´e frekvenˇcn´ı spektrum. Ze zalosti pˇrenosov´e funkce syst´emu lze tedy spoˇc´ıtat pˇrenos libovoln´eho sign´alu pˇriveden´eho na vstup syst´emu. Pro zjednoduˇsenou charakterizaci pˇrenosov´ ych vlastnost´ı se ˇcasto zav´ad´ı tzv. ˇs´ıˇrka pˇrenosov´eho p´asma vlnovodu B = f3dB L [MHz.m],
(15)
kde f3dB je frekvence, pˇri kter´e poklesne pˇrenosov´a charakteristika o 3dB (tedy na jednu polovinu maxima) a L je d´elka mˇeˇren´eho u ´seku vlnovodu.
2
Zad´ an´ı u ´ lohy
C´ıle u ´ lohy C´ılem u ´lohy je sezn´amit se se z´akladn´ımi vlnovodn´ ymi vlastnostmi optick´ ych vl´aken jako jsou u ´tlum a pˇrenosov´a charakteristika. Bude provedeno mˇeˇren´ı vl´aknov´e soustavy pomoc´ı metody OTDR a mˇeˇren´ı pˇrenosov´e charakteristiky vl´akna se zamˇeˇren´ım se na vliv vidov´e disperze. C´ılem je rovnˇeˇz pochopen´ı r˚ uzn´ ych disperzn´ıch proces˚ u ve vl´aknech a jejich vlivu na pˇrenosov´ y proces. 5
Pom˚ ucky sada optick´ ych vl´aken r˚ uzn´ ych d´elek s r˚ uzn´ ymi konektory a spojkami, OTDR - EXFO FTB-200, laserov´a dioda 650nm/5mW s ˇr´ıd´ıc´ım zdrojem LDC210 a termoregulaˇcn´ı jednotkou TED200, pulzn´ı gener´ator METEX MXG-9810, fotodioda, digit´aln´ı osciloskop Tektronix, konektory a u ´tlumov´e ˇcleny, PC, software
Postup mˇ eˇ ren´ı 1. Mˇeˇren´ı pomoc´ı OTDR. (a) Seznamte se se z´akladn´ımi parametry mˇeˇric´ıch pˇr´ıstroj˚ u OTDR. Pˇripravte pracoviˇstˇe pro mˇeˇren´ı u ´kol˚ u. Pˇr´ıklad uspoˇr´ad´an´ı je na obr´azku 4. K OTDR pˇripojte pˇredˇradn´e propojovac´ı vl´akno, pomoc´ı kter´eho budete pˇripojovat mˇeˇren´a vl´akna. Nastavte z´akladn´ı parametry mˇeˇr´ıc´ıho pˇr´ıstroje (d´elku pulsu, d´elkov´ y rozsah, pr˚ umˇerov´an´ı sign´alu). Pˇri pr´ac´ı s vl´akny dbejte na ˇcistotu konektor˚ u, kter´a z´asadnˇe ovlivˇ nuje optick´e ztr´aty.
Obr´azek 4: Experiment´aln´ı uspoˇr´ad´an´ı pro mˇeˇren´ı pomoc´ı OTDR. Mˇeˇren´e vl´akno je pˇripojen´e k pˇr´ıstroji pomoc´ı propojovac´ıho vl´akna.
(b) Zmˇeˇrte hodnoty u ´tlumu zvolen´eho syst´emu vl´aken podle instrukc´ı vyuˇcuj´ıc´ıho. Pˇripojte mˇeˇren´e vl´akno a OTDR nastavte tak, aby zobrazoval zpˇetnˇe rozpt´ ylen´ y sign´ al z mˇeˇren´eho vl´akna. Pokud je poˇzadovan´a vˇetˇs´ı rozliˇsovac´ı schopnost, je moˇzn´e poˇzadovan´ yu ´sek zobrazit ve vˇetˇs´ım mˇeˇr´ıtku. Proved’te manu´aln´ı odeˇcten´ı hodnot mˇern´eho u ´tlumu vˇsech ˇc´ast´ı trasy a tak´e odeˇcten´ı u ´ tlumu a odrazu vˇsech sv´ar˚ u a konektor˚ u. V´ ysledky porovnejte s automatick´ ym zpracov´an´ım, kter´e provedl pˇr´ıstroj. Vˇsechna mˇeˇren´ı a vyhodnocen´ı proved’te na obou vlnov´ ych d´elkach 1310nm a 1550nm. Mˇeˇren´ı proved’te z obou stran. Prozkoumejte moˇznosti volby metody mˇeˇren´ı a srovnejte jednotliv´e pˇr´ıstupy. (c) Zmˇeˇrte d´elku vl´akna (kabelu). Pˇri re´aln´em mˇeˇren´ı d´elky kabelu optick´ ym reflektometrem v ter´enu je d˚ uleˇzit´e pamatovat na to, ˇze v d˚ usledku struktury kabelu m´a vl´akno vˇetˇs´ı d´elku neˇz kabel (d˚ usledek taˇzen´ı a pokl´adky kabel˚ u). Pro lokalizaci poruch je uˇziteˇcn´ y tzv. kabelov´ y faktor, kter´ y ud´av´a, jak je dlouh´e vl´akno na d´elku kabelu. Kabelov´ y faktor je definov´an jako pomˇer d´elky kabelu ke skuteˇcn´e d´elce vl´akna KF =
lkabel . lvlakno
(16)
Jedn´a se o bezrozmˇernou veliˇcinu menˇs´ı neˇz jedna. M´ısto poruchy v kabelu je potom moˇzn´e snadno lokalizovat v´ ypoˇctem ze z´ıskan´e d´elky vl´akna vyn´asoben´e kabelov´ ym faktorem. Mˇeˇrte z obout stran vl´akna. Mˇeˇren´ı opakujte pro obˇe vlnov´e d´elky (1310nm a 1550nm). (d) Vybranou optickou trasu uloˇzte a zpracujte pomoc´ı software EXFO OTDR VIEWER, kter´ y je souˇcast´ı bal´ıku ZPOP 07 software.zip na serveru optics.fjfi.cvut.cz. (e) Zmˇeˇrte u ´tlum a odraz r˚ uzn´ ych typ˚ u konektor˚ u. Demonstrujte vliv d´elky pulzu na viditelnost bl´ızk´ ych poruch (pouˇzijte syst´em kr´atk´ ych vl´aken um´ıstˇen´ ych nˇekde v pr˚ ubˇehu optick´e trasy. (f) Demonstrujte vliv nespr´avn´e volby d´elkov´eho rozsahu pˇr´ıstroje (pˇr´ıtomnost v´ıcen´ asobn´ ych odraz˚ u). 6
2. Mˇeˇren´ı mezividov´e disperze ve frekvenˇcn´ı oblasti (a) Seznamte se v r´amci pˇr´ıpravy na mˇeˇren´ı s programy v syst´emu Matlab pro ˇr´ızen´ı experimentu. Funkce harmonic.m prov´ad´ı mˇeˇren´ı pˇrenosov´e charakteristiky bod po bodˇe z pˇrenosu harmonick´ ych sign´al˚ u r˚ uzn´ ych frekvenc´ı. Funkce je souˇc´ast´ı softwarov´eho bal´ıku ZPOP 07 software.zip na serveru optics.fjfi.cvut.cz. (b) Sestavte experiment podle uspoˇr´ad´an´ı na obr´azku 3. Seznamte se s funkc´ı laserov´e diody s ˇr´ızen´ım a termoregulac´ı, frekvenˇcn´ıho gener´atoru a digit´aln´ıho osciloskopu. (c) Proved’te mˇeˇren´ı pˇrenosov´e funkce ve frekvenˇcn´ı oblasti. Spustˇete funkci harmonic.m v prostˇred´ı Matlab a pokraˇcujte podle instrukc´ı programu. Na pulzn´ım gener´atoru nastavte pˇr´ısluˇsn´ y harmonick´ y sign´al, vylad’te osciloskop, pozastavte sign´al na osciloskopu a proved’te mˇeˇren´ı. Postup opakujte pro r˚ uzn´e frekvence harmonick´eho sign´alu v rozmez´ı od 0Hz do 200kHz. Mˇeˇren´ı proved’te podle instrukc´ı nejdˇr´ıve pro kalibraˇcn´ı vl´akno a posl´eze pro vl´akno mˇeˇren´e. Software automaticky provede zpracov´an´ı a vykresl´ı pˇrenosovou funkci. V´ ysledky uloˇzte. (d) Proved’te mˇeˇren´ı pˇrenosu pravouhl´eho pulzu. Zvolte vhodnou d´elku vstupn´ıho pulzu a zmˇeˇrte sign´al na v´ ystupu po pr˚ uchodu mˇeˇren´ ym vl´aknem. Vylad’te osciloskop, pozastavte jeho obraz a proved’te mˇeˇren´ı. Opakujte pro kalibraˇcn´ı a mˇeˇren´e vl´ akno. V´ ysledky uloˇzte (Pouˇzijte funkci pulse.m, kter´a umoˇzn ˇuje vyˇc´ıtat informaci z osciloskopu s potˇrebn´ ymi parametry).
3
Poˇ zadovan´ e v´ ysledky
Po proveden´ı experimentu na z´akladˇe uveden´eho postupu sepiˇste protokol o mˇeˇren´ı. Protokol mus´ı mimo jin´e obsahovat n´asleduj´ıc´ı u ´daje: 1. Namˇeˇren´e hodnoty u ´tlumu a mˇern´eho u ´tlumu vl´akna, u ´tlumu a odrazu konektoru a zpraysledky vˇsech cov´an´ı vybran´e trasy pomoc´ı software EXFO OTDR VIEWER. Uved’te v´ mˇeˇren´ı (pro r˚ uzn´e vlnov´e d´elky, atd.) 2. Pˇrenosovou funkci plastov´eho mnohovidov´eho vl´akna zmˇeˇrenou ve frekvenˇcn´ı oblasti. Uved’te rovnˇeˇz d´ılˇc´ı v´ ysledky pro kalibraˇcn´ı syst´em, atd. 3. Namˇeˇren´ y pˇrenos pravouhl´eho pulzu. 4. Proved’te diskuzi v´ ysledk˚ u. Pro pˇrenosovou funkci z bodu 2 vypoˇc´ıtejte ˇs´ıˇrku pˇrenosov´eho p´asma vlnovodu.
7
