Navazování optických vláken

Transkript

1 UNIVEZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA KATEDRA OPTIKY Navazování optických vláken Connection of optical fibers Autor práce: Vedoucí práce: Studijní obor: Karel Pudil Doc. RNDr. Richard Horák, CSc. bakalářské studium Optika a optoelektronika Datum odevzdání: 16. května 2011

2 Abstrakt V práci je popsáno šíření paprsku optickým vláknem, ztráty ve vláknech, různé způsoby navazování optických vláken, jejich použití a vlastnosti. Dále jsou zde uvedeny chyby vzniklé na spojích. V práci jsou uvedeny výsledky měření jednotlivých typů spojů měřených metodou zpětného odrazu a metodou vložených ztrát. Klíčová slova: Navazování vláken, ztráty, zpětný odraz, vložené ztráty. Abstract The work describes the propagation of a beam in optical fiber, fiber losses, different methods of coupling, their uses and properties. There are also the errors caused from the connections. In work are the results of measurements of different types of connection measured by the method of back reflection and method of inserted losses. Key words: Coupling of optical fibers, losses, back reflection, insert loss.

3 Prohlášení: Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Navazování optických vláken vypracoval samostatně pod vedením školitele doc. RNDr. Richarda Horáka, CSc. s použitím citovaných zdrojů.... Podpis autora Poděkování: Tímto bych chtěl poděkovat vedoucímu bakalářské práce, Doc. RNDr. Richardu Horákovi, CSc. za vedení a pomoc při přípravě práce. Zároveň bych chtěl poděkovat Mgr. Vlastimilu Hliněnému, který mi poskytl praktické rady a technické zázemí, bez kterého by tato práce nevznikla.... Podpis autora

4 Obsah Úvod Optická vlákna Výroba optických vláken Výroba preformy Klasická technologie Technologie OVD (Outside vapour deposition) Technologie VAD (Vapour axial deposition) Technologie MCVD (Modified chemical vapour deposition) Technologie PCVD (Plasma-activated chemical vapour deposition) Tažení vlákna Výroba pomocí dvojitého kelímku Rozdělení a vlastnosti optických vláken Vlákna se skokovou změnou indexu lomu Jednomodová vlákna Gradientní vlákna Ztráty v optických vláknech Ohybové ztráty Rozptylové ztráty Absoprční ztráty Disperzní ztráty Navazování do vláken Navazování vláken Vazební ztráty Stálé spoje Podmínečně rozebíratelné spoje Rozebíratelné spoje Rozdělení brusu ferulí Rozdělení konektorů Vlastní měření Metoda vložených ztrát Popis měření Výsledky měření Metoda zpětného odrazu (OTDR)... 39

5 7.2.1 Popis měření Výsledky měření Závěr Literatura... 50

6 Úvod Bakalářská práce slouží jako stručný přehled o problematice navazování optických vláken v telekomunikačních technologiích. V úvodu práce je popsáno optické vlákno, jeho vlastnosti, použití a výroba. V dalších kapitolách je uvedeno rozdělení spolu s odvozením klíčových parametrů, na které je navázáno popisem ztrát v optických vláknech. V druhé části práce popisuji způsoby navázání paprsku, rozdělení spojů a jednotlivé typy ztrát vzniklé při navázání. V závěru práce jsou uvedeny výsledky vlastního měření, které jsou porovnány s výsledky udanými výrobcem. Práci jsem si vybral, neboť se v dnešní době jedná o odvětví, které se velice rychle rozvíjí a má velké úspěchy v telekomunikační technice. Optická vlákna se používají v zabezpečených bankovních přenosech a při přenosu vysokokapacitních dat. 1

7 1. Optická vlákna Optické vlákno je kruhový dielektrický vlnovod. Zhotovený nečastěji z křemíkového materiálu obohaceného o dopant jako je germanium, titan, flór. Je tvořen jádrem, které vede záření a pláštěm, který má nepatrně nižší index lomu, zajišťujícím, aby záření zůstalo uvnitř vlnovodu. Ke konstrukci se používají materiály, vysoké kvality. Stávající hodnoty čistoty materiálu uvádí, že na 10 9 částic křemíkového skla připadá jedna částice Cr 3+, Cu 2+, Fe 2+, nebo OH -. Současně používaná optická vlákna mají útlum 0.16 db/km [1] (například při použití klasického skla by se hodnoty útlumu pohybovaly kolem db/km). Útlum optického vlákna závisí také na použité vlnové délce, pro kterou je vlákno vyrobeno. Používané vlnové délky jsou: 650 nm a 850 nm (lokální počítačové sítě), nm (pro přenos informací v páteřních sítích). Pro WDM (Wavelength Division Multiplexing) se výhradně používá jednomodové vlákno s pracovní vlnovou délkou nm nebo nm. Optická vlákna se začala používat, neboť se s nimi dosahují větší přenosové rychlosti. Jsou méně náchylné na elektromagnetické rušení a jejich cena je mnohem menší než cena měděných kabelů. 2

8 2 Výroba optických vláken K výrobě optických vláken se používají sklovité struktury a plastové monokrystalické materiály, které jsou dotovány, aby se upravil index lomu. Nejprve se připraví vysoce kvalitní prášek, který se umístí do platinového kelímku a poté je kelímek zahřán vysokofrekvenčním indukčním ohřevem na teplotu C. V dalším kroku taveninou probublává předehřátý vysoušecí plyn, který na sebe váže OH - ionty. Následuje odlití taveniny do tyčí tzv. preforem, které jsou dále použity k výrobě optických vláken. Délka se pohybuje od třiceti centimetrů do několika metrů a průměr od jednoho do pěti centimetrů. Z některých preforem se dá vytáhnout vlákno o délce až několik set kilometrů [2]. Obr. 2: Preforma optického vlákna [3]. 2.1 Výroba preformy Klasická technologie Někdy je tato technologie známá pod názvem tyčka v trubce. Jedná se o jednoduchou tažnou technologii, která umožňuje vyrábět pouze vlákna se skokovým indexem lomu. Preforma je složená ze dvou částí. Vnitřní část tvoří válec o indexu lomu jádra, venkovní část tvoří dutá tyč o indexu lomu pláště. Válec se umístí do duté tyče a jako celek se preforma nechá zapéct. Jedná se o poměrně levnou technologii, kterou nelze dosáhnout malých útlumů, neboť zde není řízené rozhraní mezi jádrem a pláštěm Technologie OVD (Outside vapour deposition) Princip spočívá v horizontálním nanášení topného plynu (nejčastěji se jedná o vodík nebo metan) obohaceného o SiCl 4 a GeCl 4 na nosný prvek, který se otáčí kolem své osy. Po ukončení depozice je preforma umístěna do pícky, kde je vysoušecí plyn, který na sebe váže OH - ionty. Nevýhodou technologie je výroba nosného členu, který musí být velice tenký a pevný. OVD je nejvhodnější na výrobu Multimodových gradientních vláken délek do 100 km. 3

9 Obr : Horizontální depozice z plynné fáze Technologie VAD (Vapour axial deposition) Technologie umožňuje vytvářet téměř jakýkoliv profil indexu lomu. Preforma se vytváří nanášením dopované skloviny na konec zárodku. Poté putuje do komory napuštěné vysoušecím plynem, který na sebe váže OH - ionty. V poslední fázi se preforma umístí do pícky, kde se jednotlivé vrstvy spojí. Obr : Vertikální depozice z plynné fáze Technologie MCVD (Modified chemical vapour deposition) Jedná se o moderní technologii výroby optických vláken. Do rotující skelné tyče je vpuštěn chemický plyn, který se usazuje na rozžhavené skelné vrstvě. Plyn se postupně usazuje a vytváří požadovaný index lomu. Proces trvá několik hodin a po dokončení usazování je dutá tyč uložena do pícky, kde je smrštěna. 4

10 Obr : Upravená depozice z plynné fáze Technologie PCVD (Plasma-activated chemical vapour deposition) V dnešní době se jedná o nejjakostnější technologii výroby optických vláken. Do skelné tyče je vpuštěn dopovaný plyn, který se ukládá pouze v místě se zvýšenou teplotou. PCVD je velice přesná technologie, která umožňuje vytvářet vrstvy široké 0,1 μm. Metoda se používá jen zřídka, neboť je nákladná a pomalá. Obr : Plasmou aktivovaná chemická depozice 2.2 Tažení vlákna Při tažení optických vláken se využívá zemská gravitace. Preforma je uchycena ve svislém směru a spodní konec je zahřán laserem na teplotu C. Skelný materiál se stane tekutým, začne se tvořit kapka, která odkápne a táhne za sebou vlákno. Teplota konce preformy se sníží a na vlákno se umístí optický měřič průměru. Pokud přístroj zaznamená menší hodnotu než 125 μm, zvýší se teplota ohřevu a naopak. Průměr vlákna se měří s přesností na 1 μm a kontrola přesnosti probíhá 750x za sekundu. Rychlost tažení vlákna se pohybuje v rozmezí metrů za sekundu. Na vlákno se nanáší vrstva laku, která tvoří ochranu proti vodě. Na vlákno se umístí sekundární ochrany a poté je navinuto na cívku. 5

11 Obr. 2.2: Tažení optického vlákna 2.3 Výroba pomocí dvojitého kelímku Princip této metody spočívá ve dvou kelímcích. Každý z nich je naplněn materiálem o různém indexu lomu. Na vyústění předehřátého kelímku směřuje laser, který reguluje teplotu, a tím i rychlost tažení. Pomocí metody dvojitého kelímku můžeme vyrobit velice dlouhá vlákna, a to dokonce i s gradientním profilem indexu lomu. Nevýhodou technologie spočívá v tom, že se do vlákna dostávají částečky kelímků, které zvyšují ztráty. Obr. 2.3: Výroba pomocí dvojitého kelímku 6

12 3 Rozdělení a vlastnosti optických vláken Optické vlákno je válcový dielektrický vlnovod vyrobený z nízkoztrátového materiálu. Vlákno se skokovým indexem lomu je tvořeno jádrem, které vede záření a má nepatrně vyšší index lomu než plášť, který jádro obklopuje. Paprsky, které dopadají na rozhraní jádra a pláště pod úhlem větším, než je úhel mezný, se totálně odrážejí a jsou jádrem vedeny. U paprsků, které dopadají na rozhraní pod úhlem menším, dochází k lomu do pláště a část jejich energie se s každým odrazem z jádra vyváže [1], [4]. U gradientních vláken se mění index lomu v závislosti na vzdálenosti od osy. Paprsky, které protínají osu pod větším úhlem, urazí sice delší dráhu, ale vyšší rychlostí, takže jejich celkový čas průchodu vlnovodem je srovnatelný s osovými paprsky. Gradientní index lomu vede k potlačení modové disperze, která limituje přenosovou kapacitu optické trasy. Je-li průměr jádra 8 μm, jedná se o jednomodové vlákno. U multimodových vláken je průměr jádra 50 μm nebo 62,5 μm. Vnější rozměr pláště je 125 μm [1]. Obr. 3: Trajektorie paprsku v závislosti na indexu lomu [1]. 3.1 Vlákna se skokovou změnou indexu lomu Jedná se o válcový dielektrický vlnovod zhotovený ze dvou materiálů s různým indexem lomu. Nejčastější hodnoty indexu lomu jádra se pohybují v rozmezí 1,46 1,48. Hodnoty indexu lomu pláště jsou jen nepatrně menší. Proto je zaveden tzv. relativní index lomu: n 1 je index lomu jádra, n 2 je index lomu pláště. Δ = n 1 n 2 n 1, (1) 7

13 Pokud platí Δ 1, jedná se o slabě vedoucí vlákno, ve kterém jsou vedené paprsky přibližně rovnoběžné s osou vlákna. Typická hodnota Δ leží v intervalu od 0,001 do 0,02. Vlákna, která mají větší hodnotu Δ, mají větší numerickou aperturu, takže do nich lze navázat více záření. S rostoucí hodnotou Δ roste i modová disperze, čímž vzrůstá zkreslení přenášeného signálu a klesá přenosová kapacita vlákna. Paprsky, které jsou vláknem vedeny, musí splňovat podmínku totálního odrazu: kde θ c je mezný úhel šíření. θ c = arcsin n 2 n 1, (2) Obr. 3.1: Závislost vedených paprsků na Akceptačním úhlu θ a [1]. Numerická apertura Paprsek, který bude ze vzduchu dopadat na čelo vlákna, se stane vedeným, pokud bude jeho úhel θ a menší než doplněk kritického úhlu θ c. pak v kombinaci se Snellovým zákonem platí: kde: θ c = π 2 θ c = arccos n 2 n 1, (3) θ a = arcsin NA, (4) NA = n 1 2 n 2 2 n 1 2Δ. (5) NA je numerická apertura, která vyjadřuje schopnost vlákna přijímat a vést světlo. Určuje kužel, ve kterém budou vnější dopadající paprsky vláknem vedeny. Vrcholový úhel kužele hraje důležitou roli při návrhu optického systému a při navazování vstupního paprsku. 8

14 Prostorové rozložení pole Každá složka elektromagnetického pole musí splňovat Helmholtzovu rovnici: 2 U + n 2 k 0 2 U = 0. (6) Pro jádro platí: n = n 1, r < a (poloměr jádra) a pro plášť: n = n 2, r > a. Vlnové číslo k je dáno následujícím vztahem: k = 2π λ, (7) kde λ je vlnová délka záření. Zároveň předpokládáme dostatečně velký poloměr pláště, aby se mohlo elektromagnetické pole na jeho vnějším rozhraní zanedbat. Ve válcových souřadnicích má Helmholtzova rovnice tvar: 2 U r U r r U r 2 φ U z 2 + n2 k 2 0 U = 0. (8) U je komplexní amplituda reprezentující libovolnou kartézskou složku intenzity elektrického nebo magnetického pole. Předpokládáme ji ve tvaru: U r, φ, z = u r e jlφ e jβz l = 0, ±1, ±2,, (9) kde z je osová vzdálenost, φ je úhel od osy x a β konstanta šíření, která je definovaná jako: β = n 1 k cosθ. (10) θ je úhel, který svírají vedené paprsky s osou z (osa směru šíření). Řešením rovnice (8) je: u(r) J 1 k T r, r < a K 1 γr, r > a (11) J 1 (x) je Besselova funkce 1. druhu l-tého řádu, K 1 (x) je modifikovaná Besselova funkce 2. druhu l-tého řádu, k T a γ jsou konstanty, které jsou zavedené pro pohodlnější výpočet a platí: k T 2 = n 1 2 k 2 β 2 (12) γ 2 = β 2 n 2 2 k 2, (13) Parametr k T určuje rychlost změn u(r) v jádře a γ v plášti vlákna. Čím více roste k T, tím jsou rychlejší oscilace rozložení elektromagnetického pole. Větší hodnota γ znamená, že pole v plášti rychleji klesá a vlnění méně proniká do pláště. Zároveň platí: k T 2 + γ 2 = n 1 2 n 2 2 k 2 = NA 2 k 2, (14) z čehož plyne, že s rostoucí konstantou k T klesá konstanta γ. Pokud konstanta k T překročí hodnotu NAk 0, tak γ se stane imaginární a vlna začne vstupovat do pláště a je vyvázána. 9

15 V-parametr Pokud konstanty k T a γ znormujeme následujícím způsobem: X = k T a, Y = γa, (15) pak platí: X 2 + Y 2 = V 2, (16) kde: V = NA k a = 2π a λ NA = 2π a λ n 1 2 n 2 2. (17) V je normovaná frekvence nebo V-parametr, pomocí kterého se dá určit počet módů ve vlákně. Módy Z pohledu elektromagnetické optiky je mód ustálené rozložení elektromagnetického pole ve vlákně, které na rozhraní splňuje okrajové podmínky. Z těchto podmínek plyne, že konstanta šíření β má přípustné hodnoty v intervalu: Módy se dají rozdělit do tří kategorií: 2π λ n 2 β 2π λ n 1. (18) Vedené módy jedná se o módy, které jsou vláknem vedeny a splňují všechny předcházející podmínky. Pokud bychom chtěli tyto módy vyvázat, bylo by potřeba velmi velkého ohybu vlákna, ale i při takovémto ohybu se vyváží jen nejvyšší módy. Vyzařující módy jsou to módy, které jsou do vlákna navázány pod větším úhlem, než je numerická apertura. Netvoří stojaté vlny na rozhraní jádra a pláště a po několika odrazech jsou z jádra vyvázány. Tunelující módy tyto módy splňují podmínku stojatých vln, ale nesplňují podmínku totálního odrazu. U těchto módů dochází k samovolnému vyvázání z jádra. Pokud platí V 1, potom lze ve vláknech se skokovým indexem lomu určit počet módů pomocí vzorce: M SI V2 2. (19) 10

16 3.2 Jednomodová vlákna Pokud V < 2,405 jedná se o jednomodové vlákno. Specifický parametr těchto vláken je malý průměr jádra (< 10 μm) a malá numerická apertura NA ( 0,1). Tímto vláknem se může šířit pouze jeden základní mód, který má své intenzitní rozdělení podobné gaussovskému profilu. Díky malému průměru jádra se paprsek šíří podél osy. Tato vlastnost potlačuje modovou disperzi. Nevýhodou je velké množství energie módu vedeného pláštěm. Proto musí být plášť dostatečně široký, aby pokryl evanescentní část pole. Dále zde dochází k vyvázání záření z jádra vlákna při menších ohybech než u multimodových vláken. Proto jsou vyvinuty speciální průběhy indexu lomu, které zajišťují, aby paprsek zůstal vedený jádrem a nevyvazoval se. Speciální průběhy lomu mohou také částečně kompenzovat chromatickou a vlnovodnou disperzi, které stejně jako modová disperze snižují přenosovou kapacitu vlákna. Tyto vlákna jsou komplikovanější na výrobu, hůře se do nich navazuje a mají menší dovolené tolerance, což klade větší nároky na spojování a navazování. Obr. 3.2: Možné profily indexu lomu jednomodových vláken. Na ose x je index lomu, na y je vzdálenost od osy jádra. 3.3 Gradientní vlákna Gradientní vlákna mají redukovanou modovou disperzi pomocí pozvolné změny indexu lomu. Vlákno má nejvyšší index na ose vlákna a postupně se snižuje s rostoucí příčnou vzdáleností od osy až na hodnotu pláště. Paprsky, které svírají s osou větší úhly, urazí sice větší vzdálenost, ale větší grupovou rychlostí, takže je ve výsledku jejich čas průchodu vláknem srovnatelný s módy, které se šíří po ose. Index lomu lze popsat následujícím vztahem: n 2 r = n r a p Δ, r a, (20) kde: Δ = n 1 2 n 2 2 2n 1 2 n 1 n 2 n 1 (21) a p je parametr gradientního profilu, který určuje strmost poklesu indexu lomu v jádře. Optimální hodnota p je rovna dvěma (parabolický profil indexu lomu). Pokud by p rostlo do nekonečna, profil indexu lomu by byl stejný jako u vláken se skokovou změnou indexu lomu. 11

17 Počet módů v gradientním vlákně se dá určit podle vzorce: M p p + 2 n 1 2 k 2 a 2 Δ = 2 V 2 p (22) Pro p = 2 (optimální hodnota) dostaneme celkový počet módů M daný vztahem: M GI V2 4. (23) 12

18 4 Ztráty v optických vláknech Jakékoliv nežádoucí příměsi, rozptyl, nadměrný ohyb vlákna a disperze, způsobují ztráty, které limitují přenosovou kapacitu trasy. Útlum optického vlákna, do kterého jsou započítány všechny tyto ztráty, je definován jako: Z = 10 log P OUT P IN. (24) P OUT je výkon vyvázaný z vlákna, P IN je vstupní výkon. Dále je zavedena konstanta útlumu α, která je dána následujícím vztahem: α = 10 1 L log P OUT P IN, (25) kde L je délka vlákna. Obecně se ztráty dají rozdělit do čtyř základních kategorií. 4.1 Ohybové ztráty Ztráty vznikají porušením podmínky totálního odrazu. Vedený paprsek dopadá na rozhraní pod větším úhlem, než je úhel mezný a s každým odrazem je část energie vyvázána z vlákna. Další vlastnost, která je spojena s ohybovými ztrátami, je fotoelastický jev, který se vyznačuje tím, že index lomu je funkcí tlaku. Na vnitřní straně ohybu vzniká tlak a na vnější straně tahové napětí, což mění index lomu v jádře a plášti. Fotoelastického jevu se využívá v optických vláknových senzorech, kde se jednotlivé ztráty vyhodnocují a zpracovávají. Ohybové ztráty se obecně dají rozdělit na: Makroohyb poloměr zakřivení je větší než průměr vlákna Mikroohyb poloměr zakřivení je menší než průměr vlákna Obr. 4.1: Trajektorie paprsku v optickém vlákně, a) makroohyb, b) mikroohyb Pokud je z vlákna při ohybu vyvázáno 100 % energie, označuje se poloměr zakřivení jako kritický a pro multimodová vlákna jej lze určit pomocí vzorce: kde R CMM je kritický poloměr multimodového vlákna. 3n 2 1 λ R CMM (26) 4π (n 2 1 n 2 2 ) 3, 13

19 Pro jednomodové vlákno platí vztah: R CSM 11,6λ (n 1 2 n 2 2 ) 3. (27) R CSM je kritický poloměr jednomodového vlákna [4]. Ohybových ztrát využíváme v modových filtrech, kdy potřebujeme z vlákna vyvázat vyšší energetické módy, které vnášejí chybu měření. Ohybové ztráty se v optické trase odstraňují snížením poloměrů zakřivení nebo snížením vlnové délky. 4.2 Rozptylové ztráty Rozptylové ztráty patří mezi vlastní jevy materiálu. Jsou způsobeny náhodným rozložením nehomogenit a kmitem krystalové mříže. Tento typ ztrát se nedá úplně odstranit, ale dá se potlačit. Rayleigho rozptyl jedná se o dominantní jev v optické komunikaci. Vzniká na částicích menších, než je vlnová délka. Světlo, které dopadá na jednotlivé atomy látky, se kolem těchto atomů ohýbá a rozptyluje. Rozptyl je nepřímo úměrný λ 4 a dá se částečně potlačit posunutím vlnové délky k infračervené oblasti. Mieův rozptyl je spojen s nedokonalostmi optického vlnovodu. Vzniká na nehomogenitách srovnatelných s vlnovou délkou, jako jsou například nečistoty a mikroskopické bubliny ve vlákně. Lze jej částečně odstranit lepší technologií výroby vlákna. 4.3 Absoprční ztráty Jsou to ztráty, které jsou způsobeny přeměnou elektromagnetické energie na energii tepelnou. U optických telekomunikačních tras jsou tyto ztráty zanedbatelné, neboť oteplení vlákna je velmi nízké a skoro neměřitelné. Avšak tyto ztráty hrají v telekomunikační oblasti značnou roli, jelikož nás zajímá zejména příměsová absorpce OH -, která tvoří dva absorpční píky, jak je vidět na obrázku č Vlastní absorpce nastává v ultrafialové oblasti, infračervené oblasti a na materiálu, ze kterého je vlákno vyrobeno. Absorpce materiálu SiO 2 je velice malá. V ultrafialové oblasti je způsobena valenčními elektrony atomů. V infračervené oblasti je tento jev způsoben kmitáním molekul. Absorpce se částečně eliminuje použitím vhodného materiálu. Namísto Si0 2 se používá například B-O, Ge-O [4], jenž má těžší molekuly. Příměsová absorpce je způsobena OH - ionty, které se snažíme co nejvíce eliminovat při výrobě. Tyto ionty mají za následek mikrotrhliny, díky kterým jsou vlákna náchylná na praskání. Zároveň rozdělují spolu s ostatními příměsmi železa přenosové spektrum vlnových délek na tři oblasti, ve kterých jsou nejmenší absorpce. Skupina OH - 14

20 má absorpční pás na vlnové délce nm a 2. harmonická spolu s kombinačním pásem má šířku píku útlumu od nm do nm. Obr. 4.3: Závislost koeficientu útlumu α na vlnové délce λ [1]. 4.4 Disperzní ztráty Disperzní ztráty nejvíce limitují přenosovou kapacitu optické trasy, a proto jsou jedním z nejdůležitějších parametrů. U těchto ztrát se energie nevytrácí, ale rozprostírá se s časem. Obecně se tyto ztráty dají rozdělit do několika kategorií [5]: Modová disperze je charakteristická pro multimodová vlákna, neboť jednotlivé módy se šíří různými grupovými rychlostmi. Tento jev má za následek rozšíření vedeného impulzu, což vede k omezení rychlosti, jakou mohou být dva po sobě následující pulzy poslány, aniž by během šíření došlo k jejich překrytí. Modová disperze limituje přenosovou kapacitu optické trasy a dá se částečně potlačit použitím vláken s gradientním průběhem indexu lomu. Obr. 4.4: Rozšíření pulzu způsobené modovou disperzí [1]. 15

21 Materiálová disperze sklo je disperzní prostředí a jeho index lomu je závislý na vlnové délce. Obecně platí, že materiálová disperze lineárně roste se vzdáleností L. Pro křemíkové sklo platí, že disperze roste od záporných hodnot do hodnot kladných spolu s rostoucí vlnovou délkou. Nulová hodnota materiálové disperze je na vlnové délce nm. Vlnovodná disperze vychází ze skutečnosti, že grupová rychlost jednotlivých modů závisí na vlnové délce a to i v případě, že zanedbáme materiálovou disperzi. Dále závisí na příčném rozložení pole ve vlákně. Vlnovodná disperze má hlavní význam u jednomodových vláken (není zde modová disperze) a pro vlnovou délku nm, kde je velice nízká materiálová disperze. Chromatická disperze jedná se o společné působení vlnovodné a materiálové disperze. Chromatická disperze značně omezuje přenosovou kapacitu optických vláken. Proto je snaha tento jev ovlivnit, což znamená přizpůsobit profil indexu lomu tak, aby se vzájemně tyto dvě disperze kompenzovaly. Tyto vlákna se nazývají vlákna s posunutou disperzí. Na obr 3.2 je vidět, jak může vypadat upravený profil indexu lomu. Shrnutí Na rozšíření vstupního impulzu se podílí všechny disperzní vlivy. Modová disperze je způsobena různými dobami průchodu jednotlivých modů a je přímo úměrná délce vlákna L. Pro velmi dlouhá vlákna je modová disperze úměrná L. Pokud normovaná frekvence V < 20, dominuje materiálová disperze. Jestliže je tato hodnota překročena, začíná se více projevovat modová disperze [5]. Chromatická disperze je rozšíření impulzů jednotlivých módů a je způsobena vlnovodnou a materiálovou disperzí. U jednomodových vláken je modová disperze potlačena a impulz je tedy zkreslen chromatickou disperzí. V případě, že nebudeme uvažovat solitonový režim šíření při nelineární disperzi, potom jednomodové vlákno dosahuje nejmenší disperze, pokud je ovšem použita vlnová délka, která kompenzuje vliv materiálové disperze. 16

22 5 Navazování do vláken Při navazování je potřeba, aby dopadající záření na rozhraní jádra a pláště mělo menší úhel od osy vlákna, než je θ c. U záření, které nesplňuje tuto podmínku, dochází ke ztrátě energie při odrazu na rozhraní a je po několika odrazech zcela utlumeno. Pro kolmý dopad platí: R = n 1 n 0 n 1 + n 0 2, (28) kde R je odrazivost dopadajícího záření, n 0 je index lomu vzduchu. Ze vzorce (28) lze určit, že přibližně 3,45 % dopadajícího kolmého záření (rozhraní: vzduch jádro vlákna) se do vlákna nenaváže a je zpět odraženo. Pro účinnost navázání paprsku do vlákna platí: η = NA v NA z 2 a r z 2 T pro r z > a je pro r z < a je a r z a r z 2 2 < 1. (29) = 1 NA v je numerická apertura vlákna, NA z je numerická apertura zdroje, a je poloměr jádra a r z je poloměr emisní plochy zdroje [6]. Pro koeficient propustnosti T platí: T = 1 R. (30) Pokud poměr (a/r z ) 2 < 1, pak dosazujeme jedničku a do vlákna teoreticky vstupuje 100 % vyzařovaného výkonu. Způsoby navazování Čím více energie navážeme do vlákna, tím se může pulz šířit na delší vzdálenost. Proto se snažíme o co nejefektivnější navázání do vláken. Stávající navazování se soustředí na následující techniky: Vlákno v těsné blízkosti přechodu diody/laseru účinnost tohoto způsobu navázání je přibližně 10 %. Většina záření je po několika odrazech z jádra vyvázána ve formě tunelujících módů [6]. Použití čočky metoda se používá zejména pro navázání z LED (Light-Emitting Diode) nebo LD (Laser Diode). Hlavní rozdíl mezi LED a LD je v tom, že LD má podstatně větší výkon a vyšší koherenci než LED dioda, a to až o několik řádů. Mezi diodu a vlákno se umístí spojná čočka, která zajišťuje, aby paprsky vyzářené z diody dopadaly na optické vlákno pod úhlem menším než θ a. V současné době se vyrábí i varianty, kdy je optická čočka součástí diody, která je umístěna přímo na vlákno. 17

23 Obr. 5.1: Použití spojné čočky Použití systému čoček pokud vložíme mezi vlákno a laser systém čoček, bude účinnost navázání kolem 40 % [6]. Obr. 5.2: Použití systému čoček Tvarování konců vláken v tomto případě je použit speciálně upravený konec vlákna. Účinnost navázání je přibližně 65 % [6]. Obr. 5.3: Příklady speciálně tvarovaných konců vláken 18

24 6 Navazování vláken Častým důvodem navazování vláken je potřeba spojení dvou konců optické trasy. Další důvod spočívá v tom, že optická vlákna se vyrábějí v omezených délkách. Spoje optických vláken se dají obecně rozdělit do tří kategorií: Stálé spoje do této kategorie patří optický svar, který se řadí mezi nejlepší spojení vláken. Nevznikají na něm zpětné odrazy a vložené ztráty se pohybují v řádech setin decibelů. Nevýhodou optického svaru je potřebné drahé vybavení, a to kolem Kč. Podmínečně rozebíratelné spoje jedná se o spoje, které nejsou určeny k rozebírání, ale dají se rozebrat. Patří sem zejména mechanické spojky. Vložený útlum spoje se pohybuje kolem 0,1 db a potlačení zpětného odrazu je přibližně 60 db. Cena rozebíratelných spojek se pohybuje okolo 130 Kč. Rozebíratelné spoje jde o skupinu spojů, která je tvořena konektory, které jsou určeny k rozebírání. Jedná se zejména o mechanické konektory různých typů. Vložené ztráty se pohybují kolem 0,1 0,3 db, potlačení zpětného odrazu od 40 db. Samostatně se neprodávají, jsou součástí optického kabelu (patchcordu). 6.1 Vazební ztráty Jedná se o ztráty, které vznikají na spoji dvou vláken. Mezi vlastnosti spoje, které nás nejvíce zajímají, patří vložené ztráty a potlačení zpětného odrazu. Rozdělení ztrát je následující [4]: Vnější ztráty spoje Jde o ztráty, které můžeme ovlivnit montáží. Řadíme sem: a) příčný posuv jde o posuv, který je způsoben vzájemným posunutím konců vláken. Pro multimodová a gradientní vlákna je vložený útlum popsán následujícím vztahem: Z = 10 log 1 8x 3πa, (31) kde Z jsou ztráty vzniklé na spoji. Pro jednomodová vlákna platí vztah: Z = 10 log e x w 0 2, (32) kde x je vzájemný posuv konců vláken a w 0 je poloměr modového pole. b) úhlový posuv jedná se o nepřímý úhel θ mezi konci vláken. Pro multimodová a gradientní vlákna platí: Z = 10 log 1 8n 1 sinθ 3π NA. (33) 19

25 Pro jednomodová vlákna platí: Z = 10 log e n 1πw 0 sinθ λ 2, (34) kde předpokládáme stejnou numerickou aperturu obou vláken. c) axiální posuv mezi konci vláken vznikne vzduchová mezera, která je příčinou vzniklých ztrát na jednotlivých rozhraních. Pro multimodová a gradientní vlákna platí: Pro jednomodová vlákna platí: Z = 10 log 1 zna 2an 1. (35) Z = 10 log 1 2 λz 2πn 1 w 2 + 1, (36) z je vzdálenost mezi konci vláken. d) ztráty na drsném čelu vlákna pokud je konec drsný, tak se část dopadajícího výkonu odráží a rozptyluje, tyto ztráty se dají u některých typů ferulí odstranit přeleštěním a pokud se jedná o vlákno, tak se dá znovu zalomit. e) nesouosost vlákna a pláště tento typ ztrát se dá odstranit pouze vyměněním konektoru nebo novým zalomením vlákna o pár metrů dále. f) zakřivení vlákna pokud je vlákno těsně před spojem zakřivené, mohou se pozměnit podmínky totálního odrazu a část výkonu se z jádra vyváže. Obr : Přehled vnějších ztrát na spojích 20

26 Ztráty na spoji Jedná se o ztráty, které jsou způsobeny rozdílnými typy vláken. Do této kategorie patří: a) různé průměry vláken tato ztráta vzniká zejména na spoji SM a MM vláken. Lze ji vypočítat podle vzorce: Z = 10 log a 2 2 a 1 2, (37) kde a 1 je poloměr navazovaného jádra a a 2 je poloměr jádra, do kterého navazujeme. b) vlákna s různou numerickou aperturou různá vlákna mají různou numerickou aperturu. Ztráty lze určit z následujícího vzorce: Z = 10 log NA 2 2 NA 1 2. (38) NA 2 je numerická apertura vlákna, do kterého navazujeme a NA 1 je numerická apertura navazovaného vlákna. c) různé průměry modového pole nejvíce se tato ztráta projevuje u jednomodových vláken, kde se velké množství energie šíří pláštěm. Dá se určit z následujícího vztahu: Z = 10 log 4 w 1 w + w 2, 2 (39) 2 w 1 w 2 je poloměr modového pole, do kterého hodláme navázat a w 1 je poloměr modového pole, ze kterého navazujeme. d) odrazy na spoji tyto ztráty jsou dány Fresnelovými odrazy na rozhraní. Lze je ovlivnit imerzním gelem, který potlačuje rozbíhání vedených paprsků a pomáhá tyto paprsky lépe navázat do vlákna. Imerzní gel má blízký index lomu indexu lomu jádra vlákna. Používá se zejména v mechanických spojkách fibrlok. Ztráty se dají určit ze vzorce: Z = 10 log 1 n 2 n 1 n 2 + n 1 2. (40) Obr : Přehled ztrát na spoji 21

27 6.2 Stálé spoje Optický svar Jde o nerozebíratelné spojení dvou konců optických vláken. Útlum spoje se řádově pohybuje kolem jedné setiny decibel a na spoji nevznikají zpětné odrazy. Další výhodou spojení je zobrazení zalomení a nečistoty na konci vlákna. Svar je choulostivý na ohyb, proto se na něj umísťuje dvouvrstvá smršťovací bužírka, která je vyztužena kovovým prvkem zabraňujícím ohybu. V dnešní době se stále více na dálkových trasách používají tzv. ribbony. Jedná se o pásek čtyř nebo osmi optických vláken slepených k sobě lakem. Pásek se kolmo zalomí a umístí do svářečky, kde jsou všechna vlákna svařena naráz. Výhodou je značné urychlení práce. Cena optického svaru je oproti jiným metodám větší, neboť se do ní promítá cena svářečky, která přesahuje Kč. Optické svary jsou nejpřesnější a nejstálejší techniky umístění konektoru na konec trasy. Výrobcem zhotovený patchcord se rozstřihne a přivaří ke konci optického vlákna. Další možností jak umístit konektor na konec trasy je koupě již připraveného SC konektoru s V-drážkou. Optické vlákno se zalomí a vsune do konektoru, kde je pomocí tříbodového systému uchyceno a vystředěno. Tento způsob umístění konektoru však nedosahuje kvalit dosáhnutých výrobcem. Postup při svařování Z optického kabelu se odstraní vnější ochrany, poté pomocí speciálních kleští odstraníme část primární ochrany vlákna. Následuje očištění pomocí bezchloupkového kapesníčku namočeného v isoprpylalkoholu. Dále zalomíme vlákno pomocí lamačky, ve které se vlákno umístí do V-drážky. Pod vláknem projede diamantový kotouč, který vlákno nařízne. Nad vláknem se vyskytuje hrot, který pomocí mechanického tlaku vlákno zalomí. Obr : Řezačka vláken 22

28 Kolmo zalomený konec se umístí do svářečky. Na druhé vlákno se umístí smršťovací bužírka a taktéž se zalomí. Obě vlákna se uchytí pomocí magnetických klapek. Na svářečce zavřeme ochranný kryt, na kterém jsou umístěny dvě zrcátka, každé pro jednu kameru. Obr : Pohled do optické svářečky Na svářečce je nastaven automatický režim, který rozpozná, zda se jedná o jednomodové nebo multimodové vlákno. Automaticky si určí hodnotu svařovacího proudu a času a vyhodnotí konce zalomení jednotlivých vláken. Pokud se úhel zalomení liší o 2 od normály k ose vlákna, tak svářečka vybídne k novému zalomení. Stejně tak, když budou na konci praskliny nebo prach. Poté následuje očištěné konců od prachu pomocí zažehnutí elektrického oblouku. Připravené konce se k sobě přiblíží a pomocí dvou kamer, které vlákno sledují z rozdílných úhlů, se vystředí. Vše se zobrazuje na displeji v reálném čase. Zažehne se elektrický oblouk a vlákna se spojí. Při tuhnutí vláken se konce pomalu oddalují, aby na spoji nevznikla bublina. Pokud bychom svařovali ribbonový pásek, vymění se vnitřní část svářečky a poté pokračujeme stejně jako při svařování jednotlivých vláken. Následuje už jen vyhodnocení spoje, zda nevznikly nesrovnalosti vláken a bubliny ve spoji. Výsledný snímek svaru se porovná se snímky v databázi a vyhodnotí se předpokládaný útlum spoje s přesností na 2 desetinná místa. Dříve se používala metoda navázání do jednoho konce vlákna. V druhém se snažil mechanismus zachytit co nejvíce výkonu a poté až byly vlákna svařena, se odhadnul útlum. Ale od této metody se upustilo, neboť byla zdlouhavá (vyhodnocení svaru trvalo přes 5 minut). Dnešní technologie umožňují vyhodnocení svaru během pár sekund. 23

29 Obr : Optická svářečka Na svařený spoj je navlečena dvouplášťová smršťovací bužírka vyztužená kovovým prvkem. Ta je vložena do pícky, kde se její vnější část smrští a vyztuží spoj. Vnitřní část bužírky slouží k tomu, aby se při smršťování vnějšího pláště nevyvíjel tlak na spoj. Obr : Optický svar. V horní části obrázku je vidět smršťovací bužírka s kovovým prvkem, ve spodní části je mechanická spojka fibrlok Ke svařování byla použita svářečka od firmy Sumitomo electric, model T-39. Svářečka je vybavena tříosým posuvem vláken a systém automatického určení typu vlákna. Navrhuje svářecí program dle identifikace založeného vlákna, kontroluje kvalitu zalomení a velice přesně odhaduje útlum. T-39 má funkci zkušebního vývoje, který zohlední teplotu, vlhkost 24

30 a tlak vzduchu, tavitelnost obou založených vláken, opotřebení a znečištění elektrod. Svářečka automaticky nastavuje optimální polohu výboje a jeho intenzitu. Výrobce neudává životnost svářečky, neboť při správném zacházení a skladování nedochází ke změně vlastností svářečky. Proto je svářečka schopna svářet stejně kvalitně po provedení mnoha desítek tisíc svarů jako na počátku provozu. 6.3 Podmínečně rozebíratelné spoje Do této kategorie patří spojka FIBERLOK, která pomocí mechanického systému spojí dva konce vláken. Tato metoda se používá, neboť má nízké náklady a je poměrně rychlá. Používají ji zejména kabelové televize, které přivádí optický kabel až ke spotřebiteli. Na kabel je pomocí mechanické spojky připojeno vlákno s konektorem. Nevýhodou mechanické spojky je, že pokud dojde ke špatnému zalomení vlákna, tak to neodhalíme a na spoji vzniknou mnohem větší ztráty. Postup při spojování Konce kabelu se očistí od vnějších ochran, a pomocí speciálních kleští se seškrábne lak. Konce se zalomí v lamačce. Mechanická spojka se vloží do přípravku. Následně se do spojky vloží zalomené konce vláken. Uprostřed spojky je imerzní gel, který se svým indexem lomu blíží indexu lomu jádra vlákna. Pomocí gelu se potlačí odrazy na spojích a více záření se tak naváže. Mechanická spojka je zobrazena na obr. č Obr : Přípravek k mechanické spojce fibrlok Následným tlakem na vrch spojky se konce vláken, které jsou uloženy ve V-drážce, vystředí pomocí tříbodového systému a spoj se zpevní pomocí mechanického klínu, který je uložen v horní části spojky. 25

31 Obr : Technický výkres mechanické spojky [7]. Vlastnosti spoje Střední hodnota vloženého útlumu udávaná výrobcem je 0,1 db. Potlačení zpětného odrazu udávané výrobcem je 60 db a teplotní rozmezí spojky, pro které se dá použít je -40 C až 75 C. Odolnost proti pronikání vody při působení vody 60 C po 7 dní je změna vložného útlumu menší než 0,05 db. Spoj není příliš odolný na krut a tah. 6.4 Rozebíratelné spoje U rozebíratelných spojů nejvíce záleží na brusu ferule, což je keramický konec konektoru, ve kterém je uložen konec vlákna. Konce se brousí, aby se potlačil zpětný odraz, který na spojích vzniká. Zároveň je zajištěno lepšího kontaktu jader vláken. Čím více je zpětný odraz potlačen, tím je optický systém kvalitnější. Zároveň se u ferulí musí dávat pozor na vložené ztráty, které stejně jako zpětné odrazy omezují přenosovou kapacitu trasy Rozdělení brusu ferulí PC (Physical Contact) jedná se o brus používaný zejména u MM vláken. Poloměr zaoblení ferule R je obvykle v rozmezí mm. Potlačení zpětného odrazu PC konektoru je větší než 40 db. Drobné škrábance na řezu ferule se dají s vhodným vybavením manuálně doleštit. UPC (Ultra Physical Contact) ferule jsou specifické pro SM vlákna. Konektor s ferulí UPC má vyšší vložený útlum než PC brus, ale zároveň má vyšší potlačení zpětného odrazu. Poloměr zakřivení ferule konektoru je menší než u PC brusu. Potlačení zpětného odrazu UPC konektoru je větší než 50 db. APC (Angled Physical Contact) brus se používá pro dálkové trasy neboť má nejmenší vložený útlum a největší potlačení zpětného odrazu. Konektor je broušen pod 8 od normály k ose vlákna. Paprsky odražené od konce konektoru jsou vedeny do pláště, kde jsou vyvázány. Potlačení zpětného odrazu APC brusu je více jak 60 db a vložené ztráty spoje jsou menší než u PC brusu. 26

32 Obr : Rozdělení brusů ferulí 27

33 6.4.2 Rozdělení konektorů DMI konektor konektor se používá na deskách s plošnými spoji a v integrované optice, neboť je jeden z nejmenších. Velikost konektoru je 4,5 x 21 mm a ferule se vyrábí ze zirkonu s PC/APC brusem. Obr 6.4.2: DMI konektor Vlastnosti konektoru [8]: DMI konektor Jednomodový Multimodový Vložené ztráty 0,3 db 0,3 db 50 db (PC) 40 db (PC) Potlačení zpětného odrazu 70 db (APC) Proměnlivost < 0,05 db Provozní teplota -25 až +70 C Pro vlákna typu 9/125 μm 50/125 μm, 62,5/125 μm 28

34 FC konektor konektor je navržen pro prostředí s vysokými vibracemi. U PC brusu je na konektoru nastavitelný aretační plíšek, který se dá pomocí speciálního klíče nastavit, čímž se dá konektor radiálně natočit. Kovové pouzdro s vnitřním závitem dodává spoji odolné vlastnosti. Ferule konektoru se vyrábí s PC/UPC/APC brusem. Dnes se jedná o jeden z nejrozšířenějších konektorů, zejména v laboratořích, neboť se dá nejlépe přizpůsobit. Obr : FC konektor Vlastnosti konektoru [8]: FC konektor Jednomodový Multimodový Vložené ztráty 0,3 db 0,3 db 40 db (PC) Potlačení zpětného odrazu 50 db (UPC) 20 db (UPC) 60 db (APC) Proměnlivost < 0,2 db Provozní teplota -40 až +80 C Pro vlákna typu 9/125 μm 50/125 μm, 62,5/125 μm 29

35 SC konektor konektor je vybaven aretačním mechanismem push-pul. Díky tomu poskytuje rychlé spojení optických vláken, což je největší přednost konektoru. Dříve se používal v telekomunikačních technologiích, dnes je již však nahrazen novějším modelem LC. Vyrábí se s keramickou ferulí PC/UPC/APC brusem. Obr : SC konektor Vlastnosti konektoru [9]: SC konektor Jednomodový Multimodový Vložené ztráty 0,3 db 0,3 db 45 db (PC) Potlačení zpětného odrazu 50 db (UPC) 20 db (UPC) 60 db (APC) Proměnlivost < 0,2 db Provozní teplota -40 až +80 C Pro vlákna typu 9/125 μm 50/125 μm, 62,5/125 μm 30

36 ST konektor vyznačuje se bajonetovým systémem uchycení, které zajišťuje rychlé a rozebíratelné spojení konců vláken. Vyrábí se s brusem ferule PC/UPC/APC. Používá se zejména pro spojení optických přístrojů. Obr : ST konektor Vlastnosti konektoru [9]: ST konektor Jednomodový Multimodový Vložené ztráty 0,3 db 0,3 db Potlačení zpětného odrazu Proměnlivost 45 db (PC) 50 db (UPC) 60 db (APC) < 0,1 db Provozní teplota -40 až +80 C 20 db (UPC) Pro vlákna typu 9/125 μm 50/125 μm, 62,5/125 μm 62,5/125μm 62,5/125μm 31

37 LC konektor konektor používá systém push-pul. Rozměrově je téměř o polovinu menší než dřívější model SC, který byl tímto modelem nahrazen. Ferule se vyrábí s brusem PC/UPC/APC. Používá se zejména v telekomunikačních technologiích a měřících systémech. Obr : LC konektor Vlastnosti konektoru [9]: LC konektor Jednomodový Multimodový Vložené ztráty 0,3 db 0,3 db Potlačení zpětného odrazu Proměnlivost 45 db (PC) 55 db (UPC) 65 db (APC) < 0,2 db Provozní teplota -40 až +80 C 20 db (UPC) Pro vlákna typu 9/125 μm 50/125 μm, 62,5/125 μm 62,5/125μm 62,5/125μm 32

38 MTRJ konektor jedná se o konektor navržen pro ethernetové sítě. Hlavní výhodou konektoru je uložení dvou konců vláken v jedné feruli, které mohou být po dohodě s výrobcem různých parametrů. Vlákna jsou uložena v keramické feruli typu PC/UPC/APC. Používá se v optických měřících systémech, počítačových sítích a pro propojování optických přístrojů. Obr : MTRJ konektor Vlastnosti konektoru [9]: MTRJ konektor Jednomodový Multimodový Vložené ztráty 0,3 db 0,3 db Potlačení zpětného odrazu Proměnlivost 45 db (PC) 55 db (UPC) 65 db (APC) < 0,1 db Provozní teplota -40 až +80 C 20 db (UPC) Pro vlákna typu 9/125 μm 50/125 μm, 62,5/125 μm 62,5/125μm 62,5/125μm 33

39 Konektor E2000 jde o evropský standard v telekomunikacích. Jako jediný má automatický systém, který chrání feruli proti prachu a poškrábání. Je navržen se systémem push-pul, jenž zajišťuje rychlé spojování vláken. Konektor se vyrábí s PC/UPC/APC brusem keramické ferule. U výběrových konektorů mohou hodnoty potlačení zpětného odrazu dosáhnout 85 db a vložené ztráty konektoru 0,1 db. Tyto hodnoty jsou srovnatelné s optickým svarem, což je nejjakostnější spoj. Konektor se používá na propojení optických zařízení, telekomunikace, LAN sítě, optické měřící systémy, kabelové televize a hlavně pro vysokorychlostní datové sítě. Obr : Konektor E200 Vlastnosti konektoru [8]: E2000 konektor Jednomodový Multimodový Vložené ztráty 0,3 db 0,3 db Potlačení zpětného odrazu Proměnlivost 40 db (PC) 50 db (UPC) 65 db (APC) < 0,1 db Provozní teplota -40 až +80 C 20 db (UPC) Pro vlákna typu 9/125 μm 50/125 μm, 62,5/125 μm 62,5/125μm 62,5/125μm 34

40 7 Vlastní měření Veškeré měření bylo provedeno na jednomodových vláknech navržených pro vlnovou délku nm a nm, které jsou nejčastěji používané v telekomunikační oblasti. Na těchto vlnových délkách jsem také měřil. 7.1 Metoda vložených ztrát Jedná se o nedestruktivní metodu měření, která se používá pro měření spojek konektorů nebo jako rychlá metoda pro měření trasy. Touto metodou lze určovat změny celkového útlumu vzhledem k vnějším vlivům. Měření vychází ze vzorce (24) Popis měření K měření jsem použil přístroje k měření optického výkonu/útlumu od firmy EXFO model FOT-910. Jedná se o model s vestavěným zdrojem záření s polovodičovou laserovou diodou I třídy, který dokáže identifikovat vlnovou délku přijímaného záření a vysílací úroveň zdroje záření (pokud je jako vysílač použit rovněž přístroj FOT-910). Z dekódovaných informací a změřených hodnot přijímací úrovně, měřič výkonu vyhodnotí útlum, odečte od něj útlum přijímacího spojovacího modulu a vypočte výslednou hodnotu útlumu optické trasy. Výsledek uloží do paměti a zobrazí na displeji. Po měřeném vláknu zároveň probíhá komunikace mezi jednotkami na obou koncích kabelu a po měření v jednom směru je automaticky provedeno obdobné měření ve směru druhém. Před vlastním měřením se provede provozní autokalibrace přístroje, což znamená, že se očistí konektory přístroje a přes mnohovidový kalibrační modul se propojí velkoplošný detektor s měřícím portem přístroje. Při provozní kalibraci přístroj měří a koriguje změny (vlivem stárnutí atd.) ve výstupním výkonu vysílacích prvků a změnu v útlumu optického konektoru na měřícím portu přístroje. Obr : Provozní autokalibrace přístroje 35

41 Následuje vzájemná reference přístrojů. Jedná se o propojení, při kterém si oba přístroje postupně vysílají referenční úroveň jeden do druhého. Tento postup je nejpřesnější z metod pro obousměrné měření, protože neprobíhá přepojování konektorů při změně směru měření A -> B na B -> A. Obr : Vzájemná reference kalibračních přístrojů Po vzájemné referenci je spojovací prvek nahrazen měřenou spojkou a následuje obousměrné měření spoje. Obr : Vlastní měření vložených ztrát 36

42 7.1.2 Výsledky měření V následujících tabulkách jsou vedeny hodnoty vložených ztrát jednotlivých spojů. Spoj FC/PC FC/PC Směr A [db] Směr B [db] λ nm nm nm nm 1-0,55-0,53-0,25-0,39 2-0,39-0,46-0,78-0,83 3-0,43-0,44-0,37-0,41 4-0,35-0,65-0,43-0,43 5-0,57-0,51-0,26-0,39 6-0,54-0,53-0,29-0,43 7-0,50-0,53-0,27-0,44 8-0,38-0,48-0,45-0,58 9-0,48-0,61-0,40-0, ,42-0,41-0,70-0,94 Δ -0,47 ± 0,03-0,52 ± 0,02-0,42 ± 0,06-0,54 ± 0,06 Tab. 7.1: Výsledky měření FC/PC spoje. Naměřené hodnoty se v porovnání s tabulkovými hodnotami liší [8]. Rozdíl je pravděpodobně způsoben poškozeným patchcordem nebo škrábancem na feruli konektoru. Spoj FC/UPC FC/UPC Směr A [db] Směr B [db] λ nm nm nm nm 1-0,41-0,26-0,28-0,43 2-0,26-0,16-0,21-0,12 3-0,36-0,26-0,34-0,21 4-0,34-0,28-0,30-0,30 5-0,51-0,40-0,52-0,34 6-0,25-0,25-0,25-0,16 7-0,59-0,45-0,59-0,37 8-0,25-0,23-0,23-0,16 9-0,17-0,17-0,16-0, ,25-0,25-0,27-0,16 Δ -0,34 ± 0,03-0,27 ± 0,02-0,32 ± 0,02-0,26 ± 0,01 Tab. 7.2: Výsledky měření FC/UPC spoje. Naměřené hodnoty přibližně odpovídají hodnotám udávaným výrobcem [8]. 37

43 Spoj FC/PC FC/UPC Směr A [db] Směr B [db] λ nm nm nm nm 1-0,35-0,31-0,39-0,23 2-0,37-0,34-0,45-0,26 3-0,39-0,36-0,44-0,35 4-0,37-0,33-0,43-0,33 5-0,41-0,27-0,47-0,40 6-0,35-0,29-0,42-0,42 7-0,33-0,27-0,41-0,35 8-0,32-0,27-0,42-0,20 9-0,31-0,24-0,42-0, ,34-0,26-0,46-0,25 Δ -0,35 ± 0,01-0,29 ± 0,01-0,43 ± 0,01-0,32 ± 0,02 Tab. 7.3: Výsledky měření Spoj FC/PC FC/UPC spoje. Z naměřených hodnot je patrné, že ztráty ze směru spoje FC/PC jsou menší než ze směru spoje FC/UPC. Tento rozdíl je dán brusem ferule konektoru. Spoj LC/PC LC/PC Směr A [db] Směr B [db] λ nm nm nm nm 1-0,42-0,32-0,30-0,35 2-0,27-0,20-0,64-0,31 3-0,19-0,20-0,03-0,20 4-0,32-0,37-0,30-0,27 5-0,48-0,32-0,46-0,50 6-0,38-0,35-0,42-0,33 7-0,30-0,21-0,28-0,25 8-0,27-0,25-0,19-0,23 9-0,26-0,26-0,28-0, ,35-0,37-0,28-0,29 Δ -0,32 ± 0,03-0,29 ± 0,02-0,31 ± 0,06-0,28 ± 0,04 Tab. 7.4: Výsledky měření LC/PC spoje. Změřené hodnoty přibližně odpovídají hodnotám udávaným výrobcem [9]. 38

44 Spoj E2000/APC E2000/APC Směr A [db] Směr B [db] λ nm nm nm nm 1-0,16-0,10-0,19-0,10 2-0,13-0,08-0,21-0,17 3-0,35-0,21-0,27-0,21 4-0,11-0,08-0,20-0,10 5-0,17-0,12-0,20-0,12 6-0,13-0,07-0,18-0,09 7-0,30-0,16-0,35-0,21 8-0,34-0,23-0,37-0,15 9-0,36-0,21-0,21-0, ,19-0,10-0,22-0,14 Δ -0,22 ± 0,03-0,14 ± 0,02-0,24 ± 0,02-0,15 ± 0,01 Tab. 7.5: Výsledky měření spoje E2000/APC. Změřené hodnoty jsou menší než hodnoty udávané výrobcem [8]. 7.2 Metoda zpětného odrazu (OTDR) Metoda OTDR (Optical Time Domain Reflectometr) využívá vyhodnocení časové závislosti zpětně odraženého světelného výkonu ve vlákně při šíření úzkého optického pulsu. Dnes je to jedna z nejvýznamnějších metod měření optických vláken. Používá se k diagnostice vláken, a to jak při montáži, tak i při výrobě, optických tras. Dále lze touto metodou měřit útlum, délku a podélnou homogenitu vlákna, útlum a odraz na jednotlivých spojích. Pomocí této metody se také lokalizují poruchy, jako je například velký ohyb v optické trase. Metoda je založena na Rayleigho rozptylu a Fresnelových odrazech. Velikost zpětně odraženého výkonu se dá zapsat pomocí vzorce: P OUT z = 1 2 P IN Δ t v g S α R e αz, (41) kde P IN je výkon navázaný do vlákna, Δ t je čas šíření pulzu, v g je grupová rychlost záření, S je plocha průřezu jádra, α R je konstanta útlumu a e αz jsou ztráty v optickém vlákně. U této metody je důležité, aby snímač detekoval pouze odražené záření. Proto je nutné zajistit odstranění vstupního odrazu, což se řeší elektronickým hradlováním fotodetektoru, použitím akustooptického deflektoru nebo polarizačním hranolem. V metodě OTDR se vyznačuje tzv. mrtvá zóna, která je přibližně dlouhá 100 m od měřícího přístroje, kde není možné nic změřit. Vzdálenost dvou poruch, které lze jednoznačně odlišit, se nazývá Identifikační mrtvá zóna. S rostoucí délkou impulzu klesá rozlišovací schopnost přístroje. Například pulz o šířce 10 ns má rozlišovací schopnost 1 m. Stejně jako u metody vložených ztrát, je zapotřebí, aby se měřená trasa či spojka měřila z obou stran, neboť odrazy mohou být z každé strany jiné. 39

45 Tvar poruch na křivce zpětného rozptylu Obr. 7.2: Typy poruch na OTDR křivce [4]. Obrázek ukazuje odhalitelné poruchy na vlákně, kde jednotlivá čísla odpovídají těmto významům: 1 odraz od vstupního čela vlákna (důsledek rozhraní vzduch sklo) 2 konstantní hodnota útlumu vlákna 3 skoková porucha (svar, bodový tlak atd.) 4 Fresnelův odraz na konektoru nebo nehomogenita ve vlákně 5 zdánlivé zesílení (úsek s větší hodnotou modového pole) 6 mnohonásobný odraz způsobený špatně zvoleným rozsahem (světlo proběhne vláknem, odrazí se od rozhraní vlákno vzduch a odrazí se zpět do vlákna, kde se postupně utlumuje, tento děj se opakuje, dokud se daný pulz úplně neutlumí) 7 zvlnění křivky způsobené odchylkami vlnovodné struktury vlákna 8 změna podélného útlumu vlákna 9 odraz od konce vlákna 40

46 7.2.1 Popis měření K měření pomocí OTDR metody byl použit přístroj palmotdr-20a od firmy ShinewayTech. Měření bylo provedeno na jednomodových vláknech navržených pro vlnovou délku 1 310nm a 1 550nm. Přístroj byl nastaven podle následující tabulky: Rozsah 1,3 km Jednotka délky metry Délka pulzu 12 ns n 1,4569 Čas měření 30 s Zobrazovat reflexe větší než -65 db Vlnová délka 1 310/1 550 nm Nezobrazovat reflexe menší než 0,1 db Tab. 7.2: Nastavení měřícího přístroje. n je index lomu jádra a je určující pro rychlost šíření světla v optickém vlákně. Správné nastavení n je důležité pro přesnost měření. Zobrazovat reflexe větší než přístroj zobrazí větší potlačení zpětného odrazu než -65 db. Nezobrazovat reflexe menší než přístroj nezobrazí odrazy menší než 0,1 db. Mohl jsem zvolit hodnotu 0,0 db, ale nechtěl jsem, aby výsledná trasa byla příliš nerovná, což by zkreslilo výsledky. Hodnota doporučená výrobcem je 0,2 db. Měření konektoru FC/PC a LC/UPC K přístroji se připojilo předřadné vlákno o délce 500 m. Na konektor E2000/APC předřadného vlákna se připojil patchcord s měřenou spojkou FC/PC (LC/UPC), který se s protikusem přivařil k optickému vláknu o délce m. Měření konektoru E2000 K předřadnému vláknu, zakončenému konektorem E2000/APC byl připojen protikus, přivařený k vláknu o délce 150 m. Měření optického svaru Na optické vlákno o délce 350 m byl přivařen konektor FC/PC, který byl připojen do reflektometru. Druhý konec vlákna se spojil pomocí optického svaru s dalším vláknem. Měření rozebíratelné spojky fibrlok Na předřadné vlákno o délce 500 m s konektorem E2000/APC byl připojen protikus, který byl pomocí optického svaru přivařen na optické vlákno o délce 130 m. Konec tohoto vlákna byl spojen pomocí mechanické spojky fibrlok s dalším vláknem o délce 130 m. Spoj byl změřen na vlnových délkách nm, nm a následně rozebrán. Konce optického vlákna byly očištěny od imerzního gelu. Následovalo jejich opětovné zalomení a vložení do spojky fibrlok. Následně byl tento spoj znovu proměřen. 41