PMD POLARIZAČNÍ VIDOVÁ DISPERZE A VLIV NA PŘENOS PMD POLARIZATION MODE DISPERSION AND ITS EFFECT ON DATA TRANSPORT

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTRONIKY A KOMUNIKAČÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELEKTRICAL ENGENEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS PMD POLARIZAČNÍ VIDOVÁ DISPERZE A VLIV NA PŘENOS PMD POLARIZATION MODE DISPERSION AND ITS EFFECT ON DATA TRANSPORT DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. PAVEL TRÁVNÍČEK doc. Ing. MILOSLAV FILKA, CSc. BRNO 2009

2 ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE

3 ABSTRAKT Diplomová práce se zabývá vlivem polarizační vidové disperze na přenášený signál optickou trasou. Popisuje příčiny vzniku polarizační vidové disperze a to jak vnitřní tak vnější. Působením těchto vlivů vzniká diferenční skupinové zpoţdění DGD (Differential Group Delay), coţ je časové zpoţdění mezi jednotlivými vidy. DGD způsobuje časové roztaţení impulsu a omezení přenosové rychlosti. Práce se také zabývá lokalizací části optického vlákna se zvýšenou hodnotou polarizační vidové disperze a to metodou POTDR, která je zaloţena na principu zpětného rozptylu a jejími modifikacemi SOP a DOP. Důleţitou kapitolou práce je také měření polarizační vidové disperze. Jsou zde rozebrány metody měření PMD a to metoda interferometrická, polarimetrická a metoda skanování vlnové délky. Velká část diplomové práce je věnována sniţování vlivu polarizační vidové disperze. Tato část je rozdělena do dvou části, na metody sniţování vlivu PMD a na kompenzaci PMD. Rozdílem mezi těmito částmi je způsob sníţení působení PMD na přenášený kanál. Kompenzace vyuţívá kompenzačních členů vloţených do přenosové trasy. U metod sniţování PMD se problém řeší spíše z pohledu výměny vlákna či celého kabelu. Pro lepší pochopení vlivu polarizační vidové disperze jsou zde nasimulované 4 optické trasy s různými parametry. Výstupem simulace je diagram oka, který nám poskytuje pohled na výsledky přenosové cesty. V závěrečné části práci je vyhodnocení naměřených parametrů optických tras simulovaných v laboratoři. KLÍČOVÁ SLOVA Polarizační vidová disperze, chromatická disperze, optické vlákno, měřící metody PMD, kompenzační metody PMD,

4 ABSTRACT My graduation thesis is concerned with the effect of polarization mode dispersion on transmitted signal by optical line. It describes external and internal causes of origination of polarization mode dispersion. On the basis of these effects there is a differential group delay (DGD). It is the time delay in meantime within individual modes. DGD results in a time extension of impulsion and limitation of maximum bit rate. This thesis contains localization methods of part of gossamer filament with increased value of PMD by POTDR method. This method is based on the principium of back dispersion and its modifications SOP a DOP. Very important chapter of this thesis is the measurement of the polarization mode dispersion. There are described methods of PMD measurement. It is the interferometric and polarimetric method and the method of state of polarization. The major part of this thesis is about the reduction of polarization mode dispersion effect. This part is divided into two parts. First part is about the methods of PMD effect reduction and the second one is about the PMD compensation. The discrepancy between these two parts is the reduction way of PMD effect on transmitted channel. The compensation use the compensation components inserted into the transmission path. By PMD reduction methods we can solve the problems from the view of changing of fibre or all cable. For better understanding of polarization mode dispersion effect there are simulated 4 optical lanes of various parameters. The simulation output is the eye diagram which provides the view at results of transmission lane. In the final part there is the evaluation of measured parameters of optical lanes simulated in a laboratory. KEYWORDS Polarization mode dispersion, Chromatic dispersion, Optic fiber, measuring methods, compensation methods.

5 TRÁVNÍČEK, P. PMD - polarizační vidová disperze a vliv na přenos. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Miloslav Filka, CSc.

6 Prohlášení Prohlašuji, ţe svou diplomovou práci na téma PMD Polarizační vidová disperze a vliv na přenos jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího diplomové práce s pouţitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, ţe v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně moţných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne Podpis autora

7 Poděkování Děkuji vedoucímu diplomové práce doc. Ing. Miloslavu Filkovi, CSc., za velmi uţitečnou metodickou pomoc a cenné rady při zpracování práce.

8 OBSAH ÚVOD ZÁKLADNÍ PRINCIPY OPTICKÉHO PŘENOSU FYZIKÁLNÍ PODSTATA SVĚTLA Zákon odrazu Zákon lomu ZÁKLADNÍ VÝRAZY Jádro optického vlákna Plášť optického vlákna ZÁKLADNÍ VZTAHY Index lomu Vlnová délka Numerická apertura OPTICKÁ VLÁKNA JEDNOVIDOVÁ VLÁKNA SPECIÁLNÍ VLÁKNA Polarizační vlákna Kompenzační vlákna DISPERZE V OPTICKÝCH VLÁKNECH DEFINICE DISPERZE DRUHY DISPERZE Vidová disperze Profilová disperze Chromatická disperze Materiálová disperze Vlnovodná disperze Polarizační vidová disperze DŮVODY VZNIKU POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE Vnitřní vlivy Vnější vlivy MATEMATICKÉ VYJÁDŘENÍ POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE... 34

9 4.1 STOKESŮV PROSTOR JONESŮV PROSTOR LOKALIZACE ÚSEKU SE ZVÝŠENOU HODNOTOU PMD METODA POTDR Metoda analýzy SOP (State of polarization) Metoda analýzy DOP (Degree of polarization) MĚŘENÍ POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE METODA INTERFEROMETRICKÁ METODA SKANOVÁNÍ VLNOVÉ DÉLKY (METODA S FIXNÍM ANALYZÁTOREM) METODA POLARIMETRICKÁ Metoda analýzy Jonesovy matice SROVNÁNÍ MĚŘÍCÍCH METOD METODY KE SNÍŢENÍ PMD POUŢITÍ JINÉ VLNOVÉ DÉLKY POUŢITÍ JINÉHO OPTICKÉHO VLÁKNA V KABELU VÝMĚNA CHYBOVÉHO ÚSEKU VLÁKNA VÝMĚNA CELÉ OPTICKÉ TRASY KOMPENZACE PMD KOMPENZAČNÍ METODA PSP (PRINCIPAL STATE OF POLARIZATION) KOMPENZÁTORY S DVOJLOMNÝM ELEMENTEM KOMPENZÁTOR S PC A POLARIZÁTOREM SIMULACE PMD PRO TRASY A, B, C, D VYHODNOCENÍ NÁMĚRŮ OPTICKÝCH VLÁKEN DSF A NZDSF MODUL FTB VLÁKNA G.653, G Vlákno G Vlákno G.655 NZDF (NON DISPERSION SHIFT-FIBER) Vlákno G.655 A-NZDF (ADVANCED NZDF) NAMĚŘENÉ HODNOTY VYHODNOCENÍ NÁMĚRŮ OPTICKÉ TRASY... 66

10 10.5 KOMPENZACE ÚSEKU S HODNOTOU NEVYHOVUJÍCÍ DOPORUČENÍ ITU ZÁVĚR LITERATURA ABECEDNÍ PŘEHLED POUŢITÝCH ZKRATEK, VELIČIN A SYMBOLŮ SEZNAM PŘÍLOH... 73

11 Seznam tabulek Tab. 1.1 Příklady indexů lomů Tab. 2.1 Třídy telekomunikačních jednovidových vláken Tab. 2.2 Základní geometrické rozměry vláken Tab. 2.3 Parametry PMF vlákna Tab. 2.4 Parametry kompenzačního vlákna Tab. 3.1 Limitní hodnoty PMD pro různé délky vlákna Tab. 3.2 Limitní hodnoty PMD v SDH Tab. 6.1 Srovnání FA a Tinty pro nová vlákna (nepouţité) Tab. 6.2 Srovnání FA a TINTY vynalezená po roce Tab. 6.3 Srovnání FA a TINTY pro vlákna < Tab Výhody jednotlivých metod Tab. 9.1 Parametry diagramu oka (trasa A) Tab. 9.2 Parametry diagramu oka (trasa B) Tab. 9.3 Parametry diagramu oka (trasa C) Tab. 9.4 Parametry diagramu oka (trasa D) Tab ITU-T doporučení pro jednomódová vlákna Tab Náměry 1. úsek Tab Náměry 2. úsek Tab Náměry 3. úsek Tab Náměry 4. úsek Tab Náměry 5. úsek Tab Náměry 6. úsek Tab Náměry 7. úsek Tab Náměry 8. úsek Tab Náměry 9. úsek Tab Náměry 10. úsek Tab Vyhodnocení náměrů optické trasy... 67

12 Seznam obrázků Obr. 2.1 Jednovidové vlákno Obr. 3.1 Závislost skupinového zpoţdění vidů na souhrnném vidovém čísle x Obr. 3.2 Spektrální průběh chromatické disperze pro jednovidové vlákno Obr. 3.3 Princip šíření polarizačních vidů v ideálním a reálném vlákně Obr. 3.4 PMD vláken s velkým dvojlomem Obr. 3.5 PMD konvenční jednovidových vláken Obr. 3.6 Vnitřní vlivy působící na vlákno Obr. 3.7 Vnější vlivy působící na vlákno Obr. 5.1 Blokové schéma metody SOP Obr. 5.2 Blokové schéma metody DOP Obr 6.1 Tradiční uspořádání interferometrické metody TINTY Obr. 6.2 Obecná metoda měření PMD (GINTY) Obr. 6.3 Blokové schéma měřící metody skanování vlnové délky Obr. 6.4 Blokové schéma polarimetrické metody Obr. 8.1 Blokové schéma kompenzační metody PSP Obr. 8.2 Princip dvojlomného elementu Obr. 8.3 Kompenzace PMD dvojlomným elementem Obr. 8.4 Kompenzace PMD dvojlomným elementem se dvěma sekcemi Obr. 8.5 Kompenzace PMD s PC polarizátorem Obr. 9.1 Schéma zapojení pro měření Obr. 9.2 Diagram oka pro PMD 2ps/ km, 2,5Gb/s, 1000 km Obr. 9.3 Diagram oka pro PMD 2ps/ km, 10Gb/s, 1000 km Obr. 9.4 Diagram oka pro PMD 0,1ps/ km, 10Gb/s, km Obr. 9.5 Diagram oka pro PMD 0,1ps/ km, 40Gb/s, km Obr Měřící modul FTB Obr Měřící jednotka a) FTB 200 b) FTB

13 Úvod Náplní této diplomové práce je studium Polarizační vidové disperze (PMD). Cílem práce je určit, jaký vliv má na přenos informace v optickém komunikačním systému. PMD je velice důleţitým faktorem při vyšších přenosových rychlostech. Vyznačuje se koeficientem s jednotkou [ ]. V současné době je hodně diskutovaný problém zvýšení přenosové rychlosti především u páteřních sítí. Vhodným médiem pro realizaci je optické vlákno, které poskytuje dostatečnou spolehlivost a šířku pásma, nepodléhá elektromagnetickému rušení a je také odolné proti odposlechu okolními narušiteli. Práce popisuje příčiny vzniku PMD a to jak v důsledku působení vnějších tak i vnitřních vlivů. Tyto vlivy jsou příčinou vzniku skupinového zpoţdění (DGD). Následkem je časové zpoţdění mezi jednotlivými vidy a omezení přenosové rychlosti. Část práce se také zabývá lokalizací úseku optického vlákna se zvýšenou hodnotou polarizační vidové disperze a to metodou POTDR, která je zaloţena na principu zpětného rozptylu a jejími modifikacemi SOP a DOP. Jsou zde rozebrány metody měření PMD a to metoda interferometrická, polarimetrická a metoda skanování vlnové délky. V dnešní době hodně aktuální téma, kompenzace PMD, je členěno na 2 kapitoly. Rozdíl mezi nimi spočívá v principu sníţení PMD. První část se zabývá především moţnostmi výměny za účelem sníţení PMD. Druhá část se zabývá sníţením PMD v důsledku pouţití kompenzačních členů. Pro lepší pochopení vlivu polarizační vidové disperze jsem nasimuloval 4 optické trasy s různými parametry. Výstupem simulace je diagram oka, který nám poskytuje pohled na výsledky přenosové cesty. V závěrečné části práci je vyhodnocení naměřených parametrů optických tras simulovaných v laboratoři dle ITU-T. 13

14 1 Základní principy optického přenosu 1.1 Fyzikální podstata světla Na světlo můţeme nahlíţet jako na vlnění z pohledu vlnové optiky nebo jako na částice z pohledu kvantové fyziky. Tato dualita vychází z toho, ţe světlo má velmi rozsáhle frekvenční spektrum a tím má i různé energie. Světlo si lze představit jako paprskové šíření částic - fotonů, které při svém letu ještě vykonávají kmitavý pohyb. Tento děj je však velice rychlý, protoţe světlo se ve vakuu šíří přibliţně km/s a frekvence kmitání pro viditelné světlo je řádově v desítkách THz. [12] Zákon odrazu Odraţený paprsek leţí v rovině dopadu a úhel odrazu se rovná úhlu dopadu.. (1.1) Zákon lomu Lomený paprsek leţí v rovině dopadu a úhel lomu je spojen s úhlem dopadu vztahem (1.2) upravíme ho na vztah (1.3) 1.2 Základní výrazy Jádro optického vlákna Vnitřní část optického vlákna, má vyšší index lomu neţ plášť. Rozměry jádra bývají kolem µm u mnohavidových vláken, a kolem 8 µm u jednovidových vláken. 14

15 1.2.2 Plášť optického vlákna Obaluje jádro optického vlákna. Musí mít menší index lomu neţ má jádro, ale rozdíl indexů je v setinách. Plášť má menší index lomu kvůli splnění podmínky úplného odrazu. Průměry pláště jsou většinou 125 µm, ale plastová nebo speciální vlákna mají větší průměr. 1.3 Základní vztahy Index lomu Index lomu je poměr rychlosti světla ve vakuu s rychlostí světla v materiálu. Je to bezrozměrná veličina a je větší neţ 1. [12] (1.4) Několik příkladů indexů lomu uvádí Tab Tab. 1.1 Příklady indexů lomů Materiál Index lomu Vzduch 1,003 Voda 1,330 Sklo 1,52-1,59 Diamant 2, Vlnová délka Někdy také označovaná jako prostorová perioda. Je to délka, kterou vlna uběhne během jednoho kmitu. [12] (1.5) nebo také (1.6) 15

16 1.3.3 Numerická apertura Určuje úhel, pod kterým je moţné do vlákna navázat vedené módy (paprsky) (1.7) nebo také (1.8) 16

17 2 Optická vlákna Nejvýhodnější je přenos po optickém vlákně. I kdyţ přenos nevykazuje problémy jako je tomu při přenosech atmosférou, přesto i při tomto přenosu se parametry optického signálu mění. Dochází jednak k zeslabení a ke změnám tvaru přenášených impulsů, případně časové polohy. Zvýšení dosahu je moţné docílit zařazením opakovačů, které mohou být buď se zesílením nebo regenerační. V opakovačích prvního typu se signál zesiluje například v optickém pásmu laserovým zesilovačem. Nedostatkem je zvýšení šumu a tím zhoršení kvality spoje s rostoucí délkou trasy. Opakovače regenerační, ve kterých se signál obnovuje na původní kvalitu, umoţňují na základě digitálních přenosů vytvářet spoje, jejichţ kvalita není závislá na délce trasy. [4] Přenosové vlastnosti optických vlákennou závislé na jejich konstrukci. Rozeznáváme základní tři typy konstrukcí: Jednovidové vlákno s konstantním indexem lomu jádra. Mnohavidové vlákno s konstantním indexem lomu jádra. Vlákno s proměnným indexem lomu jádra, které bývá označováno jako gradientní vlákno. Pod názvem vid (cizí název mód) označujeme jeden z fyzikálně přípustných způsobů rozloţení elektromagnetického pole v příčném řezu jádra optického vlákna. Vidy tvoří řadu a je jich konečný počet. U mnohavidových vláken se šíří řádově několik set aţ tisíce vidů. Mnoţství šířících se vidů je odvislé od vybuzení vlákna. Je tedy moţné vybudit pouze jeden vid. Způsob vybuzení vlákna ovlivňuje jeho přenosové vlastnosti a z tohoto pohledu právě jednovidová vlákna vykazují nejlepší přenosové vlastnosti pro dálkové přenosy. Přenosové vlastnosti, podobně jako geometrické parametry, jsou specifikovány v doporučeních ITU-T. Pro gradientní vlákna v doporučení G.651, pro jednovidová vlákna na vlnové délce 1,3 m v doporučení G.652 a pro jednovidová vlákna na vlnové délce 1,55 μm v doporučení G.653. Problematikou poloměrů optických vláken se zabývá doporučení G.641. Dále byla zpracována celá řada doporučení k problematice výstavby a montáţe kabelových tras s optickými kabely. Celá tato normalizační činnost se neustále rozvíjí. [4] 17

18 2.1 Jednovidová vlákna Jednovidová vlákna jsou v současnosti v telekomunikacích jedny z nejpouţívanějších. Především je to díky tomu, ţe u těchto vláken odpadá vidová disperze a s těmito vlákny lze dosáhnout podstatně vyšších přenosových rychlostí na delších trasách neţ s pouţitím mnohavidových vláken. Základní typ jednovidového vlákna se v podstatě neliší od mnohavidového vlákna, jen má menší průměr a proto se do něj vejde pouze jeden vid. V případech, kdy index lomu se mění skokem, je často pouţíváno označení světlovody vrstvové.[12] n m 100 m Obr. 2.1 Jednovidové vlákno Podmínka jednovidových vláken se dá vypočítat z Besselových funkcí. Pokud vezmeme v úvahu první kořen Besselovy funkce, tak máme podmínku jednovidové činnosti vlákna. Pro jednovidový reţim musí platit tato relace [1]. (2.1) 18

19 Jak je z tohoto vztahu patrné, jednovidový reţim můţeme ve vlákně ovládat vlnovou délkou λ, kterou vlákno budíme, dále numerickou aperturou NA a hlavně průměrem vlákna a. Ze strany vlnové délky a numerické apertury jsme docela hodně omezeni fyzikálními zákony, ale průměr jádra je čistě technologická záleţitost, která je v dnešní době docela dobře zvládnutá. [1] Tab. 2.1 Třídy telekomunikačních jednovidových vláken Tříd Doporučení Typ vlákna Jmenovitá vlnová délka Pracovní λ (nm) a ITU nulové disperze (nm) B1.1 G 652 Konvenční B1.2 G 654 S minimálním útlumem B2 G 653 S posunutou disperzní charakteristikou B3 S plochou disperzní Malá disperze v rozsahu charakteristikou DF B4 G 655 S nenulovou disperzní NDZ Malá disperze v pásmu Všechna uvedená vlákna jsou celoskleněná, tzn., ţe se skládají z jádra dopovaného germaniem a z pláště z čistého křemenného skla. Jejich základní geometrické vlastnosti jsou uvedeny v tabulce 2.2 [1] Hlavní rozdíly mezi jednotlivými typy jednovidových vláken spočívají v jejich přenosových parametrech, mezi něţ patří útlum, průměr vidového pole, charakteristika chromatické disperze, polarizační vidová disperze a mezní vlnová délka. [1] 19

20 Tab. 2.2 Základní geometrické rozměry vláken Parametr Průměr bezbarvé primární ochrany (µm) 245 ± 10 Průměr barevné primární ochrany (µm) 250 ± 15 Nekruhovost primární ochrany (%) 6 Chyba soustřednosti plášť/primární ochrana 12,5 (µm) Průměr pláště (µm) 125 ± 2 Nekruhovost pláště (%) 2 Chyba soustřednosti jádro/plášť (µm) -jednotlivá hodnota 1 -průměrná z 50 vzorků 0,5 Chyba soustřednosti průměru vidového pole (µm) 1 Hodnota 2.2 Speciální vlákna Vývoj optických komunikačních sítí při zvyšujících se poţadavcích na rychlost a kvalitu přenosu optického signálu vede k vývoji speciálních optických vláken o zcela jiné konstrukci, neţ mají vlákna viz. Tab Mezi tyto vlákna zařazujeme vlákna zachovávající polarizaci, vlákna kompenzující chromatickou disperzi, vlákna dopovaná prvky vzácných zemin pro vývoj optických vláknových zesilovačů nebo vlákna chalkogenní pro přenos v delší infračervené oblasti. [1] Polarizační vlákna V pokročilých komunikačních technologiích se občas vyuţívají postupy, které se zakládají na principu interference dvou optických vln. Informace nesená těmito vlnami můţe být interpretována spolehlivě pouze tehdy, jestliţe amplituda interferenčního obrazce zůstává stabilní v čase a prostoru. Pro tento účel byla vyvinuta a jsou jiţ i dostupná jednovidová vlákna, která splňuje tento poţadavek polarizační vlákna (PMF Polarization Maintaining fiber). [1] 20

21 Tab. 2.3 Parametry PMF vlákna Parametr Jmenovitá pracovní délka (nm) 1550 Rozsah jednovidového reţimu (nm) Mezní vlnová délka (nm) 1160 C 60 Útlum (db/km) 2 3 h parametr (db.km) 48 Normalizovaný dvojlom 1,5x Záznějová délka (nm) 10 Průměr vlákna (µm) 125 ± 3 Průměr primární ochrany (µm) 225 ± 15 Hodnota Kompenzační vlákna Chromatická disperze v jednovidových vláknech vede k rozšiřování přenášených optických impulsů, coţ má za následek omezení šířky pásma. Konvenční jednovidová vlákna typu B1.1 mají poměrně značnou chromatickou disperzi v pásmu 1550 nm. Jedna z metod pro omezení celkové chromatické disperze spočívá v pouţití vlákna kompenzujícího chromatickou disperzi. Pouţití znamená zařadit do trasy s konvenčním vláknem s velkou chromatickou disperzí. [1] Tab. 2.4 Parametry kompenzačního vlákna Parametr Hodnota Koeficient chromatické disperze (ps/(nm.km)) -80 Sklon disperzní křivky (ps/(.km)) - 0,15 Útlum (db/km) 0,6 Polarizační vidová disperze (ps/ ) 0,5 Mezní vlnová délka (nm) < 1300 Průměr vidového pole (µm) 5,0 ± 0,5 21

22 3 Disperze v optických vláknech Signál přenášený optickým vláknem je na konci trasy nejen zeslabován vlivem útlumu, ale také dochází k jeho zkreslení vlivem disperze. Disperzní vlastnosti vlákna proto určují mezní frekvenci signálu, který lze vláknem přenést. Při návrhu kaţdého optického spoje by proto měly být k dispozici nejen údaje o útlumu pouţitých vláken, ale také informace o jejich disperzních vlastnostech. [1] 3.1 Definice disperze Disperze je způsobena tím, ţe se jednotlivé spektrální sloţky signálu šíří různou skupinovou rychlostí (dorazí na konec vlákna v jiném čase), coţ má za následek deformaci signálu. Disperze můţe mít různé příčiny a podle těchto příčin je dělíme na vidovou (mezividovou), chromatickou (intravidovou) a polarizační. Chromatickou disperzi dále dělíme na materiálovou a vlnovodnou. Vidová a chromatická disperze jsou parametry, které vycházejí ze struktury vlákna, a jsou tedy i měřitelné. Polarizační disperze je naopak parametr, jehoţ velikost je závislá na mnoha náhodných veličinách.[1] 3.2 Druhy disperze Vidová disperze Kaţdému vidu, který se šíří optickým vláknem, odpovídá skupinová rychlost šíření. V důsledku rozdílné skupinové rychlosti jednotlivý vidů dospěje jimi přenášená energie ke konci vlákna v rozdílných časových okamţicích. Tím dochází ke zkreslování přenášeného signálu. Uvedený jev bývá označován jako vidová disperze a setkáváme se s ním pouze u mnohavidových vláken. [1] V praxi se nejčastěji vyskytují mnohavidová vlákna s mocninným profilem indexu lomu popsaný vztahem:, (3.1) kde n (r) je profil indexu lomu v jádře vlákna, je relativní rozdíl indexů lomu jádra a pláště, a je poloměr jádra, g je parametr mocninného profilu a r je 22

23 vzdálenost daného bodu od osy vlákna. Přibliţnou analýzu vláken s tímto profilem lze provést pomocí WKB metody podle které pro skupinové zpoţdění jednotlivých vidů platí:, (3.2) kde je skupinový index lomu v jádře vlákna, c je rychlost šíření světla ve vakuu a x je souhrnný vidový index (0<x<1). Průběh skupinového zpoţdění v závislosti na x pro vybrané hodnoty parametru profilu g je znázorněn na obr Tento obrázek názorně ukazuje, ţe vidová disperze je největší u optických vláken se skokovým profilem indexu lomu, kde značně převládá nad ostatními druhy disperze. Lze ji však značně omezit vyrovnáním rychlosti šíření jednotlivých vidů pomocí vhodné volby parametru g. Z tohoto hlediska je optimální tzv. blízce parabolický profil indexu lomu, pro který se hodnota g pohybuje přibliţně v rozmezí 1,95 2,00.[1] Vidová disperze je potom ve srovnání se skokovým profilem indexu lomu tři řády menší. [ s/km] 4,9300 4,9100 4,8900 4,8700 2,5 2,0 1,5 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 x Obr. 3.1 Závislost skupinového zpoţdění vidů na souhrnném vidovém čísle x Přesná optimální hodnota parametru g je přitom závislá na materiálu a rozměrech vlákna a na pouţité vlnové délce záření. 23

24 Přirozeným faktorem, který také omezuje vidovou disperzi a současně zvyšuje útlum v kaţdém reálném mnohavidovém optickém vlákně, je vidová konverze. S vidovou disperzí se nesetkáme ve vláknech jednovidových. I v těchto vláknech se však jediný vedený vid šíří ve dvou navzájem kolmých polarizačních stavech, přičemţ kaţdému stavu můţe odpovídat nepatrně odlišná skupinová rychlost šíření. V tomto případě je to však disperze polarizační Profilová disperze Tento pojem souvisí s tím, ţe optimální profil indexu lomu vlákna je závislý na vlnové délce záření. Jestliţe se disperzní vlastnosti příměsí liší od základního materiálu skla i mezi sebou navzájem, budou podmínky šíření i celkové disperze na kaţdé vlnové délce poněkud jiné a pro kaţdou vlnovou délku bude tedy i jiný optimální profil indexu lomu. Obecně se dá říct, ţe s rostoucí vlnovou délkou se zmenšuje hodnota optimálního parametru g.[1] Pro popis profilové disperze se obvykle zavádí parametr profilové disperze P, (3.3) který vyjadřuje jiţ zmíněnou odlišnost disperzních vlastností základního materiálu a příměsí Chromatická disperze Kaţdý reálný zdroj optického záření, který lze pouţít pro přenos informací v optických komunikacích je vţdy prováděn pomocí spojitého nebo kvazispojitého spektra vlnových délek. Optická vlákna však představují disperzní prostředí, jehoţ skupinový index lomu je spektrálně závislý. Kaţdá spektrální sloţka přenášeného signálu se proto šíří optickým vláknem odlišnou skupinovou rychlostí. Jednotlivé spektrální sloţky teda dorazí na konec vlákna v rozdílných časových okamţicích, coţ opět přispívá ke zkreslení přenášeného signálu obr Uvedený jev, spojený s rozdílnou skupinovou rychlostí šíření jednotlivých spektrálních sloţek signálu, se nazývá chromatická disperze. Chromatická disperze bývá nejčastěji charakterizována tzv. koeficientem chromatické disperze D, který je definován vztahem, [ ] (3.4) 24

25 kde je skupinové zpoţdění signálu. Koeficient chromatické disperze bývá nejčastěji udáván c ps/(km.nm) a fyzikálně ho lze interpretovat jako celkové rozšíření Gaussovského impulsu v ps při průchodu vláknem o délce 1 km a při pouţití zdroje záření se spektrální pološířkou 1nm. Při posuzování chromatické disperze optických vláken nebo při vlastním měření koeficientu chromatické disperze zpravidla nestačí pouze jediná diskrétní hodnota pro určitou vlnovou délku. Zpravidla nás zajímá celý spektrální průběh koeficientu chromatické disperze v určité spektrální oblasti. Někdy ovšem postačuje hodnota D na určité vlnové délce doplněná o některé další údaje, jako je např. vlnová délka nulové chromatické disperze nebo sklon disperzní charakteristiky. Hodnoty a lze pak vyuţít k poměrně přesnému výpočtu celkového průběhu D, např. podle vztahu, [ ] (3.5) [1] Chromatická disperze se skládá ze dvou sloţek, z disperze materiálové a vlnovodné. D [ps/km.nm] ,1 1,4 1,6 1,8 m] Obr. 3.2 Spektrální průběh chromatické disperze pro jednovidové vlákno 25

26 3.2.4 Materiálová disperze Materiálová disperze je způsobena závislostí indexu lomu skla pouţitého při výrobě optických vláken na vlnové délce záření. Tuto závislost lze popsat známými Sellmeirovými vztahy, podle kterých platí, (3.6), (3.7), (3.8) kde q je náboj elektronu a je permitivita vakua. V důsledku této závislosti, která je dána pouze materiálem skla, se kaţdá spektrální sloţka přenášeného monochromatického signálu šíří poněkud jinou skupinovou rychlostí. Z hlediska rozšíření impulsů a zkreslení signálu vlivem materiálové disperze nás zajímá především člen, který představuje koeficient materiálové disperze.[1] Vlnovodná disperze Vlákny se šíří obecné hybridní vidy se všemi sloţkami elektrického i magnetického pole. Konstanta šíření kaţdého hybridního viduje závislá na geometrických rozměrech vlákna, přesněji na poloměru jádra vlákna na vlnové délce a na profilu indexu lomu. I za teoretického předpokladu, ţe materiálová disperze je nulová (n= konst.), bude tedy konstanta šíření a skupinové zpoţdění kaţdého vidu funkcí vlnové délky. Tento jev se označuje jako vlnovodná disperze a při přenosu monochromatického záření přispívá ke zkreslování signálu stejným způsobem jako disperze materiálová. Koeficient vlnovodové disperze je vţdy záporný. U mnohavidových vláken se vlnovodová disperze zanedbává. Velikost roztaţení signálu roste s velikostí koeficientu vlnovodové disperze vlákna, spektrální šířkou zdroje záření a délkou optické trasy. [1] 26

27 3.2.6 Polarizační vidová disperze Polarizační vidová disperze má stejný efekt na šíření optického signálu v optickém vlákně jako jiné druhy disperze. Vede k neţádoucímu časovému roztaţení a zkreslení signálu a tak omezuje šířku pásma a linearitu přenosu. V jednovidovém vlákně je hlavním faktorem omezující rychlost chromatická disperze. Tu lze minimalizovat buď pouţitím zdroje záření s velmi malou spektrální pološířkou nebo výběrem vhodného vlákna. Lze ji kompenzovat také speciálními technikami (zapojení speciálního kompenzačního vlákna nebo pouţití Braggovou mříţku). Pouţijeme li jednu z výše uvedených technik, můţe se stát PMD hlavním omezujícím faktorem, zejména pro rychlé přenosy nebo pro přenosy na větší vzdálenosti. [1] Měření PMD se v posledních letech stává základním postupem při měření optických kabelů a tras. Protoţe PMD je, podobně jako útlum, ovlivňována mechanickými vlivy, je nutno ji měřit ve všech etapách výroby optických vláken, kabelů a také optických tras.[1] Reálné vlákno Ideální vlákno PMD = zpoždění Obr. 3.3 Princip šíření polarizačních vidů v ideálním a reálném vlákně Při dostatečně spektrálně úzkém impulsu můţe být tento jev charakterizován diferenciálním skupinovým zpoţděním (DGD) mezi oběma polarizačními vidy, které je obvykle vyjadřováno v ps. Tato veličince náhodně mění podél vlákna, a proto se spíše uvaţuje s její střední hodnotou. Pro popis PMD je důleţitý pojem vazební délka, která udává délku vlákna nebo kabelu, při níţ dojde k výrazné vazbě mezi oběma vidy. S ohledem na délku měřeného optického vlákna vůči jeho vazební délce rozlišujeme dva krajní případy. V prvním případě je délka měřeného vlákna podstatně menší neţ vazební délka. V tomto případě je vazba mezi polarizačními vidy velmi slabá a obecně se jedná o vlákna 27

28 s velkým dvojlomem. Pro taková vlákna je hodnota DGD lineární funkcí délky vlákna a koeficient PMD je dán vztahem. [ ] (3.9) PMD se pak rovná součtu DGD jednotlivých kabelových úseků podělených celkovou délkou trasy. Při měření takových vláken v časové oblasti je PMD vyjádřena časovým zpoţděním obou polarizačních vidů. Obr. 3.4 PMD vláken s velkým dvojlomem Vlákna s velkým dvojlomem, která jsou vyráběna speciálními technologiemi a jejich konstrukce je zcela odlišná od konstrukce běţných telekomunikačních vláken. V druhém případě je délka měřeného vlákna nebo kabelu podstatně větší neţ vazební délka. PMD uţ není lineární funkcí délky. V tomto případě se koeficient PMD vyjadřuje vztahem. [ ] (3.10) 28

29 Při šíření optického impulsu vláknem dochází pak k náhodnému přelévání energie mezi oběma polarizačními vidy a při měření v časové oblasti se PMD spočítá z pološířky Gaussovy aproximační křivky. V případě, kdy je délka měřeného vlákna srovnatelná s vazební délkou, je situace sloţitější a výpočet koeficientu PMD vyţaduje speciální postupy.[1] Obr. 3.5 PMD konvenční jednovidových vláken Na základě zkušeností ze sledování PMD se ukazuje, ţe PMD je velmi omezujícím faktorem nejen pro analogové TV přenosy ale i pro 10Gbit/s systémy pracující na principu TDM. Ukazuje se, ţe pro TDM systémy a přenosovou rychlostí 10 Gbit/s je nutné, aby celková hodnota PMD optické přenosové trasy nebyla větší neţ 10 ps. V případě PMD je však situace o to horší, ţe ji na rozdíl od ostatních parametrů optických vláken nelze eliminovat. Jedinou moţností, jak se s ní vyrovnat, je výroba optického vlákna s garantovanou velmi malou normalizovanou hodnotou PMD. Kromě vláken se na celkové hodnotě PMD optické trasy podílejí i další pasivní součástky, kdyţ ve srovnání s vlákny je její vliv většinou malý. [1] V tab. 3.1 můţeme vidět doporučené limitní hodnoty PMD pro optická vlákna různé délky a jaké maximální přenosové rychlosti na ně můţeme nasadit. Uvaţujeme zde pouze vliv PMD. 29

30 Tab. 3.1 Limitní hodnoty PMD pro různé délky vlákna PMD max. Délka vlákna DGD max. Přenosová rychlost [ ] [km] [ps] [Gbit/s] nespecifikované Nad Tab. 3.2 Limitní hodnoty PMD v SDH Bitová rychlost kanálu SDH DGD PMD 55 Mb/s ns <100 ps/ km 155 Mb/s STM ps <32 ps/ km 622 Mb/s STM ps <8 ps/ km 1,2 Gb/s ps <4 ps/ km 2,5 Gb/s STM ps <2 ps/ km 10 Gb/s STM ps <0,5 ps/ km 40 Gb/s STM-256 2,5 ps <0,125 ps/ km Při analogovém přenosu informace po optickém vlákně se uplatňuje další sloţka PMD, a to PMD druhého řádu. Vliv PMD druhého řádu na přenosový systém je stejný jako vliv chromatické disperze, a protoţe je vyjadřována ve stejných jednotkách, můţe se přičítat nebo odečítat od chromatické disperze. V důsledku tohoto má jinou závislost na délce vlákna neţ PMD prvního řádu a je lineární funkcí délky vlákna. Pro dlouhá vlákna lze PMD druhého řádu vyjádřit PMD prvního řádu vztahem 30

31 . (3.1) Protoţe PMD druhého řádu se připočítává ke chromatické disperzi, lze pak celkovou chromatickou disperzi vyjádřit vztahem. (3.12) Koeficient ½ před příspěvkem PMD druhého řádu vyjadřuje její statický charakter, kdy se počítá s její střední hodnotou. Ačkoliv není PMD druhého řádu limitujícím faktorem pro vlákna s posunutou chromatickou disperzí, jejichţ koeficient je menší neţ 2 ps/(nm.km), je nutno s ní počítat, pokud je splněna alespoň jedna z následujících podmínek: a) Chromatická disperze větší neţ 2 ps/(nm.km). b) Rychlost přenosu větší neţ 10 Gbit/s nebo větší neţ 1 GHz pro analogové přenosy. c) Délka trasy větší neţ 100 km. d) Velké cvrlikání laseru, zvláště při analogových přenosech. e) Vlákno s větším koeficientem ( ) neţ 0,5 ps/. 3.3 Důvody vzniku Polarizační vidové disperze Reálné vlákno není ideálně kruhové ani homogenní. Působení, které má za následek vznik PMD můţeme rozdělit do dvou skupin: Vnitřní. Vnější Vnitřní vlivy Vnitřní vlivy jsou způsobeny nepřesnou výrobou vlákna. Takové vlákno není ideálně kruhové ani homogenní. K minimalizaci těchto vlivů je zapotřebí zpřesnit samotnou výrobu vlákna a kontrolou zjistit jestli vlákno vyhovuje doporučením. 31

32 Mezi tyto vlivy řadíme: Tlak na jádro. Eliptický tvar jádra. Nesouměrný plášť. Eliptický tvar pláště. Vzduchová kapsa ve skle. Nesouměrná sekundární ochrana. Eliptický tvar sekundární ochrany. Tlak na jádro Eliptický tvar jádra Nesouměrný plášť Nesouměrná sekundární ochrana Eliptický tvar sekundární ochrany Eliptický tvar pláště Obr. 3.6 Vnitřní vlivy působící na vlákno Vnější vlivy Vnější vlivy jsou takové, které působí na vlákno z venku. Tyto vlivy jsou závislé na způsobu pokládání vlákna do trasy. Vlákno podléhá časové změně teploty, změně barometrického tlaku nebo mechanickým vibracím způsobeným např. projíţdějícími auty. Tyto vlivy se jen těţko kompenzují, proto je nutné být na pozoru jiţ při pokládce kabelu. K vnějším vlivům řadíme: Tlak na vlákno. Kroucení vlákna. 32

33 Ohyb vlákna. Tlak Kroucení Ohyb Obr. 3.7 Vnější vlivy působící na vlákno V jednovidovém optickém vlákně se šíří pouze jeden vid, jeho energie je však rozloţena do dvou vzájemně kolmých polarizačních vidů. V případě ideálně kruhového a homogenního vlákna se oba polarizační vidy šíří stejnou rychlostí. V reálném vlákně existuje v důsledku teplotního nebo mechanického namáháni dvojlom, coţ způsobuje vznik polarizační vidové disperze. 33

34 4 Matematické vyjádření Polarizační vidové disperze Polarizační vidová disperze se dá popsat dvěma hlavními způsoby pomocí Stokesova prostoru a Jonesova prostoru. 4.1 Stokesův prostor Zde vstupní polarizační vektor dává vznik výstupnímu polarizačnímu vektoru. Pokud frekvence roste do ω + dω a vektor je povaţován za frekvenčně nezávislý, pak změněný vektor je dán rovnicí, (4.1) kde Ω je Stokesův PMD vektor. Polarizační stav světelného záření se dá popsat Stokesovými parametry, (4.2), (4.3), (4.4) ). (4.5) Délku polarizace odpovídající dvojdimenzionální matici ukazuje 3D Stokesův vektor definovaný jako. [16] 4.2 Jonesův prostor prostor. Dalším způsobem jakým lze efektivně popsat polarizační vidovou disperzi je Jonesův 34

35 Stav polarizace se zjišťuje z hodnot amplitud a fáze. Jsou reprezentovány pomocí dvojdimenzionálního komplexního Jonesova vektoru. (4.6) Šíření paprsku se popisuje pomocí transformace matice 3.4 maticí 2 2 zvané Jonesova matice. (4.7) Pro šíření dvou kolmých módů můţeme Jonesovu matici napsat, (4.8) kde a jsou komplexní čísla udávající změnu a amplitudy a fáze daného módu matice T, která popisuje změnu báze z námi zvolené báze šíření záření na bázi danou vlastností prostředí. [16] Varianty Jonesovy matice T: Unitární nemění se amplituda, ale dochází ke změně fázového rozdílu mezi sloţkami. Hermitovská pokud se mění jen amplituda. Kaţdá matice lze zapsat jako součin unitární a hermitovské matice. A platí, ţe matici T označujeme jako unitární, jestliţe inverzní matice je rovna matici hermitovsky sdruţené 35

36 5 Lokalizace úseku se zvýšenou hodnotou PMD Pokud se ukáţe, ţe dané optické vlákno trasy vykazuje zpoţdění PMD větší neţ je schopen tolerovat přenosový systém, nelze takový systém pouţít. Toto riziko je vyšší zejména u starších tras postavených v 90. letech a tento problém je nutné často řešit v případě, ţe chceme na stávající starší optické trase instalovat systém s přenosovou rychlostí 10 Gbit/s. Pokud tedy hodnota PMD je nadlimitní, můţeme ještě pouţít polarizační reflektometr, který slouţí k lokalizaci úseku se zvýšenou hodnotou PMD. Výměna takového úseku můţe často vyřešit jinak neřešitelný problém nadlimitní hodnoty PMD. [10] 5.1 Metoda POTDR Metoda POTDR je zaloţena na vyuţití principu metody měření zpětného rozptylu OTDR. Půjde o to vyslat do vlákna trasy měřicí signál ve formě sledu impulsů a ze zpětně rozptýleného záření (vlivem Rayleighova zpětného rozptylu) se snaţit vyčíst informace o PMD jednotlivých míst na vláknu trasy. Jelikoţ nejde o přímé měření PMD, dá zjednodušeně vyjádřit závislost PMD vlákna trasy: [ ] (5.1) kde β symbolizuje velikost dvojlomu ve vláknu (ps/km), tzn. Odlišnost rychlostí šíření výše zmíněných dvou polarizačních vidů, L je délka vlákna a h udává vazební délku charakterizující vazbu mezi polarizačními vidy. Z rovnice je zřejmě, že PMD roste s velikostí dvojlomu ve vlákně, délkou vlákna a s velikostí vazební délky. Čím bude delší vazební délka a tudíţ menší výměna energie mezi oběma vidy šířícími se odlišnou rychlostí, tím více se bude odlišnost rychlostí obou polarizačních vidů uplatňovat.[10] V současné době existují dvě základní metody POTDR Metoda analýzy SOP. Metoda analýzy DOP. 36

37 Obě tyto metody mají část postavenou na stejném základu a to posílání krátkých intensivních impulsů polarizovaného optického záření do vlákna. Liší se ale zjišťováním parametrů ze zpětně rozptýleného záření. [10] Metoda analýzy SOP (State of polarization) Tato metoda je zaloţena na principu sledování změny stavu polarizace SOP (State of polarization). Rychlost změny je přímo úměrná velikosti dvojlomu ve vlákně a charakter této změny je závislý na vazební délce h. Pokud budeme provádět měření na různých vlnových délkách, můţeme vyhodnotit ze spektrální závislosti změn SOP pro jednotlivá místa v trase velikost PMD. [10] laditelný laser EDFA AOM polarizátor měřené vlákno detektor OTDR Obr. 5.1 Blokové schéma metody SOP Základním problémem je to, ţe délka i nejkratších impulsů uţívaných při OTDR měřeních (desítky ns) je pro měření vláken se silnějším dvojlomem příliš dlouhá na to, aby nedošlo v rámci impulsu k tzv. depolarizaci. Impuls šířící se vláknem zabírá totiţ jeho určitou délku, u zmíněných velmi krátkých impulsů to jsou jednotky m. U záření zpětně rozptýleného z depolarizovaného impulsu se tak ztrácí moţnost jeho SOP sledovat. U této metody je tedy třeba uţívat enormně krátké impulsy, coţ vede ke sníţení dynamického rozsahu měření, a tudíţ k omezení délky měřených tras. Proto je nutné měřicí signál zesilovat. Avšak ani tak není tato metoda vhodná pro měřidlo určené k hledání úseků se zvýšeným PMD na delších optických kabelových trasách. Tato metoda je pouţívána pro měření optických tras v terénu, vyznačuje se však delší dobou měření, menší tolerancí k vibracím vlákna a menším měřícím rozsahem (kolem 10ps). [10] 37

38 5.1.2 Metoda analýzy DOP (Degree of polarization) Tato druhá metoda je zaloţena na principu, na rozdíl od SOP, sledování stupně polarizace DOP. impulsní DFB laser polarizátor měřené vlákno detektor OTDR polarimetr Obr. 5.2 Blokové schéma metody DOP Pro impuls celý shodně polarizovaný s DOP = 1, pro zcela depolarizovaný se DOP = 0, pro záření zpětně rozptýlené ze zcela depolarizovaného impulsu se hodnota DOP blíţí cca 1/3. Pouţitím této metody jsme schopni proměřovat i delší optické trasy a lokalizovat úseky se zvýšenou hodnotou PMD. [10] Jako zdroj záření se uţívá úzkospektrální DFB laser. Pouţívá se, protoţe by mohlo dojít k depolarizaci signálu vlivem více šířících se vlnových délek. Polarizované výstupní záření z DFB laseru je navázáno do měřeného vlákna. Pro zpětně rozptýlené záření z jednotlivých míst vlákna trasy se analyzuje DOP pomocí polarimetru a detektoru OTDR. [10] Slabý dvojlom vlákna bude mít tak za následek vysoký měřený DOP a naopak. Situace je ale sloţitější, neboť DOP bude záviset ještě na mezividové vazbě resp. vazební délce h. Situaci můţeme zjednodušeně rozdělit na tři eventuality: 1) Vlákna se slabým dvojlomem. (malé β) DOP bude tudíţ vysoký (aţ k 1) bez ohledu na mezividou vazbu; v praxi se jedná o vlákna s velmi nízkou hodnotou PMD. Vlákna se silným dvojlomem a silnou mezividovou vazbou. (velké β a krátká vazební délka h) DOP bude malý vlivem silného dvojlomu (u zpětně rozptýleného signálu se bude blíţit 1/3) a bude se velice rychle měnit 38

39 vlivem silné mezividové vazby; v praxi se jedná o vlákna se střední hodnotou PMD. Vlákna se silným dvojlomem a slabou mezividovou vazbou. (velké β a dlouhá vazební délka h) zde bude záviset kromě b a h také na vzájemné poloze SOP záření a tvaru dvojlomu ve vláknu; DOP můţe kolísat mezi nízkými a vysokými hodnotami, ale bude se jen pomalu měnit; v praxi se jedná o vlákna s vysokou hodnotou PMD. 39

40 6 Měření polarizační vidové disperze Zpoţdění signálu v důsledku PMD je extrémně malé, jeho přímé měření není moţné, a proto se PMD měří nepřímo. Pro měření PMD jsou normalizované tři základní měřící metody, a to: 1) Metoda interferometrická. 2) Skanování vlnové délky (metoda s fixním analyzátorem). 3) Metoda polarimetrická (metoda analýzy Jonesovy matice). 6.1 Metoda interferometrická Pro hodnocení kabelových tras z pohledu PMD postačuje měřit PMD na jedné vlnové délce (nejvhodnější je 1550 nm). Pro běţné měření optických tras stačí znát informativní hodnotu PMD, a proto většinou stačí jedno měření v jednom směru kabelové trasy. Pro měření PMD na sítích je v České republice téměř výhradně poţívána interferometrická metoda, která odpovídá i ustálenému doporučení mezinárodních norem. Trasy, na kterých je zjištěna hodnota PMD větší neţ 20 aţ 30 ps, jsou pro vysokokapacitní přenosy téměř nepouţitelné, proto běţně postačuje měřicí rozsah přístroje 30 aţ 40 ps. Přední výrobci měřicí techniky nabízejí i modely s vyšším měřicím rozsahem 100 ps a více, ale takovéto přístroje na vyšších měřicích rozsazích jsou poměrně nevyuţité. Místo na měření velkých hodnot PMD se pozornost soustřeďuje na měření malých hodnot PMD. Práh citlivosti interferometrické metody byl aţ dosud 0,05 ps (při chybě měření ±0,05ps). Tím, jak optické kabely i součástky v optických trasách jsou kvalitnější, jsou měřené hodnoty stále menší a běţná interferometrická metoda neposkytuje dostatečnou přesnost a citlivost pro měření takto malých hodnot. [1] Interferometrická metoda je zaloţena na principu nízko koherentní interference, při které se do vlákna navazuje spojité široké spektrum lineárně polarizovaného záření, např. z LED zdroje. Na druhém konci se pomocí Michelsonova interferometru získává autokorelační funkce elektromagnetického pole vystupujícího z konce měřeného vlákna. Autokorelace je matematická operace, při které funkce s časovým zpoţděním se násobí s toutéţ funkcí bez zpoţdění. Optický svazek je rozdělen do dvou optických drah a pohyblivé zrcadlo interferometru vytváří poţadované zpoţdění mezi nimi. Oba svazky pak vzájemně interferují a měří se intenzita interferenčního obrazce. 40

41 V případě nepřítomnosti PMD dostáváme na výstupu z interferometru čistou autokorelační funkci záření. Po průchodu vláknem způsobuje PMD roztaţení základní autokorelační funkce v důsledku interference dvou polarizačních vidů z velikosti tohoto roztaţení se počítá PMD.[1] Měřený vzorek zdroj Interferometr Polarizátor Pohyblivé zrcadlo Detekční systém Obr 6.1 Tradiční uspořádání interferometrické metody TINTY Interferometrická metoda díky vysoké toleranci k vibracím vlákna, jednoduchosti a rychlosti měření je velmi vhodná pro měření v terénu. Kromě toho měření nevyţaduje získávání referenční hodnoty. Typická citlivost této metody je v rozsahu 0,05 aţ 100 ps. Tato metoda neumoţňuje měření diferenciálního skupinového zpoţdění DGD jako funkci vlnových délek nebo polarizačního stavu. Není také vhodná pro měření tras se spektrálně závislými prvky. U dlouhé trasy obsahující EDFA zesilovače je tudíž nutné měřit každý zesilovací úsek zvlášť a celkovou hodnotu PMD trasy počítat. Přítomnost autokorelační špičky ve výsledném interferogramu dále sniţuje přesnost měření, coţ se nejvíce projevuje při měření nízkých hodnot PMD. Z důvodu přítomnosti autokorelace nelze také vyhodnocovat PMD z interferogramu přímo, ale je třeba jej prokládat Gaussovou křivkou, ale i toto proloţení se projevuje ve sníţené přesnosti měření.[15] 41

42 Světovou novinkou v oboru měření PMD je upravená interferenční metoda, kde vhodnou detekcí je odstraněna autokorelační špička z interferogramu a pak je moţné měřit i podstatně menší hodnoty PMD neţ dosud a také umoţňuje měřit PMD optické trasy včetně optických zesilovačů nebo některých dalších prvků zapojených na trase. Nová metoda polarizační reflektometrie umoţňuje vyhodnotit polarizační vlastnosti vláken podél trasy včetně lokalizace úseků s nevyhovující hodnotou PMD.[15] Pohyblivé zrcadlo Detekční systém PBS Detektor 1 Detektor 2 Obr. 6.2 Obecná metoda měření PMD (GINTY) Základní změna oproti tradiční metodě spočívá v tom, ţe výsledný signál obsahující optické záření z obou ramen interferometru je nově rozdělen polarizačním děličem (PBS) na dvě vzájemně kolmo polarizované sloţky, které dopadají kaţdá na zvláštní detektor. Na kaţdém z obou detektorů dochází k interferenci a oba tyto interferenční obrazce obsahují opět obě korelační sloţky. Matematickými operacemi mezi oběma interferogramy lze ale obě sloţky od sebe oddělit. [15] U této metody jiţ není třeba pečlivě dodrţovat tvar spektra zdroje záření, ale je moţné měřit i trasy se spektrálně citlivými prvky. S touto metodou je např. moţné měřit trasy obsahující i mnoho desítek EDFA zesilovačů a není nutné měřit kaţdý zesilovací úsek zvlášť. Má to i tu výhodu, ţe takto naměřená celková hodnota PMD trasy bude přesnější, protoţe se vyhneme nutnosti ji počítat z hodnot naměřených na kaţdém zesilovacím úseku. Další nespornou výhodou oproti tradiční metodě je v tom, ţe je moţné měřit i velmi nízké hodnoty 42

43 PMD (aţ k 0 ps) a celkově se s ní dosahuje výrazně vyšší přesnosti měření. Tuto metodu jiţ můţeme najít v doporučeních některých organizací (TIA A) nebo pak v připravované aktualizaci doporučení ITU G [1] 6.2 Metoda skanování vlnové délky (metoda s fixním analyzátorem) V této měřící metodě se PMD měří ve spektrální oblasti, kdy se měří optický výkon záření procházejícího měřeným vláknem v závislosti na vlnové délce. Působením mezividové vazby a vlivem dvojlomu dochází ke změně polarizace procházejícího signálu, tuto změnu lze sledovat na zpětně rozptýleném záření z vlákna trasy. [1] Měřený vzorek přeladitelný laser Detekční systém Polarizátor Polarizátor Měřený vzorek zdroj Polarizátor Polarizátor Optický spektrální analyzátor Obr. 6.3 Blokové schéma měřící metody skanování vlnové délky Záření ze širokopásmového zdroje nebo přeladitelného laseru je přes polarizátor navázáno do měřeného vlákna. Na výstupu měřeného vlákna je záření vedeno přes další polarizátor do optického spektrálního analyzátoru nebo detekčního systému. Měření je dvoustupňové. V prvním kroku se změří výstupní optický výkon v daném spektrálním rozsahu. Úhlová orientace obou polarizátorů musí zůstat během měření neměnná. V případě, kdy není ve vlákně ţádný dvojlom, prochází polarizované záření ze zdroje analyzátorem beze změny a měří se konstantní optický výkon pro kaţdou vlnovou délku. Vzhledem k tomu, ţe za přítomnosti dvojlomu se ve vlákně mění polarizační stav procházejícího záření s vlnovou délkou, mění se s vlnovou délkou i hodnota detekovaného optického výkonu. Ve druhém kroku se odstraní analyzátor před detekční stranou a opakuje se měření ve stejném 43

44 spektrálním rozsahu a tak získá výkon referenční hodnota poměr obou spektrálních průběhů výkonu analyzátorem spektrální oblast mezi vlnovými délkami. Výsledkem měření je. Skanujeme-li spektrálním můţeme hodnotu spočítat jako, [ ] (6.1) kde k je koeficient vazby vidů, n je počet extrémů detekovaného optického výkonu v závislosti na vlnové délce a c je rychlost šíření světla ve vakuu. Z výše uvedeného vztahu je patrné, ţe menší počet extrému znamená niţší hodnotu PMD. Pro dosaţení větší přesnosti měření je proto třeba volit širší spektrální interval měření tak, aby počet extrémů byl větší neţ 10. V této metodě lze zjišťovat PMD také pomocí Fourierovy analýzy změřené spektrální závislosti optického výkonu. Rychlá Fourierova analýza transformuje data z frekvenční oblasti do oblasti časové a tak lze přímo získat informace roztaţení impulsu v čase. [1] 6.3 Metoda polarimetrická Tato metoda měření PMD je zaloţena na komplexní analýze polarizačního stavu optického záření procházejícího měřeným vláknem nebo součástkou. Pod názvem polarimetrická metoda se skrývá více metod, které pracují na obdobném základě. Jádrem těchto metod je zjišťování komplexních informací o polarizačním stavu na vstupu a na výstupu optické trasy, coţ obě dříve popsané metody neumoţňují.[15] Jedná se o metody: Metoda analýzy Jonesovy matice. Metoda Poincarého koule. Metoda polarizačních stavů (SOP) Metoda analýzy Jonesovy matice Meřený vzorek Přeladitelný laser Polarimetr Polarizační kontroler 44

45 Obr. 6.4 Blokové schéma polarimetrické metody Optické záření z laditelného laseru je po průchodu soustavou polarizačních elementů navázaného do měřeného vlákna. Na výstupu z vlákna je pomocí polarimetru analyzován polarizační stav vystupujícího optického záření. Výsledkem měření je určení všech čtyř elementů Jonesovy matice, která popisuje, jakým způsobem měřená soustava ovlivní stav polarizace a intenzitu dopadající vlny. Měření se provádí pro různé vlnové délky, čímţ se získá diferenciální skupinové zpoţdění a následně průměrováním se vypočítá PMD.[15] Tato metoda je velmi vhodná pro laboratorní měření při vývoji a výrobě optoelektronických součástek. Poskytuje totiţ kompletní informace o změnách polarizačních stavů v měřeném objektu. Měření je poměrně zdlouhavé, čímţ se zvyšuje citlivost na vibrace vlákna nebo teplotní změny. Z těchto důvodů je tato metoda nevhodná pro měření v terénu.[15] 6.4 Srovnání měřících metod Bylo provedeno srovnání výsledku měření různými metodami mezinárodní organizací a v současné době laboratorní testy ukazují, ţe mezi metodami existuje odchylka +/- 20 %. Následující měření bylo provedeno na trasách různé konfigurace, ale se shodnými vnějšími podmínkami. Cílem měření bylo skupinové zpoţdění DGD metodami: [20] Metoda s fixním analyzátorem (FA). Metoda TINTY. Tab. 6.1 Srovnání FA a Tinty pro nová vlákna (nepouţité) Vzdálenost TINTY FA Rozdíl 100 km 0,77 ps 0,85 ps 10 % Tab. 6.2 Srovnání FA a TINTY vynalezená po roce 2000 Vzdálenost TINTY FA Rozdíl 69 km 0,282 ps 0,282 ps 1 % 89 km 0,519 ps 0,479 ps 8 % 45

46 Tab. 6.3 Srovnání FA a TINTY pro vlákna < 1993 Vzdálenost TINTY FA Rozdíl 16 km 7,26 ps 6,16 ps 16 % 32 km 8,37 ps 7 ps 16 % Tyto výsledky měření dokazují, ţe se rozdíly mezi těmito metoda pohybuji v rozmezí do +/-20%. [20] Tab Výhody jednotlivých metod Metoda s fixním analyzátorem Metoda analýzy Jonesovy matice TINTY GINTY Dostupnost na trhu Dobrá Dostupnost na trhu Min měřitelný rozsah Min měřitelný rozsah Min měřitelný rozsah Min měřitelný rozsah DGD pouţitelný pro DGD pouţitelný pro DGD pouţitelný pro DGD pouţitelný pro všechny vlákna všechny vlákna všechny vlákna všechny vlákna Průměrování není Velmi rychlé měření (do 5 s) nutné, ale je vyţadován zisk pro kaţdou vlnovou Dlouhé měření (nutné průměrování) Velmi rychlé měření (do 5 s) délku Velmi jednoduché pouţití (není nutné nastavování specifických Měří přímo PMD a PMD 2. řádu PMD nelze měřit přímo,ale musíme ji dopočítat parametrů) Nová interferometrická metoda 46

47 7 Metody ke sníţení PMD Pokud měřený úsek trasy nevyhovuje limitním hodnotám PMD je nutné na tomto lokalizovaném úseku provést takové operace, které zajistí zmenšení PMD na takovou úroveň, při které jsme ji schopni akceptovat. Tyto operace můţeme rozčlenit do několika bodů : Pouţití jiné vlnové délky. Pouţití jiného optického vlákna v kabelu. Výměna chybového úseku vlákna. Výměna celé optické trasy. 7.1 Pouţití jiné vlnové délky Pokud přenosová cesta vykazuje příliš vysokou hodnotu PMD způsobující nepouţitelnost trasy, stojí z pravidla za pokus vyzkoušet přenos za pouţití jiné vlnové délky. Tento způsob je velmi jednoduchý, ale často těţko realizovatelný. 7.2 Pouţití jiného optického vlákna v kabelu Optická cesta bývá zpravidla zajištěna i několika rezervními, servisními vlákny, či vlákny určenými pro přenos pouze reţijních informací. Proměřením všech vláken zjistíme nejlépe vyhovující vlákno, tedy vlákno s nejniţší hodnotou PMD, a to pouţijeme pro nejdůleţitější přenosovou cestu. Tento způsob odstranění PMD je spolu se změnou vlnové délky jediný, při kterém není třeba měnit celý optický kabel, coţ je nákladné. 7.3 Výměna chybového úseku vlákna Tento způsob vyţaduje proměření dané optické trasy metodou POTDR, pro zjištění úseku vlákna se zvýšenou hodnotou PMD, ten se pak vymění za vlákno s lepšími přenosovými vlastnostmi. Tato metoda je efektivní a lze ji pouţít na všech typech optických tras. Výhodou jsou nízké náklady na realizaci. Výměnou úseku vlákna s vysokou hodnotou PMD se docílí sníţení PMD celé trasy a tím moţnost pouţití vyšších přenosových rychlostí. 47

48 7.4 Výměna celé optické trasy Výměna celé optické trasy je krajním řešením jinak neřešitelné situace. U starých optických kabelů vyrobenými v devadesátých letech je tento způsob nejvhodnější vzhledem k nízké kvalitě těchto kabelů a dále pak u kabelů s poškozenými vlákny. Výměna celé optické trasy je výhodnější tam, kde se kabely zatahují, či zafukují a výměna tudíţ není tak nákladná. 48

49 8 Kompenzace PMD Metodou jak sníţit hodnotu PMD bez nutnosti fyzické výměny optického vlákna či některé jeho části je kompenzace. Hlavním problémem při kompenzaci PMD je její proměnnost v čase. Tato skutečnost vyţaduje, aby kompenzace byla dynamická a včasně reagovala na změny hodnot PMD. Pouţívá se zpětný chybový signál, podle kterého se nastavuje aktuální stupeň kompenzace. Kompenzátory nám umoţňují sniţovat PMD prvního řádu, nebo i PMD řádů vyšších. Kaţdý kompenzátor má jistý počet parametrů, který určuje stupeň kompenzace, nebo téţ stupeň volnosti DOF (Degrese Of Freedom). Čím vyšší je stupeň volnosti, tím větší jsou moţnosti kompenzace. Vyšší stupeň volnosti však vyţaduje také vyšší nároky (mj. časové) na řízení kompenzace.[13] Kompenzační metody dělíme podle způsobu kompenzace PMD na: Optické. Elektrické Další rozdělení podle kritéria rozhodování kdy se kompenzace provede Před přenosem. Po přenosu. 8.1 Kompenzační metoda PSP (Principal State of Polarization) Jedná se o nejjednodušší metodu kompenzace PMD před přenosem. Podstatou této metody je nastavení stavu polarizace SOP (State Of Polarization) světla na vstupu vláknové linky pomocí polarizačního kontroléru PC (Polarization Controller) ve shodě s jedním z hlavních stavů polarizace PSP. [2] PC vlákno V zpětnovazební chybový signál P Obr. 8.1 Blokové schéma kompenzační metody PSP 49

50 Umoţňuje kompenzovat pouze PMD prvního řádu a má 2 stupně volnosti DOP. Je tu potřebný zpětnovazební chybový signál, který musí být přenesený z přijímače zpět do vysílače, coţ výrazně zpomaluje adaptaci kompenzace. Schéma je zobrazeno na obr Kompenzátory s dvojlomným elementem Další metoda kompenzace probíhá po přenosu. Zařazením dvojlomného elementu (zpoţďovací linky - ZL), s určitým skupinovým zpoţděním (DGD), za vláknovou linku se dosahuje kompenzace DGD v určitém spektru. [2] Tyto dvojlomné elementy můţe tvořit více sekcí, čímţ se dosáhne vyššího bodu volnosti. Čím vyšší stupeň volnosti, tím se systém stává flexibilnějším. Touto metodou lze kompenzovat PMD i řádů vyšších. Na druhé straně je poţadovaný komplikovanější kontrolní systém, coţ má za následek zvýšení reakční doby a sniţuje pravděpodobnost udrţení kompenzačního stavu v optimálním stavu. Princip dvojlomného elementu je zobrazen na Obr rychlá osa vlákno dvojlomný element komp pomalá osa Obr. 8.2 Princip dvojlomného elementu Jak je vidět na obr. 8.2, po průchodu vláknovou linkou jsou jednotlivé polarizační vidy vzájemně posunuty v čase o (DGD). Dvojlomný element zpozdí rychlejší z nich o hodnotu komp= a tím vyrovná jejich středové osy. Jako dvojlomné elementy mohou být pouţity speciální zpoţďovací vlákna, prvky zaloţené na technologii LiNbO3, nebo vláknové Braggovy mříţky.[2] 50

51 vlákno PC ZL V P zpětnovazební chybový signál Obr. 8.3 Kompenzace PMD dvojlomným elementem Na Obr. 8.3 je zobrazeno schéma nejjednodušší realizace kompenzace po přenosu s dvojlomným elementem. Je pouţita jedna sekce zpoţděné linky s pevnou délkou (DGD) zařazená za vláknovou linkou a má 2 DOF. Tento kompenzátor částečně kompenzuje DGD vláknové linky na určité nosné frekvenci (vlnové délce). Je to kompenzátor prvního řádu a má podobné vlastnosti jako PSP kompenzační metoda.[2] komp vlákno PC ZL PC ZL V P zpětnovazební chybový signál Obr. 8.4 Kompenzace PMD dvojlomným elementem se dvěma sekcemi Na obr. 8.4 je zobrazen příklad kompenzace PMD za pouţití dvojlomného elementu s dvěma polarizačními kontroléry PC, jednou pevnou a jednou měnitelnou zpoţďovací linkou ZL, má 5 DOF. Tato metoda kompenzuje PMD i vyšších řádů.[2] 8.3 Kompenzátor s PC a polarizátorem Další moţností realizace kompenzátoru po přenosu je zařazení PC a polarizátoru za vláknovou linku, viz obr

52 vlákno PC polarizátor V P zpětnovazební chybový signál Obr. 8.5 Kompenzace PMD s PC polarizátorem Tento kompenzátor má 2 DOF. Můţe být optimalizovaný nastavením PC pro maximální optický výkon za polarizátorem, anebo nastavením PC ve shodě s PSP na výstupu vláknové linky, podle minimálního rozšíření impulsů.[2] 52

53 9 Simulace PMD pro trasy A, B, C, D Pro zdůraznění vlivu jsem pomocí programu VPI player provedl simulace optických tras z pohledu vlivu PMD na přenášený signál. Pro lepší představu jsem pouţil jak starší vlákna s vyšší hodnotou PMD tak i novější s hodnotou PMD podstatně niţší. Simuloval jsem 4 trasy a to trasu A, B, C, D s různými přenosovými rychlostmi, délkami vlákna a hodnotou PMD. Schéma zapojení je uvedeno na obr Tx osciloskop Zdroj Vlákno Detektor Filtr Obr. 9.1 Schéma zapojení pro měření Parametry simulované trasy A: délka vlákna: 1000 km přenosová rychlost: 2,5 Gbit/s PMD: 2 ps/ km Obr. 9.2 Diagram oka pro PMD 2ps/ km, 2,5Gb/s, 1000 km 53

54 Na Obr. 9.2 je vidět simulace přenosové trasy pouze s vlivem PMD. Oko rozhodnutí je otevřené téměř na 100 %. Z tohoto důvodu můţeme říci, ţe PMD uplatňuje svůj vliv aţ při vyšších přenosových rychlostech. Tab. 9.1 Parametry diagramu oka (trasa A) Vlastnosti diagramu oka Šířka oka 0,29202 ns Doba náběhu 0,21701ns Doba 0,22010ns poklesu Parametry simulované trasy B: délka vlákna: 1000 km přenosová rychlost: 10 Gbit/s PMD: 2 ps/ km Obr. 9.3 Diagram oka pro PMD 2ps/ km, 10Gb/s, 1000 km Zde bylo pouţito stejné vlákno jako v trase A. Přenosová rychlost se zvýšila na 10 Gb/s a to mělo za následek rozšíření impulsu na 0,757 ns. V tomto okamţiku je oko otevřené ze 70 %,coţ je stále uspokojující hodnota. 54

55 Tab. 9.2 Parametry diagramu oka (trasa B) Vlastnosti diagramu oka Šířka oka 0,75762 ps Doba náběhu 0,69428 ps Doba 0,69177 ps poklesu Parametry simulované trasy C: délka vlákna: km přenosová rychlost: 10 Gbit/s PMD: 0,1 ps/ km Obr. 9.4 Diagram oka pro PMD 0,1ps/ km, 10Gb/s, km V trase C bylo pouţito moderní vlákno s hodnotou PMD 0,1 ps/ km. Oko rozhodnutí je otevřené na 98,4 %. Pro vlákna s touto hodnotou PMD jiţ není omezující přenosová rychlost 10Gb/s na tuto vzdálenost. 55

56 Tab. 9.3 Parametry diagramu oka (trasa C) Vlastnosti diagramu oka Šířka oka 0,97912 ps Doba náběhu 0,52658 ps Doba 0,52643 ps poklesu Parametry simulované trasy D: délka vlákna: km přenosová rychlost: 40 Gbit/s PMD: 0,1 ps/ km Obr. 9.5 Diagram oka pro PMD 0,1ps/ km, 40Gb/s, km V simulaci poslední trasy D bylo pouţito stejného vlákna, změněna byla přenosová rychlost na 40 Gb/s. Z grafu je zřejmé, ţe trasa přestává být průchodnou. Oko je otevřené na 20 % coţ je hodnota nedostačující pro přenos. Takto navrţená trasa by byla naprosto nevyhovující. 56

57 Tab. 9.4 Parametry diagramu oka (trasa D) Vlastnosti diagramu oka Šířka oka -- ps Doba náběhu 0,31988 ps Doba 0,14499 ps poklesu 57

58 10 Vyhodnocení náměrů optických vláken DSF a NZDSF Měření bylo provedeno v laboratoři Telefónici O2 v Olšanech. K měření byl pouţit měřící modul FTB 5700 od firmy EXFO, vlákno G.653, vlákno G.655 a testovací cívky Modul FTB 5700 Tento modul je určen ke komplexnímu měření chromatické a polarizační vidové disperze na vzdálenost aţ 140 km bez opakovačů. K měření pouţívá jednosměrnou reflektometrickou metodu, která nevyţaduje zdroj záření na druhém konci vlákna. Výhodou modulu FTB 5700 je jeho uţivatelsky jednoduché rozhraní, měření obou parametrů najednou a podle zadaných vstupních parametrů zobrazení stavu vyhověl či nevyhověl. Základní testovaný rozsah vlnové délky pro G.653 a G.655 je nm, ten lze však v případě potřeby přenastavit na jiný. Data naměřená měřidlem lze zpracovat v programu FastReporter od stejnojmenné firmy. Je speciálně navrţen pro off-line analýzu naměřených dat s grafickým uţivatelským rozhraním. Lze zde nastavit parametry měřených veličin s automatickým vyhodnocením. Vyrábí se ve 2-slotovém provedení, je ho tedy moţné integrovat nejen do měřicí jednotky EXFO FTB-400, ale také do malé přenosné kompaktní platformy EXFO FTB-200 vhodné pro měření v terénu. Obr Měřící modul FTB

59 a) b) Obr Měřící jednotka a) FTB 200 b) FTB Vlákna G.653, G.655 Tab ITU-T doporučení pro jednomódová vlákna ITU-T doporučení Popis G.651 Multimódové vlákno pro pouţití na vlnové délce 850 nm G.652 Standardní jednomódové vlákno s nulovou disperzí v okolí 1310 nm G.652.C Vlákno s nízkým obsahem hydroxidových iontů (LWP) G.653 Vlákno s posunutou disperzí (DSF), nulová v okolí 1550 nm, nevhodné pro WDM aplikace G.654 Vhodné pro dálkové přenosy bez opakovačů, minimalizovaná disperze ve III. Okně G.655 Vlákno s nenulovou posunutou disperzí (NZDSF), vhodné pro DWDM, hodnota disperze akceptovatelná i pro rychlosti 10 Gbit/s G.655.B A-NZDSF vlákno G.655 s rozšířeným pásmem nulové disperze Vlákno G.653 Vlákno s posunutou disperzí byla vyvinutu pro lasery operující na vlnové délce 59