Optické komunikace II Optické útlumové články

Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB-TU Ostrava Optické komunikace II Optické útlumové články Datum: 13.4.2014 Autor: Tomáš Škařupa, LOGIN SKA0092 Kontakt: ska0092@vsb.cz Předmět: Optoelektronika II Cvičící: Ing. Jan Látal Segment: Spojování optických vláken Místnost: KrP 203 Laboratoř přenosových médií

1. Teoretický úvod 1. 1. Optické útlumové články Optické útlumové články, nebo také optické atenuátory, jsou optické pasivní prvky, slouží pro přizpůsobení optického výkonu k požadavkům optické trasy (sítě). Záměrně tedy s jejich pomocí vkládáme do optické trasy vložný útlum. Požadovaný útlum (pevný dle řady, případně proměnný) je dosažen dle zvolené konstrukce bez závislosti na vlnové délce (nové typy). V současné době mají optické útlumové články tvar konektoru samec/samice a lze je tak vložit kdekoliv do optické trasy. Dělají se pro všechny typy v dnešní době používaných optických konektorů ST, FC, SC, E2000, LC, ale také DIN a MU. Příklad v dnešní době používaných optických útlumových článků zobrazuje obr. 1. [1] Obrázek 1 útlumové články Méně často se již v dnešní době používají optické útlumové články v podobě optické spojky (optického adaptéru). Mají tvar konektoru samice/samice stejného typu konektoru, nebo odlišného (adaptéry). Tyto typy optických útlumových článků mohou mít pevně nastavený vložný útlum (požadovaná nezávislost na vlnové délce), nebo proměnný nastavitelný. Příklad používaných optických útlumových článků v podobě optické spojky zobrazuje obr. 2. [2]

Obrázek 2 útlumové články ve formě spojky Dalším segmentem z této oblasti, který se v praxi používá, jsou optické útlumové články s digitálně nastavitelným útlumem. Jedná se o Intuitivní, dálkově nastavitelné optické, optické útlumové články, které jsou vhodným doplňkem při testování výkonu aktivních prvků v optických sítích, funkčnosti optických komponent i vlastností celých přenosových systémů. Vysoká přesnost a špičkové hodnoty parametrů ORL, PMD, PDL umožňují jejich nasazení i v náročných scénářích při testování výkonných, vysokorychlostních systémů. Křivka odezvy na procházející signály s různými vlnovými délkami je velmi plochá, lze tedy přístroje využít i v případě CWDM/DWDM linek, příklad takového optického útlumového článku je zobrazen na obr. 3. Jejich výhodou je: [1] až 4 kalibrované vlnové délky, vzdálené ovládání pomocí PC, možnost vytváření testovacích sekvencí, vyměnitelné konektory, lehké, kompaktní a odolné provedení. Obrázek 3 útlumový článek s dynamickým rozsahem Souhrnem se optické útlumové články dělí z konstrukčního hlediska na využití principu podélného, příčného, úhlového vzdálení protilehlých vláken, nebo využití principu šedého filtru či speciálně dotovaného optického vlákna (dnes moderní). [1]

1. 2. Parametry útlumových optických článků Jako u každých optických pasivních prvků i u optických útlumových článků udává výrobce hned několik parametrů: [1] útlum odrazu RL: standardně 50 db pro PC, 60 db pro APC, o operační vlnovou délku: standardně 1250 až 1650 nm, o vložný útlum IL: dle řady, např. 1, 2, 3, 5, 10, 15, 20 a 30 db, o stabilitu vložného útlumu: pro rozsahy, např. pro rozsah 1-2 db ± 0,5 db, o výkonová odolnost: standardně 250 mw, o operační teplota: standardně -40 až 80 C, o rozměry: tab. 1. Obrázek 4 přehled rozměrů útlumových článků Na obrázku č. 5 je vysvětleno, co znamenají jednotlivé zkratky, které jsou napsány na jednotlivých útlumových článcích. Obrázek 5 popis útlumového článku CBA-10-UPC-SM-15

1. 3. Metoda OTDR Metoda zpětného rozptylu, někdy také označována jako metoda optické reflektometrie v časové oblasti, vyhodnocuje závislost zpětně rozptýleného optického výkonu při šíření úzkého optického impulsu měřeným vláknem, pro měření útlumu využívá Raygleighova rozptylu. Pro lokalizování poruch využívá Fresnelovy odrazy na bodové poruše nebo na koncích vlákna. Tyto odrazy jsou z hlediska měření útlumu nežádoucím jevem, ale jsou vhodné pro měření délky trasy a pro lokalizaci poruch. Fresnelův odraz nastává při dopadu optického záření na rozhraní dvou prostředí s různým indexem lomu. Taková situace nastane v každém optickém konektoru nebo mechanické spojce, případném lomu na vlákně atd. [2] Princip OTDR spočívá ve vyslání velmi výkonného světelného impulsu do vedení a měření zpětných odrazů. Každý prvek v síti způsobuje odraz nebo útlum, případně obojí. Konce vláken a poruchy na vláknech, stejně jako konektory, sváry a ostatní prvky v síti odrazí část vyslaného impulsu zpět k měřícímu přístroji. OTDR používá čas každého samostatného odrazu k určení vzdálenosti každé události. [2] Nejlepší vlnová délka použitelná pro detekci makroohybů pomocí OTDR je 1625 nm, případně 1650 nm. Výhodou měření na těchto vlnových délkách je, že můžeme makroohyby detekovat za plného provozu na měřené trase. [2] Dalším důležitým jevem, na který je třeba brát ohled při použití metody OTDR, je tzv. mrtvá zóna. Vzhledem k tomu, že detektor OTDR je extrémně citlivý, může dojít k jeho saturaci při silném odrazu, jako například od výstupního konektoru OTDR a od prvního konektoru sítě. Často nejdelší mrtvá zóna vzniká na prvním spoji. Útlum bez mrtvých zón, útlum spojů a konektorů blízko OTDR měřícího přístroje tedy není možné měřit běžným způsobem. Tento problém lze vyřešit použitím tzv. předřadného vlákna. Předřadné vlákno o známém útlumu nám umožní zahrnout do měření i první konektor a případné chyby, které by jinak nebyly kvůli efektu mrtvé zóny měřitelné. Útlum posledního konektoru může být měřen stejným způsobem, tedy připojením předřadného vlákna k poslednímu konektoru. Mrtvá zóna dále vzniká u všech odrazných prvků na trase, nehomogenity umístěné bezprostředně za odraznou nehomogenitou díky tomu nejsou detekovány. Tyto mrtvé zóny se dále dělí na mrtvé zóny identifikační a mrtvé zóny útlumové. Identifikační mrtvá zóna udává minimální vzdálenost konektorů, aby bylo možné je rozpoznat (identifikovat). Útlumová mrtvá zóna udává minimální vzdálenost konektorů, aby bylo možné je rozpoznat a samostatně vyhodnotit. Ve specifikacích měřících přístrojů se tyto mrtvé zóny udávají zpravidla při nejkratším měřícím pulsu. [2] Pro testování dlouhých tras a zařízení s velkým útlumem je potřeba velký dynamický rozsah, naproti tomu pokud potřebujeme přesně zjistit vlastnosti jedné konkrétní poruchy, je potřeba vyslat krátký impuls. Tyto dva požadavky jdou proti sobě, dlouhý impuls poskytuje velký dynamický rozsah, kratší impuls omezuje dynamický rozsah. Dynamický rozsah je rozdíl mezi navázanou úrovní signálu a úrovní šumu. V souvislosti s měřením metodou OTDR se ještě zavádí tzv. efektivní dynamický rozsah nebo někdy také využitelný rozsah, který dynamický rozsah omezuje na hodnoty, při kterých jsme ještě schopni rozeznat nehomogenity na reflektogramu. [2]

1. 4. nastavení parametrů OTDR Dosah (distance range): Udává maximální vzdálenost na kterou je OTDR schopna detekovat poruchu. [2] Šířka impulsu (pulse width): Udává šířku měřícího impulsu, který je vyslán měřícím přístrojem. Delší impuls zvyšuje dosah měření a zlepšuje odstup signálu od šumu, ale snižuje přesnost výsledků, je těžší rozeznat nehomogenity, které jsou blízko sebe. Delší impuls také způsobuje delší mrtvé zóny. Naproti tomu kratší impuls poskytuje vyšší přesnost výsledků a kratší mrtvé zóny, ale snižuje rozsah a odstup signál šum. Obecně je upřednostňováno použití nejkratšího možného impulsu umožňujícího odhalit všechny nehomogenity a poté upravovat šířku pulsu podle potřeby. Pokud měříme douwnstream v sítích PON, optický výkon impulsu musí být dostatečně velký, aby prošel skrz rozbočovače a dynamický rozsah musí být veliký. [2] Doba vyhodnocení (acquisition time): Nastaví dobu vyhodnocování výsledků. Obecně při delším vyhodnocování budou výsledky přesnější, zvláště na dlouhých trasách, vzhledem k faktu, že při dlouhodobějším vyhodnocování se velká část šumu zprůměrňuje. Toto zvyšuje odstup SNR a schopnost OTDR přístroje rozeznat malé a blízké nehomogenity. Při provádění rychlého testu za účelem lokalizace významných poruch, jako například lomu vlákna, bude použit krátký vyhodnocovací čas, řádově v desítkách sekund. Pro podrobné změření charakteristiky trasy a přesné změření celkového útlumu se nastaví delší čas vyhodnocování, řádově v jednotkách minut. [2] Obrázek 6 poruchy na křivce zpětného odrazu 1. Odraz od vstupního čela vlákna. Důsledek rozhraní vzduch-sklo 2. Konstantní hodnota útlumu vlákna 3. Bodová porucha (svar, bodový tlak, defekt struktury vlákna atd.) 4. Fresnelův odraz na konektoru nebo defektu vlákna 5. Zdánlivě zesíleni. Usek s větším průměrem módového pole 6. Mnohonásobný odraz vlivem nesprávně volby délkového rozsahu. Světlo proběhne vláknem odrazí se na druhé straně od rozhraní a putuje několikrát ve vlákně, než utlum daný puls úplně neutlumí. 7. Zvlněni křivky fluktuacemi vlnovodné struktury, polarizační efekty nebo přístrojem 8. Změna podélného útlumu, průměru vidového pole, podélné vlivy na vlákno 9. Odraz od konce vlákna

2. Zadání protokolu Cílem měření je experimentální ověření přenosových parametrů optických útlumových článků v závislosti na pracovní vlnové délce. Pracovní vlnové délky budou v oblasti pro jednovidové ITU-T G.652 D a mnohovidové optické vlákna ITU-T G.651.1. Experimentální měření bude prováděno přímou metodou dle standardu 1a a 1b (dle optického útlumového článku) a nepřímou metodou OTDR (pouze pro jednovidové pracovní vlnové délky). Měření přenosových parametrů optických útlumových článků přímou metodou 1 Měřící sadu NOYES určenou pro mnohovidové pracovní vlnové délky (850 a 1300 nm) kalibrujete metodou 1a / 1b dle standardu ISO/IEC 14763-3. 2 Do referenční trasy vložte zvolený optický útlumový článek. 3 Změřte vložný útlum IL pro pracovní vlnové délky. 4 Měření 1) až 3) opakujte pro jednovidové pracovní vlnové délky (1310 a 1550 nm). 5 Měření 1 až 4) opakujte pro ostatní optické útlumové články (čti poznámku níže). Měření přenosových parametrů optických útlumových článků nepřímou metodou 1 K reflektometru OTDR umístněného v platformě EXFO FTB-400 připojte předřadné optické vlákno (pozor na konektor) ITU-T G.652 D. 2 K předřadnému optickému vláknu připojte optický patchcord a s ním se připojte do libovolné průchodky v racku (horní patchpanelu) viz obr. 6. 3 Změřte útlumový profil trasy a výsledek si v patřičném rozlišení uložte. 4 Vložte do vybudované trasy (do libovolného místa s ohledem na mrtvou zónu OTDR metru) optický útlumový článek v podobě adaptéru na optický konektor a změřte útlumový profil trasy, výsledek si v patřičném rozlišení uložte. 5 Analyzujte parametry celé měřené trasy (vzdálenosti, útlumy, zpětné odrazy), přičemž se zaměřte hlavně na útlumový článek. Obrázek 7 patchpanel v učebně

3. Schéma zapojení Obrázek 8 ukázka napojení útlumového článku jako spojky u SM 3. 1. Použité měřicí přístroje OV vlákna : SM amm Reflektometr EXFO 400 Zdroje záření: SM OLS1 DUAL MM OLS2 DUAL Inspekční mikroskop Vedlejší použité pomůcky: Optické spojky Inspekční mikroskop Obrázek 9 reflektometr EXFO 400

4. Tabulka naměřených a vypočítaných hodnot Tabulka 1 Útlumový článek ve formě adaptéru u MM Útlumový článek ve formě adaptéru typ útl. čl. CBA-20-SL-M6-85 CBA-05-SL-M6-85 850 nm 1300 nm 850 nm 1300 nm č měření napojení u zdroje napojení u zdroje napojení u zdroje napojení u zdroje 1 18,17 19,59 5,46 5,5 2 18,19 19,61 5,46 5,5 3 18,2 19,62 5,46 5,5 4 18,21 19,63 5,47 5,5 5 18,22 19,65 5,47 5,5 zpětný směr napo. u detektoru napo. u detektoru napo. u detektoru napo. u detektoru 1 9,57 9,19 2,66 2,7 2 9,54 9,16 2,66 2,71 3 9,5 9,13 2,66 2,7 4 9,47 9,12 2,66 2,71 5 9,48 9,12 2,66 2,71 průměr napojení u zdroje 18,198 19,62 5,464 5,5 průměr napojení u detektoru 9,512 9,144 2,66 2,706 Tabulka 2 Útlumový článek ve formě optické spojky u MM Útlumový článek ve formě optické spojky typ ú. č. CBA-20-SL-M6-85 CBA-05-SL-M6-85 č měření 850 nm 1300 nm 850 nm 1300 nm první směr 1 23,57 23,05 7,9 7,74 2 23,58 23,06 7,91 7,75 3 23,58 23,06 7,91 7,77 4 23,58 23,06 7,92 7,77 5 23,58 23,06 7,72 7,74 zpětný směr 1 23,06 22,63 7,99 7,93 2 23,09 22,64 8 7,94 3 23,09 22,64 8 7,94 4 23,1 22,64 8 7,94 5 23,1 22,64 8 7,94 průměr napojení u zdroje 23,578 23,058 7,872 7,754

průměr napojení u detektoru 23,088 22,638 7,998 7,938 Tabulka 3 Útlumový článek ve formě adaptéru u SM Útlumový článek ve formě adaptéru typ ú. č. (CBA-10-UPC-SM-15) CBA-15-UPC-SM-15 1310 nm 1550 nm 1310 nm 1550 nm č měření napojení u zdroje napojení u zdroje napojení u zdroje napojení u zdroje 1 4,08 2,29 0,51 0,94 2 4,11 2,41 0,45 1,01 3 4,09 2,41 0,47 0,98 4 4,12 2,37 0,51 0,94 5 4,09 2,41 0,47 0,94 zpětný směr napo. u detektoru napo. u detektoru napo. u detektoru napo. u detektoru 1 10,13 10 14,31 14,47 2 10,17 10,11 14,56 14,57 3 10,15 10,17 14,57 14,67 4 10,23 10,32 14,35 14,48 5 10,15 10,25 14,55 14,59 průměr napojení u zdroje 4,098 2,378 0,482 0,962 průměr napojení u detektoru 10,166 10,17 14,468 14,556 Tabulka 4 Útlumový článek ve formě optické spojky u SM Útlumový článek ve formě optické spojky typ ú. č. (CBA-10-UPC-SM-15) CBA-15-UPC-SM-15 č měření 1310 nm 1550 nm 1310 nm 1550 nm první směr 1 10,81 11 15,5 15,81 2 10,84 11,06 15,56 15,89 3 10,85 11,03 15,46 15,78 4 10,87 11,25 15,5 15,87 5 10,89 11,09 15,54 15,76 zpětný směr 1 10,7 10,92 15,62 15,8 2 10,72 10,92 15,87 15,6 3 10,72 10,92 15,6 15,84 4 10,73 10,89 15,62 15,8 5 10,72 10,87 15,54 15,81

Útlum [d B] Katedra telekomunikační techniky průměr napojení u zdroje 10,852 11,086 15,512 15,822 průměr napojení u detektoru 10,718 10,904 15,65 15,77 5. Grafické zpracování naměřených a vypočtených hodnot 5. 1. Grafy pro měření přímou metodou Útlumové články u SM 18 16 Útlumový článek CBA-15-UPC-SM-15 14 12 článek ve formě spojky 1550 nm článek ve formě spojky 1310 nm 10 8 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 Počet rozpojení článek ve formě adaptéru (u detektoru) 1310 nm článek ve formě adaptéru (u detektoru) 1550 nm článek ve formě adaptéru (u zdroje) 1310 nm článek ve formě adaptéru (u zdroje) 1550 nm graf 1 CBA-15-UPC-SM-15

Útlum [d B] Útlum [d B] Katedra telekomunikační techniky Útlumový článek CBA-10-UPC-SM-15 12 10 článek ve formě spojky 1550 nm 8 článek ve formě spojky 1310 nm 6 4 2 0 1 2 3 4 5 6 Počet rozpojení článek ve formě adaptéru (u detektoru) 1310 nm článek ve formě adaptéru (u detektoru) 1550 nm článek ve formě adaptéru (u zdroje) 1310 nm článek ve formě adaptéru (u zdroje) 1550 nm graf 2 CBA-10-UPC-SM-15 Útlumové články u MM 25 Útlumový článek CBA-20-SL-M6-85 20 15 10 5 0 0 1 2 3 4 5 6 Počet rozpojení útlum. článek ve formě spojky 850 nm útlum. článek ve formě spojky 1300 nm útlum. článek ve formě adaptéru (u zdroje) 1300 nm útlum. článek ve formě adaptéru (u zdroje) 850 nm útlum. článek ve formě adaptéru (u detektoru) 850 nm útlum. Čl. ve formě adaptéru (u detektoru) 1300nm graf 3 CBA-20-SL-M6-85

Útlum [d B] Katedra telekomunikační techniky Útlumový článek CBA-05-SL-M6-85 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 Počet rozpojení útlum. článek ve formě spojky 850 nm útlum. článek ve formě spojky 1300 nm útlum. článek ve formě adaptéru (u zdroje) 1300 nm útlum. článek ve formě adaptéru (u zdroje) 850 nm útlum. článek ve formě adaptéru (u detektoru) 850 nm útlum. Čl. ve formě adaptéru (u detektoru) 1300nm graf 4 CBA-05-SL-M6-85

5. 2. Grafy pro měření nepřímou metodou 5.2.1. útlumový článek CCA -02-USC Velikost útlumu je přibližně 2,5 db. graf 5 velikost pulsu 5 ns Velikost útlumu je přibližně 2,5 db. graf 6 velikost pulsu 1 mikro s

Následující grafy zobrazují zpětné útlumy na trase při použití útlumového článku jako adaptéru na straně patchpanelu. Velikost útlumu je přibližně 2,5 db. graf 7 velikost pulsu 1 ns graf 8 velikost pulsu 5 mikro s

5.2.2. útlumový článek CCA -05-USC Velikost útlumu je přibližně 8,5 db. graf 9 velikost pulsu 5 ns Velikost útlumu je přibližně 8,5 db. graf 10 velikost pulsu 1 mikro s Následující grafy zobrazují zpětné útlumy na trase při použití útlumového článku jako adaptéru na straně patchpanelu.

Velikost útlumu je přibližně 8,5 db. graf 11 velikost pulsu 5 ns Velikost útlumu je přibližně 8,5 db. graf 12 velikost pulsu 1 mikro s

6. Závěr měření V první části měření bylo za úkol změřit přenosové parametry optických útlumových článků přímou metodou. U SM pokud připojíme útlumový článek hned ke zdroji, (jeho vyzařovací optický výkon není zatížen žádnými ztráty), tak útlumový článek nebude moc efektivní viz graf č. 1 a 2. Útlumový článek v tomto případě dokáže utlumit jen část energie postupujícím od zdroje a zbytek propustí do vlákna. Pokud připojíme útlumový článek u detektoru, tak v tomto případě bylo ze zdroje do vlákna navázáno jen část energie, které se pak bude tlumit našim útlumovým článek. V případě MM vláken, pokud dáme útlumový článek přímo ke zdroji, tak nám propustí jen požadované množství optického výkonu viz graf č. 3 a 4. V druhé části měření bylo za úkol změřit přenosové parametry optických útlumových článků nepřímou metodou. Byly použity dva útlumové články (CCA -02-USC a CCA -05-USC), které se postupně vyměňovaly. Na grafu číslo 5 je vykreslen záznam z OTDR, kdy byl použitý útlumový článek CCA -02- USC. Naměřený útlum na článku byl přibližně 2,5 db, hodnota je o 0,5 db větší než je velikost útlum. článku. Je to způsobené tím, že celková velikost útlumu je tvořena útlumovým spojkou, dále se tam nachází asi 2m vlákna a spojka s útlumovým článkem. K záznamu trasy byl použitý malý puls o velikosti 1ns. Díky tomu je vidět na grafu, že je cesta více zašuměna než v případě použití pulsu 5 mikro s (graf č. 6). Čím je puls menší, tím je vidět na trase více detailů. Negativní faktor tohoto pulsu je to, že má malý dynamicky rozsah (trasa začne rychle padat do šumu) a nemusí nám signál dojít až do konce optické trasy jak je zobrazeno na grafu číslo 11. Na grafu číslo 11 je vidění tzv. duch. Nachází se v oblasti 1 km od zdroje, kde není žádný útlumový článek nebo spojka. Z grafu 5-12 lze odvodit, že trasa je delší 10 km. Při volbě dlouhého pulsu není na grafech zobrazen, že by útlumové křivka přiblížila k hodnotě 0 db (viz. jak to jde vidět na obrázku č. 6).

ODKAZY [1] KOUDELKA, Petr. Spojování optických vláken rozdílných parametrů [online]. Ostrava, 2011 [cit. 2014-13-02]. Dostupné z: http://moodle.kat440.vsb.cz/mod/resource/view.php?id=2697. Návod k měření. VSB [2] GAJDOŠ, Jaroslav. METODIKA MĚŘENÍ OPTICKÝCH SÍTÍ FTTH. Brno, 2008. Dostupné z: https://dspace.vutbr.cz/bitstream/handle/11012/21404/diplomka_gajdo%c5%a1_el.p df?sequence=1. Diplomová. VUT.