FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ TELEKOMUNIKACÍ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF MĚŘENÍ OPTICKÝCH PŘENOSOVÝCH TRAS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR JAN AMBROŽ BRNO 2009

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF MĚŘENÍ OPTICKÝCH PŘENOSOVÝCH TRAS TITLE OF STUDENT S THESIS BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR JAN AMBROŽ ING. PAVEL REICHERT BRNO 2009

ABSTRAKT Tato práce se věnuje měření optických přenosových tras. Zejména měření útlumu, chromatické a polarizační vidové disperze. Specifikům měření systémů využívajících WDM a pasivních optických sítí. V každé kapitole jsou uvedeny příčiny a dopady omezujících faktorů a metody jejich měření. V kapitole Měření útlumu jsou popsány materiálové a radiační ztráty jakožto hlavní příčiny útlumu. Popsány jsou metody dvou délek, vložných ztráta zpětného rozptylu. Chromatická disperze způsobená rozdílnou rychlostí šíření různých vlnových délek víznamě omezuje systémy s vysokou přenosovou rychlostí. Metody jejího měření jsou fázového posunu, diferenciálního fázového posunu, zpoždění impulsů v časové oblasti a interferenční. Polarizační vidová disperze je náhodným jevem způsobeným dvojlomem, proto musí být měřena po dokončení výstavby trasy. Skenování vlnové délky, tradiční a obecná interferenční, zpětného rozptylu a polarimetrická jsou metody jejího měření. Je popsáno měření systémů WDM ve třech fázích jeho výstavby. V krátkosti jsou představeny sítě PON, se specifiky měření přes splitter. Většina kapitol je doplněna výsledky a závěry z praktických měření. V závěru práce jsou uvedeny návrhy dvou norem zabývající se měřením optických přenosových tras. KLÍČOVÁ SLOVA chromatická disperze, měření, norma, optická přenosová trasa, pasivní optická síť, polarizační vidová disperze, útlum, vlnové dělení ABSTRACT This thesis deals with the measurement of optical transport links. In particular, the measurement of attenuation, chromatic and polarization mode dispersion. Specific measurement systems using a WDM and passive optical networks. Within each chapter are listed the causes and effects restrictive factors and methods of measurement. In chapter Attenuation measurements are described radiation and material loss as the main causes of depression. Methods whitch are described two lengths, insert loss and reflectometri. Chromatic dispersion at different speeds of various wavelengths limits systems with high transfer rate. Methods of measuring the phase shift, differential phase shift, pulse time delay and interference. Polarization mode dispersion is a random phenomenon caused double refraction, must be measured after completion of the route. Scanning wavelength, traditional and general interference, reflectometri and the polarimetric are methods of measurement. It described the measurement of WDM systems in three stages of its build. In brief PON networks are presented, with the specificities of the measurement over splitter. Most chapters are supplemented by the results and conclusions of practical measurements. At the end of the work are given by the two standards deal with the measurement of optical transport links. KEYWORDS chromatic dispersion, measurement, standard, optical transport trace, passive optical network, polarization mode dispersion, attenuation, wavelength division multiplexing

AMBROŽ J. Měření optických přenosových tras. Brno: VUT v Brně. FEKT. Ústav telekomunikací, 2009. 69 s., Bakalářská práce. Vedoucí práce byl Ing. Pavel Reichert.

PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že svou bakalářskou práci na téma Měření optických přenosových tras jsem vypracoval samostatně pod vedením vedoucího bakalářské práce a s použitím odborné literatury a dalších informačních zdrojů, které jsou všechny citovány v práci a uvedeny v seznamu literatury na konci práce. Jako autor uvedené bakalářské práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této bakalářské 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 možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení 152 trestního zákona č. 140/1961 Sb. V Brně dne................................................. (podpis autora)

Poděkování patří vedoucímu mé bakalářské přáce Ing. Pavlu Reichertovi za pomoc a cenné rady při tvorbě této práce.

OBSAH Úvod 11 1 Měření útlumu 12 1.1 Útlum................................... 12 1.1.1 Materiálové ztráty........................ 12 1.1.2 Radiační ztráty.......................... 13 1.2 Metody měření útlumu.......................... 14 1.2.1 Metoda dvou délek........................ 14 1.2.2 Metoda vložných ztrát...................... 15 1.2.3 Metoda zpětného rozptylu.................... 16 1.3 Měření................................... 19 2 Měření chromatické disperze - CD (Chromatic dispersion) 23 2.1 Chromatická disperze........................... 23 2.2 Metody měření chromatické disperze.................. 26 2.2.1 Metoda fázového posunu..................... 27 2.2.2 Metoda diferenciálního fázového posunu............ 28 2.2.3 Metoda zpoždění impulsů v časové oblasti........... 29 2.2.4 Interferenční (interferometrická) metoda............ 30 2.3 Měření................................... 31 3 Měření polarizační vidové disperze - PMD (Polarization Mode Dispersion) 35 3.1 Polarizační vidová disperze........................ 35 3.2 Měření PMD............................... 37 3.2.1 Metoda skenování vlnové délky................. 37 3.2.2 Tradiční interferenční (interferometrická) metoda TINTY... 38 3.2.3 Obecná interferenční (interferometrická) metoda GINTY... 40 3.2.4 Metoda zpětného rozptylu polarizace.............. 41 3.2.5 Polarimetrické (polarizační) metody............... 41 3.3 Měření................................... 42 4 Měření útlumu a přenosových parametrů xwdm 45 4.1 WDM................................... 45 4.2 Měřící metody xwdm ve fázích výstavby................ 46 4.2.1 Měření samotné optické trasy.................. 46 4.2.2 Měření sestavené optické trasy.................. 47 4.2.3 Měření signálu xwdm...................... 47

5 Měření pasivních optických sítí 49 5.1 Pasivní optické sítě............................ 49 5.2 Metody měření PON........................... 49 5.2.1 Měření metodou zpětného rozptylu............... 49 5.2.2 Měření přímou metodu...................... 50 5.2.3 Měření PON za provozu..................... 50 5.3 Měření................................... 50 6 Návrhy norem 54 6.1 Úvod.................................... 54 6.2 Předmět normy.............................. 54 6.3 Normativní odkazy............................ 55 6.4 Všeobecné požadavky........................... 55 6.5 Záznamy.................................. 55 6.6 Zkoušky.................................. 56 6.6.1 Útlum optické přenosové trasy.................. 56 6.6.2 Útlum a další parametry optické trasy s WDM......... 56 6.6.3 Útlum v pasivních sítích (PON)................. 57 6.7 Úvod.................................... 59 6.8 Předmět normy.............................. 59 6.9 Normativní odkazy............................ 60 6.10 Všeobecné požadavky........................... 60 6.11 Záznamy.................................. 60 6.12 Zkoušky.................................. 60 6.12.1 Chromatická disperze....................... 60 6.12.2 Polarizační vidová disperze.................... 61 7 Závěr 62 Literatura 63 Seznam symbolů, veličin a zkratek 66

SEZNAM OBRÁZKŮ 1.1 Spektrální útlumová charakteristika................... 13 1.2 Metoda dvou délek............................ 14 1.3 Metoda vložných ztrát.......................... 15 1.4 Blokové schéma OTDR.......................... 16 1.5 Identifikační mrtvá zóna......................... 17 1.6 Vlákno 6 měřeno z A........................... 19 1.7 Vlákno 6 měřeno z B........................... 19 2.1 Vlivy CD na impuls [7].......................... 23 2.2 Závislost D na lambda.......................... 24 2.3 Příklady ovlivňování D profilem indexu lomu [1]............ 25 2.4 D využívaných optických vláken [9]................... 26 2.5 Blokové schéma měření CD fázovou metodou.............. 29 2.6 Blokové schéma měření CD metodou zpoždění impulsů........ 30 2.7 Charakteristika D vláken 5 (+NZDSF) a 8 (-NZDSF)......... 32 2.8 Charakteristika D vláken 5+6+7+8................... 33 3.1 Znázornění PMD............................. 35 3.2 Zkreslení impulsu vlivem PMD [12]................... 36 3.3 Schéma měření PMD metodu skenováním vlnové délky........ 38 3.4 Schema měření interferenční metodou [12]............... 39 3.5 Schéma Michelsonova interferometru [12]................ 39 3.6 Složení interferogramu [13]........................ 40 3.7 Schéma Michelsonova interferometru pro metodu GINTY [13].... 40 4.1 Spektrální útlumová charakteristika WDM změřená OTDR...... 47 5.1 Schéma síťě PON............................. 49 5.2 Schéma měření simulované PON..................... 50 5.3 1. měření z OLT/CO........................... 51 5.4 2. měření z ONT/ONU 1......................... 52 6.1 Vztahy dokumentů............................ 55 6.2 Vztahy dokumentů............................ 59

SEZNAM TABULEK 1.1 Parametry OTDR [6]........................... 18 1.2 1310 nm.................................. 20 1.3 1550 nm.................................. 21 1.4 Hodnoty limitů útlumu ISO/IEC a ITU................. 22 2.1 Charakteristika D vlákna 1 (SMF)................... 31 2.2 Měření CD vláknen 2-8.......................... 32 2.3 Měření CD spojených vláken....................... 33 3.1 Měření PMD vlákna 1 SMF....................... 42 3.2 Měření PMD vláknen 2-8......................... 43 3.3 Měření PMD spojených vláken...................... 44 4.1 Odstupy nosných jednotlivých kanálů, dle frekvenčního plánu..... 45 4.2 Vliv přenosové rychlosti na parametry WDM.............. 45 5.1 Měření splitteru z OLT/CO....................... 51 5.2 Měření splitteru z ONT/ONU 1..................... 52

ÚVOD V době, kdy se v transportních a páteřních sítích výhradně využívá optických vláken a optické přístupové sítě (FTTx) zažívají boom, se neobejdeme bez kvalitní diagnostiky optických přenosových tras. Měřením optické trasy, můžeme odhalit příčiny omezující datový přenos. Známeli příčiny a míru omezení, můžeme je kompenzovat či zcela odstranit a tím zlepšit přenosové parametry trasy. Cílem této práce je přinést čtenáři souhrnné informace o měření omezujících faktorů na jednovidových optických trasách. Publikace neobsahuje základní informace z oboru optoelektroniky a o základních principech optického přenosu, předpokládá se, že zájemce o tuto problematiku se ze základy setkal již dříve. Úkolem této práce je čtenáři poskytnout celistvé informace o hlavních omezujících faktorech jednovidového optického přenosu, jakými jsou útlum, chromatická a polarizační vidová disperze. Každému z těchto jevů je věnována jedna kapitola, v níž jsou popsány jejich příčiny a dopady na přenos. Největší část je věnována metodám jejich měření, kde jsou uváděny principy jednotlivých metod, jejich vzájemné porovnávání z nejrůznějších hledisek. V jednotlivých kapitolách jsou uváděny normy a doporučení, věnující se dané problematice. Dále tato práce obsahuje dvě kapitoly, které se věnují měření systémů využívajících xwdm a PON, jakožto posledním trendům optického přenosu. Tyto optické systémy mají řadu svých specifik v měření, které jsou v jednotlivých kapitolách osvětleny. Řada teoretických informací je podpořena praktickým měřením, jehož výsledky a závěry z něj jsou uváděny na koncích jednotlivých kapitol. V závěru práce jsou uvedeny návrhy norem ošetřujících problematiku měření optických přenosových tras v praxi. 11

1 MĚŘENÍ ÚTLUMU 1.1 Útlum Při průchodu světelného signálu vlnovodem dochází ke ztrátě jeho energie, veličinou charakterizující tento jev je útlum u(λ) [db]. Útlum optické trasy lze snadno vypočítat pomocí vztahu 1.1. [1, 2] u(λ) = 10 log P V Y ST UP P V ST UP, (1.1) kde P V Y ST UP je optický výkon na přijímací straně a P V ST UP je výkon na vysílací. Jde o logaritmickou funkci, to znamená, že hodnota 3 db odpovídá 50 % úbytku energie a s každou desítkou útlumu o dekádu přijímaného výkonu níž. V praxi se také používá měrný útlumu, který vyjadřuje útlum na jednotku délky (nejčastěji km) vedení (vztah 1.2). α(λ) = u(λ) l (1.2) Útlum je základním parametrem, každého vlákna, součástky i celých přenosových tras. Velikost útlumu nám přeneseně udává jak dlouhou trasu, jsme za pomocí daných prostředků, schopni realizovat. Trasa nám nesmí signál ztlumit pod nejnižší úroveň rozpoznatelnou detektorem. Útlum optických komponent určuje jejich kvalitu. Bez znalosti útlumu jednotlivých součástí, bychom nebyli schopni navrhovat optické přenosové trasy. Proto je hodnota útlumu kontrolována na všech stupních výroby optických prostředků. Stejně důležité je také ověření útlumu optické trasy po její výstavbě měřením. [1, 2] Útlum je způsoben celou řadou příčin, které je možné rozdělit do dvou skupin. V první skupině jsou příčiny vyplývající z vlastností materiálů použitých při výrobě. Druhou skupinu tvoří vnější příčiny způsobující radiační ztráty. 1.1.1 Materiálové ztráty Materiálové ztráty jsou způsobeny absorbcí a rozptylem světla vlivem nežádoucích příměsí a poruch v použitém materiálu (skle). Absorpci záření způsobují v největší míře obsažené hydroxidové (OH) ionty. Jejich vliv je nejsilnější v základním absorpčním pásmu a rezonančních pásech ve viditelné a blízké infračervené části spektra. Oblasti se zvýšeným útlumem jsou vyznačeny v obrázku 1.1 oblast kolem 1383 nm je nazývána Water peak. Rozptyl světla je v optických vláknech zapříčiněn hlavně Reyleighovým rozptylem, což je rozptyl záření na nehomogenitách rozměrově menších než je vlnová délka optického záření. Útlum způsobený Reyleighovým rozptylem se 12

vyskytuje v každém optickém prostřední, je však natolik malý, že i přes nemožnost jeho odstranění způsobuje jen minimální ztráty. Jeho velikost lze určit vztahem 1.3. α R = C 1 λ 4, (1.3) kde C 1 je koeficient Rayleighova rozptylu, který je parametrem každého materiálu (C 1 křemenného skla je 0, 802.10 21 ). Při výskytu nehomogenit s rozměry stejnými jako použitá vlnová délka dochází k rozptylu Mie, k tomu však při precizní výrobě vláken, jejichž útlum nesmí být větší než 1 db/km, vůbec nedochází. Pro dosažení nejvyšší povolené hodnoty útlumu nesmí koncentrace příměsí iontů OH přesáhnout hodnotu větší než 1 ppb (1 částice příměsi na 10 9 částic matrice skla). Telekomunikační okna jsou oblasti mezi zvýšenými hodnotami útlumu na spektrální útlumové charakteristice. Okna jsou vyznačena v obrázku 1.1. Střední vlnové délky 2. a 3. okna (nejběžněji používaných) jsou 1310 nm a 1550 nm. [1, 3] Obr. 1.1: Spektrální útlumová charakteristika 1.1.2 Radiační ztráty Jsou ztráty energie základního vidu způsobené mikro- a makroohyby. Mikroohyby vlákna jsou nepřesnosti v kruhovosti jádra a homogenytě vlákna. Ty se v optických vláknech tvoří již při jejich výrobě (tažení, nanášení ochran, kabelovanání,... ), běžnými vlivy jako změny teploty a mechanickým namáháním (tah, ohyb,... ). Makroohyby jsou ohyby vlákna o poloměru jednotek centimetrů a milimetrů. K těm dochází při realizaci optických tras v rozích místností, vedením vlákna přes hrany, u kladení rezerv. Vliv radiačních ztrát lze ovlivnit již při výrobě vhodnou primární ochranou. 13

Radiační ztráty jsou značně spektrálně závislé. Tato spektrální závislost je dána spektrální závislostí průměru vidového pole. Se zvyšující se vlnovou délkou se zvětšuje průměr vidového pole základního vidu. Vidové pole více zasahuje do oblasti pláště a tím se více energie (optického výkonu) dostává ven z vlákna. Náchylnost na mikro- a makroohyby je vyšší u vláken s proměnným indexem lomu využívaná ke kompenzaci chromatické disperze (1.1.1). Spektrální závislosti radiačních ztrát lze využít, např. trasa určená pro provoz na vlnové délce 1310 nm je měřena i na vlnové délce 1550 nm. Měření na vyšší vlnové délce může odhalit chyby při montáži. [1, 3] Citlivost vlákna na mikro- a markoohyby lze měřit, je to však mimo náš rámec. 1.2 Metody měření útlumu Pro měření útlumu optických vláken užíváme tři metody, jsou to: metoda dvou délek metoda vložných ztrát metoda zpětného rozptylu (OTDR) Všechny tři metody, lze uplatnit, při měření optických přenosových tras v terénu. 1.2.1 Metoda dvou délek Metoda dvou délek je nejpřesnější metodou měření útlumu, proto je volena jako referenční. Je to metoda přímo vycházející ze vzorce 1.1 definujícího útlum. Měřící soustava je zapojena podle obrázku 1.2. V prvním kroku je změřen výstupní výkon P V Y ST UP signálu po průchodu vláknem o délce l. V druhém kroku se cca 2 metry (délka vlákna, u níž je její útlum zanedbatelný) od generátory vlákno zlomí a připojením detektoru změříme vstupní výkon P V ST UP. Během obou kroků by měli být zachovány stejné podmínky. Z naměřených hodnoty výkonu stanovíme pomocí vztahu 1.1 útlum vlákna. Obr. 1.2: Metoda dvou délek 14

Při měření spektrální závislosti útlumu jednovidových vláken je důležité, aby se střední vlnová délka nelišila o více než 10 nm od střední vlnové délky telekomunikačního okna. Proto se jako generátory záření používají nejčastěji lasery. Buzením rozumíme navázání světla do světlovodu. Pro tento účel se využívá vlákno tipu pigtail. Jako vidový filtr, který zajišťuje vyvázání parazitních vidů z vlákna, můžeme použít předřadné vlákno pro tento účel motané do osmiček nebo spirály. Při měření na vlnových délkách 1310 nm a 1550 nm se obejdeme i bez tohoto filtru. Odstranění plášťových vidů dnes zajišťuje primární ochrana, která má vyšší index lomu než plášť, tím se vidy, které se šíří do pláště rychle vyváží ven (dále se již nešíří pláštěm). Plášťové vidy mohou způsobit chybu při měření na krátké vzdálenosti (jako měření vstupního výkonu), na dlouhých trasách postupně z pláště vystoupí. Metodou dvou délek je, i když velice přesně, možno měřit pouze celkový útlum přenosového systému. Tato metoda nám neumožňuje měřit hladinu útlumu v konkrétních bodech trasy. Další její nevýhodou je lámání vlákna, které je nepraktické a může dojít k jeho poškození. [1] 1.2.2 Metoda vložných ztrát Označovaná také jako metoda vložného útlum IL (Insertion Loss) je přímou (transmisní) metodou měření útlumu OLTS (Optical Loss Test Set). Tato metoda je velice podobná metodě dvou délek. Narozdíl od ní však nedochází k lámání vlákna. Obr. 1.3: Metoda vložných ztrát V prvním kroku se měří vstupní výkon P V ST UP pomocí 2 m dlouhého vlákna, tak jak to vidíme na obrázku 1.3 a. V druhém kroku se krátké vlákno nahradí zkoumanou trasou a změří se hodnota výstupního výkonu P V Y ST UP obrázek 1.3 b. Stejně jako u metody dvou délek by měli vnější podmínky měření být pro oba kroky totožné. Výpočet celkového útlumu vlákna se opět provádí základním vztahem 1.1. Tato metoda se využívá tam, kde není možno zkracovat měřený objekt, jako optické součástky, spojovací moduly, kabely a vlákna. Tato metoda není tak přesná jako metoda dvou délek, předpokládá se u ní, že ztráty způsobené připojením vlákna 15

referenčního a měřeného jsou stejné, čehož nelze dosáhnout. Pro eliminaci tohoto jevu, bychom měli jako referenční vlákno používat vlákno svými parametry co možná nejbližší vláknu měřenému. Metoda vložných ztrát se v praxi používá pro měření tras z vícevidových vláken a pro měření útlumu pasivních součástek. [1, 4, 5] 1.2.3 Metoda zpětného rozptylu Metoda zpětného rozptylu, někdy označovaná jako OTDR (optical time-domain reflectometry), je měřící metodou využívající odrazu části optického výkonu signálu, při průchodu světlovodem. Při průchodu světla vláknem dochází ke dvěma druhům odrazů. Prvním z nich je Rayleighův rozptyl popsaný v 1.1.1, kdy část tohoto rozptylu se šíří vláknem zpět. Druhým případem jsou Fresnelovy odrazy, ke kterým dochází při dopadu světla na rozhraní dvou prostředí s různým indexem lomu. Pomocí Rayleighova rozptylu, tak můžeme sledovat postupnou ztrátu energie způsobenou útlumem vlákna a díky Fresnelovu odrazu jsme schopni určit polohu a útlum zařazených konektorů, použitých svárů, porušení či přerušení vlákna. Do vlákna se vysílají krátké impulsy a vyhodnocuje se časová závislost výkonu světla odraženého zpět. Obr. 1.4: Blokové schéma OTDR Blokové schéma na obrázku 1.4 znázorňuje vnitřní zapojení OTDR. Generátorem signálu je laser umožňují vysílat krátké (desítky ns až jednotky s) impulsy s frekvencí jednotek khz. Šířku impulsů, které budeme vysílat volíme podle délky měření trasy. Čím je delší měřící trasa, tím jsou potřeba delší impulsy. S delšími impulsy se snižuje citlivost detektoru. Po průchodu děličem je paprsek navázán do vlákna. 16

Dělič umožňuje, že generované impulsy nevstupují přímo do detektoru. Tam vstupují už jen odražené impulsy jdoucí vláknem zpět. V jednotce zpracování je signál vyhodnocen, zlogaritmován a předán zobrazovací jednotce. Každý měřící OTDR přístroj má tzv. vstupní mrtvou zónu, která udává nejkratší vzdálenost od přístroje, na které nelze spolehlivě měřit. Ta je způsobena Fresnelovým odrazem při navazování světla do vlákna, ten je možno eliminovat. Identifikační mrtvá zóna říká, jakou vzdálenost od sebe mohou mít dvě poruchy, aby je přístroj vyhodnotil (identifikoval) jako dvě poruchy. Vzdálenější porucha nebude zastíněna Fresnelovým odrazem první, a to tehdy, kdy poklesne úroveň Fernelova odrazu první o 1,5 db z maxima (obrázek 1.5). Obr. 1.5: Identifikační mrtvá zóna Útlumová mrtvá zóna je oblast za Fresnelovým odrazem, ve které nelze měřit útlum. Toto je možné až po poklesu Fresnelova odrazu na hodnotu o 0,5 db větší než původní úroveň (viz 1.5). Dynamický rozsah přístroje OTDR udává maximální rozdíl mezi navázaným a měřitelným výkonem. Udáván je pro nejdelší měřící impuls, přičemž platí tabulka 1.1. Využitelný rozsah je dynamický rozsah zmenšený o úroveň šumu. Tyto parametry jsou udávány u každého měřícího přístroje. 17

Při měření s OTDR se hojně využívá předřadného vlákna a to ze dvou důvodů. Předřadné vlákno pokryje vstupní mrtvou zónu a tak měřené vlákno může být analyzováno od prvních centimetrů. A opakovaným připojováním vláken se neopotřebovává konektor přístroje. Zářadné vlákno slouží k odstranění šumu vznikajícího na koncích tras. Obsluha měřícího přístroje OTDR by se dala připodobnit obsluze běžného osciloskopu. Nepracuje však s křivkou závislosti napětí na čase, ale útlumu na délce. Stejně jako u osciloskopu může měnit vertikální i horizontální rozlišení. K přesnému odečítání hodnot z obrazovky lze využít kurzorů. K zpřesnění měřených hodnot, můžeme měření provést z obou konců měření trasy. Pomocí přístroje OTDR je také možné měřit podélnou homogenitu útlumu, která vyjadřuje odchylku útlumu určitého úseku od průměrného útlumu určeného z celé délky vlákna. Tento parametr je jedním z těch, které určují kvalitu vláken a kabelů, u kvalitních vláken do 0,05 db/km. Metoda OTDR je jednou ze dvou metod (druhou je metoda OCWR), které jsou ITU doporučené k měření útlumu odrazu. Útlum odrazu udává celkový odraz od součástky zařazené v trase. I přes nižší přesnost měření celkového útlumu je pro nás nedocenitelné měření útlumu v každém konkrétním místě trasy. Reflektometr je jediné zařízení, které nám umožňuje přesně zjistit, kde se nachází porucha na trase s přesností desítek cm. Metoda zpětného rozptylu má oproti předchozím metodám řadu výhod, doceňovaných zejména při měření realizovaných tras v terénu. [1, 5, 6] Tab. 1.1: Parametry OTDR [6] délka měřícího délka vstupní dynamický rozsah doporučená délka impulsu [ns] mrtvé zóny [m] [db] předřadného vlákna [m] 10 30 9,7 100 30 50 12,1 200 100 70 21,0 200 275 100 24,1 500 1000 200 27,3 500 18

1.3 Měření Měření: útlumu OTDR Projekt: Kabelova TV Olomouc Náměšť na Hané Číslo projektu: 2009-001 Měřil: Ambrož Jan Datum měření: 24. 11. 2008 Lokalita: A: Olomouc počet svárů: 2 B: Náměšť na Hané Měření: HP E6000 3617G01410; VD = 1310, 1550 nm; PW = 300 ns; MS = 16 km; Info: Testování vláken 1 6 Obr. 1.6: Vlákno 6 měřeno z A Obr. 1.7: Vlákno 6 měřeno z B 19

Tab. 1.2: 1310 nm 20

Tab. 1.3: 1550 nm 21

Vyhodnocení výsledků: Z naměřených hodnot 1.2 a 1.3 vyplývá potřeba měření vláken z obou konců. Kvalitně provedený svár nemůsí být vůbec odhalen, což je nejlépe vidět na obrázcích 1.6 a 1.7, kde je na prvím obrázku útlumová charakteristika vlákna 6 měřeného z A odhalující dva sváry a na druhém, měřeném z B nebyl odhalen ani jeden. Z těchto důvodů nemohla být vypočítána průměrná hodnota všech prametrů všech segmentů vláken. Hodnoty limitů: Tab. 1.4: Hodnoty limitů útlumu ISO/IEC a ITU komponent ISO/IEC [4] ITU [23] přístupové síťě transportní sítě svár 0,3 db 0,15 db konektor 0,75 db 0,5 db SM 1310 nm inside 1 db/km; outside 0,5 db/km 0,33 db/km SM 1550 nm inside 1 db/km; outside 0,5 db/km 0,2 db/km MM 850 nm 3,5 db/km 2,5 3 db/km SM 1300 nm 1,5 db/km 0,6 1 db/km 22

2 MĚŘENÍ CHROMATICKÉ DISPERZE - CD (CHROMATIC DISPERSION) 2.1 Chromatická disperze Chromatická disperze je fyzikální jev, který popisuje rozklad světla na jednotlivé vlnové délky (barvy = řecky chróma), způsobený závislostí indexu lomu na vlnové délce. Chromatická disperze v optoelektronice je způsobena nemonochromatičností světla procházejícím vlnovodem. Rozdílné vlnové délky (spektrální složky) se šíří světlovodem, jehož index lomu je spektrálně závislý, různou rychlostí. V praxi to znamená, že některé spektrální složky impulsu informačního toku budou při průchodu světlovodem předbíhat jiné. To způsobuje deformaci informačního impulsu ve třech rovinách. Snížení výkonu (útlum) impulsu, čímž dojde ke snížení odstupu signál/šum SNR, v krajním případě i pod rozhodovací úroveň. Změna tvaru impulsu, může také negativně ovlivnit zpracování informace. A v neposlední řadě je to změna časové polohy impulsu, která hlavně při vyšších přenosových rychlostech, kdy jsou časy impulsů i odstupů mezi nimi co nejkratší představuje riziko splývání více impulsů v jeden. Na obrázku 2.1 jsou znázorněny všechny tyto jevy. Chromatická disperze je dána pouze materiálem a postupem výroby vlákna. Chromatická disperze značně omezuje přenosovou rychlost v optických jednovidových systémech. [1, 7, 8] Obr. 2.1: Vlivy CD na impuls [7] Celková chromatická disperze je tvořena dvěmi složkami, z disperze materiálové a disperze vlnovodové. Materiálová disperze je dána materiálem použitým při výrobě optického vlákna. Spektrální závislost indexu lomu materiálu na vlnové délce je neměnná vlastnost materiálu. Vlnovodová disperze je ovlivněna geometrickými rozměry vlákna. Je dána poměrem poloměru jádra vlákna na vlnové délce, a profilem indexu lomu. Veličinou udávající míru chromatické disperze je tzv. koeficient chromatické disperze D, jež je definován vztahem 2.1 D(λ) = dτ g(λ) dλ [ps/(km.nm)] (2.1) 23

τ g (λ) udává skupinové zpoždění signálu v závislosti na jeho vlnové délce. Jednotka [ps/(km.nm)] udává celkové rozšíření Gaussovského impulsu (v ps) vygenerovaném zdrojem záření se spektrální pološířkou 1 nm, po průchodu vláknem o délce 1 km. [7] Vyjádřením τ g (λ) ze vztahu 2.1 a zavedením veličin charakterizujících měřenou trasu dostáváme vztah 2.2, který přímo ukazuje vlivy způsobující roztažení impulsů a vztahy mezi nimi. τ = λld(λ) [ps] (2.2) Ze vztahu je patrné, že velikost rozšíření impulsu roste s velikostí chromatické disperze vlákna D, spektrální šířkou generátoru záření λ a délkou optické trasy l. [1] Koeficient chromatické disperze D není zcela dostačujícím parametrem, jelikož jeho hodnota přísluší pouze jediné vlnové délce. Na obrázku 2.2 je znázorněna závislost koeficientu chromatické disperze D na vlnové délce. Charakteristika přísluší jednovidovému vláknu G.652. Dalšími důležitými parametry vlákna jsou vlnová délka nulové chromatické disperze λ 0 [nm] a sklon disperzní charakteristiky S 0 [ps/(nm 2.km)]. Obě tyto veličiny jsou vyznačeny v obrázku. S jejich pomocí jsme schopni vypočítat koeficient chromatické disperze D pro libovolnou vlnovou délku, dle vztahu 2.3. Všechny tyto parametry jsou běžně udávány výrobcem vláken v katalozích. [7] D(λ) = ( S 0 4 ).[λ (λ4 0 )] [ps/(km.nm)] (2.3) λ3 Obr. 2.2: Závislost D na λ Dalším důležitým parametrem týkajícím se chromatické disperze je maximální přípustná hodnota chromatické disperze optické trasy. Chromatická disperze trasy 24

CD trasy (λ) má jednotkou ps/nm, maximální přípustná hodnota vychází z přenosové rychlosti 2.4. Je jedním ze základních parametrů optické přenosové trasy. [1, 9] CD trasy (λ) 105 [ps/nm] (2.4) vp 2 Není-li možno této hodnoty dosáhnout konvenčními vlákny zejména okolo vlnové délky 1550 nm přicházej na řadu kompenzační prostředky. Obr. 2.3: Příklady ovlivňování D profilem indexu lomu [1] 25

Obr. 2.4: D využívaných optických vláken [9] Jak již bylo v úvodu zmíněno, chromatická disperze vlákna je dána procesem výroby. Bylo také řečeno, že se chromatická disperze skládá z materiálové a vlnovodové disperze. Materiálová je dána čistě použitým materiálem, proto se při potřebě změny chromatické disperze snažíme snížit vlnovodovou. Toto snižování se řeší proměnným indexem lomu vlákna. Změnu chromatické disperze při užití vláken s proměnným indexem lomu nelépe vyjadřuje obrázek 2.3. Na obrázku je u každé charakteristiky uveden i profil indexu lomu daného vlákna. Chromatickou disperzi lze také kompenzovat u již existující přenosové trasy. Výměna zdoje za jiný s užším spektrem vyzařovaného světla je tou nejdražší. Efektivní je využití jedné z vlastností chromatické disperze vlákna a to té, že se s časem nemění, je statická. Je možné využít vhodnou předmodulaci impulsů nebo spektrální konverzi vlnových délek impulsů během přenosu. Nejpoužívanější metodou je užití kompenzačních vláken DCF (Dispersion Compensation Fibre) s vysokou hodnotou záporné chromatické disperze. Tyto vlákna je možné zapojit do libovolného místa trasy. Dochází v nich k opačným disperzním jevům. Tím se vyrovnají časové posuny mezi jednotlivým složkami signálu o různých vlnových délkách. Podobnou funkci mají též kompenzační moduly ve formě FBG mřížek.[1] 2.2 Metody měření chromatické disperze I přes možnost stanovení hodnoty chromatické disperze výpočtem se stále více využívá měření k přesnému určení její skutečné hodnoty. A to z několika důvodů. Čím přesněji známe hodnotu chromatické disperze, tím přesněji ji může kompenzovat (odstranit). Dalším důvodem je stanovení chromatické disperze v celé užité spektrální oblasti (měření xwdm 4). Přenosová trasa může být také tvořena vlákny různých provozovatelů, zde může být obtížné zjistit parametry pro výpočet celkové 26

chromatické disperze trasy. Hlavním parametrem k určení koeficientu chromatické disperze D optického vlákna je skupinové zpoždění τ g (λ), které vyjadřuje rozdílné rychlosti šíření různých spektrálních složek. Podle mezinárodních doporučení ITU-T provádíme měření alespoň pro tři vlnové délky. [1] Rychlost šíření, přeneseně čas, po který se spektrální složka šíří vláknem je možno určit dvěma způsoby měření. První možností je přímé měření zpoždění v časové oblasti. Druhou možností je měření fázového zpoždění ve frekvenční oblasti. Měření času lze, také pojmout jako absolutní (celkový čas šíření signálu vláknem) nebo relativní (zpoždění mezi jednotlivými signály). Základními metodami měření chromatické disperze jsou tedy: metoda fázového posunu (absolutní) metoda diferenciálního fázového posunu (relativní) metoda zpoždění impulsů v časové oblasti interferenční (interferometrická) metoda 2.2.1 Metoda fázového posunu Dle doporučení ITU-T je metoda fázového posunu referenční metodou pro měření chromatické disperze optických vláken. Jedná se o metodu měření ve frekvenční oblasti. Základním principem je porovnávání fázového posunu signálu na konci a začátku trasy. Změna fáze je vyjádřena vztahem 2.6. Vztah mezi fázovým zpožděním ve frekvenční oblasti a zpožděním v časové oblasti ϕ(λ) = ωt = 2πfl τ(λ) [rad]. (2.5) ϕ T RASY (λ) = ϕ OUT (λ) ϕ IN (λ) = 2πfτ(λ) = 2πflτ g (λ) [rad] (2.6) τ g (λ) = ϕ T RASY (λ) 2πfl [ps], (2.7) kde f je frekvencí signálu, τ(λ) = τ g (λ)l je celkové zpoždění signálu po průchodu světlovodem. Pro určení koeficientu chromatické disperze D nás zejména zajímá τ g (λ) skupinové zpoždění vztah 2.7, které je proměnnou ve vztahu 2.1 definujícího koeficient chromatické disperze.[1] Měření provedeme pro tři nebo pět vlnových délek. Pro vyhodnocení měření se používá tzv. Sellmeirových vztahů. Z naměřených τ g (λ) při λ vypočítáme podle vztahů 2.8, 2.9 nebo 2.10 koeficienty A až C (A až E). Z nich určíme průběh závislosti zpoždění signálu na vlnové délce. Chromatická disperze pro jednotlivé vlnové délky 27

je pak určena sklonem tečny charakteristiky (derivací) v daném bodě. Pro konvenční jednovidová vlákna v oblasti 1270 1314 nm případně 1550 nm využijeme: τ g (λ) = A + Bλ 2 + Cλ 2 [ps] (2.8) Pro vlákna s posunutou nebo nenulovou disperzní charakteristikou v oblasti 1550 nm platí vztah: τ g (λ) = A + Bλ 2 + Cλ 2 [ps] (2.9) Pro ostatní typy vláken využíváme: τ g (λ) = A + Bλ 2 + Cλ 2 + Dλ 4 + Eλ 4 [ps] (2.10) Moderní meřící přístoje umožňují výběr z několika aproximačních vzorců a vycházet až z několika set měřících bodů.[7] K vlastnímu měření je používán modulovatelný zdroj záření. Zdroj v nejlepším případě s možností generování harmonického průběhu. Podle ITU-T by zdroj záření měl splňovat minimální modulační frekvenci danou vztahem 2.11. Tato minimální frekvence zaručuje, že měření bude mít požadovanou přesnost. A zaručuje, aby rozdíl fáze vstupního a výstupního signálu byl v rámci jedné periody. f min = ϕ107 l λ 2 [Hz], (2.11) kde ϕ je celková nestabilita fázového posunu a λ je průměrný odstupu vlnových délek.[1] Za detektor je zařazen měřič fáze (vektorvoltmetr). Na přijímací stranu je, ze základního principu metody, potřeba také dostat údaje o vstupní fázi signálu. Tuto funkci plní referenční vedení. Referenční vedení lze realizovat několika způsoby. Jsouli generátor a detektor dostatečně blízko, můžeme přímo elektricky propojit generátor s měřičem fáze nebo pomocí děliče optického výkonu a dalšího detektoru zařazeného před vlákno, jehož výstup připojíme k měřiči fáze. V praxi můžeme informace o vstupní fázi signálu doručit pomocí druhého vlákna v kabelu nebo využít vlnový multiplex stejného vlákna.[1] 2.2.2 Metoda diferenciálního fázového posunu Metoda diferenciálního fázového posunu pracuje na stejných principech jako metoda fázového posunu. U této metody využíváme fázového rozdílu mezi signály o různých vlnových délkách. Z fázových posunů vypočítáme relativní zpoždění, které můžeme přímo dosadit do základního vzorce pro výpočet koeficientu chromatické disperze 28

Obr. 2.5: Blokové schéma měření CD fázovou metodou (vztah 2.1). Pro určení ostatních určujících parametrů chromatické disperze využijeme stejných vztahů jako u metody fázového posunu (vztahy 2.8 a 2.10). Jednoduchost metody spočívá v přímém změření skupinového zpoždění τ g (λ) [ps]. Při měření odpadá potřeba referenční trasy. Paralelní komunikační prostředky se přesto využívají pro komunikaci s vysílačem. Jako zdroj záření lze využít širokospektrální generátor (LED) spolu s monochromátorem pro výběr jednotlivých vlnových délek. Tento způsob má výhodu ve vyšší stabilitě vlnové délky. Druhou variantou je využití laserových diod (LD). S LD lze dosáhnout vyššího měřícího výkonu a tím i dynamického rozsahu. Obě tyto možnosti se využívají i u metody fázového posunu. Optický generátor je modulován signálem o stovkách MHz až desítkách GHz. Modulační frekvence má zásadní vliv na přesnost měření. Lze využít laditelných zdrojů záření pro přímé měření chromatické disperze. I zde se stejně jako u metody fázového posunu na přijímací straně využívá detektor, zesilovač (nemusí být zařazen), měřič fáze, měřící konstantní hodnotu fázového posunu v celém spektru přijímaného signálu. Známe tři způsoby určení vzájemného fázového posunu dvou signálů. První je obdobou metody fázového posunu. Jsou změřeny absolutní fázové posuny jednotlivých spektrálních složek a dopočítán jejich rozdíl. Jinou cestou je označení jednoho ze signálů za referenční. Při třetí metodě dochází k rychlému přepínání mezi oběma signály a měřič fáze přímo určí vzájemný fázový posun. [1, 7, 8] 2.2.3 Metoda zpoždění impulsů v časové oblasti Měření, které nejvíce odpovídající definici chromatické disperze. Do optického vlákna jsou v přesných časových intervalech vysílány impulsy o různých vlnových délkách. Rozdíly ve zpoždění těchto impulsů na vysílací a přijímací straně jsou výhradně způsobeny chromatickou disperzí vlákna. Maximální možné zpoždění je dáno velikostí intervalů s jakými jsou impulsy generovány. Jako zdroje záření můžeme opět použít širokospektrální LED nebo LD. Při využití LD je důležité kontrolovat stabilitu vysílané vlnové délky. U této metody jsou vysoké požadavky na monochromatičnost jednotlivých impulsů. Stejně jako 29

Obr. 2.6: Blokové schéma měření CD metodou zpoždění impulsů u předchozích metod je přesnost dána přesností použitých přístrojů. U této metody je však její přesnost navíc ovlivněna vlastní chromatickou disperzí. Ta způsobuje nejen vzdalování, ale i roztahování samotných impulsů. Toto roztažení (změna časové polohy) je způsobeno parazitními vlnovými délkami impulsu. Při vyhodnocování výsledků se využívá stejných postupů a vzorců jako při metodě fázového posunu. V měřící sadě se jako detektoru využívá vzorkovacího osciloskopu, který přímo poskytuje požadované údaje o zpoždění impulsů. Měření metodou zpoždění impulsů v časové oblasti, lze také provádět pomocí OTDR (metoda využívající zpětný rozptyl). Přístroje OTDR běžně používané k měření útlumu obsahují laserové diody, detektory a jednotku schopnou vyhodnotit zpoždění signálu. Při měření chromatické disperze však provedeme měření s více vlnovými délkami než při měření útlumu. Obvykle čtyři (speciální přístroje určené k měření CD pomocí OTDR osm [10]) vlnové délky nejlépe vystihující celé spektrum využívané v optických jednovidových vláknech tj. 1310 1625 nm. Nemožnost výběru konkrétních vlnových délek je velkým úskalím této metody a vede k velkým chybám při vyhodnocování výsledků pomocí aproximace. Největší výhodou je užití jediného zařízení pro měření útlumu i chromatické disperze. OTDR navíc umožňuje při použití PC konektorů měření z jediného místa trasy. U APC konektorů s velkým útlumem odrazu se využívají odrazné moduly zapojené na konci trasy, ale tím se výhoda měření z jediného bodu ztrácí. U OTDR je přesnost ovlivněna délkou trasy. Naměřené hodnoty lze přímo dosadit do vztahu 2.12, který vychází ze vztahu 2.1. Derivace je nahrazena konečnou (naměřenou) hodnotou. [1, 7] D(λ i ) = τ i λ i l [ps/(km.nm)] (2.12) 2.2.4 Interferenční (interferometrická) metoda Laboratorní měřící metoda využívající vlákna se známou chromatickou disperzí. Michelsonův nebo Mach-Zehnderův interferometr využívá interference signálu z měřeného a referenčního vlákna k určení jejich fázového rozdílu. Tato metoda je nepoužitelná pro měření optických přenosových tras. [8] 30

2.3 Měření Měření: chromatické disperze Projekt: Laboratorní simulace dálkové trasy Číslo projektu: 2009-001 Měřil: Ambrož Jan Datum měření: 26. 2. 2009 Lokalita: O2 Měření: FTB-5700-CD-PMD-EA-EUI 457049; VD= 1475-1625 nm Info: Testování vlákna 1 Tab. 2.1: Charakteristika D vlákna 1 (SMF) 31

Projekt: Laboratorní simulace dálkové trasy Číslo projektu: 2009-001 Měřil: XXX Datum měření: 26. 2. 2009 Lokalita: O2 Měření: FTB-5700-CD-PMD-EA-EUI 457049; VD= 1475-1625 nm Info: Testování vláken 2 8 Obr. 2.7: Charakteristika D vláken 5 (+NZDSF) a 8 (-NZDSF) Tab. 2.2: Měření CD vláknen 2-8 32

Projekt: Laboratorní simulace dálkové trasy Číslo projektu: 2009-001 Měřil: XXX Datum měření: 26. 2. 2009 Lokalita: O2 Měření: FTB-5700-CD-PMD-EA-EUI 457049; VD= 1475-1625 nm Info: Testování spojených vláken Obr. 2.8: Charakteristika D vláken 5+6+7+8 Tab. 2.3: Měření CD spojených vláken 33

Vyhodnocení výsledků: Při prvním testování byla měřením vlákna 1 desetkrát z každého konce ověřena stálost chromatické disperze resp. koeficientu D a přesnost měřících přístrojů. Jednotlivé výsledky koeficientu D se od sebe liší max. o 0,01 [ps/nm.km]. V druhém měření byla testována vlákna různých délek a typů. Obrázek 2.7 ukazuje rozdílnou charakteristiku vláken +NZDSF (λ 0 = 1456, 15 nm) a -NZDSF (λ 0 = 1610, 91 nm). Třetí měření (zejména spojení vláken 5+6+7+8) potvrdilo, jak se možné zapojením vláken s různou disperzní charakteristikou ovlivnovat výsledný koeficient chromatické disperze D. Sklon disperzní charakteristiky S 0 je uváděn pro celou délku trasy (vlákna). Měření bylo provedeno přístrojem využívajícího metodu zpoždění impulsů v časové oblasti OTDR. 34

3 MĚŘENÍ POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE - PMD (POLARIZATION MODE DISPERSION) 3.1 Polarizační vidová disperze Světlo je elektromagnetickou vlnou. Jako takové je každý jeho paprsek (vid) složen z elektrické (intenzita elektrického pole E) a magnetické (magnetická indukce B) složky na sebe kolmých. Veškerá energie vidu šířícího se vláknem je rozdělena právě do těchto složek, někdy také nazývaných polarizační vidy. Vlivem nekruhovosti a nehomogenytě optického vlákna dochází k tzv. dvojlomu, ten způsobuje to, že se obě složky šíří různou rychlostí. Tento jev je označován jako polarizační vidová disperze, znázorněný na obrázku 3.1. [1, 11, 12] Obr. 3.1: Znázornění PMD Polarizační disperze stejně jako disperze chromatická negativně ovlivňuje přenos optického signálu vláknem. Způsobuje časové roztažení impulzů, jejich deformaci a tím omezuje parametry optických přenosových tras. Její výskyt je náhodný a je ovlivněn mnoha vnějšími vlivy jako ohyby, pnutí, uspořádání vláken v kabelu daný montáží trasy, ale i teplotními změnami, otřesy. Na rozdíl od chromatické disperze, jejíž hodnotu, potažmo její negativní účinky je možno snižovat pomocí kompenzačních prostředků, polarizační disperzi lze jen částečně kompenzovat. Nemožnost úplné kompenzace je právě způsobena náhodností jejího výskytu a intenzity. Tím se může polarizační disperze stát významným omezujícím faktorem. S kompenzačními prostředky je možné ji snížit až na 1/3, což nám umožňuje přenos až 10 Gbit/s. Polarizační vidovou disperzi je nutno kontrolovat ve všech výrobních fázích a pro její náhodnost (závislost na výstavbě trasy) a nemožnost výpočtu, je jediným způsobem, jak určit její hodnotu na realizované trase měření.[12] Míru polarizační vidové disperze udává koeficient polarizační vidové disperze. Veličina τ vyznačená na obrázku 3.1 vyjadřuje diferenční skupinové zpoždění mezi 35

oběma polarizačními vidy způsobené polarizační disperzí. Udává se v ps. Vzhledem k její náhodnosti, jejíž příčiny byly popsány, se více užívá střední hodnota diferenciálního skupinového zpoždění označovaná < τ >. Energie vidu není mezi oba polarizační vidy rozdělena rovným dílem a zcela náhodně dochází k jejímu přelévání. To znamená, že polarizační vidy jsou na sobě závislé. Vazební délka l C, udává délku vlnovodu, při níž dojde k výrazné vazbě mezi oběma složkami. Pro konvenční vlákna se pohybuje kolem sta metrů. Vazební délka měřené vlákno může být kratší (L << l C ) nebo delší (L >> l C ) než délka vlákna. Pro každou z možností máme rozdílný vztah pro určení koeficientu polarizační disperze.[1] Je-li délka měřeného vlákna výrazně kratší než vazební je vazba mezi polarizačními vidy velmi nízká. Taková vlákna mají velký dvojlom. Pro určení jejich koeficientu polarizační disperze používáme vztah 3.1. koefp MD = < τ > [ps/km] (3.1) l Jedná se v podstatě o aritmetický průměr zpoždění na délce trasy. Tyto vlákna s velkým dvojlomem mají zcela specifickou konstrukci a využívají se jen ve vláknových senzorech. Běžné telekomunikační vlákno (vedení) je obvykle mnohonásobně delší než vazební délka. Jeho dvojlom je nízký a vazba mezi polarizačními vidy silná. Dochází k plynulému přelévání energie. Polarizační disperze roste s druhou odmocninou délky, to znamená, že nárůst není s délkou tak rychlý. Vztah 3.2 pro určení koeficientu polarizační disperze dlouhých vláken už není lineární. [1] koefp MD = < τ > l [ps/ km] (3.2) Vlivem energetické závislost obou polarizačních vidů a jejich rozdílných rychlostí dochází k roztahování signálových impulsů obrázek 3.2. Obr. 3.2: Zkreslení impulsu vlivem PMD [12] Při přenosu analogového signálu vláknem může docházet ke kolísání generované vlnové délky. To je příčinou tzv. polarizační vidové disperze 2. řádu. P MD 2.rad = 2πc koefp 3λ 2 MD2 [ps/km nm] (3.3) 36

Její závislost na vlnové délce signálu, respektive její vliv na přenášený signál a její jednotka jsou stejné jako pro chromatickou disperzi. Polarizační disperze 2. řádu se v praxi k chromatické dispetzi přičítá (vztah 3.4). D celk = D(λ) + 1 2 P MD 2.rad [ps/km nm] (3.4) I přes její nízkou hodnotu maximálně 2 ps/(nm km), se s ní v některých případech musí počítat. Jsou to: a) chromatická disperze D > 2 ps/(nm km) b) přenosová rychlost v P > 10 Gbit/s c) délka trasy l > 100 km d) vysoké kolísání generované vlnové délky signálu λ G >> e) polarizační disperze koefp MD > 0,5 ps/ km Převzato z [1] 3.2 Měření PMD Důvody měření polarizační vidové disperze byly zmíněny. Jelikož je zpoždění mezi polarizačními vidy velmi malé není možné jej měřit přímo. Používané jsou tři nepřímé metody: metoda skenování vlnové délky tradiční interferenční (interferometrická) metoda TINTY obecná interferenční (interferometrická) metoda GINTY metoda zpětného rozptylu polarizace polarimetrické (polarizační) metody 3.2.1 Metoda skenování vlnové délky Při této metodě se měří optický výkonu po průchodu světlovodem v závislosti na vlnové délce procházeného záření. Měřící soustava na obrázku 3.3 má dvě modifikace. Použijeme-li jako generátor záření laditelný laser, pak jako detektor vystačíme s měřičem výkonu. Při zařazení širokospektrální LED diody jako zdroje záření, použijeme na detekční straně optický 37

Obr. 3.3: Schéma měření PMD metodu skenováním vlnové délky spektrální analyzátor. Při této metodě se postupuje ve dvou krocích. V prvním kroku je měřící soustava zapojena podle obrázku 3.3. Se změnou vlnové délky procházejícího světla se mění i polarizační stav (= vazba mezi polarizačními vidy) tím se mění i velikost měřeného optického výkonu. Takto získaná spektrální závislost je pouze pro jednu složku výkonu o určité polarizaci, určené polarizátorem. Značíme ji P (λ). Při druhém kroku odstraníme polarizátor zařazený před detektorem, tím umožníme změření spektrální závislosti celkového výkonu P T OT (λ). Poměr obou veličin (vztah 3.5) vyjadřuje spektrální závislost změny polarizace. Spektrální závislost lze pomocí rychlé Fourierovy transformace převést do časové oblasti, odkud odečteme hodnotu PMD. R(λ) = P (λ) P T OT (λ) [-] (3.5) Skenujeme-li oblast mezi konkrétními vlnovými délkami λ 1 a λ 2, můžeme přímo vypočítat hodnotu P MD vztahem 3.6. koefp MD = knλ 1λ 2 (λ 2 λ 1 )c [ps/km], (3.6) kde k je koeficient vazby vidů (0,8-1,0), n je počet extrémů (maxim a minim dohromady) a c je rychlost šíření světla ve vakuu. Pro dosažení vyšší přesnosti je dobré volit takové spektrum, aby byl počet extrémů větší než 10. Pomocí rychlé Fourierovy transformace lze přímo spektrální závislost optického výkonu transformovat do časové oblasti a tím přímo získat hodnoty o stavu signálu v čase (zpoždění, roztažení). Tato metoda je využívána v praxi, pro svou delší dobu měření je však náchylná na otřesy, které ovlivňují přesnost měření a měřící rozsah. [1] 3.2.2 Tradiční interferenční (interferometrická) metoda TINTY Vlivem roztažení impulsu způsobeného polarizační disperzí, se také roztáhne základní korelační funkce na sebe kolmých polarizačních vidů, tuto závislost využívá interferenční metoda měření polarizační vidové disperze. Schéma měřící soustavy je na obrázku 3.4. Jako zdroj záření volíme LED pro její široké spektrum a nízkou koherenci generovaného světla. Tento signál lineárně polarizujeme. Na detekční 38

straně je využit Michelsonův interferometr, jeho schéma je na obrázku 3.5. Přijímaný signál je polopropustným zrcadlem rozdělen na dva. Pohyblivým zrcadlem měníme zpoždění mezi nimi. Tím měníme i míru jejich interference, měřenou detektorem. Měřená závislost intenzity interference na posunu pohyblivého zrcadla se nazývá interferogram. Interferogram odpovídá korelační funkci přijímaného signálu. Bohužel se na výsledném interferogramu projevý i autokorelační funkce vlastního měřeného signálu, která je dána spektrem tohoto signálu. Proto výsledný interferogram prokládáme Gaussovou křivku a PMD určujeme z ní. Obrázek 3.6 znázorňuje vznik a výsledný interferogram proložený Gaussovou křivkou. Zpoždění vlivem PMD je úměrné směrodatné odchylce křivky [13]. Parazitní autokorelační funkce značně omezuje přesnost této metody u měření nízkých hodnot PMD. A také nám pro velké zkreslení neumožňuje měření optických tras, ve kterých jsou zařazeny zesilovače. Takovéto trasy musíme měřit počástech a výsledky sčítat. Obr. 3.4: Schema měření interferenční metodou [12] Obr. 3.5: Schéma Michelsonova interferometru [12] Tato metoda je díky nepotřebnosti měření referenční hodnoty velice rychlá (20 s) a odolná proti otřesům, proto je vhodná pro měření optických přenosových tras v terénu. Je s ní možné měřit hodnoty PMD od desetin po stovky ps.[13] 39

Obr. 3.6: Složení interferogramu [13] 3.2.3 Obecná interferenční (interferometrická) metoda GINTY Obecná interferenční metoda vycházý z metody tradiční. Narozdíl od tradiční metody u metody GINTY nedochází ke zkreslení a omezení způsobených parazitní autokorelační funkcí. Tento jev je odstraněn pomocí polarizačního děliče a dvou samostatných detektorů místo stávajícího jednoho v Michelsonově interferometru, viz obrázek 3.7. Polarizační dělič oddělí oba polarizační vidy a jejich intenzita je měřena zvlášť. Máme-li samostatné výsledky, můžeme korelační funkci provést výpočtem, čímž nemůže dojít k ovlivnění výsledků autokorelační funkcí.[13] Obr. 3.7: Schéma Michelsonova interferometru pro metodu GINTY [13] 40