Pomiary światłowodów telekomunikacyjnych Laboratorium Eksploatacja Systemów Telekomunikacyjnych

Transkrypt

1 Pomiary światłowodów telekomunikacyjnych Laboratorium Eksploatacja Systemów Telekomunikacyjnych Dr inż. Mirosław Siergiejczyk Mgr inż. Zbigniew Kasprzyk

2 Zalecana literatura Kathryn Booth, Steven Hill Optoelektronika WKŁ Warszawa 2001 Krzysztof Perlicki Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych WKŁ Warszawa 2002

3 Podstawowa klasyfikacja rodzajów pomiarów Pomiary tłumienia spektralnego światłowodów (straty mocy optycznej) metoda transmisyjna odcięcia (dwupunktowa) metoda transmisyjna wtrąceniowa metoda rozproszenia wstecznego pomiar strat zgięciowych światłowodu pomiar dyspersji w światłowodach Pomiary reflektometryczne (jednopunktowa)

4 Podstawowe przyrządy pomiarowe Miernik mocy optycznej Analizator widma optycznego Reflektometr światłowodowy

5 Podstawowe pojęcia Światłowód prowadnica fali elektromagnetycznej z zakresu promieniowania optycznego bliskiego podczerwieni. Mod światłowodowy pojedynczy rodzaj drgania elektromagnetycznego wzbudzonego w światłowodzie. Okno transmisyjne zakres (długość fali) promieniowania optycznego wykorzystywany do przesyłania sygnałów telekomunikacyjnych: I okno optyczne: 850 nm II okno optyczne: 1310 nm III okno optyczne: 1550 nm

6 Podstawowe pojęcia Dyspersja światłowodowa zjawisko fizyczne polegające na zależności prędkości przemieszczania się fali świetlnej w zależności od jej długości. Powoduje zniekształcenie impulsu optycznego przesyłanego w światłowodzie. Mierzona w [ns/km] lub [ps/km] Tłumienność Pwe A= 10log [ db] Pwy Tłumienność jednostkowa światłowodu tłumienność jednostkowa w odniesieniu do 1 km długości światłowodu. Dopuszczalny promień zginania światłowodu najmniejszy promień zginania włókna optycznego bez powodowania uszkodzeń mechanicznych i wzrostu jego tłumienności.

7 Podstawowe pojęcia Linia optotelekomunikacyjna linia telekomunikacyjna składająca się z odcinków kabla światłowodowego, łączonych w mufach kablowych kończąca się na przełącznicach światłowodowych. Przełącznica światłowodowa stojak wyposażony w osprzęt umożliwiający dołączenie urządzeń stacyjnych do torów optycznych. Pigtail odcinek światłowodu zakończony z jednej strony wtykiem złącza światłowodowego stosowany w przełącznicach światłowodowych do wyprowadzania światłowodu liniowego na złącze rozłączne. Patchcord odcinek światłowodu dwustronnie zakończony wtykami stosowany do przyłączania urządzeń telekomunikacyjnych. Służy do wykonywania zapętleń i podłączania urządzeń pomiarowych.

8 Podstawowe pojęcia Trakt światłowodowy droga dla sygnałów optycznych utworzona z nadajnika optycznego, światłowodu, odbiornika optycznego i elementów sprzężeniowych i połączeniowych. Nadajnik optyczny układ przetwarzający sygnał elektryczny na optyczny. Odbiornik optyczny układ służący do odbioru i przekształcania sygnałów optycznych na elektryczne. Tor optyczny droga dla sygnałów optycznych utworzona z połączonych odcinków światłowodowych i zakończona w złączach na przełącznicy. Złącze trwałe połączenie światłowodu wykonane metodą zgrzewania termicznego. Złącze rozłączne połączenie włókien za pomocą złączki światłowodowej składającej się z dwóch półzłączek.

9 Podstawowe pojęcia Reflektometr podstawowy przyrząd pomiarowy stosowany przy produkcji kabli światłowodowych oraz podczas budowy i eksploatacji linii optotelekomunikacyjnych. Umożliwia z jednego końca linii pomiar rozkładu tłumienności toru optycznego wzdłuż jego długości. Wynik pomiaru prezentowany jest na monitorze z którego odczytuje się informacje: tłumienność toru optycznego; tłumienność jednostkową toru; tłumienność złączy; tłumienność odbić na granicy dwóch ośrodków.

10 Wybór metody i przyrządów pomiarowych Typ mierzonej sieci wewnętrzna (systemy lokalne) zewnętrzna (systemy rozległe) Rodzaj włókna światłowodowego jednomodowe wielomodowe plastikowe Żądane cechy zestawu pomiarowego cena parametry

11 Podstawowe złącza światłowodowe FC/(A)PC Ferrule Rozmiar Typ Tłumienie Dwutlenek cyrkonu 125 µm wielomodowe 0.17 db Dwutlenek cyrkonu 126 µm jednomodowe 0.15 db Dwutlenek cyrkonu 126 µm jednomodowe 0.15 db Dwutlenek cyrkonu/apc 126 µm jednomodowe 0.25 db Dwutlenek cyrkonu/apc 126 µm jednomodowe 0.25 db

12 Podstawowe złącza światłowodowe ST Bagnetowy zamek obrotowy Ferrule Rozmiar Typ Tłumienie Dwutlenek cyrkonu 125 µm wielomodowe 0.33 db Dwutlenek cyrkonu 125 µm wielomodowe 0.33 db Dwutlenek cyrkonu 125 µm wielomodowe 0.33 db Dwutlenek cyrkonu/apc 125 µm wielomodowe 0.33 db Dwutlenek cyrkonu/apc 126 µm jednomodowe 0.15 db

13 Podstawowe złącza światłowodowe SC/PC Łączenie push-pull Samocentrująca ferrula o średnicy 2,5 mm Ferrule Rozmiar Typ Tłumienie Dwutlenek cyrkonu 125 µm wielomodowe 0.34 db Dwutlenek cyrkonu 126 µm jednomodowe 0.15 db Dwutlenek cyrkonu/apc 126 µm jednomodowe 0.25 db Dwutlenek cyrkonu 125 µm Duplex wm 0.34 db Dwutlenek cyrkonu 126 µm Duplex jm 0.15 db

14 Podstawowe złącza światłowodowe LC Ferrule Rozmiar Typ Tłumienie Dwutlenek cyrkonu 128 µm wielomodowe 0.1 db Dwutlenek cyrkonu 126 µm jednomodowe 0.13 db Dwutlenek cyrkonu 126 µm jednomodowe 0.13 db Dwutlenek cyrkonu 128 µm Duplex wm 0.1 db

15 Podstawowe złącza światłowodowe E2000 Konstrukcja push-pull Złącze zatrzaskowe Ferrule Rozmiar Typ Tłumienie Dwutlenek cyrkonu 125 µm wielomodowe 0.09 db Dwutlenek cyrkonu 125 µm jednomodowe 0.09 db

16 Dobór sprzętu wg. rodzaju instalacji - systemy lokalne Instalacje krótkiego zasięgu (do 5 km) Stosowane źródło światła LED o długości fali 850 nm i 1310 nm (GB Ethernet laser) Światłowody wielomodowe jednomodowe wielomodowe/jednomodowe Testy jednopunktowe

17 Dobór sprzętu wg. rodzaju instalacji - systemy rozległe Instalacje telekomunikacyjne rozległe, CATV (20 dbm) Stosowane źródło światła laserowe o długości 1310 nm i 1550 nm Testy przeprowadzane dla obu długości fali jednopunktowe i wskazane dwupunktowe (transmisyjne)

18 Dobór sprzętu wg. rodzaju światłowodu - jednomodowe Systemy jednomodowe pracują na dwóch długościach fali 1310 nm 1550 nm Systemy krótkiego zasięgu pracują na 1310 nm Systemy długiego zasięgu na 1550 nm

19 Dobór sprzętu wg. rodzaju światłowodu - wielomodowe Systemy wielomodowe pracują na dwóch długościach fali 850 nm 1310 nm Najczęściej systemy krótkiego zasięgu

20 Straty mocy w światłowodach Mała sprawność sprzężenia źródła ze światłowodem Tłumienie pochłanianie rozpraszanie Straty na zgięciach Straty na złączach Straty na połączeniach spawanych

21 Sprzężenie źródła światła ze światłowodem Wprowadzenie źródła światła do światłowodu, oraz sprawność sprzężenia źródła światła ze światłowodem

22 Apertura numeryczna światłowodu

23 Tłumienie spowodowane rozpraszaniem i pochłanianiem Rozpraszanie Rayleigha Typowy wykres tłumienności w funkcji długości fali w światłowodzie ze szkła kwarcowego

24 Straty mocy na zgięciach Straty światła na zgięciach światłowodu Straty na zgięciach można zredukować: ograniczając liczbę zgięć zwiększając promień zakrzywienia

25 Straty na złączach a). Połączenie niewspółosiowe dwóch włókien światłowodowych. b). Połączenie zawierające błędne ustawienie kątowe osi. c). Połączenie zawierające szczelinę powietrzną. d). Połączenie w którym przekroje włókien nie są idealnie kołowe.

26 Wymagania dotyczące połączeń rozłącznych Wymagania geometryczne i mechaniczne Niecentryczność Ustawienie światłowodów (ustawienie kątowe) nie większa niż 0,5 µm Θ<0,5 Siła łącząca Wymagania transmisyjne 7-12 N Tłumienność złączek Reflektancja (tłumienność odbiciowa złącza) Trwałość parametrów Odporność na zginanie średnia 0,15 db (max 0,3 db) mniejsza od 50 db Złączki powinny umożliwiać dokonanie co najmniej 1000 przełączeń przy czym wzrost ich tłumienności nie powinien przekraczać 0,2 db. Zmiana tłumienności złączek w trakcie testu na zginanie < 0,2 db przy następujących parametrach testu: 300 cykli zginania od ± 90 ; siła obciążenia kabla 5 N ZN-96/TP S.A.- 007

27 Wymagania dotyczące połączeń spawanych Wymagania transmisyjne Tłumienność połączeń światłowodów 0,08 db Reflektancja złączy nie większa niż 60dB (dla 1310nm i 1550nm) Połączenia światłowodów jednomodowych w złączu powinny być tak wykonane, aby tłumienność średnia przypadająca na jedną spoinę nie przekroczyła wartości 0,08 db. Tłumienność spoin powinna być określana jako wartość średnia z pomiarów reflektometrycznych w obu kierunkach transmisji. Dopuszcza się pozostawienie w złączu spoin o tłumienności wyższej, jednak o wartości bezwzględnej nie większej niż 0,3 db, jeśli trzy próby spajania nie pozwoliły na uzyskanie wartości 0,08 db. ZN-96/TP S.A.- 006

28 Pomiary tłumienia światłowodu Transmisja mocy optycznej P jest ograniczona w światłowodzie o długości L [km] tłumieniem spowodowanym rozproszeniem i absorpcją: P(0) αl = 10log[ ] [ db / km] P( L)

29 Metoda transmisyjna odcięcia (dwupunktowa) Określenie strat mocy polega na wyznaczeniu poziomu mocy optycznej w dwóch ściśle określonych punktach wzdłuż światłowodu Badany światłowód Źródło światła Filtr modowy Filtr modowy Miernik mocy optycznej

30 Metoda transmisyjna wtrąceniowa Uproszczona wersja metody odcięcia Moc wprowadzana do światłowodu to moc zmierzona w warunkach wtrącenia między nadajnik a odbiornik Metoda mało dokładna

31 Kształty charakterystyk spektralnych tłumienia światłowodu (metoda transmisyjna)

32 Pomiary tłumienia metodą rozproszenia wstecznego (OTDR) Tłumienie określane z rozkładu czasowego poziomu mocy powracającej Rozpraszanie Rayleigha α = ( 5/( L2 L1 ))log P( L1 ) / P( L2 )

33 Pomiary tłumienia metodą rozproszenia wstecznego (OFDR) Wprowadzane przestrajanie częstotliwościowe do sygnału pobudzającego (nośna optyczna) światłowód

34 Pomiary tłumienia metodą rozproszenia wstecznego (OCDR) Pomiar z zastosowaniem interferometru Michelsona umożliwia uzyskać rozdzielczość rzędu pojedynczych mikrometrów przy dynamice 150dB Dioda elektoluminescencyjna LED L1 Wyjście testowe Sprzęgacz światłowodowy C(λ) = const Obiektyw Zwierciadło odniesienia L2 Odbiornik Procesor sygnałowy L1, L2 - długości światłowodu

35 Przykładowy kształt charakterystyki rozproszenia wstecznego światłowodu

36 Dyspersja modowa w światłowodach o skokowej i gradientowej zmianie współczynnika załamania światła Przyczyną dyspersji modowej jest fakt, że różnym modom odpowiadają różne drogi wzdłuż światłowodu wielomodowego t t 1 2 L Ln = = v c L = vsinθ t mod = t 2 rdzeń max t Lnrdzeń = csinθ 1 Ln = c c rdzeń n ( rdzeń n n rdzeń plaszcz )

37 Dyspersja materiałowa i falowodowa w światłowodach jednomodowych Dyspersja materiałowa związana z prędkością rozchodzenia się fali w szkle v = c n t mat = Dyspersja falowodowa związana ze stratą światła w płaszczu D σ λ L

38 Pomiar dyspersji w światłowodach wielomodowych Metoda oparta na analizie zniekształceń impulsu światła Polega na obserwacji poszerzenia impulsu światła po jego przejściu przez badany światłowód.

39 Analiza pomiarów W dziedzinie czasu 1 e 2 W dziedzinie częstotliwości H ( f ) = TF A( B( f f ) )

40 Pomiar dyspersji w światłowodach wielomodowych Metoda oparta na analizie odpowiedzi częstotliwościowej Polega na określeniu przebiegu zmian mocy optycznej na wyjściu badanego światłowodu w funkcji częstotliwości fali modulującej, a także przebieg zmian mocy optycznej na wyjściu krótkiego odcinka światłowodu w funkcji częstotliwości fali modulującej (pomiar odniesienia). Źródło sygnału modulującego Badany światłowód Źródło światła Mieszacz modów Fotoodbiornik Komparator Fotoodbiornik Ramię odniesienia

41 Odpowiedź częstotliwościowa światłowodu H FR = log 10 P P wy we ( ( f f ) ) P wy ( f ) - zmiana mocy optycznej w funkcji częstotliwości fali modulującej uzyskana dla badanego światłowodu P we ( f ) - zmiana mocy optycznej w funkcji częstotliwości fali modulującej uzyskana w pomiarze odniesienia

42 Pomiar dyspersji w światłowodach jednomodowych Metoda różnicy czasu propagacji Polega na wprowadzeniu do badanego światłowodu dwóch impulsów emitowanych na różnych długościach fal. Mierząc różnice czasów przejścia obu impulsów w badanym światłowodzie oraz znając różnicę między długościami emitowanych fal światła można określić wartość współczynnika dyspersji. λ λ 1 2 D dτ = d λ L dτ

43 Pomiary reflektometryczne Przy użyciu minireflektometru OTDR Agilent Technologies E6000C

44 Budowa reflektometru optycznego OTDR Rozpraszanie Rayleigha

45 Zasada działania reflektometru optycznego OTDR

46 Przykładowy przebieg zmiany tłumienia światłowodu w funkcji jego długości (echogram)

47 Co można zmierzyć reflektometrem? Miejsce występowania zdarzeń na linii koniec linii miejsce przerwania linii Tłumienność jednostkową włókna [db/km] Straty pojedynczych zdarzeń spawu włókna od początku do końca Wartość odbicia (reflektancji) zdarzenia takiego jak złącze Łączne straty do miejsca zdarzenia mogą być mierzone automatycznie Lokalizacja miejsc zdarzeń odbiciowych Lokalizacja miejsc zdarzeń bezodbiciowych (spawy) Lokalizacja końca włókna

48 Cechy znamienne reflektometru OTDR

49 Moduł minireflektometru OTDR

50 Czyszczenie włókna i złącza interfejsu Czyszczenie włókna optycznego: W celu oczyszczenia włókna optycznego należy wyjąć złącze interfejsu. Nanieść alkohol izopropylowy na papier czyszczący do soczewek i wyczyścić powierzchnię ferruli włókna. Przy użyciu suchego papieru czyszczącego należy wytrzeć powierzchnię złącza i tulejki włókna aby były suche i czyste. Należy lekko docisnąć kilka razy czyszczącą taśmę przylepną do powierzchni włókna w celu usunięcia pozostałych cząsteczek zanieczyszczeń. Zabezpieczyć ferrulę włókna przykrywką. Czyszczenie złącza interfejsu: Nanieść alkohol izopropylowy na rurkę czyszczącą i wyczyścić wewnątrz złącze interfejsu. Przy użyciu suchej rurki czyszczącej wytrzeć złącze interfejsu. Usunąć resztki cząsteczek zanieczyszczeń wewnątrz złącza interfejsu poprzez kilkakrotne przedmuchanie złącza przy użyciu sprężonego powietrza.

51 Ekran aplikacji reflektometru

52 Tryb OTDR (OTDR Mode) Pusty ekran wykresów reflektometrycznych przed pomiarem

53 Zdarzenia Zdarzenie odbiciowe występuje wtedy gdy część energii impulsów jest odbita na przykład od złącza. Zdarzenia odbicia wytwarzają na wykresie krótki wyskok. Zdarzenie bezodbiciowe pojawia się w tych częściach włókna gdzie są pewne straty energii ale nie występuje odbicie światła. Zdarzenie bezodbiciowe powoduje na wykresie powstanie uskoku.

54 Oznaczanie zdarzeń w reflektometrze

55 Menu Popup Wyjście z menu Pliki użytkowe, ładowanie i magazynowanie danych Konfigurowanie reflektometru Powiększenie i pomniejszenie wykresów Zmiana wyglądu wykresu Powrót do menu aplikacji Analiza wykresu Zmiana parametrów pomiarowych Dodawanie lub usuwanie zdarzeń i punktów pomiarowych

56 Ekran parametrów pomiarowych

57 Ekran parametrów sprawdzających wykres trasowy włókna