Transmisja przewodowa

Warszawa, 16.11.2015 Transmisja przewodowa TRP Ćwiczenie laboratoryjne nr 2. Transmisja światłowodowa - podstawy Autorzy: Ł. Maksymiuk, G. Stępniak, E. Łukowiak 1

1. Teoria zjawiska liniowe Ważnym parametrem określającym transmisję sygnału w światłowodzie jest tłumienie, opisujące straty mocy optycznej. Jego źródłem są, między innymi, niejednorodności i zanieczyszczenia materiałów, z których wykonany jest światłowód, czy sam proces ich produkcji. Niejednorodności spowodowane są fluktuacjami gęstości szkła kwarcowego (SiO 2 ) oraz składem materiału, z którego wykonane są światłowody. Straty nimi spowodowane dzielimy na absorpcyjne i rozproszeniowe. Niejednorodności, których wymiary są mniejsze od długości fali powodują rozpraszanie Rayleigha, a niejednorodności porównywalne z długością fali powodują rozpraszanie Mie. Absorpcja związana jest z własnościami SiO 2 (silne oddziaływanie w podczerwieni i nadfiolecie) oraz z zanieczyszczeniem wodą, a dokładniej jonami OH - oraz jonami metali i wodorem H +. Do bilansu strat należy dodać tłumienie elementów traktu światłowodowego takich jak złączki, rozdzielacze, sprzęgacze, czy złącza spawane. Dodatkowymi źródłami tłumienia są np. mikrozgięcia światłowodu, bądź jego zgięcie poniżej dopuszczalnego promienia, eliptyczność i wahanie średnicy rdzenia czy uszkodzenia mechaniczne. Do opisu strat mocy w światłowodzie, poza tłumieniem, używa się parametru zwanego tłumiennością wyrażanego w [db/km]. Wzór określający ten parametr to [1]: 10 P( l1) α = log, L P( l2 ) (1.1) P(l 1 ), P(l 2 ) moc optyczna określona w światłowodzie w punktach l 1 i l 2 odległych o L. 2

Poniżej przedstawiono przykładową zależność tłumienności od długości fali. Rys. 1.1. Przykładowa zależność tłumienności światłowodu od długości fali [1] Wymagania dotyczące mocy optycznej w systemie można uzyskać z przeprowadzonego bilansu mocy na podstawie wzoru: P nad = P odb + P s P z + M, (1.2) P nad wymagana moc optyczna źródła światła, P odb czułość fotodetektora, P s całkowite straty linii światłowodowej, P z całkowite wzmocnienie (pochodzące od wzmacniaczy), M margines bezpieczeństwa uwzględniający starzenie się elementów nadawczo-odbiorczych, straty mocy na zgięciach światłowodu itp. (zwykle 10% strat linii + straty na starzenie się elementów nadawczoodbiorczych). Następnym ważnym zjawiskiem występującym i mającym duży wpływ na propagację światła w światłowodzie jest dyspersja chromatyczna. Jest to zależność parametrów ośrodka od częstotliwości (długości fali) światła. Jej skutkiem jest rozmycie czasowe (poszerzenie) impulsu, co decyduje o ograniczeniu szybkości transmisji. Dyspersję chromatyczną dzielimy na dyspersję falowodową, materiałową. 3

Dyspersja falowodowa to zmiana efektywnego współczynnika załamania światła, która jest spowodowana zmianą rozkładu mocy pomiędzy rdzeniem i płaszczem światłowodu przy zmianie długości fali. Dyspersja materiałowa to zależność grupowych współczynników załamania materiałów, z jakich został wykonany światłowód od zmiany długości fali. Współczynnik załamania światła zależy od długości fali, a że widmo częstotliwościowe impulsu składa się z różnych składowych spektralnych, przemieszczają się one w światłowodzie z różną prędkością, czego skutkiem jest rozszerzenie impulsu. Do opisu zjawisk związanych z dyspersją chromatyczną posługujemy się parametrem zwanym współczynnikiem dyspersji wyrażanym w 1 dτ g D =, L dλ L długość światłowodu, ps nm km, a zdefiniowanym jako [1]: τ g - opóźność grupowa, określająca opóźnienie obwiedni fali na długości L, λ - długość fali. (1.3) Rys. 1.2. Zależność współczynnika dyspersji od długości fali dla przykładowych typów światłowodów jednomodowych [1] Rozszerzenie czasowe impulsu wynikające z dyspersji chromatycznej wyraża się wzorem [2]: t = D λ L, (1.4) λ - szerokość linii widmowej źródła światła. 4

Jedną z metod zmniejszania wpływu dyspersji chromatycznej na sygnał propagujący w światłowodzie jest kompensacja dyspersji polegająca na umieszczeniu w trakcie światłowodowym światłowodu o współczynniku dyspersji o przeciwnym znaku niż dany światłowód. Wyraża się to zależnością [7]: D 1 L 1 + D 2 L 2 = 0. (1.5) Rozszerzenie impulsu w transmisji cyfrowej powoduje trudności z prawidłowym odbiorem wartości sygnału. Aby zredukować nachodzenie impulsów na siebie poszerzenie impulsu powinno być mniejsze niż połowa długości bitu (T). Określone jest to wzorem [3]: T τ 2 lub 1 τ, 2B T B T szybkość transmisji [bit/s]. (1.7) (1.8) Rys. 1.3. Wpływ dyspersji na ograniczenie szybkości transmisji [3] Istnieje kilka metod pomiaru dyspersji chromatycznej w światłowodach, jedną z nich jest metoda oparta na analizie małosygnałowej funkcji przenoszenia światłowodu w dziedzinie częstotliwości. Pomiary przeprowadzane są w dziedzinie częstotliwości z małą głębokością modulacji, przy założeniu małej i niezmiennej wielkości maksymalnego odstrojenia fazowego (chirp). W tych warunkach otrzymujemy rezonans częstotliwości powstający w skutek interferencji pomiędzy falą nośną i prążkami bocznymi [8]. Wypadkowa amplituda fali świetlnej, docierającej do odbiornika, zależy od fazy prążków bocznych. Przy pewnych częstotliwościach sygnału modulującego dyspersja światłowodu powoduje, że wstęgi boczne mają przeciwną fazę, przez co następuje wygaszenie sygnału na wyjściu odbiornika. [1] 5

Poniżej przedstawiono charakterystykę małosygnałową przy idealizujących założeniach dotyczących postaci chipu. W rzeczywistych systemach modulacja jest wielkosygnałowa i chip nie jest idealny, w związku z tym charakterystyka przenoszenia jest inna. Rys. 1.4. Poziom sygnału na wyjściu światłowodu przy założeniach opisanych powyżej [1] Poniższy wzór łączy częstotliwość rezonansową f n z kolejnymi minimami amplitudy w funkcji przenoszenia światłowodu [4]: 2 c 2 f n L = 1+ 2n arctan( α ) 2, 2Dλ π f n - częstotliwość, przy której występują minima amplitudy, n n-te miniumum, α - maksymalny kąt odstrojenia fazowego (chirp). (1.10) Znając częstotliwość f n łatwo możemy wyznaczyć wartość współczynnika dyspersji z powyższej zależności, wiedząc, że średnia wartość dyspersji jest związana z pierwszym minimum funkcji przenoszenia. Istnieje jeszcze jeden rodzaj dyspersji występujący w światłowodach jednomodowych dyspersja polaryzacyjna (PMD - Polarization Mode Dispersion) zdefiniowana jako [6]: DGD PMD =, L (1.11) 6

DGD- średnie różnicowe opóźnienie grupowe, oznaczane także jako τ. We włóknie jednomodowym w rzeczywistości rozchodzą się dwa ortogonalnie spolaryzowane mody LP 01, poruszające się z różnymi prędkościami grupowymi. Rys. 1.5. Schemat ilustrujący zjawisko PMD z zaznaczonym różnicowym opóźnieniem grupowym τ, oznaczaną jako DGD (Differential Group Delay) [5] [6] Dyspersja polaryzacyjna powstaje w wyniku niedoskonałości procesu produkcyjnego światłowodu, czego wynikiem jest asymetria geometrii rdzenia, czy powstanie naprężeń mechanicznych na granicy rdzenia i płaszcza podczas wyciągania włókna, jak również czynniki zewnętrzne oddziaływujące na światłowód takie jak siły skręcające, zgniatające, rozciągające, ściskające oraz oddziaływanie pola elektrycznego, magnetycznego i temperatury, jak również spawy i połączenia mechaniczne. Wszystkie one powodują dwójłomność. Wartość dyspersji polaryzacyjnej podawana jest w jednostkach ps, gdy w światłowodzie km nie występuje sprzęganie modów - PMD jest proporcjonalne do długości światłowodu, oraz w jednostkach ps, gdy występuje sprzęganie modów (tak jest w rzeczywistych km światłowodach) PMD jest proporcjonalne do pierwiastka długości światłowodu [6]. 7

Rys. 1.6. Teoretyczna zależność szybkości transmisji od odległości transmisji i PMD linii światłowodowej [5] W odbiornikach optoelektronicznych moc sygnału podlega fluktuacjom. Ich źródłem jest szum śrutowy (kwantowy) oraz szum termiczny. Przyczyną szumu śrutowego jest zmienna ilość padająca na fotodetektor fotonów, z których składa się fotoprąd. Ta przypadkowość powoduje fluktuacje. Wariacja szumu, a zarazem jego moc wyrażana jest wzorem [2]: 2 i śr 1 = 2qRP B, (1.12) q - ładunek elektronu R czułość fotodetektora, 19 q = 1,6 10 C, P 1 moc padającego promieniowania, B pasmo szumowe odbiornika. Przyczyną szumu termicznego jest przypadkowość poruszania się elektronów w przewodniku w danej temperaturze, powodując fluktuacje prądu. Wariacja prądu szumu termicznego wyraża się wzorem [2]: 4kTB i 2 T =, R L k - stała Boltzmana, T - temperatura bezwzględna (w kelwinach), RL - wartość rezystancji obciążenia. (1.13) Moc sygnału wyraża się wzorem [2]: 8

2 2 2 I s = R P1, I s - prąd płynący przez fotodetektor. (1.14) SNR (signal-to-noise ratio) to stosunek sygnału do szumu. OSNR (optical signal-to-noise ratio) to stosunek sygnału optycznego do szumu. Bibliografia [1] K. Perlicki: Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa 2002 [2] J. Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1997, 1999 [3] K. Holejko: Podstawy telekomunikacji światłowodowej, Wydawnictwo Francusko-Polskiej Wyższej Szkoły Nowych Technik Informatyczno- Komunikacyjnych, 1995 [4] RSoft Design Group: OptSim 4.0 Documentation [5] A. Pachwicewicz, M. Dziekan: Budowa i produkcja kabli światłowodach dyspersja polaryzacyjna PMD, Zakład Kabli Światłowodowych Z.K. TELE-FONIKA S.C [6] Ł. Maksymiuk: Zjawisko tłumienia zależnego od polaryzacji i dyspersji polaryzacyjnej w optycznych sieciach telekomunikacyjnych, Kwartalnik Elektroniki i Telekomunikacji, t. 50, z.1, 2004 [7] G. P. Agrawal: Fiber-Optic Communication Systems, Wiley-Interscience,1992 [8] F.Devaux, Y.Sorel and J.F. Kerdiles: Simple Measurement of Fiber Dispersion and of Chirp Parameter of Intensity Modulated Light Emiter, Journal of Lightwave Technology, Vol. 11 No. 12, 1993 9

2. OTDR Reflektometria OTDR (ang. optical time domain reflectometry) jest podstawowym narzędziem diagnostycznym wykorzystywanym w sieciach optycznych. Umożliwia pomiar tłumienia światłowodu, jego długości, lokalizację złącz i spawów, określenie czy złącza i spawy są wykonane zgodnie z normami telekomunikacyjnymi, lokalizację zgięć światłowodu. Aby przeprowadzić pomiar reflektometrem całej linii wystarczy dostęp do jednego z zakończeń sieci/ kabla optycznego, co jest istotnym ułatwieniem dla operatora sieci. W szczególności może on zlokalizować uszkodzenie linii bezpośrednio ze stacji nadawczej. Reflektometr to urządzenie, przy pomocy którego wykonywany jest pomiar reflektometryczny. Pomiar opiera się na analizie mocy promieniowania rozproszonego w linii światłowodowej w funkcji czasu. Dominującym rodzajem rozpraszania w transmisji światłowodowej jest rozpraszanie Rayleigha. Jednak oprócz rozpraszania, promieniowanie wsteczne może być wywołane odbiciem. Schemat funkcjonalny reflektometru pokazano na rys. 2.1. Dioda laserowa wysyła periodycznie impulsy w trakt światłowodowy. Światło impulsu, rozproszone i odbite w trakcie światłowodowym poprzez sprzęgacz kierunkowy (lub cyrkulator) wraca do urządzenia OTDR i podlega detekcji przez fotodiodę o wysokiej czułości. Układ przetwarzania danych na podstawie analizy odebranej mocy optycznej w funkcji opóźnienia od wysłania impulsu tworzy wykres reflektometryczny. Szybkość propagacji w światłowodzie wynosi v=c/n, gdzie c to szybkość światła w próżni a n to grupowy współczynnik załamania na danej długości fali. Domyślnie urządzenia pomiarowe mają wpisany n dla światłowodu SSMF-28 (G.682). Pomiar innego światłowodu wymaga przestawienia parametru urządzenia (lub ręcznej korekcji błędu odległości). Reflektometr tak naprawdę przelicza więc czas po którym promieniowanie powróciło na odległość: x=0.5vt i taką też zmienną przyjmuje dla osi OX. Na osi OY wyświetlana jest względna moc promieniowania powracającego x 1/2 (w [db]) - z uwzględnieniem tłumienia w obie strony. Rys. 2.1. Schemat blokowy OTDR 10

Rys. 2.2. Typowy przebieg reflektometryczny i rozkład "zdarzeń" w światłowodzie. Źródło: AQ7280 user manual. Typowy wykres reflektometryczny przedstawiono na rys. 2.2. Pokazano na nim typowe zdarzenia w linii oraz odpowiadające im zmiany na wykresie. Na początku traktu jest zwykle silne odbicie początkowe, od złącza reflektometru ze światłowodem. Odbicia tego typu opisane są wzorami Fresnela na moc światła odbitego przy przejściu granicy ośrodków o dwóch różnych współczynnikach załamania (próżni i światłowodu). Ze względu na to, że moc odbita od pierwszego złącza jest bardzo silna, a detektor skalibrowany jest na odbiór bardzo słabych sygnałów rozproszonych w torze, może on wejść w nasycenie. Nasycenie trwa pewien przedział czasu sprawiając, że wyniki dla pierwszych kilkudziesięciu(set) metrów są bardzo niedokładne. Dlatego w praktyce za OTDR stosuje się tzw. kabel rozbiegowy, czyli swiatłowód o długości kilkuset metrów, który na stałe wpięty jest do reflektometru i dopiero ten światłowód łączy się z badaną linią. Na rys. 2.2 widoczny jest również spaw (brak odbicia), złącze (odbicie), zgięcie, silne odbicie od końca światłowodu, po którym następuje znaczny spadek mocy odbieranej (bo promieniowanie nie ma skąd już wracać). Ponadto, mierząc nachylenie przebiegu reflektogramu pomiędzy zdarzeniami (X[dB]/x[km]) można obliczyć tłumienie jednostkowe światłowodu. Podstawowe cechy urządzeń OTDR: 1. Dynamika - zależna od czułości fotodetektora, mocy lasera, długości impulsu, czasu uśredniania - maksymalna ilość [db] na osi OY dla której sygnał powracający odróżniany jest od szumu. 2. Zasięg pomiarowy - najdłuższy odcinek światłowodu dla którego reflektometr będzie w stanie mierzyć zdarzenia. 11

3. Rozdzielczość - zdolność do identyfikacji zdarzeń położonych blisko siebie - najmniejsza odległość pomiędzy zdarzeniami jaką reflektometr identyfikuje jako dwa osobne zdarzenia. Podstawowe parametry pomiaru 1. Długość fali pomiarowej - typowo 1310 nm i 1550 nm. Mierząc tę samą linię na 2 długościach fali można odróżnić spaw od zgięcia. Zagadka: w jaki sposób? 2. Szerokość impulsu. Reflektometry pozwalają zmieniać szerokość impulsu światła, np. od 10 ns do 20 s. Im dłuższy impuls tym lepsza dynamika reflektometru - większa energia wysyłana w linię. Zwiększając długość impulsu 10 krotnie, tyle samo razy wzrasta dynamika. Niestety, o tyleż samo spada rozdzielczość reflektometru. Rys. 2.3. Przykład dobrze i źle dobranej szerokości impulsu 3. Zasięg (ang. range) - predefiniowana odległość do której analizowane są zdarzenia. Powinna być o kilkadziesiąt procent większa niż spodziewana długość linii. 4. Rys. 2.4. Przykład dobrze i źle dobranego zasięgu 12

4. Czas uśredniania - aby zwiększyć dynamikę, ten sam pomiar powtarzany jest wielokrotnie. N krotne powtórzenie pomiaru zmniejsza również N krotnie wariancję szumu Rys. 2.5. Przykład dobrze i źle dobranego czasu uśredniania 5. Odstęp próbkowania (sampling interval). Niezależnie od szerokości impulsu można ustawić szybkość próbkowania odbiornika, a tym samym rozdzielczość odległościową. Oczywiście przy zbyt szerokim impulsie mniejszy odstęp próbkowania niewiele pomoże, a spowoduje większą zajętość pamięci. Inne zjawiska Reflektometr może czasem wprowadzić w błąd. Np. często w reflektogramie widoczne jest silne odbicie w odległości, gdzie już jesteśmy pewni, że nie ma światłowodu. To jest tzw. duch, czyli pik utworzony przez impuls, który odbił się od końca światłowodu, następnie od pierwszego złącza reflektometru i ponownie od końca światłowodu. Tworzenie ducha zilustrowano na rys. 2.6. Rys. 2.6. Ilustracja tworzenia się ducha 13

Podstawowe zasady obsługi urządzenia 1. Reflektometr wysyła silne, niewidzialne dla oka ludzkiego impulsy laserowe. Nie wolno kierować wzroku w końcówkę linii światłowodowej, która jest dołączona do reflektometru. Nie wolno uruchamiać reflektometru gdy nie jest podłączony do niego kabel. Podczas trwania pomiaru nie wolno rozłączać toru i manipulować przy nim. 2. Nie wolno doprowadzić do zapętlenia linii światłowodowej (impuls wysłany dotarłby do fotodiody nie poprzez rozpraszanie ale po prostu wróciłby). Mogłoby to uszkodzić fotodiodę. 3. Nie wolno odłączać kabla lub tłumika "connector-saver". Złącza optyczne po ok. 300-500 połączeniach zużywają się mechanicznie. Szczególnej ochronie podlegać musi złącze w drogim urządzeniu jakim jest reflektometr, dlatego należy je chronić przez specjalny patchcord/tłumik 0 db. Literatura: 1. K. Perlicki, Pomiary, Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ 2. Yokogawa, AQ7280 OTDR Getting Started Guide 3. Yokogawa, AQ7280 OTDR User Manual 14

Literatura pozwalająca rozszerzyć wiedzę potrzebną do wykonania ćwiczeń laboratoryjnych: (1) K. Perlicki: Pomiary w optycznych systemach telekomunikacyjnych, WKŁ, Warszawa 2002 (2) J. Siuzdak: Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej, WKŁ, Warszawa 1997, 1999 (3) K. Holejko: Podstawy telekomunikacji światłowodowej, Wydawnictwo Francusko-Polskiej Wyższej Szkoły Nowych Technik Informatyczno- Komunikacyjnych, 1995 (4) Yokogawa, AQ7280 OTDR Getting Started Guide (5) Yokogawa, AQ7280 OTDR User Manual Sprawdzenie przygotowania studenta do ćwiczenia laboratoryjnego Przykładowe pytania sprawdzające przygotowanie studenta do ćwiczenia laboratoryjnego: 1. Podaj przyczyny tłumienia mocy optycznej w światłowodzie (wymień dwa podstawowe zjawiska fizyczne). 2. Podaj parametr opisujący straty mocy w światłowodzie, w jakich jednostkach jest on wyrażany oraz podaj wzór opisujący ten parametr. 3. Narysuj wykres przedstawiający przykładową zależność tłumienności światłowodu kwarcowego od długości fali (z zaznaczeniem okien transmisyjnych oraz przyczyn tłumienia na danych długościach fali). 4. Czym jest dyspersja? Przedstaw jej podział. 5. Opisz, czym jest dyspersja chromatyczna oraz przedstaw opisujący ją wzór. 6. Wykreśl typową charakterystykę dyspersji od długości fali. 7. Czym jest dyspersja polaryzacyjna oraz czym jest spowodowana? 8. Opisz zasadę działania reflektometru (OTDR). 15