Для обеспечения надлежащей работы ВОЛС (волоконно-оптической линии связи) многие параметры, такие как затухание и оптические возвратные потери (ORL), должны находиться в пределах допустимых уровней как передающего, так и приемного оборудования. ORL измеряется для отдельных компонентов, таких, как кабели, патч-корды, пигтейлы и коннекторы (соединители), а также для всего канала.
С увеличением скорости передачи данных и использованием технологии WDM (мультиплексирование с разделением по длине волны) точное измерение ORL становится все более важным фактором оптоволоконных сетей. ORL определяется как отношение мощности прямого сигнала к обратному (отражение луча в точке контакта оптических волокон) и измеряется в децибелах (дБ).
RL = 10 log10 (PR/Pin)
где:
PR = отраженная мощность,
Pin = входная мощность
В дополнение к увеличению затухания в сети высокие уровни отраженной оптической мощности могут вызывать помехи сигнала источника света, более высокий коэффициент битовых ошибок (BER) в цифровых системах, более низкое отношение сигнал-шум (SNR), колебания выходной мощности лазера, и даже (в чрезвычайных случаях) необратимое повреждение лазерного источника. ORL и отражательная способность должны измеряться как на уровне отдельного компонента, такого как коннектор или кабельная сборка, так и на уровне всего канала.
Сети с более высокой пропускной способностью требуют более низкого ORL. Например, в сетях передачи OC-48 2,5 Гбит/с минимальный уровень ORL составляет -24 дБ, а в сети OC-768 40 Гбит/с — он равен -30 дБ. Сеть FTTx (Fiber-to-the-Building/Fiber-to-the-Home), доставляющая видеоконтент с низким допуском BER, должна обеспечивать минимальный уровень ORL в -32 дБ.
В стандарте IEC 61300-3-6 указаны четыре основных инструмента для измерения возвратных потерь:
- оптический рефлектометр непрерывного излучения (OCWR)
- оптический рефлектометр импульсный или во временной области (OTDR)
- оптический низкокогерентный рефлектометр (OLCR)
- оптический рефлектометр частотной области (OFDR)
Методы измерения применяются в зависимости от состояния тестируемого устройства, уровня возвратных потерь, расстояния измерения и разрешения измерения. В этом материале основное внимание уделено измерению возвратных потерь с использованием OCWR и OTDR.
Причины оптических возвратных потерь
Обратное отражение определяется как отношение отраженной оптической мощности излучения к падающей на входе устройства или участка ВОЛС. Термин ORL используется для описания отношения величины кумулятивного обратного отражения или множественных событий Френеля и мощности сигнала обратного рассеяния к оптической мощности на входе устройства. Существует два основных фактора, которые приводят к этому типу потерь: обратное отражение Френеля и обратное рассеяние Рэлея.
Обратное отражение Френеля
Обратное отражение Френеля происходит в разных элементах сети, где есть переходы через разные среды. Оптические коннекторы особенно подвержены отражениям из-за воздушных зазоров, загрязнений, несовпадений геометрии и производственных дефектов. Другими распространенными источниками обратного отражения Френеля являются механические соединения, открытые концы волокна и трещины в оптическом волокне. Значительное количество света отражается обратно к источнику, когда свет проходит от сердечника волокна к воздуху. В сетях, чувствительных к ORL, обычно используются коннекторы с угловой полировкой (APC), чтобы уменьшить обратное отражение к источнику.
Обратное рассеяние Рэлея
Обратное рассеяние Рэлея — неотъемлемое свойство оптоволоконных сетей, которое вызывает рассеяние света. Обычно это вызвано дефектами и примесями, попавшими в сердечник волокна в процессе производства, или участками, находящимися под механическим напряжением, например микроизгибом. Часть рассеянного света, направленного обратно к источнику, регистрируется как ORL, в то время как большая часть рассеянного света будет потеряна. Обратное рассеяние Рэлея происходит по всей длине волокна. Величина обратного рассеяния зависит от типа волокна, уровня передаваемой оптической мощности и оптической длины волны. Расстояние передачи также влияет на уровень обратного рассеяния: чем длиннее оптоволоконная сеть, тем больше обратное рассеяние. Это свойство можно рассчитать, и это — важный параметр, который следует учитывать при настройке испытательного оборудования, такого как рефлектометр.
Измерения потерь с помощью оптической рефлектометрии во временной области
Краткий обзор
Оптическая рефлектометрия во временной области пространственно оценивает характеристики обратного отражения как в отдельных компонентах, так и по всей длине оптического волокна. Одним из основных приборов, использующих этот метод измерения, является оптический рефлектометр во временной области (OTDR). OTDR измеряет уровень обратного рассеяния самой волоконной среды и пиковый уровень отражения событий Френеля вдоль оптического канала. Уровень измерения обратного рассеяния зависит от коэффициента обратного рассеяния волокна — внутреннего фактора тестируемого волокна — и ширины импульса, используемой для измерения.
Как следует из названия, рефлектометр работает во временной области и измеряет уровень оптической мощности обратного рассеяния от самого волокна. Это позволяет измерять обратное отражение Френеля в любой точке тестируемого волокна без разъединения оптических межсоединений. Световой импульс вводится в оптическую линию, и на пути его прохождения будут происходить как обратное отражение, так и события Френеля. Уровень мощности света, отраженного обратно к источнику, измеряется относительно времени, которое требуется свету, чтобы вернуться к источнику. Таким образом, рефлектометр оценивает расстояние события от источника в соответствии с прошедшим временем в зависимости от скорости света. Благодаря этому OTDR является очень полезным инструментом для оценки расстояния до событий отражения в оптической сети, а также местоположения компонентов в сети, что позволяет тестировщику оценивать сеть перед вводом в эксплуатацию и обнаруживать неисправности для обслуживания.
Существует два типа рефлектометров: рефлектометр со счетом фотонов (PC-OTDR) и сетевой рефлектометр. Хотя оба типа OTDR используют одни и те же принципы для измерения ORL, PC-OTDR полагается на гораздо более короткую ширину оптического импульса, что обеспечивает гораздо более высокое пространственное разрешение и чувствительность к отражению. Однако он имеет уменьшенный динамический диапазон, что снижает максимальную полезную длину тестируемого участка сети. Из-за данных различий эти два типа рефлектометров применяются для разных целей: сетевые рефлектометры обычно являются портативными и используются для тестирования внешних сетях предприятия для ввода в эксплуатацию и устранения неполадок, в то время как рефлектометры со счетом фотонов обычно используются для квалификации и устранения неполадок отдельных компонентов, модулей или подсистем, в которых отражения часто расположены близко друг к другу.
Ограничения
Настройки коэффициента обратного рассеяния
Поскольку рефлектометры измеряют уровни мощности обратного отражения, коэффициент отражения данного элемента в тестируемом устройстве зависит от коэффициента обратного рассеяния волокна, ширины оптического импульса и измеренной амплитуды отражения по отношению к уровню обратного рассеяния. Неточная установка значения коэффициента обратного рассеяния может привести к ошибке измерения уровня отражения. Процент неопределенности измерения увеличивается с более низким значением отражательной способности.
Коэффициент обратного рассеяния обычно является одним из параметров, устанавливаемых при выполнении рефлектометрических измерений. В сети с оптоволоконным доступом, особенно в сети с устаревшими оптоволоконными кабелями, может использоваться комбинация различных стандартов оптоволокна — например, от старых G652.A до G657.A2, а также волокно от разных поставщиков, изготовленное с использованием различных методов, таких как метод плазмохимического осаждения из паровой фазы (PCVD) или модифицированный процесс химического осаждения из паровой фазы (MCVD). Параметры коэффициента обратного рассеяния рефлектометра нельзя отрегулировать в соответствии с различными характеристиками волокна в тестируемой сети.
Индекс преломления (IOR)
Индекс преломления — отношение скорости света в вакууме, где свет движется быстрее всего, к фазовой скорости света в среде. Свет в вакууме распространяется со скоростью примерно 3x108 м/с. IOR среды, такой как сердечник оптического волокна, рассчитывается путем деления скорости света в вакууме на скорость света в этой среде. По своему определению индекс преломления света в вакууме обозначается цифрой 1. Типичное одномодовое волокно оснащено сердечником, легированным диоксидом кремния, с индексом преломления ~1,447. Чем больше значение IOR среды, тем медленнее свет распространяется в этой среде.
Неточная настройка IOR в рефлектометре приведет к ошибке измерения расстояний в тестируемой сети. Если значение IOR слишком высокое, рефлектометр будет вычислять расстояние меньше, чем оно есть на самом деле. Если значение IOR слишком низкое, рефлектометр будет выдавать слишком большие значения для расстояния. Разница в настройке IOR, составляющая всего 0,01, может привести к разнице показаний в 70 м на отрезке оптоволокна длиной 10 км. В случае, если рефлектометр используется для обнаружения конкретной неисправности в сети, неправильная настройка IOR может привести к тому, что место неисправности, показанное в рефлектометре, будет далеко от фактического местоположения..
Мертвая зона
Мертвая зона — участок сети за пределами отражающего события, где невозможно измерить последующие характеристики сети. Существует два типа мертвых зон: мертвые зоны по затуханию (ADZ) и мертвые зоны по событию (EDZ).
ADZ — это расстояние от начала отражающего события до точки на его склоне, находящейся на уровне 0,5 дБ от уровня обратного рассеяния. Уровень обратного оптического рассеяния представляет собой наклонную линию, которая показывает затухание в волокне на расстоянии.
EDZ — минимальное расстояние, необходимое рефлектометру для обнаружения двух отдельных событий. Оно равно расстоянию от начала импульса до момента, когда произошел его спад на 1,5 дБ.
Величина мертвой зоны зависит от ширины импульса и уровня отражения неоднородности сети. Более короткая ширина импульса приведет к более короткой мертвой зоне, а разъем с высокими обратными потерями приведет к более длинному участку мертвой зоны. При тестировании сети дальней связи тестировщики используют большую ширину импульса, что увеличит длину мертвой зоны. Это может привести к тому, что несколько ближайших событий будут идентифицированы как одно объединенное событие (например, оба конца патч-корда).
Большинство производителей рефлектометров указывают мертвую зону рефлектометра для самой короткой ширины импульса и оптимального коэффициента отражения коннектора. Однако эти данные нельзя принимать за правило. Подходящая ширина импульса, используемая для измерения сети, обычно зависит от общей длины сети, в то время как отдельные компоненты в сети имеют переменную отражательную способность из-за качества изготовления и чистоты.
Спиральный фактор
Рефлектометры широко используются при тестировании и измерении оптоволоконных сетей за пределами зданий. Вне помещений оптические волокна прокладываются в кабелях особой конструкции. Наиболее распространенные типы таких кабелей — кабели со свободной трубкой и кабели с центральной трубкой. Оптическое волокно в этих кабелях уложено не по прямой линии, а по спирали вокруг центрального силового элемента способом знакопеременной (SZ) скрутки.
Когда свет от рефлектометра проходит по оптическому волокну, рефлектометры измеряют расстояние по оптическому волокну, а не по кабелю. В зависимости от коэффициента спиральности кабеля, который может варьироваться от 0,3% до 42%, и конструкции самого кабеля, длина волокна в 700 м кабеле может составлять 1000 м. Без точного измерения фактора спирали обнаружение повреждений с помощью рефлектометра может привести к значительным расхождениям. Большинство современных рефлектометров предлагают задать параметры спирали для настройки измерения расстояния.
Методы измерения
ODTR подключается к тестируемому волокну с помощью компенсационного шнура, который представляет собой стандартный патч-корд достаточной длины с подходящими разъемами на обоих концах. Это гарантирует, что первое событие в тестируемом устройстве может быть определено количественно. Если компенсационный шнур не используется, сильное отражение от внутреннего разъема рефлектометра маскирует фактическую отражательную способность и затухание тестируемого устройства.
В рефлектометр вводятся правильные параметры для измерения тестируемого устройства. Эти параметры включают IOR, обратное рассеяние, коэффициент спирали, ширину импульса, расстояние измерения и время сбора данных. Выше объяснялась важность точных настроек IOR, обратного рассеяния и фактора спирали. Среди прочих важных параметров можно выделить следующее:
- Ширина импульса: меньшая ширина импульса обеспечивает более высокое разрешение измерения, но работает на более коротком расстоянии, и наоборот.
- Расстояние измерения: должно быть установлено минимальным к фактическому расстоянию сети. Если задано слишком короткое значение, дальний конец сети может быть не протестирован. Если установлено слишком большое значение, разрешение тестируемой сети будет низким.
- Время сбора данных: тест с коротким промежутком времени сбора данных приведет к более высокому уровню шума. Однако более длительное период сбора данных потребует большего количества часов работы для целей тестирования.
Если параметры оптической сети неизвестны, большинство современных рефлектометров предлагают возможность автоматического обнаружения. Рефлектометр тестирует сеть, начиная с короткой ширины импульса и постепенно увеличивая ширину импульса до тех пор, пока не обнаружит конец волокна. Он автоматически регулирует ширину импульса и расстояние измерения для наилучшего соответствия условиям тестируемой линии.
Трассировка OTDR укажет на любые события, обнаруженные в тестируемой линии. Между результатом рефлектограммы и фактическими компонентами тестируемой линии могут быть расхождения. Это может быть связано с тем, что высококачественные коннекторы с низким коэффициентом отражения распознаются как сплайсы, а не соединители, или необнаруженные события, такие как сплайсы с низким коэффициентом затухания.
В системах PON (Passive optical network), где сплиттеры установлены в OSP, использование коротких импульсов (например, 5 нс) не даст читаемого результата после сплиттера из-за больших потерь. Например, сплиттер 1:16 вызовет затухание примерно на 14 дБ. Обычно это приводит к тому, что рефлектограмма OTDR падает ниже уровня шума OTDR. Однако использование большей длительности импульса, например, 275 нс, приведет к получению показаний с более низким разрешением для части сети перед сплиттером, что может привести к пропуску событий или объединению близко расположенных событий.
Один из возможных методов тестирования такой сети — использование короткого импульса (например, 5–10 нс) для определения местоположения всех событий до точки разветвителя (сплиттера), а затем выполнение второго теста с использованием импульса средней ширины (50–100 нс) для увеличения динамического диапазона и измерения потерь в разветвителе при сохранении хорошего разрешения. Третий тест выполняется с использованием импульса длительностью 275 нс или выше, чтобы проверить проход от разветвителя до конца сети. Если динамический диапазон недостаточен для обеспечения минимального уровня шума не менее 6 дБ, могут потребоваться дополнительные тесты. После завершения всех тестов, информация из нескольких рефлектограмм должна быть проанализирована и сведена в таблицу в виде отчета. Такое тестирование требует навыков и времени. Кроме того, испытания обычно проводятся с использованием волн длинной в 1310 нм и 1550 нм для обнаружения макроизгибов, что увеличивает время испытаний.
Измерения с помощью оптической рефлектометрии с непрерывным излучением
Краткий обзор
Оптический рефлектометр непрерывного излучения (OCWR) полагается на базовое измерение выходной мощности (при условии отсутствия тестируемой линии) в качестве базового эталона и сравнивает его с оптической мощностью, отраженной обратно к источнику. Обычно этот метод используется для измерения оптических возвратных отражений патч-кордов. Однако в случае с набором для тестирования оптических линий (OLTS) этот метод можно использовать для измерения общего ORL и затухания в сети.
Ограничения
Метод OCWR не может различать обратное рассеяние Рэлея и обратное отражение Френеля. Если патч-корд, проверенный с помощью измерителя обратного отражения, дает низкий результат ORL, есть вероятность, что коннектор неисправен, хотя, с другой стороны, и сам кабель может быть изготовлен с микроизгибами.
При использовании тестовых приборов, полагающихся на метод OCWR, тестируемая сеть или компонент должны быть изолированы от остальной части оптической сети, чтобы предотвратить любое обратное рассеяние или отражение от неоднородности. Это означает, что метод OCWR нельзя использовать в действующей сети.
Чтобы изолировать тестируемое устройство от нежелательных отражений, оптоволоконный кабель необходимо терминировать с дальнего от измерительного устройства конца. Двумя широко используемыми методами терминации являются мандрелевская катушка и гель, или терминатор с индексом преломления тестируемого волокна. У каждого из этих методов есть ограничения (ссылка на таблицу). Измерение выполняется дважды — для референсного шнура и для участка сети подключенного через референсный шнур. Разница между этими двумя измерениями будет значением уровня обратного отражения тестируемого устройства.
Многомодовое волокно не может быть эффективно терминировано с помощью мандрелевской катушки, так как обмотки приведут только к потерям на изгибе, но не блокируют паразитные обратные отражения полностью. В большинстве случаев использование геля или терминатора, соответствующего индексу преломления волокна, является единственным верным решением. Гель или терминатор с показателем преломления, равным IOR волокна, приводит к тому, что свет рассеивается из сердечника волокна, вместо обратного отражения Френеля. В то же время гели с согласованным индексом преломления не так эффективны, как мандрелевские катушки, и они никогда не смогут полностью предотвратить обратное отражение. Обычно требуется несколько измерений, при этом наибольший результат измерения обратных потерь принимается в качестве аппроксимации потенциального результата, если используется намотка на мандрелевскую катушку.
Метод измерения
Референсный патч-корд подключается к источнику света OCWR, а его конец наматывается на катушку для увеличения затухания и предотвращения обратного отражения Френеля от открытого конца разъема. Катушка располагается как можно ближе к концевому соединителю. Измеренные оптические возвратные потери устанавливаются в качестве эталонного уровня.
На втором этапе тестируемый отрезок линии подключается к референсному патч-корду. Затем она наматывается на мандрелевскую катушку как можно ближе к своему дальнему концу. Это уменьшает обратное рассеяние оптического волокна, которое может повлиять на измерение коэффициента отражения разъема. OCWR отображает ORL тестируемой линии относительно базового эталонного значения.
|
|
Референсный патч-корд, как правило, изготавливается в соответствии с очень строгими стандартами качества, чтобы обеспечить воспроизводимость результатов измерений независимо от типа испытательного оборудования, производителя, оператора или продолжительности испытаний. Интерфейс разъема основного патч-корда имеет почти идеальные характеристики по радиусу кривизны торца, смещению сердцевины и выступу или углублению волокна.
Надлежащее тестирование необходимо для обеспечения высоких показаний ORL в компонентах и сетях для поддержания высокого качества передачи сигнала.
Выводы
OTDR и OCWR — два наиболее часто используемых метода измерения ORL; у каждого из них есть свои преимущества и недостатки. OTDR чаще всего используется в сетях OSP, в то время как метод OCWR наиболее широко используется для ORL-аттестации патч-кордов и прочих компонентов.