Исследование оптических потерь при передаче сигнала по многомодовому оптоволокну

Руководитель подразделения Систем и Стандартов компании Belden, Пол Киш, рассказывает об особенностях исследования оптоволоконного кабеля на предмет оптических потерь

Тестирование оптических потерь в многомодовом оптоволоконном кабеле находится под влиянием множества факторов: расхождение волокон, тип и качество калибровочных шнуров, условия излучения света источником во время проведения теста.

В данном материале рассматривается влияние каждого из этих факторов на величину потерь в канале связи в ходе проведения тестов. Результаты контролируемого эксперимента показывают, что измерение оптических потерь с применением «источника света, переполняющего оптоволокно, и метода накрутки волокна на стержень (Mandrel Wrap) в качестве модового фильтра» сильно зависит от используемого тестового оборудования.

Тесты с использованием метода Encircled Flux (EF) демонстрируют хорошее согласование результатов для различных тестовых инструментов. Метод EF рекомендуется экспертами для точного измерения оптических потерь как в обычном многомодовом кабеле, так и в кабеле, нечувствительном к изгибам. Точное измерение потерь особенно важно для высокоскоростной передачи данных, где допустимы минимальные оптические потери. EF является стандартным методом тестирования для линий связи, построенных с применением технологий  Ethernet 40G и 100G.

Почему важно производить измерение оптических потерь

Использование точного метода измерения оптических потерь в многомодовом волокне является крайне важным для организации высокоскоростной передачи данных, которая накладывает более строгие ограничения на максимально допустимые потери в канале связи между передатчиком и приемником.

Чем выше скорость передачи данных, тем ниже допустимые потери в канале. Максимально допустимый уровень потерь для стандарта Ethernet 10Gb/s при передаче сигнала по многомодовому кабелю типа OM3 составляет 2,6Дб. Максимально допустимый уровень потерь для стандартов Ethernet 40Gb/s и Ethernet 100Gb/s составляет 1,9Дб при использовании кабеля типа OM3, и 1,5Дб при использовании кабеля типа OM4.

Что влияет на точность измерений?

Существует ряд факторов, влияющих на точность измерения оптических потерь:

  1. Тип и качество используемого в ходе тестирования калибровочного шнура.
  2. Несоответствие волокон между калибровочным шнуром и тестируемой линией связи.
  3. Характеристики источника света и способ подачи света в волокно.
  4. Используемый модовый фильтр.

1. Тип и качество используемого в ходе тестирования калибровочного шнура

Использование кабеля правильного типа и качества является критически важным условием для проведения точных измерений в полевых условиях. Торцевая геометрия полированного наконечника кабельного коннектора может существенно влиять на результаты тестирования и должна соответствовать точным параметрам радиуса кривизны, типа вершины и длины выступа кабеля. По этой причине, калибровочные шнуры должны соответствовать требованиям к геометрии торца, к примеру, тем, что указаны в стандартах Telcordia GR-326.

На оптические потери может также существенно влиять повреждение или грязь на поверхности кабельного коннектора. Перед проведением измерений необходимо протестировать коннектор с помощью фиброскопа, и очистить его от грязи в случае необходимости.

Как быть уверенным в том, что полученные результаты являются достоверными? Простым способом убедиться в правильности результатов является тестирование «заведомо исправного кабеля», который был протестирован в фабричных условиях. Большинство производителей кабеля указывают величину оптических потерь на упаковке. Изучите состояние коннекторов и очистите их от грязи. Подсоедините «заведомо исправный кабель» к вашему оборудованию так же, как вы подсоединяете тестируемую линию связи, и протестируйте его с использованием тех же калибровочных шнуров, что вы обычно используете в ходе проведения тестирования. Сравните полученный результат с величиной потерь, указанной на упаковке кабеля, протестированного в фабричных условиях. Если полученный результат отличается от указанного значения более чем на 0,1Дб, проблема в вашем тестовом стенде. Проблема может заключаться в используемом оборудовании, используемом методе тестирования или, что наиболее вероятно, в калибровочном кабеле.

2. Несоответствие волокон между калибровочным шнуром и тестируемой линией связи

Несоответствие волокон зависит от их внутренних характеристик и не зависит от способа соединения двух волокон. Внутренние потери сигнала могут быть вызваны следующими причинами:

  • Разница в диаметре сердечника
  • Нарушение концентричности сердечника/оболочки
  • Разные значения апертуры

Каковы спецификации для данных параметров? В Таблице 2 приведены спецификации размеров и оптических свойств для многомодового кабеля типа OM4.

Каковы внутренние потери, возникающие при соединении двух кабелей, соответствующих максимальному и минимальному предельному значению, указанному в спецификации TIA-492AAAD?

Потери в худшем случае могут быть довольно значительными в сравнении с допустимыми потерями для скорости передачи данных 10Гбит/с и выше. В чем же причина? Как правило, мы не наблюдаем таких высоких потерь в ходе тестирования кабеля в полевых условиях.

Результат объясняется двумя причинами: 1) большая часть производимых в настоящее время кабелей рассчитана на более низкую величину потерь, чем указано в спецификации, и 2) моды возбуждаются неравномерно, то есть, по модам более высокого порядка передается меньше мощности, чем по модам более низкого порядка, в зависимости от используемого модового фильтра.

3. Характеристики источника света и способ подачи света в волокно.

Условия излучения света и способ подачи света в волокно очень сильно влияют на измерение оптических потерь. Для многомодового волокна различное распределение излучаемой мощности (условия излучения света) дает различные результаты измерения затухания сигнала. Распределение мощности по модам контролируется за счет изменения размера светового пучка и углового распределения в оптической системе, через которую свет подается в волокно.

В градуированном ступенчатом волокне понижение индекса рефракции сердечника по мере приближения к оплетке приводит к тому, что моды высшего порядка движутся по кривой траектории, более длинной, чем осевой луч («режим нулевого порядка»). Поскольку моды высшего порядка перемещаются в стеклянном сердечнике по более длинной траектории, и так как вероятность поглощения или рассеивания для них более велика, для них характерна большая величина затухания, чем для мод низшего порядка. Поэтому в длинном, полностью заполненном волокне (все моды, запущенные в волокно, переносят одинаковую мощность) модами высшего порядка переносится меньший объем мощности, чем в коротком волокне. Термин «равновесное модовое распределение» (Equilibrium Modal Distribution, EMD) применяется для описания модового распределения в длинном кабеле, в котором произошла потеря мод высшего порядка. Разница в модовом распределении для короткого и длинного кабеля может существенно влиять на результат измерений.

Модовый фильтр отсекает высшие моды, но является лишь грубым приближением EMD.

4. Модовый фильтр

4.1 Модовый фильтр – накрутка на сердечник (Mandrel Wrap)

Излучающий шнур, накрученный на стержень, часто используется в качестве фильтра мод. Накрутка на стержень вызывает растяжение в волокне и увеличивает степень потерь для мод высшего порядка при запуске света в оптоволокно в ходе проведения теста.

Использование накрутки на стержень в качестве модового фильтра описано в приложении A.1.3.1.2 к стандарту TIA-455-78B. Измерение в дальней зоне производится для сравнения распределения мощности на выходе длинного тестируемого волокна (длина более 1км), с распределением на выходе короткого волокна с примененной накруткой на стержень. В ходе измерения используется равномерный источник света, переполняющий волокно. Диаметр сердечника выбирается из соображений создания распределения мощности в дальней зоне в коротком волокне, которое бы аппроксимировало распределение мощности в дальней зоне для длинного  волокна.

Метод накрутки на стержень часто используется для тестирования оптических потерь в оптоволокне в полевых условиях. Метод предписывает использование источника света 1 категории, переполняющего волокно, и калибровочного шнура, который накручивается на стержень. Спецификация для источника света 1 категории определяется на основании теста CPR (Coupled Power Ratio). Допустимые значения диаметра стержня для часто используемых типов мультимодового кабеля (накрутка на стержень в пять слоев) приведены в параграфе 6.4.2.1 стандарта ANSI/TIA-568-C.0.

Недостаток данного метода тестирования заключается в большом разбросе получаемых результатов. Разброс результатов возникает по причине 1) разницы в распределении источником света мощности по модам при использовании различного тестового оборудования, так как спецификация 1 категории является достаточно широкой**, и 2) различий в характеристиках многомодовых волокон, которые используются в качестве калибровочных шнуров, так как эффект от изгиба кабеля может различаться в зависимости от производителя.

 **Замечание: разница в 4Дб в значении CPR для источника света 1 категории соответствует 150% повышению мощности, передаваемой по модам  высшего порядка

4.2. Модовый фильтр – Encircled Flux (EF)

EF является новым методом контроля за распределением света, испускаемого калибровочным шнуром (TRC), в ходе проведения измерений оптических потерь. Верхняя и нижняя границы распределения мощности светового потока определяются, как функции от радиуса сердечника для каждой используемой длины волны в диапазоне от 850нм до 1300нм.

Данный метод был разработан экспертами в области оптических систем с целью снижения разброса результатов измерений оптических потерь, характерного для других методов, использующих источник света, переполняющий волокно, и модовые фильтры (например, накрутка на сердечник). EF также является методом тестирования, определенным в стандарте IEEE 802.3ba для технологий 40Gb/s Ethernet (40GBASE-SR4) и 100 Gb/s Ethernet (100GBASE-SR10).

TIA (Telecommunications Industry Association) принимает EF в качестве нового стандартного метода тестирования оптоволокна

Спецификации метода тестирования EF приведены в стандарте TIA-526-14-B, «Измерения потерь оптической мощности в многомодовом оптоволоконном кабеле», и дополнены в стандарте IEC 61280-1-4. В настоящее время TIA работает над приложением №2 к стандарту ANSI/TIA-568-C.0, которое будет описывать использование различных типов оптоволокна.

Согласно кабельным стандартам для многомодовых кабелей, измерения затухания сигнала должны производиться в соответствии с TIA-526-14-B. TIA-526-14-B требует, чтобы выходной конец излучающего шнура соответствовал особым условиям излучения света, определяемым шириной спектра и распределением мощности по модам. Данные условия излучения могут быть созданы либо производителем, либо за счет применения внешнего модового фильтра.

Сравнительные измерения оптических потерь для метода OFL/Mandrel Wrap (стандарт TIA-426-14-A, метод B) и метода EF (стандарт TIA-426-14-B, приложение A)

Для того, чтобы лучше понять причину разброса получаемых в ходе измерения результатов, мы разработали контролируемый эксперимент, в ходе которого мы поддерживали неизменными значения всех параметров, кроме условий излучения света. В первой серии тестов три различных линии связи PL a), PL b) и PL c), были протестированы с двумя типами калибровочных шнуров (с использованием обычного многомодового волокна) TRC1 и TRC2, накрученных на 22мм стержень, с использованием двух различных комплектов тестового оборудования OLTS№1 и OLTS№2.

Во второй серии тестов мы заменили калибровочные шнуры на шнуры, имеющие встроенный модуль EF, обозначенные EF1 и EF2, и использовали их вместо накрутки на стержень. Измерение оптических потерь производилось при различных условиях излучения света, описанных выше, для трех 20-метровых линий связи с двумя перемычками:

Линия связи a) с использованием обычного многомодового оптоволокна

Линия связи b) с использованием нечувствительного к изгибам многомодового оптоволокна от производителя A

Линия связи c) с использованием нечувствительного к изгибам многомодового оптоволокна от производителя B

Измеренные результаты

Первая серия тестов проводилась при одних и тех же условиях с применением источника света, переполняющего волокно, и накрутки на сердечник в качестве модового фильтра. В измеренном значении оптических потерь была отмечен разброс в 0,5Дб при использовании комплектов оборудования OLTS№1 OLTS№2 для всех линий связи вне зависимости от типа используемого волокна. В чем причина возникшего несоответствия?

Разницу в полученных результатах можно объяснить разницей в количестве света, излучаемого в многомодовое оптоволокно каждым из тестовых инструментов.

Теги:
#СКС

Оставить комментарий

Ваше имя:
E-mail:
(Не обязательно)
Текст комментария:
Введите код с картинки:  

Дополнительные материалы

Можно ли зимой включать кондиционер на обогрев

Вытяжка в стену: как подобрать и правильно сделать своими руками

3 способа сделать увлажнитель воздуха для квартиры и дома своими руками

Всё самое важное про турбодефлекторы: что такое, принцип работы, внешний вид, как подобрать

Вентиляция в квартире: самое полное руководство простым языком

Встраиваемая вытяжка на кухне: важные нюансы по устройству и подключению

Вытяжка в дачном туалете: как сделать правильно своими руками

Вентиляция гаража: как сделать правильно своими руками