Анализа и мерење преносних карактеристика оптичких каблова

Transcript

1 Анализа и мерење преносних карактеристика оптичких каблова Никола Ђорић Факултет техничких наука, Чачак Информационе технологије, 2014/2015 Проф.др Ристо Бојовић Апстракт - У раду су најпре дате основе оптичких комуникација, њихове предности и мане у односу на друге медијуме преноса. Осврнућемо се на типове WAN мрежа и дати приказ мреже која је коришћена у раду. Како се у оквиру оптичке мреже, која је коришћена као основа за овај рад, као начин преноса информација користи SDH уследиће краћи опис ове технике преноса по оптичким влакнима. Дата је структура оптичког влакна, као и принцип простирања светлости дуж влакна. Посебно су обрађени губици и слабљења у оптичким влакнима као и методе њиховог мерења. Затим ће бити представљене компоненте које сачињавају сваку оптичку мрежу са својим карактеристикама и физичким појавама које могу утицати на неометан пренос информација у оквиру оптичког система. У последњем поглављу су урађена тестирања у оптичкој мрежи, мерења траса ОТDR-om Асtегnа МТS 5100 е. Мерења су вршена на влакнима у ОРGW каблу на релацији РП Дрмно - ТС Београд 8, и у супротном смеру 1 УВОД Оптички системи са светловодима развијали су се веома брзо након појаве првих оптичких влакана са малим губицима године. Данас смо сведоци да оптички системи чине окосницу глобалне информационо/телекомуникационе инфраструктуре. Очекивања у овој области иду у сусрет даљем расту броја инсталација и конвергенцији ових мрежа ка "потпуно оптичким" мрежама у којима све компоненте система раде на оптичком нивоу. На путу до оваквих мрежа будућности, потребно је разрешити читав низ проблема од којих је свакако највећи направити потпуно оптички рачунар који је неопходан да би мрежа поседовала и интелигенцију какву данас имамо са електронским компонентама и изузетну брзину коју једино овакве мреже могу да обезбеде. 2 ОСНОВЕ ОПТИЧКИХ КОМУНИКАЦИЈА Оптичко зрачење је део електромагнетног спектра зрачења, смештен између X зрака и микроталаса, и обухвата у најширем смислу ултраљубичасто зрачење, видљиву светлост и инфрацрвено зрачење. Термин светлост" је у принципу везан само за видљиво зрачење, али се често користи и за блиску инфрацрвену област, у којој се одвијају оптичке комуникације. Опсег таласних дужина које се појављују у фибер-оптици је од 600 nm (црвена боја) до 1650 nm (крај L опсега за DWDМ). Таласна дужина (wavelenght) је мера боје светлости - различите боје имају различите таласне дужине (слика 1). Слика 1. Спектар електромагнетног зрачења 2.1 Оптички риртгми ппгнора Како бакарни проводници све теже испуњавају захтеве за великим информационим капацитетом, све више се користи реализација мреже помоћу оптичких влакана. За разлику од UTP, STP, FTP каблова где долази до преслушавања, оптички каблови показују имуност на електромагнетну индукцију ЕМI и интерференцију при високим учестаностима RFI (Radio Frequency Interference). Предности веза остварених помоћу оптичких влакана су, поред наведеног, веома велика брзина преноса података, премошћавање великог растојања без употребе репетитора, могућност повећања капацитета преноса и после уградње кабла, безбедност података, веома танки каблови, дуг век експлоатације, нема корозије и не исцрпљују се природни ресурси.

2 Како се сваки комуникациони систем у основи састоји од предајника, преносног медијума и пријемника, тако и оптичке комуникације карактерише: предајник, односно извор светлости чији се интензитет мења под утицајем сигнала који носи информацију, затим преносни медијум оптичко влакно, светловод, чија је основна улога да води светлост од предајника до пријемника са што мањим губицима, и на крају пријемник, односно фотоосетљиви елемент којим се светлосни сигнал претвара у електрични. У пракси, оптички пријемник на свом излазу даје логичку јединицу када је извор светлости у предајнику искључен, односно нулу, када је извор угашен. (слика 1.) Слика 2. Блок дијаграм оптичког комуникационог система Оптички предајници, извори оптичких сигнала, могу бити у форми ЛАСЕР-а или ЛЕД диода. ЛАСЕР (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) је уређај којим се светлост појачава стимулисаном емисијом и предстваља кохерентни извор светлости. За разлику од њега, светлећа диода представља некохерентан иозвор светлости. Да би ласер емитовао кохерентну светлост, неопходна је стимулисана емисија. Оптичко влакно је цилиндрична структура која се састоји из два концентрична слоја, унутрашњег, који се назива језгро (core), и спољашњег, који се назива омотач (cladding). Слика 3. Структура влакна 3 ДЕГРАДАЦИЈА СИГНАЛА У ОПТИЧКИМ СИСТЕМИМА ПРЕНОСА Постоје 2 основна механизма деградације сигнала у оптичким влакнима: 1. Слабљење Механизам слабљења одређује највеће могуће растојање које је могуће постићи без употребе репетитора и појачавача 2. Дисторзија сигнала путем дисперзије Дисперзија је феномен који доводи до раздвајања таласа у спектралне компоненте као последица зависности брзине таласа од таласне дужине Слабљење се најчешће изражава у db/km, при чему се сматра да су губици униформно распоређени дуж влакна. α(db/km) = 10/z log_10 (P(0))/(P(z)) На облик криве слабљења утичу разни фактори од којих су најизраженији: a) расејање b) губици услед савијања (радијациони губици) c) апсорпција 3.1 Дирпгпзија Дисперзија представља појаву ширења импулса при њиховом простирању кроз влакна, што изазива да: 1. Проширени импулс буде мањи по интензитету, па га је теже детектовати; ова појава је еквивалентна слабљењу и ограничава дужину преноса. 2. Два суседна почну да се међусобно преклапају и стапају се у један, и доводе до интерсимболске интерференције (ISI); ова појава лимитира информациони капацитет влакна.

3 Ово ширење импулса доводи до интерсимболске интерференције. Степен ширења импулса одређује информациони капацитет максимални дигитални проток, при чему се овај капацитет обично изражава производом ширине пропусног опсега и дужине. Разликујемо 3 основна типа дисперзије: Модална дисперзија која настаје услед различитих путања и брзина простирања појединих модова и карактеристична је за мултимудна влакна Хроматска дисперзија која настаје као последица зависности индекса преламања влакна од таласне дужине, карактеристична је и за мултимодна и за мономодна влакна; дели се на материјалну и светловодну дисперзију Поларизациона дисперзија која настаје као последица различите брзине простирања две поларизационе компоненте једног мода и карактеристична је за мономодна влакна 4 OTDR Принцип рада овог уређаја се заснива на мерењу интензитета рефлектоване светлости, односно повратног расејања до кога долази када оптички импулс који се простире кроз влакно наиђе на неку препреку (оштећење, конектор, сплајс, појачавач, прекид, крај влакна итд.). ОТDR приказује уназад расејани и рефлектовани сигнал, а пошто емитовани импулс два пута прелази растојање кроз влакно, уређај у ствари приказује половину примљене снаге која се рефлектовала дуж влакан, према половини измерене путање. OTDR шаље у оптичко влакно краткотрајне светлосне импулсе (ширина импулса од 1ns до 20 µs) великог интензитета, са фреквенцијом понављања која одговара дужини оптичког кабла. До расејања светлости, првенствено у свим правцима па самим тим и назад до уређаја, долази зато што на месту нечистоћа језгра варира и индекс преламања, па долази до преламања и одбијања светлосног зрака. Ради се о Rayleigh-eвом расејању па интензитет расејане светлости опада са четвртим степеном таласне дужине. Rayleigh-ево расејање зависи од таласне дужине коришћене светлости, поједине тачке где долази до локалног слабљења су неприметне при коришћењу таласне дужине од 1310 nm, док су веома уочљиве при коришћењу таласне дужине од 1550 nm. ОТDR мери рефлектоване снаге периодично послатих импулса и време протекло између послатих и примљених импулса, и на тај начин враћа информацију где је тачно на влакну дошло до рефлексије, па је могуће прецизно одредити физички положај догађаја на оптичком влакну. Најважнија примена мерења добијена овом методом су откривање и локализација оштећења и прекида оптичког влакна. ОТDR није могуће применити у нелинеарним срединама, односно на деоницама на којима су присутне репетиторске ласерске диоде 4.1 Компонгнтг OTDR-a Слика 4. Блок шема ОТДР уређаја На слици је приказана блок шема ОТДР уређаја. Извор светлосног зрака је полупроводнички ласер велике снаге који периодично шаље импулсе у језгро оптичког влакна, а његов зрак се усмерава системом сочива и полупропусним огледалом. Дакле, помоћу ОТДР-а могу да се врше следећа мерења на оптичким влакнима: Мерење слабљења, односно укупних губитака у оптичким влакнима у db/km на целој дужини трасе Мерење слабљења, односно губитака на местима конекторских и фузионих спојева оптичких влакана као и препознавање и локализовање тих места Одређивање дужине оптичког влакна Мерење величине рефлексија на местима догађаја дуж целе трасе (нпр. на конекторима) Идентификација и одређивање места великих савијања оптичког влакна, напуклина и прекида оптичког влакна, као и оштећених компонената Негативне стране ове методе су: Немогућност мерења спектра Немогућност контролисања расподеле модова

4 Слаб повратни сигнал, што захтева осетљивији пријемник Осетљивост на неуниформисаност оптичког влакна 5 ТЕСТИРАЊА У ОПТИЧКОЈ МРЕЖИ У циљу испитивања карактеристика физичког слоја регионалних мрежа, у овом поглављу су представљени резултати опсежних мерења, а затим и изведени одговарајући закључци. Преносне особине оптичког кабла зависе од преносних особина уграђених оптичких влакана и технологија каблирања. При мерењу карактеристика оптичког кабла, увек се долази до голог влакна, па су даље вршена испитивања особина оптичких влакана. Како бисмо извршили карактеризацију влакана користићемо оптоелектронски уређај ОТДР, који захтева приступ само на једном крају оптичке линије. Тестирано је колико и како се повећава слабљење на оптичким влакнима. А затим су тестиране особине оптичких влакана између дате деонице РП Дрмно ТС Београд Мгпгњг тпарг OTDR-ом Acterna MTS 5600 e За избор OTDR-а објективно битне карактеристике су: динамички опсег, тачност, резолуција, поновљивост мерења, могућност аутоматског мерења слабљења на споју, очитавање у реалном времену, таласна дужина коришћене светлости и начин њене измене, тежина и преносивост, једноставна руковања и могућност меморисања података, брзина усредњавања, робусност. OTDR који је коришћен за мерење траса и њихову анализу, у овом раду, је Асtеrnа МТS 5100е. Светлост се при проласку кроз језгро се расејава у свим правцима, а управо повратно расејање које користи ОТДР за прорачун опада са растојањем, и умањено је за ону количину светлости која се већ расејала у претходном делу влакна. У случају када светлост наиђе на површину између два медијума различитих индекса преламања, долази до Fresnel-ове рефлексије, светлост се враћа ка ОТДР-у и манифестује се на криви слабљења у виду пика. Уколико светлост пада на граничну површину између ваздуха (чији је индекс преламања n air ) и стакла (чији је индекс преламања n fiber ) рефлектована снага која се враћа ка ОТДР-у се може израчунати као: Што значи да се за влакна са већим идексом преламања, више снаге рефлектује назад ка ОТДР у. Сваки снимак почиње јаким импулсом, који је последица Fresnel-ове рефлексије у оптичком разделнику и на самом почетку линије. Иза тог импусла следи континуално опадајуће крива на којој се појављују одређени догађаји. Нагиб континуалне криве је последица Rayligh - евог расејања дуж влакна и директна је мера слабљења влакна у db/km. Догађаји се лоцирају и мере по ЕИА/ТИА Рефлексија коју уносе конектори може имати вредност до 15%, зависно од начина сечења влакана који се спајају, ваздушног процепа између њих и начина чишћења влакана. Такође, различите врсте конектора другачије утичу на криву слабљења коју добијамо као резултат мерења ОТДР-ом, а вредности слабљења које уносе се крећу од -70 до -35 db. Фузиони сплајс представља перманентни спој два влакна зато што се влакна спајају загревањем. При томе се може јавити мало слабљење од 0.03 до 0.2 db, или уколико су влакна различитих карактеристика (неједнаки пречници језгра влакна), може чак доћи и до малог појачања рефлектоване светлости од 0.03 до 0.07 db. механички сплајс је израженији на криви слабљења јер уноси веће слабљење, зато што се повезивање влакана не врши загревањем већ спајањем унутар кућишта, у коме се ваздушни процеп између влакан попуњава специјалним гелом идентичног индекса преламања као и сама влакна. Губици услед савијања расту са повећањем таласне дужине светлости. Тако да ће се на пример, због савијања јавити три пута већи губици на таласној дужини од 1550 nm у односу на 1310 nm, док ће пораст губитака на 1625 nm бити чак 9 пута већи. Слика 5. Карактеристике микросавијања Да би као резултат мерења могли да се прикажу међусобно веома блиски догађаји на оптичкој траси, ОТДР мора да има јако добру резолуцију. Уколико су мерни импулси ужи, утолико је резолуција боља. Међутим, проблем настаје на крају оптичког влакна јер због великог слабљења мерење мора да се врши помоћу ширих

5 импулса. Импусли могу различитих ширина, од кратких импулса од 10 ns до 50 ns (1m до 5m) који имају најмању енергију и домет а највећу резолуцију, преко средњих од 100 ns до 1 µs (10m до 100m), па до дугачких импусла чија је ширина између 4 µs о 20 µs (400m до 2 km), има навећи домет и најмању резолуцију. 5.2 Мгпгњг тпарг с оптичком ппозопс ра двг пазличитг шипинг импслра У овом прилогу су дата мерења, траса са резултатима, на влакну у ОРGW каблу на релацији РП Дрмно - ТС Београд 8. Одабран је трећи оптички прозор (1550 пт) за рад. Коришћене су две вредности за ширину импулса 1 μs и 300 ns. Растојање између ове две локације је око 90 кm па је одабран Rangе од 140 кm. Резолуција је у оба случаја иста и износи 2,5 m, као и време рада од 1 минута. Индекс преламања влакна је 1,465000, коефицијент повратне рефлексије је- 81,00 dв. Праг за спојеве је подешен на > 0,05 dв, а остала подешавања параметара су стандардна. На траси vlakna42 се могу уочити следеће тачке : Курсор А је поставгвен на почетак оптичког влакна где је скок слабљења због Френелове рефлексије која је последица нагле промене индекса преламања на конекторском споју мерног гајтана (печкорда) и испитиваног оптичког влакна. Тачке m и m показују тзв. "појачање" или позитивно слабљење што је последица различитих коефицијената повратне рефлексије за два влакна у споју, па у оваквим случајевима треба испитати трасу и са другог краја и узети средњу вредност. На крају влакна се јавља Френелова рефлексија са вредношћу од -22,89 dв. Траса је скоро идеално "препеглана" тј. изравнана за дато време усредњавања. Траса vakna41 је веома лоше изравнана, због недовољне ширине импулса, за трасу са толиком дужином и слабљењем, па се ова траса не може користити за анализу у пракси. 5.3 Ргтлгкрија на кпајс влакна У овом прилогу испитивања влакна, имамо појаву Френелове рефлексије, на влакну у ОРGW каблу на релацији РП Дрмно - ТС Београд 8. Одабран је трећи оптички прозор (1550 нм) за рад. Коришћена вредност за ширину импулса је 1. Растојање између ове две локације је око 90кm па је одабран Rangeе од 140 кm. Резолуција износи 2,5 m, а време рада 1 минут. Индекс преламања влакна је 1,465000, коефицијент повратне рефлексије је - 81,00 dв. Праг за спојеве је подешен на > 0,05 dв, а остала подешавања параметара су стандардна. На крају влакна се јавља Френелова рефлексија на граничној површини стакло-ваздух услед нагле промене индекса преламања, рефлексија износи -22,89 db, а иза овог пика је ниво шума. Слика 6. Траса 2. Френелове рефлексије на крају влакна 5.4 Кпај влакна бгз тпгнгловг пгтлгкријг На истој релацији као у претходном примеру, само у супротном смеру ТС Београд 8 РП Дрмно, коришћена подешавања мерења су као у претходном случају. Након мерења приказана је укупна траса vlakn5 као и део траса на крају влакна који је увеличан (трасаз). Значајне тачке су сличних карактристика као у претходном мерењу, осим на крају влакна. Приказ краја кабла је атипичан јер нема Френелове рефлексије. Ово указује да је прекид оптичког влакна под углом мањим од 90 степени, па се сигнал расипа кроз влакно. Видимо да на растојањима- тачкама где је у супротном смеру дошло до појаве привидног појачања сада нема ни "појачања" нити значајних слабљења. Слика7. Траса 3. Крај влакна без Френелове рефлексије

6 6 ZAKLJUČAK У студијском истраживачком раду смо покушали да на примеру једне оптичке мреже покажемо резултате мерења реалних компоненти које се користе у оптичким системима и упоредимо их са теоријским разматрањима. Оптичка мрежа која тренутно постоји на локацијама коришћеним у раду је SТМ-1. Дакле, испитивана оптичка влакна тренутно обезбеђују пренос до 155 Мb/s. Оптички рефлектометар у временском домену је основни мерни инструмент свима који се баве производњом и постављањем оптичких влакана, као и онима који се баве одржавањем оптичких линија. Најважнија примена мерења ОТDR-ом су откривање и локализација оштећења и прекида оптичког влакна. Тачност приказаног растојања суштински зависи од тачности индекса преламања којим је окарактерисано дато влакно. Због тога се тај тзв. ефективни групни индекс влакна оптичке линије која се мери мора знати унапред и унети као параметар у ОТDR. Мерење растојања се не може извршити са великом тачношћу ако су делови трасе начињени од различитих влакана. Дужина оптичких влакана је нешто већа од дужине самог кабла па се тачна локација дефеката не може извршити без обзира на прецизност ОТDR-а. На примеру мерења карактеристика оптичких влакана можемо уочити значај правилног подешавања параметара приликом аквизиције мерних тачака. Увек се мора направити најбољи компромис између тачности и снаге сигнала да би резултати мерења што верније осликавали стање на траси. Такође можемо приметити разлику у слабљењу влакана на различитим таласним дужинама (теоријски минимум на 1550nm се јасно показује на свим мерењима) као и чињеницу да се најмањи број догађаја на влакну уочава при коришћењу таласне дужине од 1310nm (што је директна последица начина рада OTDR-а који са мерења користи Rayleighево расејање). Последњих година приметан је тренд мултифункционалних уређаја. Честа је појава модуларних mainframe-ова за које се могу искомбиновати различити прикључни модули. Такав уређај је и ОТDR Асternа МТS 5100 који је коришћен за мерења и анализе траса оптичких влакана у овом раду. LITERATURA [1] "Оптички комуникациони системи" - Напредне комуникационе технологије, Центар за телекомуникације, Факултет техничких наука Нови Сад Октобар 2002 [2] "Увод у оптичке комуникације" др Милош Томић [3] "Асtеrnа МТSе 5000 Series" - user Мапиаl, Асternа 2002 [4] "Телекомуникациони каблови" - конструкције, експлоатација, одржавање; Светислав Ристић, Предраг Ристић, мр Лепосава Ристић [5] R. Ramaswami, K. N. Sivarajan, G. H. Sasaki, "Optical Netwоrks", Third Edition, Morgan Kaufmann, Elsevier, USA, [6] V. Aćimović - Raspopović, S. Lazović, "Telekomunikacioni sistemi - optički sistemi prenosa", Saobraćajni fakultet, Univerzitet u Beogradu, [7] Dejan Gvozdić, Uvod u optičke telekomunikacije, Elektrotehnički fakultet, Univerziteta u Beogradu, pristupljeno [8] Jovan Radunović, Petar Matavulj, "Tehnološki izazov u optičkim telekomunikacijama", Elektrotehnički fakultet, Univerziteta u Beogradu, 2003, pristupljeno [9] Xiaohua Ma, Optical Switching tehnology comparasion, optical MEMS vs. other technologies, IEEE Communication Magazine, [10] Tatjana A. Djakov, Ivanka G. Popović, Ljubinka V. Rajaković, Mikro-elektro-mehanički sistemi (MEMS) Tehnologija za 21. vek, , Tehnološko metalurški fakultet, Univerzitet u Beogradu, 2014, pristupljeno [11] W. A. Crossland, I. G. Manolis, M. M. Redmond, K. L. Tan, T. D. Wilkinson, M. J. Holmes, T. R. Parker, H. H. Chu, J. Croucher, V. A. Handerek, S. T. Warr, B. Robertson, I. G. Bonas, R. Franklin, C. Stace, H. J. White, R. A. Woolley, and G. Henshall, Holographic Optical Switching, Journal of Lightwave Technology [12] M Bass ed., OSA Handbook of Optics V.4 Fiber Optics and Nonliner Optics (McGraw Hill, New York, 2001) [13] D.Gvozdić, Trendovi razvoja optičkih telekomunikacionih sistema, Telekomunikacije, broj 2, januar [14] Jeff Hecht. fourth - 4th ed, Understanding Fiber Optics (Prentice Hall, UK, 2002)