Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ: ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΘΕΩΡΗΤΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΤΕΧΝΙΑΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Β Διπλωματική Εργασία του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΓΑΛΑΝΑΚΗ ΜΑΝΟΥΣΟΥ του ΣΤΕΛΛΙΟΥ Α.Μ.5934 Θέμα Χρήση OTDR & ενίσχυση Raman σε μητροπολιτικές ζεύξεις μονότροπων οπτικών ινών Επιβλέπων ΑΝΑΠΛ. ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Ι. ΡΟΥΔΑΣ Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2009

ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ Πιστοποιείται ότι η Διπλωματική Εργασία με θέμα Χρήση OTDR & ενίσχυση Raman σε μητροπολιτικές ζεύξεις μονότροπων οπτικών ινών Του φοιτητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών ΓΑΛΑΝΑΚΗ ΜΑΝΟΥΣΟΥ του ΣΤΕΛΛΙΟΥ Α.Μ.5934 Παρουσιάστηκε δημόσια και εξετάστηκε στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών στις 12/10/2009 Ο Επιβλέπων Ο Διευθυντής του Τομέα Αναπληρωτής Καθηγητής Κ.Ρούδας Ιωάννης Καθηγητής κ.φακωτάκης Νικόλαος 2

Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: Χρήση OTDR & ενίσχυση Raman σε μητροπολιτικές ζεύξεις μονότροπων οπτικών ινών Φοιτητής: ΓΑΛΑΝΑΚΗΣ ΜΑΝΟΥΣΟΣ Επιβλέπων: κ.ρουδασ ΙΩΑΝΝΗΣ Περίληψη Η χρήση των οπτικών ινών στην κατασκευή μητροπολιτικών δικτύων είναι βασικός παράγοντας για την ποιότητα των υπηρεσιών που προσφέρονται στους τελικούς χρήστες, αφού οι οπτικές ίνες είναι η μόνη μακροπρόθεσμη λύση που μπορεί να παρέχει το απαιτούμενο εύρος ζώνης για πολυμεσικές και αλληλεπιδραστικές εφαρμογές σε παγκόσμιο και διεθνές επίπεδο. Η διπλωματική εργασία αυτή απευθύνεται σε άτομα που κατέχουν βασικές γνώσεις πάνω στην τεχνολογία επικοινωνιών και θέλουν να πληροφορηθούν περαιτέρω πάνω σε ζητήματα οπτικής ενίσχυσης σήματος και χρήσης νέων τεχνολογικών μέσων για τον χαρακτηρισμό και την πιστοποίηση long-haul ζεύξεων SMF οπτικών ινών. Στην διπλωματική αυτή αναλύονται θέματα όπως τα είδη εξασθένησης που συναντούμε στις μονότροπες οπτικές ίνες, η χρησιμότητα και η λειτουργικότητα της συσκευής OTDR (Optical time-domain reflectometer) στον χαρακτηρισμό δικτύων οπτικών ινών μεγάλου μήκους, όπως και η δυνατότητα οπτικής ενίσχυσης Raman, μιας μεθόδου με πολλά συγκριτικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις παρούσες τεχνολογίες ενίσχυσης οπτικού σήματος με ενισχυτές ίνας ερβίου. 3

4

Πρόλογος Η παρούσα διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο εργαστήριο Θεωρητικής Ηλεκτροτεχνίας και Παραγωγής Β του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών, όπως και στο εργαστήριο Οπτικών Τηλεπικοινωνιών του τμήματος Μηχανικών Ηλεκτρονικών Υπολογιστών του Πανεπιστημίου Πατρών. Πέραν της προσωπικής προσπάθειας που κατεβλήθη καθ όλη τη διάρκεια της ακόλουθης μελέτης, βασικό ρόλο στην διαμόρφωση της τελικής μορφής έπαιξαν διάφοροι συνεργάτες, οι οποίοι με την προσφορά τους διευκόλυναν σημαντικά το έργο μου. Αναγνωρίζοντας την πολύτιμη συμβολή του για τη διεκπεραίωση αυτής της εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή μου κ. Ιωάννη Ρούδα για την υποστήριξη, τη συμπαράσταση, το χρόνο και την προσωπική γνώση που μου προσέφερε για την κατανόηση του αντικειμένου της διπλωματικής εργασίας και το ευχάριστο κλίμα συνεργασίας κάτω από το οποίο αυτή πραγματοποιήθηκε. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ. Βλάχο Κυριάκο για την ηθική του συμπαράσταση, αλλά και αναγνωρίζοντας την προσφορά του πέρα από τα πλαίσια της εργασίας αυτής, για το ενδιαφέρον και το ζήλο που επέδειξε για την περάτωση της διπλωματικής αυτής εργασίας. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους μεταπτυχιακούς φοιτητές Μαντζούκη Νικόλαο και Καρίνου Φωτεινή τόσο για την υποστήριξη σε ψυχολογικό και εργαστηριακό επίπεδο όσο και για τις συμβουλές που μου προσέφεραν στην αντιμετώπιση τυχόν δυσκολιών. 5

6

Περιεχόμενα ΕΙΣΑΓΩΓΗ...10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1..13 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΤΙΣ ΜΟΝΟΤΡΟΠΕΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ.. 13 1.1 Εισαγωγή...13 1.2 Είδη απωλειών στις μονότροπες οπτικές ίνες...16 1.2.1 Συντελεστής εξασθένισης....16 1.2.2 Απορρόφηση Υλικού....16 1.2.3 Σκέδαση Rayleigh.. 17 1.2.4 Ατέλειες του κυματοδηγού.. 19 1.3 Μη-γραμμικά φαινόμενα....19 1.3.1 Διεγειρόμενη Σκέδαση Φωτός...19 1.3.2 Μη-Γραμμική Διάθλαση...20 1.3.3 Μείξη Τεσσάρων Κυμάτων (FWM)....20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2......21 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ OTDR...21 2.1 Απώλειες σε μια οπτική ζεύξη.21 2.1.1 Απώλειες οπτικών ινών.21 2.1.2 Απώλειες στις κολλήσεις 22 2.2 Λειτουργία OTDR (Optical time-domain reflectometer)....31 2.3 Χρήση OTDR για τον χαρακτηρισμό οπτικών διατάξεων 34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3...44 ΟΠΤΙΚΗ ΕΝΙΣΧΥΣΗ RAMAN..44 3.1 Εισαγωγή..44 3.2 Πλεονεκτήματα της ενίσχυσης Raman.48 3.2.1 Βελτιωμένος δείκτης θορύβου...48 3.2.2 Βελτίωση της ομοιομορφίας του κέρδους...50 3.3 Μειονεκτήματα στην ενίσχυση Raman..53 3.3.1 Συμβολή πολυόδευσης 53 3.3.2 Μεταφορά θορύβου άντλησης στο σήμα..55 3.3.3 Απόκλιση δείκτη θορύβου 57 3.4 Προχωρημένα θέματα στην ενίσχυση Raman.57 3.4.1 Άντληση κατά την ορθή και κατά την αντίθετη φορά...58 3.4.2 Άντληση μεγαλύτερης τάξης 59 3.4.3 Αντλίες διαμορφωμένες κατά συχνότητα.60 3.4.4 Αντλίες με φασματικό πλάτος ευρείας ζώνης.61 3.5 Πηγές άντλησης 62 3.5.1 Lasers διόδου..62 3.5.2 Raman lasers ίνας..63 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4.....65 ΘΕΩΡΙΑ ΕΝΙΣΧΥΤΩΝ RAMAN. 65 4.1 Εισαγωγή 65 4.2 Εξισώσεις άντλησης και σήματος 66 4.2.1 Φάσμα απολαβής Raman...68 4.2.2 Ενίσχυση Raman με χρήση μιας αντλίας...72 4.2.3 Ενίσχυση Raman με χρήση πολλών αντλιών...83 4.3 Παράγοντες περιορισμού της απόδοσης 87 7

4.3.1 Αυθόρμητη σκέδαση Raman.. 87 4.3.2 Σκέδαση Rayleigh κατά την αντίθετη φορά εκπομπής...95 4.3.3 Μεταφορά θορύβου άντλησης.... 100 4.4 Επίδραση της διασποράς τρόπων πόλωσης..103 4.4.1 Διανυσματική θεωρία της ενίσχυσης Raman...104 4.4.2 Μέση απολαβή Raman και διακυμάνσεις σήματος 107 4.4.3 Κατανομή πιθανότητας του ενισχυμένου σήματος 112 4.4.4 Κέρδος εξαρτώμενο από την πόλωση..114 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5.....119 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΕΝΙΧΥΤΙΚΗ ΔΙΑΤΑΞΗ RAMAN.. 119 Αναφορές....127 8

9

Εισαγωγή Το πρώτο οπτικό σύστημα τηλεπικοινωνιών εμφανίστηκε στο προσκήνιο παράλληλα με τις οπτικές ίνες χαμηλών απωλειών. Παρόλο που η πολυπλοκότητα των συστημάτων αυτών έχει αυξηθεί, τα βασικά στοιχεία παραμένουν ίδια. Αποτελούνται από έναν οπτικό πομπό, ένα μέσον διαμόρφωσης της πηγής, το μέσον μετάδοσης (π.χ. οπτική ίνα) και έναν οπτικό δέκτη στο πέρας της οπτικής ίνας. Οι απώλειες της ίνας είναι βασικός περιοριστικός παράγοντας, αφού μειώνουν τη μέση ισχύ που φτάνει στο δέκτη. Από τη στιγμή που οι οπτικοί δέκτες χρειάζονται μια συγκεκριμένη ελάχιστη ποσότητα ισχύος για να ανακτήσουν ορθά το σήμα, η απόσταση μετάδοσης περιορίζεται εγγενώς από την απώλεια της οπτικής ίνας. Με τη χρήση της συσκευής OTDR μπορούμε βάσει του φαινομένου της ανάκλασης του φωτός να υπολογίσουμε με μεγάλη ακρίβεια την απόσταση μετάδοσης του οπτικού σήματος και να μελετήσουμε την αποτελεσματικότητα κάθε οπτικού δικτύου χαρακτηρίζοντας την οπτική ζεύξη. Με την έννοια «χαρακτηρισμός» εννοούμε, βεβαίως, τον προσδιορισμό των συνολικών απωλειών της ζεύξης λόγω της οπτικής ίνας και των διαφόρων οπτικών εξαρτημάτων πάνω σε αυτή, την ακριβή θέση που έχουν λάβει μέρος γεγονότα όπως κολλήσεις, συνδέσεις με connectors, τοποθέτηση lasers άντλησης σε ενισχυτικές διατάξεις, αλλά και την αναγνώριση του είδους των οπτικών ινών της ζεύξης μεγάλου μήκους (εδώ ενδιαφερόμαστε μόνο για της μονότροπες οπτικές ίνες) μέσω της χαρτογράφησης του διαύλου. Στις αρχές των οπτικών συστημάτων οι απώλειες της ίνας αντισταθμίζονταν με τη χρήση ηλεκτρικών αναγεννητών. Όπως μαρτυρά και το όνομά τους, οι συσκευές αυτές ανίχνευαν το σήμα, το μετέτρεπαν σε ηλεκτρικό σήμα και χρησιμοποιούσαν ένα καινούριο laser που εξέπεμπε τη νέα μορφή του σήματος. Οι ηλεκτρικοί αναγεννητές ήταν ακριβοί και ακόμη περιόριζαν το ρυθμό με τον οποίο θα μπορούσαν να μεταδοθούν τα δεδομένα μιας και έπρεπε να προστεθεί η πολύ πιο αργή ηλεκτρική διεργασία στο χρόνο του συστήματος. Με σκοπό την εξάλειψη των περιορισμών που έθεταν οι ηλεκτρικοί αναγεννητές προτιμήθηκε η οπτική ενίσχυση των σημάτων. Εμφανίστηκαν λοιπόν 2 ανταγωνιστικές τεχνολογίες: οι ενισχυτές EDFA και οι ενισχυτές Raman. Στα πρώτα συστήματα οι ενισχυτές ινών με προσμίξεις ερβίου φαίνονταν ως η πιο επωφελής λύση. Και αυτό γιατί η οπτική ισχύς άντλησης που απαιτούνταν για την ενίσχυση Raman ήταν σημαντικά πιο υψηλή από αυτή στους EDFAs και η τεχνολογία lasers άντλησης δεν μπορούσε να προσφέρει με αξιοπιστία αυτά τα ποσά ισχύος. Ωστόσο, με την βελτίωση της τεχνολογίας των lasers άντλησης η ενίσχυση Raman αποτελεί σήμερα έναν σημαντικό παράγοντα αύξησης του μήκους και της χωρητικότητας των ζεύξεων. 10

Παρατηρήθηκε επίσης ότι πολλά lasers άντλησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διαφορετικά μήκη κύματος ταυτόχρονα και να παρέχουν ενίσχυση Raman σε ένα μεγάλο εύρος ζώνης που θα περιλαμβάνει τόσο την C όσο και την L μπάντα εκπομπής. Με την ολοένα αυξανόμενη εμπορική χρήση των ημιαγωγικών lasers υψηλής ισχύος κοντά στα τέλη του 20 ου αιώνα, οι ενισχυτές Raman χρησιμοποιήθηκαν σε πλήθος επαναστατικών πειραμάτων για να αποδειχθεί ότι πράγματι βελτιώνουν την απόδοση των συστημάτων πολυπλεξίας με διαίρεση μήκους κύματος (WDM). Έως το 2003, η χρήση της ενίσχυσης Raman επικράτησε σε συστήματα που έπρεπε να λειτουργούν σε αποστάσεις χιλιάδων χιλιομέτρων. 11

12

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΑΠΩΛΕΙΕΣ ΣΤΙΣ ΜΟΝΟΤΡΟΠΕΣ ΟΠΤΙΚΕΣ ΙΝΕΣ 1.1 Εισαγωγή Οι οπτικές ίνες μπορούν να κυματοδηγούν το φως εκμεταλλευόμενες την αρχή της ολικής εσωτερικής ανάκλασης. Έστω μια επαφή 2 διηλεκτρικών μέσων στην οποία ο δείκτης διάθλασης του «ενεργού» μέσου είναι μεγαλύτερος από τον δείκτη διάθλασης του μέσου στο οποίο ανακλάται το φως. Καθώς μεγαλώνει η γωνία θi, η θc φτάνει σε μια τιμή όπου όλη η εισερχόμενη ισχύς υφίσταται ολική ανάκλαση (Εικ 1.1). Στην πράξη, το περίβλημα της ίνας είναι συνήθως κατασκευασμένο από διοξείδιο του πυριτίου. Η επιλογή του τύπου αυτού γυαλιού ικανοποιεί πολλά από τα κριτήρια για την κατασκευή οπτικών ινών. Έχει χαμηλές οπτικές απώλειες και ο δείκτης διάθλασής του μπορεί να καθοριστεί επακριβώς στην ακτινική κατεύθυνση με ελάχιστες διακυμάνσεις στη διαμήκη κατεύθυνση. Επιπλέον είναι χημικά ευσταθές και έχει μεγάλη μηχανική αντοχή. Ο πυρήνας της ίνας κατασκευάζεται συνήθως με την προσθήκη διάφορων στοιχείων όπως γερμάνιο, φώσφορο και αλουμίνιο, τα οποία αυξάνουν την τιμή του δείκτη διάθλασης. Τελικά, ένα πολυμερές περίβλημα τοποθετείται πάνω από το διοξείδιο του πυριτίου ώστε να παρέχει μηχανική προστασία. Ο δείκτης διάθλασης του πολυμερούς είναι μεγαλύτερος από αυτόν του περιβλήματος έτσι ώστε να αποφεύγεται η κυματοδήγηση μέσα στο περίβλημα [16].. Συνήθως οι μονότροπες ίνες χρησιμοποιούνται σε ζεύξεις επικοινωνιών μεγάλων αποστάσεων. Για μια συνηθισμένη μονότροπη ίνα η διασπορά εμφανίζεται στα 1310 nm και η μικρότερη εξασθένηση στα 1550 nm. Αν συνδυαστούν οι παράμετροι τιμή αποκοπής και διάμετρος πεδίου ρυθμού μετάδοσης μπορούμε να έχουμε ένα παράγοντα που χαρακτηρίζει την ευαισθησία της ίνας όταν λυγίζει. Υψηλή τιμή αποκοπής και μικρή διάμετρος πεδίου ρυθμού μετάδοσης μας δίνουν μια ίνα αρκετά ανθεκτική στο λύγισμα. Η Εικ.1.1 μας δείχνει τη διαδρομή του φωτός μέσα σε μια συνηθισμένη μονότροπη ίνα και το προφίλ δείκτη διάθλασής της [1]. 13

Εικ 1.1: Σχηματική αναπαράσταση εγκάρσιας τομής οπτικής ίνας κατά την ολική εσωτερική ανάκλαση. Οι γωνίες θi, θr και θt είναι αντίστοιχα οι γωνίες πρόσπτωσης, ανάκλασης και διάδοσης. Η γωνία θc αποτελεί την κρίσιμη γωνία [14]. Τυπικές παράμετροι μιας μονότροπης ίνας είναι οι παρακάτω : Διάμετρος μανδύα 125 nm Δείκτης διάθλασης πυρήνα 1.4485 Δείκτης διάθλασης μανδύα 1.4440 Διαφοροποίηση δείκτη διάθλασης 0.003 = 0.3 % Μια ίνα με τις παραπάνω παραμέτρους παρουσιάζει αριθμητικό άνοιγμα ΝΑ = 0.11, το οποίο δίνει γωνία αποδοχής β = 6 ο. Δεν είναι μόνο η διάμετρος του πυρήνα μιας μονότροπης ίνας που είναι μικρότερη από εκείνη της πολύτροπης. Το αριθμητικό άνοιγμα όπως και η γωνία αποδοχής είναι αρκετά μικρότερα σε μια μονότροπη ίνα. Οι προηγούμενοι τρεις παράγοντες δυσκολεύουν αρκετά την εισαγωγή φωτός μέσα στη μονότροπη ίνα. Το μήκος κύματος αποκοπής για την ίνα του προηγούμενου παραδείγματος μπορεί να υπολογιστεί από τον παρακάτω τύπο : 14

Ο προηγούμενος υπολογισμός παρουσιάζει την τιμή αποκοπής της ίνας. Ίνες που αποτελούν καλώδια οπτικών ινών θα έχουν χαμηλότερο μήκος κύματος αποκοπής, την τιμή αποκοπής του καλωδίου. Εικ.1.2: Διαδρομή ενέργειας μέσα σε μια ιδανική μονότροπη ίνα Η Εικ.1.3 παρουσιάζει το προφίλ δείκτη για μια συνηθισμένη μονότροπη ίνα (μπλε) τύπου βηματικού δείκτη με διαφορά δn των δεικτών διάθλασης πυρήνα και μανδύα. Η διασπορά κυματοδηγού και υλικού αλληλοαναιρούνται για μήκη κύματος λίγο μετά τα 1300 nm, έτσι ώστε η ολική (χρωματική) διασπορά να είναι μηδενική. Εικ.1.3: Η χρωματική διασπορά σε μια συνηθισμένη μονότροπη ίνα για μήκη κύματος από 1150 μέχρι 1600 nm 15

1.2 Είδη απωλειών στις μονότροπες οπτικές ίνες Θα παρουσιάσουμε συνοπτικά τους διάφορους μηχανισμούς απωλειών στις μονότροπες οπτικές ίνες, ώστε να έχουμε μια καθαρή εικόνα για τον τρόπο που θα μπορέσουμε να τις αντισταθμίσουμε, αφού πρώτα προβούμε σε κατάλληλους υπολογισμούς της συνολικής τιμής τους, με τη βοήθεια οπτικής ενίσχυσης. 1.2.1 Συντελεστής εξασθένισης Γενικά μπορούμε να θεωρήσουμε ότι η εξασθένιση της ισχύος στο εσωτερικό μιας οπτικής ίνας περιγράφεται από τη σχέση: dp / dz = αp (1.2.1), όπου α είναι ο συντελεστής εξασθένισης και P η οπτική ισχύς. Το σύμβολο α στην παραπάνω εξίσωση συμπεριλαμβάνει όχι μόνο την απορρόφηση από το υλικό της ίνας αλλά και άλλες πηγές εξασθένισης της ισχύος. Δεδομένου ότι P είναι η ισχύς εισόδου σε μια οπτική ίνα μήκους L, η ισχύς εξόδου θα δίνεται από τη σχέση: P () t = P exp( αl) (1.2.2) out in Η απώλεια της οπτικής ίνας εξαρτάται ισχυρά από το μήκος κύματος του μεταδιδόμενου φωτός. Το φάσμα απώλειας μιας μονότροπης ίνας α(λ) παρουσιάζει μια έντονη κορυφή στα 1.39 μm καθώς και μια σειρά άλλων κορυφών, μικρότερων αυτή τη φορά. Η απώλεια είναι αρκετά μεγάλη σε μικρότερα μήκη κύματος και υπερβαίνει την τιμή των 5 db/km στην περιοχή του ορατού φωτός. 1.2.2 Απορρόφηση Υλικού Οι οπτικές ίνες κατασκευάζονται από τηγμένο πυρίτιο. Η απορρόφηση υλικού μπορεί να χωριστεί σε 2 κατηγορίες. Η εγγενής (ή φυσική) απορρόφηση υλικού αντιστοιχεί στην απώλεια που προκαλείται από το καθαρό πυρίτιο, ενώ η εξωγενής απορρόφηση σχετίζεται με τις απώλειες λόγω προσμίξεων. Σε όλα τα υλικά παρουσιάζεται απορρόφηση σε συγκεκριμένα μήκη κύματος, τα οποία αντιστοιχούν σε ηλεκτρονικούς και δονητικούς συντονισμούς των μορίων. Στα μόρια πυριτίου, ο ηλεκτρονικός συντονισμός εμφανίζεται στην υπεριώδη περιοχή, ενώ ο δονητικός συντονισμός εμφανίζεται στην υπέρυθρη περιοχή. Εξαιτίας της άμορφης φύσης του τηγμένου πυριτίου, οι συντονισμοί 16

αυτοί έχουν τη μορφή ζωνών απορρόφησης, των οποίων οι «ουρές» εκτείνονται μέχρι την περιοχή του ορατού φωτός. Η εξωγενής απορρόφηση προκαλείται από την παρουσία προσμίξεων. Οι προσμίξεις μετάλλων, όπως Fe, Cu, Co, Ni παρουσιάζουν έντονη απορρόφηση σε μήκη κύματος 0.6-1.6 μm. Η ποσότητά τους θα πρέπει να μειωθεί σε ποσοστό μικρότερο του 1 μέρους ανά δισεκατομμύριο, για να έχουμε επίπεδο απώλειας κάτω από 1 db/km. Η κύρια πηγή εξωγενούς απορρόφησης στις οπτικές ίνες πυριτίου είναι η παρουσία υδρατμών. Τυπικά, η συγκέντρωση ιόντων OH θα πρέπει να μειωθεί σε επίπεδο χαμηλότερο του 10-8 για να έχουμε ίνα χαμηλής απώλειας. Εικ.1.4: Το προφίλ της φασματικής απώλειας για μια μονότροπη οπτική ίνα. Ακόμη, παρουσιάζεται η εξάρτηση της απώλειας της οπτικής ίνας από το μήκος κύματος για διάφορους βασικούς μηχανισμούς απώλειας. 1.2.3 Σκέδαση Rayleigh Η σκέδαση Rayleigh αποτελεί ένα βασικό μηχανισμό απώλειας ο οποίος προκαλείται από σημειακές μικροσκοπικές διακυμάνσεις της πυκνότητας. Οι διακυμάνσεις αυτές οδηγούν σε τυχαία διακύμανση του δείκτη διάθλασης, σε κλίμακα μικρότερη του οπτικού μήκους κύματος λ. Η σκέδαση του φωτός σε ένα τέτοιο μέσο είναι γνωστή ως σκέδαση Rayleigh. Η ενεργός διατομή της σκέδασης μεταβάλλεται συναρτήσει του λ -4. Η συνεισφορά της σκέδασης Rayleigh μπορεί να μειωθεί σε επίπεδο κάτω από 0.01 db/km για μήκος κύματος μεγαλύτερο από 3 μm [3]. Ωστόσο, ένας θεμελιώδης εσωτερικός μηχανισμός απωλειών είναι οι απώλειες σκέδασης Raman, οι οποίες προκύπτουν από μικροσκοπικές διακυμάνσεις του δείκτη διάθλασης στον πυρήνα της οπτικής ίνας κατά τη διάρκεια της κατασκευής της. Οι διακυμάνσεις της πυκνότητας οδηγούν σε 17

διακυμάνσεις στην τιμή του δείκτη διάθλασης του πυρήνα σε κλίμακα μικρότερη του οπτικού μήκους κύματος. Με την προσθήκη διαφόρων προσμίξεων στον πυρήνα αυξάνεται το ποσοστό των απωλειών σκέδασης Rayleigh μιας και το υλικό γίνεται όλο και πιο ανομοιογενές. Μια καλή προσέγγιση του συντελεστή σκέδασης Rayleigh a s δίνεται από τον τύπο : (1.2.3), όπου το λ μετριέται σε μm και το είναι η διαφορά στην τιμή του δείκτη διάθλασης λόγω του γερμανίου στην ίνα. Τυπικές τιμές του a s είναι 0.12-0.16 db/km για λ = 1.55 μm. Αυτές οι απώλειες περιορίζουν τελικά την απόσταση στην οποία μπορούν να μεταδοθούν σήματα και απαιτούν την ύπαρξη οπτικής ενίσχυσης. Εικ 1.5: Οι απώλειες μιας τυπικής ίνας διάδοσης και μιας οπτικής ίνας από την οποία έχει αφαιρεθεί η κορυφή απορρόφησης συναρτήσει του μήκους κύματος.. 18

1.2.4 Ατέλειες του κυματοδηγού Μια ιδανική μονότροπη οπτική ίνα οδηγεί τον οπτικό τρόπο μετάδοσης χωρίς διαρροή οπτικής ενέργειας στο στρώμα περιβλήματος. Πρακτικά όμως, οι ατέλειες στην περιοχή της ένωσης του πυρήνα και του στρώματος περιβλήματος μπορεί να οδηγήσουν σε επιπλέον απώλειες που συνεισφέρουν στην ολική απώλεια της καθαρής οπτική ίνας. Η φυσική διαδικασία πίσω από τέτοιες απώλειες είναι η σκέδαση Mie. Μια άλλη πηγή απώλειας σκέδασης είναι και τα λυγίσματα στις οπτικές ίνες. Ωστόσο, αφού οι περισσότερες μακροσκοπικές κάμψεις υπερβαίνουν την ακτίνα κάμψης R=5mm, οι απώλειες μακροκάμψης είναι στην ουσία αμελητέες. Σημαντική πηγή εξασθένησης σε μια μονότροπη οπτική ίνα, ιδιαίτερα σε καλωδιακή μορφή, έχει να κάνει με τις τυχαίες αξονικές παραμορφώσεις που εμφανίζονται πάντα κατά τη διάρκεια κατασκευής καλωδίων οπτικών ινών, καθώς η ίνα πιέζεται πάνω σε μια επιφάνεια, η οποία δεν είναι τελείως ομαλή. Αυτές οι απώλειες ονομάζονται απώλειες μικροκάμψης και έχουν μελετηθεί εκτεταμένα. Στις μονότροπες οπτικές ίνες μπορούμε να περιορίσουμε την απώλεια επιλέγοντας παράμετρο V όσο το δυνατόν πιο κοντά στην τιμή αποκοπής 2.405, ώστε η ενέργεια μετάδοσης του τρόπου στην οπτική ίνα να περιορίζεται κυρίως μέσα στον πυρήνα. Υπάρχουν πολλές ακόμη πηγές απωλειών σε ένα καλώδιο οπτικών ινών (ενώσεις, συνδετήρες κα.). Ωστόσο, οι μονότροπες οπτικές ίνες παρουσιάζουν και μη-γραμμικές απώλειες, οι οποίες είναι πολύ σημαντικές σε υψηλά επίπεδα ισχύος. 1.3 Μη-γραμμικά φαινόμενα Η απόκριση κάθε διηλεκτρικού υλικού στο φως γίνεται μη γραμμική στα έντονα ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Η γεωμετρία της κυματοδήγησης που περιορίζει το φως σε μια μικρή διατομή σε μεγάλα μήκη ίνας, κάνει τα μη γραμμικά φαινόμενα πολύ σημαντικά στο σχεδιασμό σύγχρονων οπτικών συστημάτων. Τα σημαντικότερα από αυτά τα φαινόμενα είναι: 1.3.1 Διεγειρόμενη Σκέδαση Φωτός Η συχνότητα του σκεδαζόμενου φωτός μεταβάλλεται κατά την ανελαστική σκέδαση. Δυο παραδείγματα ανελαστικής σκέδασης είναι η σκέδαση Raman και η σκέδαση Brillouin. Και οι 2 μπορούν να γίνουν εύκολα κατανοητές ως σκέδαση ενός φωτονίου σε ένα φωτόνιο χαμηλότερης ενέργειας, ώστε η διαφορά ενέργειας να εμφανίζεται σαν σχηματισμός ενός φωτονίου. Η βασικότερη διαφορά μεταξύ τους είναι ότι οπτικά φωτόνια συμμετέχουν στη σκέδαση Raman, ενώ στη σκέδαση Brillouin συμμετέχουν ακουστικά φωτόνια. Σε επίπεδα υψηλής ισχύος, τα μη γραμμικά αυτά φαινόμενα διεγερμένης σκέδασης μπορεί να προκαλέσουν σημαντικές απώλειες. Η ένταση του σκεδαζόμενου φωτός και στις 2 περιπτώσεις αυξάνεται εκθετικά 19

μόλις η προσπίπτουσα ισχύς υπερβεί μια τιμή κατωφλίου. Μια ακόμη σημαντική διαφορά είναι ότι η SBS στις μονότροπες ίνες εμφανίζεται μόνο κατά την επιστροφή, ενώ η SRS κυριαρχεί στην ορθή κατεύθυνση. 1.3.2 Μη-Γραμμική Διάθλαση Ο δείκτης διάθλασης θεωρήσαμε ότι είναι ανεξάρτητος από την ισχύ. Είναι όμως απαραίτητο να συμπεριλάβουμε τη μη γραμμική συνεισφορά στην υψηλή ισχύ. Για το λόγο αυτό, είναι εμφανές ότι η εξάρτηση αυτή μπορεί να αποτελέσει περιοριστικό παράγοντα για τα οπτικά συστήματα τηλεπικοινωνιών. Το φαινόμενο της μη γραμμικότητας που ευθύνεται για αυτόν τον περιορισμό είναι η αυτοδιαμόρφωση φάσης (SPM). Η SPM προκαλεί σημαντική φασματική διεύρυνση των παλμών που διαδίδονται στο εσωτερικό της οπτική ίνας. Η εξάρτηση του δείκτη διάθλασης από την ισχύ μπορεί να οδηγήσει και σε ένα άλλο φαινόμενο, γνωστό ως ετεροδιαμόρφωση φάσης. Εμφανίζεται όταν 2 ή περισσότερα κανάλια εκπέμπουν ταυτόχρονα στο εσωτερικό μιας οπτικής ίνας με χρήση διαφορετικών φερουσών συχνοτήτων. Τότε, η μη γραμμική ολίσθηση φάσης για ένα συγκεκριμένο κανάλι εξαρτάται όχι μόνο από την ισχύ του καναλιού αυτού, αλλά και από την ισχύ των άλλων καναλιών. 1.3.3 Μείξη Τεσσάρων Κυμάτων (FWM) Το μη γραμμικό φαινόμενο αυτό οφείλεται στην πεπερασμένη τιμή της μη γραμμικής επιδεκτικότητας τρίτου βαθμού στις οπτικές ίνες πυριτίου. Αν τρία οπτικά πεδία με φέρουσες συχνότητες ω 1, ω 2 και ω 3 μεταδίδονται ταυτόχρονα μέσα σε μια οπτική ίνα, η μη γραμμική επιδεκτικότητα τρίτου βαθμού δημιουργεί ένα τέταρτο πεδίο του οποίου η συχνότητα σχετίζεται με τις άλλες συχνότητες μέσω της ω4 = ω1± ω2 ± ω3. Σε βασικό επίπεδο, η μείξη τεσσάρων κυμάτων μπορεί να θεωρηθεί σαν διαδικασία σκέδασης στην οποία 2 φωτόνια δημιουργούν 2 νέα φωτόνια. Αποτελεί δε περιοριστικό παράγοντα στα πολυκαναλικά συστήματα που χρησιμοποιούν πολυπλεξία διαίρεσης μήκους κύματος. Ένας πολύ εύκολος και ακριβής τρόπος για να υπολογίσουμε τις απώλειες σε μια μονότροπη οπτική ίνα (ή και σε μια μονότροπη ζεύξη σαν σύνολο) είναι η χρήση του OTDR (Optical time-domain reflectometer), οι δυνατότητες του οποίου περιγράφονται εκτενέστερα στο κεφάλαιο που ακολουθεί. 20

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ OTDR 2.1 Απώλειες σε μια οπτική ζεύξη Οι απώλειες σε μια οπτική ζεύξη περιλαμβάνουν τις απώλειες λόγω οπτικών ινών όπως και τις απώλειες κολλήσεων και συνδετήρων. Στη συνέχεια περιγράφουμε εν συντομία τα είδη των απωλειών αυτών θέλοντας να δείξουμε την απλουστευμένη διεργασία υπολογισμού των συνολικών απωλειών που μας προσφέρει το OTDR, πέραν των υπολοίπων δυνατοτήτων που μας παρέχει. 2.1.1 Απώλειες οπτικών ινών Βασικής σημασίας σε πολλούς τομείς εφαρμογών είναι οι οπτικές απώλειες, που προκαλούνται από φαινόμενα απορρόφησης και σκέδασης των φωτεινών ακτινών (βλ. προηγούμενο κεφάλαιο). Η εξασθένηση ενός σήματος είναι μια λογαριθμική σχέση μεταξύ της εισερχόμενης και εξερχόμενης φωτεινής ακτίνας. Ο βαθμός εξασθένησης εξαρτάται ισχυρά από το μήκος κύματος της διερχόμενης ακτινοβολίας. Η καμπύλη του συντελεστή εξασθένησης (ή απορρόφησης) μιας τυπικής οπτικής ίνας παρουσιάζει 3 ζώνες διέλευσης με τιμές ελάχιστης απορρόφησης σε μήκη κύματος λ=0.8μm, λ=1.3μm και λ=1.55μm αντίστοιχα. Άλλος ένας παράγοντας που επιδρά στην εξασθένηση της οπτικής ισχύος είναι τα υλικά κατασκευής της οπτικής ίνας. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των οπτικών ινών θα πρέπει να είναι εξαιρετικής καθαρότητας και απαλλαγμένα από προσμίξεις ιοντικών μετάλλων (Cr +3, Cu +2, Fe +2 ), που έχουν έντονες ζώνες υπέρυθρης απορρόφησης (2.7μm, 0.95μm και 0.72μm αντίστοιχα). Τα ιόντα ΟΗ είναι μια άλλη σημαντική αιτία εξασθένησης του φωτός, εξαιτίας των έντονων ζωνών απορρόφησής τους στις περιοχές 1.25μm και 1.39μm. Σε μήκη κύματος λ>1.7μm, η ίνα απορροφά ενέργεια φωτός εξαιτίας των ταλαντωτικών δονήσεων (μοριακός συντονισμός) του οξειδίου του πυριτίου. Η φασματική αυτή απορρόφηση προκαλεί άνω όριο διέλευσης της ακτινοβολίας [15]. Οι μηχανικές αντοχές (κραδασμοί, κλπ.) προκαλούν γήρανση της ίνας, της οποίας ο μέσος χρόνος ζωής είναι 20 30 χρόνια. Για την αποφυγή πρόωρης γήρανσης, δίνονται προδιαγραφές χρήσης των οπτικών ινών. Μία σπουδαία ιδιότητα των ινών είναι ο βαθμός ελαστικότητάς τους, που λαμβάνεται σοβαρά υπόψη στο στάδιο της κατασκευής τους. Ο συνδυασμός της σκέδασης Rayleigh και της απορρόφησης εξαιτίας της υπέρυθρης (IR) και της υπεριώδους (UV) ακτινοβολίας είναι οι κύριες αιτίες 21

περιορισμού του εύρους χρήσης των οπτικών ινών. Διακρίνονται τρεις ζώνες διέλευσης, για τις οποίες η εισερχόμενη ακτινοβολία παρουσιάζει ελάχιστη εξασθένηση και επομένως μέγιστο διαπερατότητας. Η σκέδαση Rayleigh οφείλεται στις ανομοιόμορφες διακυμάνσεις της δομής του γυαλιού, που προκαλούν σκέδαση του φωτός προς όλες τις κατευθύνσεις. Η εξασθένηση αυτή είναι ανάλογη του λ και ελαττώνεται σε μεγάλα μήκη κύματος (λ>0.85μm). 2.1.2 Απώλειες στις κολλήσεις Οι απώλειες αυτές χωρίζονται σε δυο κατηγορίες : Απώλειες που οφείλονται στην ίνα Απώλειες που οφείλονται στα υλικά των κολλήσεων / connectors Απώλειες που οφείλονται στην ίνα Κατά την κατασκευή οπτικών ινών, επιτρέπονται μικρές αποκλίσεις στις τιμές των παραμέτρων τους, αφού είναι σχεδόν αδύνατο να φτιαχτούν δυο 3 πανομοιότυπες ίνες. Οι αποκλίσεις αυτές είναι της τάξης των 10 mm, ακόμα όμως και τόσο μικρές αποκλίσεις συμβάλουν στη δημιουργία απωλειών κατά την (fusion) κόλληση των ινών. Μια ιδανική ίνα θα παρουσιάζει εξασθένηση κοντά στα 0.16 db/km θεωρητικά (1550 nm). Στην πραγματικότητα η εξασθένιση μιας ίνας πολύ καλής ποιότητας πλησιάζει τα 0.20 db/km στα 1550 nm (λόγω της σκέδασης Rayleigh και της IR απορρόφησης). Οι απώλειες που οφείλονται στην ίνα προκαλούνται από τους παρακάτω παράγοντες : Διαφορές στον τρόπο πεδίου Διαφορετικά αριθμητικά ανοίγματα (ΝΑ) Διαφορετικές διάμετροι πυρήνα Διαφορετικές διάμετροι μανδύα Μη-κυκλικότητα πυρήνα ή/και μανδύα Μη-ομοκεντρικότητα πυρήνα/μανδύα Διαφορές στον τρόπο πεδίου Αν η διάμετρος του πυρήνα της ίνας μετάδοσης είναι διαφορετική από εκείνη της ίνας του δέκτη, ο τρόπος πεδίου θα γίνει πιο ευρύς ή πιο στενός. Το γεγονός αυτό θα προκαλέσει εξασθένιση του φωτός [πολλές φορές διακρίνεται σαν ενίσχυση του σήματος κατά τη μια κατεύθυνση, όταν παίρνουμε μετρήσεις με ένα OTDR (Optical Time Domain Reflectometer)]. 22

Εικ.2.1: Οι μετρήσεις των απωλειών σε ένα οπτικό δίκτυο σε κολλήσεις μεταξύ ινών με διαφορετικούς τρόπους πεδίου μπορεί να έχουν απροσδόκητες τιμές [14]. Διαφορετικά αριθμητικά ανοίγματα (ΝΑ) Παρουσιάζονται απώλειες όταν το αριθμητικό άνοιγμα της ίνας μετάδοσης είναι μεγαλύτερο από εκείνο της ίνας του δέκτη. Μέρος του φωτός που διαδίδεται θα χαθεί στο μανδύα της ίνας του δέκτη. Για την παραπάνω περίπτωση (NAt > NAr), οι απώλειες δίνονται από τον επόμενο τύπο : 23

Εικ.2.2: Παρουσιάζονται απώλειες όταν NAt > NAr Διαφορετικές διάμετροι πυρήνα Όταν η διάμετρος της ίνας μετάδοσης είναι μεγαλύτερη από εκείνη της ίνας του δέκτη, παρουσιάζονται απώλειες, αφού μέρος του φωτός μεταφέρεται στο μανδύα της ίνας του δέκτη [8]. Οι διαφορετικές διάμετροι πυρήνα επηρεάζουν και τη διάμετρο του τρόπου πεδίου. Εικ.2.3: Όταν συνδέονται ίνες με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα, παρουσιάζονται απώλειες και αλλάζει η διάμετρος του τρόπου πεδίου του παλμού φωτός Οι απώλειες λόγω της συνάντησης σε μια κόλληση δυο ινών με διαφορετικές διαμέτρους πυρήνα δίνονται από τον παρακάτω τύπο :, όπου Ør και Øt είναι οι διάμετροι πυρήνα των ινών που συνδέονται και 24

, όπου w 1 και w 2 είναι οι διάμετροι των τρόπων πεδίου των ινών που συνδέονται. Διαφορετικές διάμετροι μανδύα Στη βιομηχανία παραγωγής ινών, η ανοχή (σύμφωνα με την ITU) για τη διάμετρο του μανδύα μιας ίνας είναι ±2μm. Αυτό σημαίνει ότι μια ίνα με διάμετρο 125 μm μπορεί να κολληθεί με μια άλλη διαμέτρου 127 μm. Με τη μέθοδο κόλλησης fusion οι ίνες ευθυγραμμίζονται αρκετά καλά. Για μηχανικές και για ημι-μόνιμες κολλήσεις, διαφορά διαμέτρων όπως η παραπάνω μπορεί να προκαλέσει δραματική αύξηση των απωλειών (ειδικά στις μονότροπες ίνες). Όσο μεγαλώνει η διαφορά μεταξύ των διαμέτρων τόσο αυξάνονται και οι απώλειες. Με ανοχή 125±2 μm οι μέγιστη απώλεια είναι 1.4 db. Αν η ανοχή μειωθεί στα 125±1 μm η μέγιστη απώλεια είναι περίπου 0.7 db. Όταν συνδέονται καλώδια που περιέχουν μονότροπες ίνες με connectors, πραγματοποιούνται αρκετά τεστ ευθυγράμμισης ώστε να μειωθούν όσο το δυνατόν γίνεται οι απώλειες. Εικ.2.4: Η διαφορές στις διαμέτρους μανδύα προκαλούν μεγαλύτερες απώλειες στις μηχανικές συνδέσεις παρά στις κολλήσεις 25

Μη-κυκλικότητα πυρήνα ή/και μανδύα Η μη κυκλικότητα του πυρήνα και του μανδύα έχουν σχεδόν την ίδια επίδραση με τις διαφορές στις διαμέτρους πυρήνα. Το φαινόμενο αυτό είναι ιδιαίτερα εμφανές σε ημι-μόνιμες κολλήσεις. Η παρακάτω εικόνα είναι άκρως κατατοπιστική. Εικ.2.5: Η μη κυκλικότητα του πυρήνα επηρεάζει τις απώλειες σε μια κόλληση Μη-ομοκεντρικότητα πυρήνα/μανδύα Ο πυρήνας μιας ίνας πρέπει να βρίσκεται ακριβώς στο κέντρο της. Η μη ομοκεντρικότητα αυξάνει τις απώλειες σε μια κόλληση. Εικ.2.6: Παρουσίαση της κόλλησης δυο ινών, των οποίων οι πυρήνες δεν είναι ομόκεντροι 26

Απώλειες που οφείλονται σε συνδετήρες/κολλήσεις Όταν δυο ίνες συνδέονται, η κόλληση θα συνεισφέρει κατά κάποιο τρόπο στην αύξηση της εξασθένισης. Η αύξησης της εξασθένισης λόγω κολλήσεων μειώνεται στο ελάχιστο, όταν οι κολλήσεις πραγματοποιούνται με τη μέθοδο fusion, καθαρίζονται προσεκτικά και κόβονται με ακρίβεια. Σύγχρονα κολλητήρια όπως το Ericsson FSU 975, πετυχαίνουν γωνία κοπής 90 ο και εξαιρετικό καθαρισμό της ίνας πριν την κόλληση. Αν όλες οι παραπάνω παράμετροι είναι τέλειες τότε μια κόλληση fusion δεν εισάγει περαιτέρω εξασθένιση στο σύστημα. Οι παρακάτω παράγοντες απωλειών που οφείλονται σε connectors/κολλήσεις αναφέρονται κυρίως σε ημι-μόνιμες και μηχανικές κολλήσεις (και λιγότερο σε fusion κολλήσεις) : Μη-ομοαξονικότητα Διάκενο Γωνιακή απόκλιση Καθαρότητα επιφάνειας κόλλησης (μόνο σε ημι-μόνιμες κολλήσεις) Για να διευκολύνουμε την κατανόηση των παραπάνω παραγόντων απωλειών παρουσιάζονται στην επόμενη εικόνα τα βασικά μέρη ενός connector. Εικ.2.7: Βασικά μέρη ενός SMA connector 27

Μη-ομοαξονικότητα Ένας connector πρέπει να κατασκευάζεται με μεγάλη ακρίβεια : η οπή από την οποία θα περάσει η ίνα πρέπει να βρίσκεται ακριβώς στο κέντρο του συνεκτικού δακτυλίου (ferrule). Η οπή αυτή θα πρέπει να έχει την ίδια ακριβώς διάμετρο με την ίνα και ο συνεκτικός δακτύλιος θα πρέπει να έχει την ίδια διάμετρο με την υποδοχή που θα τοποθετηθεί. Η ακρίβεια πρέπει να είναι της τάξης των 1-2 μm. Για να μην υπάρχουν διαφορές μεταξύ της ίνας και της παραπάνω οπής, κάθε connector θα πρέπει να ελέγχεται σε σχέση με την ίνα που θα χρησιμοποιηθεί. Ο έλεγχος αυτός είναι αρκετά χρονοβόρος αλλά άκρως απαραίτητος. Η ακτινική απόκλιση RE εκφράζεται σε συνάρτηση με τη διάμετρο του πυρήνα της ίνας CD. Από την επόμενη εικόνα μπορούμε να παρατηρήσουμε ότι 10% μηομοκεντρικότητα προκαλεί σχεδόν 0.5 db απώλεια. Για μια μονότροπη ίνα 10% μη-ομοκεντρικότητα αντιστοιχεί σε 1 μm γεγονός που σημαίνει ότι απαιτείται ακρίβεια 0.5 μm για κάθε connector. Μια κόλληση μεταξύ πολύτροπων ινών 62.5/125 μm πρέπει να έχει ακρίβεια ±3 μm για να μην υπερβαίνουν οι απώλειες τα 0.5 db. Εικ.2.8: Γραφική παράσταση των απωλειών σε έναν connector με μηομοκεντρικότητα μεταξύ των δυο ινών 28

Διάκενο Συνήθως, το διάκενο μεταξύ των δυο τελειωμάτων των ινών είναι περίπου 1 με 2 μm. Η αύξηση των απωλειών σχετίζεται άμεσα με το κλάσμα του διακένου LS προς τη διάμετρο του πυρήνα CD και με το αριθμητικό άνοιγμα της ίνας. Αύξηση του ΝΑ για σταθερό διάκενο έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση των απωλειών. Οι σύγχρονοι connectors περιέχουν κάποια μορφή ελατηρίου στον συνεκτικό δακτύλιο, έτσι ώστε οι ίνες να συνταιριάζονται άψογα μεταξύ τους, χωρίς να υπάρχει κίνδυνος να υποστούν ζημιές. Το διάκενο επίσης αυξάνει την ανάκλαση Fresnel στην επιφάνεια διασύνδεσης. Η ανάκλαση αυτή είναι της τάξης των -14 db αν υπάρχει διάκενο αέρα μεταξύ των δυο τελειωμάτων. Χρησιμοποιώντας έλαια με δείκτη διάθλασης πολύ κοντά σε εκείνο των τελειωμάτων των ινών, για να γεμίσουμε το διάκενο, η ανάκλαση Fresnel μειώνεται δραματικά. Εικ.2.9: Γραφική παράσταση των απωλειών που οφείλονται στο διάκενο Γωνιακή απόκλιση Η γωνιακή απόκλιση μεταξύ των δυο ινών που πρόκειται να συνδεθούν, αποτελεί μια από τις σημαντικότερες παραμέτρους της διαδικασίας κόλλησης. Μετά την κοπή και τον καθαρισμό του τελειώματος της ίνας, πρέπει να σχηματίζεται γωνία 90 ο ως προς τον κεντρικό άξονά της. Όσο αυξάνεται η γωνιακή απόκλιση από τις 90 ο αυξάνονται και οι απώλειες. Είναι σημαντικό να παρατηρήσουμε ότι σχετικά μικρό ΝΑ αυξάνει τις απώλειες που οφείλονται στη γωνιακή απόκλιση. 29

Εικ.2.10: Γραφική παράσταση των απωλειών που οφείλονται στη γωνιακή απόκλιση μεταξύ των τελειωμάτων των ινών Καθαρότητα επιφάνειας κόλλησης Το πρώτο βήμα στη διαδικασία καθαρισμού της επιφάνειας κόλλησης είναι να απομακρυνθούν όλα τα υπολείμματα κόλλας και να δοθεί στο το τελικό του σχήμα. Στη συνέχεια η επιφάνεια γυαλίζεται ώστε να μην υπάρχουν μικρές γρατζουνιές. Αν παραμείνουν μικρές ατέλειες στην επιφάνεια μέρος του διαδιδόμενου φωτός θα διασκορπίζεται, με αποτέλεσμα να μη φτάνει στο συνεκτικό δακτύλιο και να αυξάνονται οι απώλειες. Εικ.2.11: Όταν η επιφάνεια δεν έχει καθαριστεί άριστα παρουσιάζονται απώλειες στην κόλληση 30

Άλλα αίτια απωλειών κόλλησης Αν και συνιστάται να χρησιμοποιούνται πανομοιότυπες ίνες για τις κολλήσεις, πολλές φορές είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθούν ίνες από διαφορετικό κατασκευαστή, διαφορετικού τύπου ακόμα και διαφορετικού μεγέθους. Συνήθως αλλαγές τέτοιου τύπου έχουν καταστρεπτικές συνέπειες για το τελικό αποτέλεσμα. Σε περίπτωση τέτοιων αλλαγών θα πρέπει να προσέχουμε παράγοντες όπως το ΝΑ και η διάμετρος πυρήνα/μανδύα να διαφέρουν το λιγότερο δυνατό. 2.2 Λειτουργία OTDR (Optical time-domain reflectometer) Εικ.2.12: OTDR της εταιρίας Yokogawa Το optical time-domain reflectometer (OTDR) είναι ένα οπτοηλεκτρονικό όργανο, το οποίο χρησιμοποιείται για να χαρακτηρίσει μια οπτική ίνα. Το όργανο αυτό εξαπολύει συρμό οπτικών παλμών μέσα στην υπό εξέταση ίνα. Επίσης, είναι δυνατή η εξαγωγή φωτός από το ίδιο σημείο της ίνας, το οποίο σκεδάζεται και ανακλάται κατά την αντίθετη κατεύθυνση μετάδοσης του σήματος σε σημεία της οπτικής ίνας όπου ο δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται (παρόμοια λειτουργία με ένα ηλεκτρονικό time-domain reflectometer που υπολογίζει τις ανακλάσεις οι οποίες παρουσιάζονται λόγω μεταβολών στην εμπέδηση του καλωδίου που μελετάμε). Η ισχύς των παλμών που επιστρέφουν υπολογίζεται και μελετάται ως συνάρτηση του χρόνου, ενώ αναπαριστάται γραφικά ως συνάρτηση του μήκους της οπτικής ζεύξης [5]. 31

Μια συσκευή OTDR μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του μήκους της οπτικής ζεύξης και τον υπολογισμό της συνολικής εξασθένησης, συμπεριλαμβανομένων των απωλειών στις κολλήσεις και τους συνδετήρες. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης στον εντοπισμό σφαλμάτων, όπως κάποιο σπάσιμο της οπτικής ίνας, και στον υπολογισμό των οπτικών απωλειών επιστροφής. Πέραν των ειδικών οπτικών και ηλεκτρονικών διατάξεων που περιέχουν, οι συσκευές OTDR χαρακτηρίζονται από σημαντική υπολογιστική ισχύ και δυνατότητα γραφικής αναπαράστασης πειραματικών αποτελεσμάτων, ώστε να μπορούν να παρέχουν ικανοποιητικά επίπεδα αυτοματισμού στις δοκιμές που χρησιμοποιούνται. Ωστόσο, η σωστή χρήση και επεξήγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων μιας συσκευής OTDR απαιτεί ακόμη ειδική εκπαίδευση σε τεχνικό επίπεδο αλλά και εμπειρία. Οι συσκευές OTDR χρησιμοποιούνται συνήθως στον χαρακτηρισμό των απωλειών και του μήκους μιας οπτικής ίνας καθώς αυτή περνά από τα στάδια της αρχικής παραγωγής, το σχηματισμό καλωδίων, την αποθήκευσή της γύρω από ειδικά τύμπανα, την τοποθέτησή της και την ένωσή της με ήδη υφιστάμενες ίνες [18]. Το τελευταίο στάδιο δοκιμής της οπτικής ίνας που έχει εγκατασταθεί σε ένα τηλεπικοινωνιακό σύστημα είναι και το πιο ενδιαφέρον, αφού μπορεί να δώσει αξιόπιστα αποτελέσματα σε ζεύξεις υπερβολικά μεγάλων αποστάσεων ή σε μικρή περιοχή ίνας όπου έχουν συμβεί πολλές κολλήσεις ή σε ίνες που έχουν διαφορετικά οπτικά χαρακτηριστικά και συνδέονται μεταξύ τους. Τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών με τη συσκευή OTDR συνήθως αποθηκεύονται με προσοχή σε περίπτωση μελλοντικού σφάλματος στην ίνα. Τα σφάλματα αυτά μπορεί να αποβούν πολύ ακριβά τόσο από πλευράς κόστους για την επισκευή τους, όσο και από πλευράς απώλειας υπηρεσιών. Οι συσκευές OTDR χρησιμοποιούνται επίσης πολύ συχνά για την ανεύρεση σφαλμάτων σε εγκατεστημένα συστήματα. Στην περίπτωση αυτή, η αναφορά στα αποτελέσματα του OTDR κατά την εγκατάσταση του συστήματος είναι πολύ χρήσιμη, ώστε να καθοριστούν με μεγάλη ακρίβεια οι περιοχές στις οποίες έχουν γίνει αλλαγές. Η χρήση μιας συσκευής OTDR κατά συνέπεια χρειάζεται έναν έμπειρο χειριστή, ο οποίος είναι σε θέση να κρίνει με ορθότητα τις απαραίτητες ρυθμίσεις στο όργανο για να εντοπισθεί με ακρίβεια η αιτία του προβλήματος που έχει προκύψει. Μάλιστα, σε περιπτώσεις μεγάλων αποστάσεων, πολλών κολλήσεων ή ενώσεων σε μικρές αποστάσεις και σε δίκτυα PON, ο έμπειρος χειρισμός είναι καθοριστικής σημασίας. Οι συσκευές OTDR είναι διαθέσιμες στο εμπόριο σε ποικιλία υποδοχών οπτικών ινών και μηκών κύματος, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιούνται στις δοκιμές των πιο συνηθισμένων τύπων διατάξεων. Γενικότερα, οι δοκιμές με ένα όργανο OTDR σε μεγάλα μήκη κύματος όπως 1550 nm ή 1625 nm, μπορούν να πραγματοποιηθούν για τον χαρακτηρισμό της εξασθένισης της ίνας που προκαλείται από την ίδια την οπτική ίνα σε αντίθεση με τις περισσότερο κοινές απώλειες λόγω συγκολλήσεων ή ενώσεων. Το οπτικό δυναμικό εύρος ενός OTDR περιορίζεται από τον συνδυασμό της ισχύος εξόδου των οπτικών παλμών, του εύρους των οπτικών παλμών, την ευαισθησία εισόδου (input sensitivity) και το χρόνο εξέλιξης του σήματος. Η μεγαλύτερη ισχύς εξόδου των οπτικών παλμών και η καλύτερη ευαισθησία 32

εισόδου μπορούν να συνδυαστούν απευθείας για την βελτιστοποίηση του εύρους δοκιμής, αν και είναι συνήθως τυποποιημένα χαρακτηριστικά ενός οργάνου. Ωστόσο, το οπτικό παλμικό εύρος και ο χρόνος εξέλιξης του σήματος μπορούν να καθοριστούν και από το χρήστη. Ένας πιο ευρύς παλμός laser μπορεί να βελτιώσει τη δυναμική περιοχή και την ακρίβεια υπολογισμού της εξασθένησης εις βάρος της ακρίβειας σε απόσταση. Για παράδειγμα, με τη χρήση ενός παλμού μεγάλου εύρους, είναι εφικτό να μετρήσουμε την εξασθένηση του σήματος σε απόσταση μεγαλύτερη των 100 km, αν και στην περίπτωση αυτή ένα οπτικό γεγονός μπορεί να εμφανίζεται για πάνω από 1 km. Το σενάριο αυτό είναι πολύ χρήσιμο για το συνολικό χαρακτηρισμό μιας ζεύξης, αλλά θα μπορούσε να είναι λιγότερο σημαντικό στην περίπτωση που προσπαθούμε να αναγνωρίσουμε λάθη. Ένας παλμός μικρού εύρους θα μπορούσε να βελτιώσει την ακρίβεια της απόστασης σε οπτικά γεγονότα, αλλά θα μείωνε το υπολογιστικό εύρος και την ανάλυση των υπολογισμών εξασθένησης της ίνας. Το «φαινομενικό» μήκος μετρήσεως ενός οπτικού γεγονότος αναφέρεται ως «νεκρή ζώνη» (dead zone). Η θεωρητική σχέση ανάμεσα στο παλμικό εύρος και τη «νεκρή ζώνη» δίνεται ως εξής: Εύρος παλμού Dead zone 1 nsec 0.15 m (θεωρητικά) 10 nsec 1.5 m (θεωρητικά) 100 nsec 15 m 1 µsec 150 m 10 µsec 1.5 km 100 µsec 15 km Η «νεκρή ζώνη» του OTDR είναι ένα πολύ ενδιαφέρον θέμα για τους χειριστές. Η ζώνη αυτή χωρίζεται σε 2 κατηγορίες. Από τη μια, η «νεκρή ζώνη γεγονότος» σχετίζεται με ένα διακριτό, ανακλαστικό οπτικό γεγονός. Στην περίπτωση αυτή, ο υπολογισμός της νεκρής ζώνης εξαρτάται από το συνδυασμό του παλμικού εύρους (βλ. πίνακα) και το μέγεθος της ανάκλασης. Από την άλλη, η «νεκρή ζώνη εξασθένησης» σχετίζεται με ένα μη ανακλαστικό φαινόμενο. Σε αυτή την περίπτωση, ο υπολογισμός της νεκρής ζώνης εξαρτάται και πάλι από το συνδυασμό των παλμικών ευρών (βλ. πίνακα). Ο μεγάλος χρόνος εξέλιξης του οπτικού σήματος αυξάνει την ευαισθησία του OTDR με τον κατά μέσο όρο υπολογισμό της εξόδου στο δέκτη. Η ευαισθησία αυξάνεται με την τετραγωνική ρίζα του χρόνου μετάδοσης του οπτικού σήματος. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι αν ο χρόνος μετάδοσης αυξάνεται κατά 16 φορές, η ευαισθησία αυξάνεται κατά έναν παράγοντα 4. Το 33

γεγονός αυτό θέτει και ένα όριο ευαισθησίας, με χρόνους μετάδοσης από δευτερόλεπτα μέχρι μερικά λεπτά. Το δυναμικό εύρος ενός OTDR χαρακτηρίζεται συνήθως ως το επίπεδο εξασθένησης όπου το μετρούμενο σήμα χάνεται στα επίπεδα του θορύβου ανίχνευσης, για ένα συγκεκριμένο συνδυασμό παλμικού εύρους και χρόνου μετάδοσης σήματος. Αυτός ο αριθμός είναι εύκολο να συναχθεί με την μελέτη του ίχνους εξόδου του OTDR και είναι πολύ χρήσιμος για συγκρίσεις, όμως δεν είναι τόσο χρήσιμος πρακτικά, αφού σε αυτό το σημείο οι μετρούμενες τιμές είναι τυχαίες. Για το λόγο αυτό λοιπόν, το πρακτικό εύρος τιμών μέτρησης είναι μικρότερο, ανάλογα με την ακρίβεια που θέλουμε να επιτύχουμε στον υπολογισμό της εξασθένησης. Όταν χρησιμοποιούμε ένα OTDR για να υπολογίσουμε την εξασθένηση που παρουσιάζεται σε πολλαπλές ενώσεις οπτικών ινών, το ίχνος εξόδου μπορεί να δείξει εσφαλμένα ότι μια σύνδεση παρουσιάζει κέρδος αντί για απώλειες. Ο λόγος που γίνεται αυτό είναι ότι οι γειτονικές οπτικές ίνες μπορεί να έχουν διαφορετικούς συντελεστές σκέδασης κατά την αντίθετη κατεύθυνση μετάδοσης του σήματος, οπότε η δεύτερη κατά σειρά ίνα ανακλά περισσότερο φως σε σύγκριση με την πρώτη ίνα με την ίδια «ποσότητα» φωτός να περνά από αυτές. Εάν το OTDR τοποθετηθεί στο άλλο άκρο του οπτικού αυτού ζεύγους, θα καταγράψει αφύσικα μεγάλες απώλειες στην οπτική αυτή ένωση. Ωστόσο, αν τα 2 σήματα συνδυαστούν στη συνέχεια, θα λάβουμε τη σωστή τιμή εξασθένησης. Για το λόγο αυτό, μια συνήθης πρακτική με τα OTDRs είναι να υπολογίζουμε και να συνδυάζουμε τις τιμές εξασθένησης και από τα 2 άκρα της οπτικής ζεύξης, ώστε να λάβουμε πιο ακριβείς μετρήσεις των απωλειών στις ενώσεις και της συνολικής εξασθένησης. Η θεωρητική ακρίβεια υπολογισμού της απόστασης ενός OTDR είναι εξαιρετική, μιας και βασίζεται σε ειδικό software και ρολόι κρυστάλλων με εγγενή ακρίβεια καλύτερη του 0.01%. Η τυπική ακρίβεια υπολογισμού του μήκους του οπτικού καλωδίου περιορίζεται στο 1% μόλις, αφού το μήκος του καλωδίου δεν είναι το ίδιο με το μήκος της οπτικής ίνας. Επίσης, η ταχύτητα του φωτός μέσα στην οπτική ίνα είναι γνωστή με μικρή ακρίβεια και οι δείκτες του μήκους του καλωδίου έχουν και αυτοί με τη σειρά τους μικρή ακρίβεια (0.5%-1%) [17]. 2.3 Χρήση OTDR για τον χαρακτηρισμό οπτικών διατάξεων Θέλοντας να διαπιστώσουμε τις δυνατότητες της συσκευής OTDR προχωρήσαμε σε μια σειρά μετρήσεων σε πειραματικές διατάξεις εργαστηριακού επιπέδου. Με τη χρήση 2 «τυμπάνων» τυπικής μονότροπης οπτικής ίνας αγνώστου μήκους δημιουργήσαμε όλες τις δυνατές διατάξεις που θα μπορούσαν να προκύψουν (μέτρηση σε κάθε ίνα ξεχωριστά, μέτρηση ύστερα από σύνδεση των ινών με συγκόλληση ή με συνδετήρα), ώστε να χαρακτηρίσουμε την κάθε πειραματική διάταξη (όπως συνολική εξασθένηση, 34

μήκος ζεύξης κλπ) και να μελετήσουμε τα πλεονεκτήματα κάθε τρόπου σύνδεσης των οπτικών ινών. Για την πραγματοποίηση των παραπάνω εργαστηριακών διατάξεων χειρίστηκα εξειδικευμένο εξοπλισμό τελευταίας τεχνολογίας και κατάλληλα υλικά για την λήψη έγκυρων μετρήσεων υψηλής ακριβείας. Συγκεκριμένα χρησιμοποιήθηκαν : Συσκευή OTDR OF-500 OptiFiber της εταιρίας Fluke networks Όργανο συγκόλλησης (fusion splicer) της εταιρίας Fitel (μοντέλο S177) Ειδική συσκευή κοπής της οπτικής ίνας και αφαίρεσης του προστατευτικού καλύμματος της από την εταιρία ILSINTECH Pigtails της εταιρίας Brand-Rex Ειδικό διάλυμα μεθανόλης για την αφαίρεση τυχόν ακαθαρσιών κατά την κοπή των οπτικών ινών Θερμοσυστελόμενα καλύμματα για την προστασία των κολλήσεων στις οπτικές ίνες. Εικ.2.13: Συσκευή OTDR OF-500 OptiFiber της εταιρίας Fluke networks 35

Εικ.2.14: Όργανο συγκόλλησης (fusion splicer) της εταιρίας Fitel (μοντέλο S177) με τα 2 τύμπανα οπτικών ινών και τα υπόλοιπα οπτικά υλικά που χρειαστήκαμε. Εικ.2.15: Ειδική συσκευή κοπής της οπτικής ίνας και αφαίρεσης του προστατευτικού καλύμματος της από την εταιρία ILSINTECH 36

1 η πειραματική διάταξη Αρχικά χρησιμοποιήσαμε τη συσκευή OTDR για να χαρακτηρίσουμε την πρώτη οπτική ίνα. Για πιο ακριβείς μετρήσεις τοποθετήσαμε μικρό τμήμα οπτικής ίνας ανάμεσα στο OTDR και στην προς χαρακτηρισμό ίνα, γεγονός που αποτελεί συνήθη πρακτική κατά τη διενέργεια τέτοιων μετρήσεων σε οπτικές ζεύξεις μεγάλου μήκους για την αποφυγή περαιτέρω ανακλάσεων και τη δημιουργία ευανάγνωστου φάσματος ισχύος [5]. Με τη βοήθεια του ειδικού λογισμικού Linkware προέκυψε η παρακάτω αναφορά (test report): Εικ.2.16: Αποτελέσματα πρώτης πειραματικής μέτρησης Όπως αναμέναμε, η συσκευή OTDR αναγνωρίζει το είδος της προς μέτρηση οπτικής ίνας (τυπική μονότροπη οπτική ίνα), καθώς και μας δίνει μια ακριβή τιμή του μήκους της οπτικής ίνας (12621 m). Παρατηρούμε επίσης ότι εκτελεί 2 ελέγχους σε δυο διαφορετικά μήκη κύματος σηματοδοσίας, δίνοντας μάλιστα διαφορετικά αποτελέσματα ολικής εξασθένισης στην ίνα σε κάθε περίπτωση. Στα 1310 nm οι συνολικές απώλειες είναι 4.42 db, ενώ στα 1550 nm οι συνολικές απώλειες στην ίνα φτάνουν τα 2.83 db. Το γεγονός αυτό πιστοποιεί την εγκυρότητα της μέτρησης, καθώς γνωρίζουμε ότι στα 1550 nm 37

η εξασθένηση σε μια οπτική ίνα είναι μικρότερη σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο μήκος κύματος που χρησιμοποιείται στις οπτικές τηλεπικοινωνίες. Για την ευκολότερη εξαγωγή συμπερασμάτων έχουμε τη δυνατότητα γραφικής αναπαράστασης της εξέλιξης της οπτικής ισχύος τους σήματος εισόδου σε σχέση με το μήκος της οπτικής ίνας. Και στις 2 διαθέσιμες γραφικές παραστάσεις (μια για κάθε μήκος κύματος), η ισχύς του οπτικού σήματος ελαττώνεται λόγω απωλειών στην ίνα (βλ. παραπάνω παράγραφο) και απουσία οπτικής ενίσχυσης. Στο πέρας της ζεύξης παρατηρείται αφύσικα μεγάλη απολαβή, η οποία και ορίζει το ανοιχτό άκρο της οπτικής ίνας. Τέλος, με την εντολή εκτέλεσης CHANNEL MAP (χαρτογράφηση διαύλου) στο OTDR προκύπτει η γραφική απεικόνιση της διάταξης μας, όπου χρησιμοποιήσαμε 151 m βοηθητικής ίνας στην αρχή της ζεύξης και 12621 m οπτικής ίνας προς χαρακτηρισμό. 2 η πειραματική διάταξη Εν συνεχεία, χρησιμοποιήσαμε τη συσκευή OTDR για να χαρακτηρίσουμε την δεύτερη οπτική ίνα. Για πιο ακριβείς μετρήσεις τοποθετήσαμε και πάλι μικρό τμήμα οπτικής ίνας ανάμεσα στο OTDR και στην προς χαρακτηρισμό ίνα. Με τη βοήθεια του ειδικού λογισμικού Linkware προέκυψε η παρακάτω αναφορά (test report): Εικ.2.17: Αποτελέσματα δεύτερης πειραματικής μέτρησης 38

Όπως αναμέναμε και σε αυτή την περίπτωση, η συσκευή OTDR αναγνωρίζει το είδος της προς μέτρηση οπτικής ίνας (τυπική μονότροπη οπτική ίνα), καθώς και το μήκος της (25080 m). Στα 1310 nm οι συνολικές απώλειες είναι 8.82 db, ενώ στα 1550 nm οι συνολικές απώλειες στην ίνα αγγίζουν τα 5.20 db. Το γεγονός αυτό πιστοποιεί και εδώ την εγκυρότητα της μέτρησής μας, καθώς γνωρίζουμε ότι στα 1550 nm η εξασθένηση σε μια οπτική ίνα είναι μικρότερη σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο μήκος κύματος που χρησιμοποιείται στις οπτικές τηλεπικοινωνίες. Και στις 2 διαθέσιμες γραφικές παραστάσεις που προκύπτουν (μια για κάθε μήκος κύματος), η ισχύς του οπτικού σήματος ελαττώνεται λόγω απωλειών στην ίνα και απουσία οπτικής ενίσχυσης. Στο πέρας της ζεύξης παρατηρείται αφύσικα μεγάλη απολαβή, η οποία και ορίζει το ανοιχτό άκρο της οπτικής ίνας. 3 η πειραματική διάταξη Στην πειραματική διάταξη αυτή, χρησιμοποιήσαμε τη συσκευή OTDR για να χαρακτηρίσουμε την οπτική ίνα που προέκυψε από την συγκόλληση των 2 προηγούμενων οπτικών ινών με τη βοήθεια του fusion splicer της εταιρίας Fitel. Εικ.2.18: Διαδικασία συγκόλλησης των 2 οπτικών ινών με splicer Με τη βοήθεια του ειδικού λογισμικού Linkware προέκυψε η παρακάτω αναφορά (test report) για την καινούρια ζεύξη που δημιουργήσαμε: 39

Εικ.2.19: Αποτελέσματα τρίτης πειραματικής μέτρησης Τυπικά, η συσκευή OTDR αναγνωρίζει το είδος της προς μέτρηση οπτικής ίνας (μονότροπη οπτική ίνα), αλλά και την ακριβή τιμή του μήκους της οπτικής ίνας (37657 m), η οποία συμπίπτει με το άθροισμα των 2 προηγουμένων μηκών που είχαμε μετρήσει. Παρατηρούμε ακόμη ότι εκτελούνται 2 έλεγχοι όπως ορίσαμε στις ρυθμίσεις του OTDR σε δυο διαφορετικά μήκη κύματος σηματοδοσίας, δίνοντας μάλιστα διαφορετικά αποτελέσματα ολικής εξασθένισης στην ίνα σε κάθε περίπτωση. Στα 1310 nm οι συνολικές απώλειες είναι 13.07 db, ενώ στα 1550 nm οι συνολικές απώλειες στην ίνα φτάνουν τα 7.5 db. Το γεγονός αυτό πιστοποιεί την εγκυρότητα της μέτρησης, καθώς γνωρίζουμε ότι στα 1550 nm η εξασθένηση σε μια οπτική ίνα είναι μικρότερη σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο μήκος κύματος που χρησιμοποιείται στις οπτικές τηλεπικοινωνίες. Για την ευκολότερη εξαγωγή συμπερασμάτων έχουμε τη δυνατότητα γραφικής αναπαράστασης της εξέλιξης της οπτικής ισχύος τους σήματος εισόδου σε σχέση με το μήκος της οπτικής ίνας. Και στις 2 διαθέσιμες γραφικές παραστάσεις (μια για κάθε μήκος κύματος), η ισχύς του οπτικού σήματος ελαττώνεται λόγω των απωλειών στην ίνα (βλ. παραπάνω παράγραφο) και απουσία οπτικής ενίσχυσης. Στο πέρας της ζεύξης παρατηρείται αφύσικα μεγάλη απολαβή, η οποία και ορίζει το ανοιχτό άκρο της οπτικής ίνας. Τέλος, με την εντολή εκτέλεσης CHANNEL MAP (χαρτογράφηση διαύλου) στο OTDR θα μπορούσαμε να διαπιστώσουμε ότι το OTDR αντιλαμβάνεται την ύπαρξη συγκόλλησης, δίνοντας μάλιστα και την ακριβή τιμή απωλειών 40

που προκαλεί στη συνολική ζεύξη. Ωστόσο, η ποιότητα της κόλλησης είναι τόσο καλή λόγω του οργάνου που χρησιμοποιήσαμε, που στις γραφικές παραστάσεις της οπτικής ισχύος του σήματος σε σύγκριση με το μήκος της οπτικής ίνας δεν παρατηρείται κάποιο «σκαλοπάτι» απωλειών. Στο γεγονός αυτό συντελεί και το μεγάλο μήκος της ίνας, για την οποία απώλειες της τάξης των 0.2 db θεωρούνται πολύ μικρές. 4 η πειραματική διάταξη Στην πειραματική διάταξη αυτή, χρησιμοποιήσαμε τη συσκευή OTDR για να χαρακτηρίσουμε την οπτική ίνα που προέκυψε από την ένωση των 2 οπτικών ινών που είχαμε στη διάθεσή μας με τη βοήθεια συνδετήρα. Αφού αφαιρέσαμε το προστατευτικό κόλλημα από τις 2 οπτικές ίνες και τις καθαρίσαμε με το διάλυμα μεθανόλης, προχωρήσαμε στην κόλληση κάθε μιας με ένα pigtail, ώστε να τοποθετηθούν στη συνέχεια κατάλληλα στις υποδοχές του συνδετήρα (connector). Με τη βοήθεια του ειδικού λογισμικού Linkware προέκυψε η κάτωθι αναφορά (test report) για την νέα ζεύξη που δημιουργήσαμε: Εικ.2.20: Αποτελέσματα τέταρτης πειραματικής μέτρησης Η συσκευή OTDR αναγνωρίζει το είδος της προς μέτρηση οπτικής ίνας (μονότροπη οπτική ίνα), αλλά και την ακριβή τιμή του μήκους της οπτικής 41

ίνας (37699 m), η οποία συμπίπτει με το άθροισμα των 2 προηγουμένων μηκών που είχαμε μετρήσει με μια μικρή απόκλιση προς τα επάνω λόγω της παρουσίας του συνδετήρα (σφάλμα λόγω ανακλάσεων) και του επιπλέον μήκους των pigtails. Παρατηρούμε ακόμη ότι εκτελούνται 2 έλεγχοι όπως ορίσαμε στις ρυθμίσεις του OTDR σε δυο διαφορετικά μήκη κύματος σηματοδοσίας, δίνοντας μάλιστα διαφορετικά αποτελέσματα ολικής εξασθένισης στην οπτική ίνα. Στα 1310 nm οι συνολικές απώλειες είναι 13.46 db, ενώ στα 1550 nm οι συνολικές απώλειες στην ίνα φτάνουν τα 8.26 db. Το γεγονός αυτό καταδεικνύει την αξιοπιστία της μέτρησης, καθώς γνωρίζουμε ότι στα 1550 nm η εξασθένηση σε μια οπτική ίνα είναι μικρότερη σε σχέση με οποιοδήποτε άλλο μήκος κύματος στις οπτικές τηλεπικοινωνίες. Για την ευκολότερη εξαγωγή συμπερασμάτων έχουμε τη δυνατότητα γραφικής αναπαράστασης της εξέλιξης της οπτικής ισχύος τους σήματος εισόδου σε σχέση με το μήκος της οπτικής ίνας. Και στις 2 διαθέσιμες γραφικές παραστάσεις (μια για κάθε μήκος κύματος), η ισχύς του οπτικού σήματος ελαττώνεται λόγω των απωλειών στην ίνα (βλ. παραπάνω παράγραφο) και απουσία οπτικής ενίσχυσης. Στο πέρας της ζεύξης παρατηρείται αφύσικα μεγάλη απολαβή, η οποία και ορίζει το ανοιχτό άκρο της οπτικής ίνας. Τέλος, παρατηρούμε ότι στις γραφικές παραστάσεις της οπτικής ισχύος εισόδου με το μήκος της οπτικής ίνας υπάρχει ένα μικρό «σκαλοπάτι» επιπλέον απωλειών κοντά στα 12 km, δηλαδή στο πέρας της πρώτης ίνας μας. Εκεί ακριβώς έχουμε τοποθετήσει και τον συνδετήρα για τη δημιουργία της καινούριας ζεύξης μας. Είναι φυσικό η εξασθένηση του οπτικού σήματος να είναι μεγαλύτερη όταν χρησιμοποιούμε connectors σε σύγκριση με την κόλληση με splicer, μιας και η μηχανική σύνδεση 2 οπτικών ινών προκαλεί πάντα μεγαλύτερες απώλειες από την συγκόλληση. 42