Nová metoda měření PMD optických kabelových tras

NOVÁ METODA MĚŘENÍ PMD OPTICKÝCH KABELOVÝCH TRAS
Ing. Martin Hájek, Ing. Petr Holomeček, MIKROKOM s.r.o.
Anotace
Článek je věnován nové interferometrické metodě měření PMD optických
kabelových tras. Tato metoda přináší oproti tradiční interferometrické metodě nejen zlepšení přesnosti měření, ale umožňuje na rozdíl od ní měřit i velmi
nízké hodnoty PMD a nabízí také možnost měření dlouhých optických tras
obsahujících optické zesilovače. Součástí článku jsou také praktické zkušenosti s touto metodou a srovnání obou interferometrických metod.
1. Úvodem
Při provozu vysokých přenosových rychlostí na optických trasách představuje jeden z hlavních problémů polarizační vidová disperze (PMD) optického vlákna. Jelikož je nutné se zabývat PMD již při přenosu 10 Gbit/s, je
tento parametr už řadu let po celém světě v ohnisku zájmu prakticky každého, kdo se v této oblasti pohybuje - od výrobců optických vláken a kabelů
přes instalační firmy až po provozovatele optických tras a výrobce měřicí
techniky. Všeobecně je již standardem, že se před nasazením systému
10 Gbit/s (u SDH STM-64) na optickou trasu s jednovidovými vlákny měří
také PMD.
Nejpoužívanější metodou měření PMD optických kabelových tras je
metoda interferometrická. Nejdříve se stručně podíváme na základní princip a vlastnosti této metody, abychom se mohli dále seznámit s její novou
variantou, která přináší některá významná vylepšení a výhody a začíná se
již také etablovat v doporučeních světových standardizačních organizací
jako je IEC, ITU nebo TIA.
2. Tradiční interferometrická metoda měření PMD (TINTY)
Jak bylo výše uvedeno, nejpoužívanější metodou měření PMD optických kabelových tras je metoda interferometrická (užívá se pro ni obecně
zkratka INTY). Je tomu tak pro její rychlost měření, relativní jednoduchost
a vhodnost pro použití přímo „v terénu“.
Na obr. 2 je ukázka výsledného interferogramu pro běžné telekomunikační vlákno. V případě takových vláken se zpoždění PMD u metody TINTY
vyhodnocuje z Gaussovy křivky, kterou je interferogram proložen (jak je patrno na obr. 2). Zpoždění je úměrné směrodatné odchylce křivky.
Měření PMD optických tras interferometrickou metodou je v praxi poměrně jednoduché, není třeba stanovovat žádnou referenční hodnotu
a měření samotné je velmi rychlé (většinou několik sekund na změření
jednoho vlákna), čímž nedochází k ovlivňování výsledku případnými vibracemi vlákna. Z těchto důvodů je tato metoda pro měření optických tras
nejpoužívanější.
Obr.2 PMD interferogram běžného telekom. vlákna, metoda TINTY
Podívejme se ale na možná omezení této metody. Interferogram získaný tradiční interferometrickou metodou (TINTY) se skládá vlastně ze dvou
složek, jak je naznačeno na obr. 3.
Na obr. 1 je uvedeno základní schematické uspořádání tradiční varianty této metody, pro kterou se dnes začíná užívat zkratka TINTY (Traditional
analysis INTY).
a)
b)
c)
Obr. 3 Složky PMD interferogramu u metody TINTY
Obr.1 Tradiční interferometrická metoda měření PMD (TINTY)
Metoda je založena na interferenci nízkokoherentního optického záření.
Používá se širokospektrální zdroj záření (tzn. nízkokoherentní zdroj), většinou
LED dioda. Polarizované výstupní záření zdroje (po průchodu polarizátorem
P) je navázáno do vlákna trasy, na jejímž druhém konci je PMD analyzátor.
Jeho jádrem je interferometr, nejčastěji Michelsonův, který je uvedený
na obr. 1. V něm je polarizované optické záření rozděleno do dvou ramen, jedno je zakončené pevným a druhé pohyblivým zrcadlem. Záření se od obou
zrcadel odráží zpět a na detektoru pak nastává interference signálů z obou
ramen. Posunem pohyblivého zrcadla se mění vzájemný časový posun mezi
signály obou ramen, čímž se získává interferogram, z něhož je stanovováno
zpoždění vlivem PMD. Díky tomu, že je k měření užíván širokospektrální zdroj
záření, je jeho výsledkem přímo stanovení samotné PMD trasy, která je definována jako střední hodnota zpoždění – v tomto případě střední hodnota
ve spektru.
Jednou složkou výsledku je vzájemná korelační funkce dvou na sebe
kolmých polarizačních rovin či vidů (obr. 3a). Ty jsou oproti sobě vlivem
PMD časově posunuté a právě z jejich vzájemné korelace jsme schopni PMD
stanovit. V případě telekomunikačních vláken, které se vyznačují tzv. silnou
vazbou mezi polarizačními vidy, je tato jejich vzájemná korelace tvořena
spoustou do značné míry náhodně rozesetých drobných špiček, vzniklých
díky této vazbě. Druhou složkou, která je v interferogramu obsažena, je autokorelační funkce vlastního měřicího signálu, která závisí na tvaru jeho
spektra (obr. 3b). Výsledek (obr. 3c) tvoří tedy složka ukazující vliv zpoždění
PMD trasy na signál a složka ovlivněná pouze samotným měřicím signálem
resp. jeho spektrem.
Jak bylo uvedeno, PMD je třeba vyhodnocovat ze vzájemné korelace
polarizačních vidů (v angličtině se používá výraz cross-correlation). To, že je
ve výsledném interferogramu přítomna také autokorelace vlastního měřicího signálu, způsobuje některá omezení TINTY metody. Velká autokorelační
špička (obr. 3b) totiž svou přítomností a tvarem může výsledek měření ovlivnit. Šířka a tvar této špičky, které jsou dány tvarem spektra měřicího signálu, jsou určeny použitým zdrojem záření a dále případnými spektrálně závislými prvky optické trasy, jako jsou vláknové zesilovače (EDFA), add-drop
multiplexory (OADM) apod. Aby byla autokorelační špička co nejužší
a hladká a co nejméně ovlivňovala vyhodnocení měření, je u této metody
základní podmínkou použití zdroje záření se spektrálním průběhem blížícím se co nejvíce Gaussově křivce. Druhou podmínkou je, aby ani měřená
trasa tvar spektra měřicicího signálu významně neovlivňovala.
Tato metoda proto není vhodná pro měření tras s výše uvedenými spektrálně závislými prvky. U dlouhé trasy obsahující EDFA zesilovače je tudíž
nutné měřit každý zesilovací úsek zvlášť a celkovou hodnotu PMD trasy počítat. Na obr. 4 je ukázka tvaru spektra měřicího signálu po průchodu trasou
s EDFA zesilovači a OADM prvky (4b) oproti ideální Gaussovské křivce (4a).
Obr. 6 PMD interferogram běžného telekom. vlákna, metoda GINTY
a)
b)
Obr. 4 Průběh ideální Gaussovské křivky (a) ve srovnání s tvarem
spektra měřicího signálu po průchodu trasou s EDFA a OADM (b)
Přítomnost autokorelační špičky ve výsledném interferogramu dále snižuje přesnost měření, což se nejvíce projevuje při měření nízkých hodnot PMD
(Ł 1 ps), jehož chyba (či nejistota) může být proto až desítky procent. (Měření
hodnot Ł 0,1 ps už de facto touto metodou vůbec provádět nelze). Z důvodu
přítomnosti autokorelace nelze také vyhodnocovat PMD z interferogramu
přímo, ale je třeba jej prokládat zmíněnou Gaussovou křivkou. I toto proložení
se projevuje ve snížené přesnosti měření, neboť proložení Gaussovou křivkou
zcela exaktně odpovídá pouze trase s nekonečnou mezividovou vazbou, k čemuž se samozřejmě telekomunikační vlákna reálných optických tras mohou
jen více či méně blížit.
3. Obecná interferometrická metoda měření PMD (GINTY)
Omezení tradiční interferometrické metody měření PMD (TINTY) popsané
v minulé kapitole plynou z přítomnosti autokorelace vlastního měřicího signálu ve výsledném interferogramu, z něhož se PMD vyhodnocuje. Nové zdokonalení metody spočívá tedy právě v potlačení vlivu autokorelační špičky.
Na obr. 5 je uvedeno schematické uspořádání nové metody, která je označována jako obecná interferometrická metoda GINTY (General analysis INTY).
K výpočtu hodnoty PMD nutno dodat, že autokorelace měřicího signálu
se částečně uplatňuje také v samotné vzájemné korelační funkci. Zvláště
k tomu dochází při měření velmi nízkých hodnot PMD, kdy jsou signály
z obou navzájem kolmých polarizačních vidů prakticky shodné, a vzájemná
korelace je tedy vlastně téměř autokorelací. Jelikož u GINTY metody známe
však i samotnou autokorelační funkci („součet“ interferogramů na obou detektorech), je možné i tento vliv autokorelace potlačit. Výpočet hodnoty
zpoždění PMD se proto „koriguje“ tím, že se od hodnoty RMS vypočítané ze
vzájemné korelace odečte hodnota RMS spočtená z autokorelace.
4. Použití metody GINTY a praktické zkušenosti s měřením
JPři použití interferometrické metody GINTY odpadají výše uvedená
omezení tradiční metody. Nejenže už není třeba pečlivě dodržovat tvar
spektra zdroje záření, ale je možné měřit i trasy se spektrálně citlivými prvky.
S touto metodou je např. možné měřit trasy obsahující i mnoho desítek
EDFA zesilovačů a není nutné měřit každý zesilovací úsek zvlášť. Má to i tu
výhodu, že takto naměřená celková hodnota PMD trasy bude přesnější, neboť se vyhneme nutnosti ji počítat z hodnot naměřených na každém zesilovacím úseku. Změřená hodnota bude zkrátka přímo tou hodnotou, kterou
bude na trase „vnímat“ i přenosový systém. (Byla prováděna úspěšná měření dokonce na trase dlouhé přes 5500 km, která obsahovala přes 120 EDFA
zesilovačů.)
Tím, že je nová metoda nezávislá na tvaru spektra signálu, umožňuje
také měření PMD samotných spektrálně závislých pasivních součástek. Je
možné provádět měření dokonce i na úzkospektrálních součástkách (např.
filtry s propustným pásmem o šířce jednotek nm). Interferometrická metoda, jak bylo zmíněno výše, měří v principu PMD jako střední hodnotu v dostatečně širokém spektru. To je ale v tomto případě u GINTY metody možné
nahradit časovým průměrováním více náměrů. Obecně neklade GINTY vůbec žádné nároky na tvar spektra ani na jeho šířku.
Další výhody GINTY oproti tradiční metodě jsou v tom, že je možné měřit i velmi nízké hodnoty PMD (skutečně až k 0 ps) a celkově se s ní dosahuje
výrazně vyšší přesnosti měření (na nízkých hodnotách měří až s několikanásobně nižší nejistotou).
Obr. 5 Obecná interferometrická metoda měření PMD (GINTY)
Základní změna oproti tradiční metodě spočívá v tom, že výsledný signál
obsahující optické záření z obou ramen interferometru je nově rozdělen polarizačním děličem (PBS) na dvě vzájemně kolmo polarizované složky, které
dopadají každá na zvláštní detektor. Na každém z obou detektorů dochází
k interferenci a oba tyto interferenční obrazce obsahují opět obě korelační
složky. Matematickými operacemi mezi oběma interferogramy lze ale obě
složky od sebe oddělit („odečtením“ interferogramů se získá samotná vzájemná korelace, zatímco jejich „sečtením“ lze obdržet čistou autokorelaci).
Metoda GINTY umožňuje tedy autokorelační špičku z výsledného interferogramu odstranit, a tudíž provádět vyhodnocení PMD na samotné vzájemné korelační funkci. Tím odpadá i nutnost prokládat výsledný interferogram Gaussovou křivkou a hodnota PMD se vyhodnocuje přímo z bodů
interferogramu (výpočet střední kvadratické hodnoty RMS). Na obr. 6 je
ukázka výsledného interferogramu běžného telekomunikačního vlákna získaného metodou GINTY.
Z popsané obecné interferometrické metody se díky těmto výhodám
stává nejuniverzálnější metoda měření PMD, která je navíc velice rychlá (což
je klasická výhoda interferometrické metody), a tudíž nejvhodnější pro měření v terénu. Její použití je vhodné jak pro výrobce k měření optických vláken a kabelů nebo pasivních součástek vláknové optiky, tak také pro měření
zemních či nadzemních optických kabelových tras, které mohou obsahovat
i vláknové zesilovače či další spektrálně závislé prvky.
Nová metoda je dnes již také obsažena v doporučeních některých organizací zabývajících se normalizací (TIA-455-124-A resp. FOTP-124A), zatímco
v dalších se její zařazení připravuje (nová aktualizace ITU G.650.2 nebo IEC
60793-1-48, 61282-9 a 61280-4-4).
Při dnešním překotném vývoji v oblasti vláknové optiky není divu, že
metoda GINTY neexistuje již pouze v laboratorních experimentech a podmínkách, ale je užívána dokonce i komerčně nabízenými přístroji určenými
k měření optických tras v terénu – kde se právě využívají její hlavní výhody.
S praktickým měřením touto metodou je již nyní řada zkušeností. I my
jsme měli možnost s takovým přístrojem (FTB-5500B od firmy EXFO) letos
pracovat na různých trasách několika provozovatelů v ČR. Měření jsme prováděli jak na samotných optických vláknech, tak na kompletních trasách
včetně takových, které obsahovaly vláknové zesilovače EDFA.
Obecně se dá říci, že pokud se měří s vhodným zdrojem záření (široké
Gaussovské spektrum) na trase s běžným telekomunikačním vláknem (t.j.
s velmi silnou mezividovou vazbou bez dvojlomných anomálií), která neobsahuje prvky ovlivňující spektrum měřicího signálu (EDFA, OADM, filtry
apod.), jsou výsledky měření GINTY i TINTY velmi podobné, pokud neměříme nízké hodnoty PMD (zvláště pod 0,1 ps). Nesplnění některého z uvedených kritérií vede ovšem v případě TINTY k odchylkám od správné hodnoty
PMD resp. od hodnoty měřené metodou GINTY. Záleží pak na konkrétním
případě, jak velká bude odchylka hodnot měřených TINTY a zda-li ještě vůbec bude tato metoda pro měření použitelná.
5. Závěr
Závěrem bychom chtěli shrnout, že obecná interferometrická metoda
měření PMD (GINTY) se v současné době již dostává do praxe. Možnostmi,
které nabízí oproti tradiční interferometrické metodě, se z ní stává nejuniverzálnější metoda měření PMD a pro svou rychlost vůbec nejvhodnější pro
měření optických kabelových tras v terénu. Nová metoda se postupně zakotvuje v mezinárodních technických doporučeních a jsou již dokonce komerčně nabízeny první měřicí přístroje, které ji využívají.
6. Literatura
[1] Hájek, M.: Zkušenosti s měřením polarizační vidové disperze (PMD) jednovidových optických kabelových tras, sborník O.K. 2002
[2] Cyr, N.: Polarization-Mode Dispersion Measurement: Generalization of
the Interferometric Method to Any Coupling Regime, Journal of Lightwave
tech., vol. 22, no. 3, 3 / 2004
[3] doporučení TIA-455-124-A, resp. FOTP 124-A
[4] TIA Meeting Report FO-4.2
[5] firemní literatura firmy EXFO Electro-Optical Engineering
[6] katalogové listy PMD analyzátoru FTB-5500B (EXFO)
Ing. Martin Hájek
[email protected]
Ing. Petr Holomeček
[email protected]
MIKROKOM s.r.o.
tel.: 241 760 100
Pod Vinicí 622
fax.: 241 764 822
143 00 Praha 4
www.mikrokom.cz