549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_

Величина

«мертвой 14,99 13,63 12,49 11,53 10,71 9,99 9,37 8,82 8,33 7,89 7,53

зоны», м

Результаты расчетов «мертвой зоны» соответствуют ожидаемым, и наглядно доказывают, увеличение длительности импульса значительно увеличивает величину «мертвой зоны». Данные расчеты также указывают о необходимости установки как можно более точного значения показателя преломления ОВ, которое приводится в справочных данных оптических кабелей. Установлено среднее значение группового показателя

преломления одномодового волокна: ng 1.467 .

Рис. 1. Зависимости «мертвой зоны» от длительности зондирующего импульса при разных значениях коэффициента преломления

Рассматриваемые «мертвые зоны» представлены графически на рисунках 2 и 3. Коэффициент отражения оказывает существенное влияние на «мертвую зону». Обычно, чем меньше отражение, тем меньше значение «мертвой зоны». Поэтому при увеличении динамического диапазона прибора увеличивается значение «мертвой зоны».

261

Рисунок 2. «Мертвая зона» события («мертвая зона» отражения)

Рис. 3. «Мертвая зона» затухания

Это объясняется тем, что для обеспечения большего динамического диапазона при тестировании длинных линий, требуется более широкий световой импульс. Увеличение длительности импульса влечет за собой увеличение «мертвой зоны». Рефлектометры для коротких дистанций никогда не обладают широким динамическим диапазоном [1, с 58]. Сравнивая различные типы рефлектометров, важно знать, какое значение коэффициента отражения использовалось для оценки «мертвой зоны». Большинство поставщиков используют значение коэффициента отражения -55 дБ на одномодовом волокне. Взаимосвязь между динамическим диапазоном и «мертвой зоной» прямопропорциональна. При

262

тестировании и поиске повреждений локальных оптических сетей малое значение «мертвой зоны» имеет куда более важное значение по сравнению с динамическим диапазоном. Дистанции достаточно короткие, поэтому нет необходимости большого запаса динамического диапазона. С другой стороны, эти же самые короткие дистанции требуют минимизации «мертвой зоны» для корректного определения патчкордов и измерения затуханий на каждом из его концов.

Имеются две разновидности разрешающей способности: пространственная (расстояние) и по потерям (уровень). Разрешающая способность по потерям (по затуханию) – это способность измерителя различать воспринимаемые им уровни мощности. Большинство рефлектометров могут выводить на экран дисплея разность между уровнями обратного рассеяния вплоть до 0‚001 дБ. По мере распространения лазерного импульса по волокну соответствующие сигналы обратного рассеяния становятся все слабее, а разница между уровнями обратного рассеяния в двух смежных точках измерения становятся все больше. Таким образом, чем дальше импульс распространяется по волокну от рефлектометра, тем относительно больше (по сравнению с частью волокна‚ примыкающей к рефлектометру) становится расстояние по вертикали между точками с результатами измерений‚ образующими рефлектограмму. Это приводит к тому, что ближе к концу всего волокна рефлектограмма становится зашумленной и для своего выравнивания нуждается в усреднении множества результатов измерения импульсов. Шум на рефлектограмме может лишить возможности обнаруживать или измерять оптоволоконные соединения и дефекты с низкими потерями. Пространственная разрешающая способность (разрешение по расстоянию) – это параметр, определяющий‚ насколько близко друг к другу по времени (и‚ соответственно‚ по расстоянию) находятся отдельные точки с результатами измерений‚ образующие рефлектограмму. Эта способность выражается в единицах расстояния [1, с 59]

Пространственная разрешающая способность в некоторых местах уменьшается из-за наличия «мертвой зоны». Достоверные измерения затухания в волокне – это те, которые сделаны между двумя уровнями обратного рассеяния. Для измерения потерь нельзя использовать те точки измерений, которые были получены в то время, когда измеритель был в состоянии насыщения из-за френелевского отражения. Это связано с тем, что в то время измеритель не мог точно измерять уровни. Поэтому пространственная разрешающая способность в районе вокруг френелевского отражения – хуже (более низкая) из-за того‚ что единственные точки измерений‚ которые можно использовать‚ находятся до и после «мертвой зоны» по обе стороны оптоволоконного соединения.

В первом приближении пространственная разрешающая способность l зависит от длительности импульса t, излучаемого лазером, и ширины полосы пропускания усилителя

f [1, с 55]

где: c– скорость распространения световой волны в волокне; n – коэффициент преломления;

t– длительность импульса в тракте;

f – ширина полосы пропускания усилителя. В стандартном режиме f ~ 3МГц. В режиме максимального разрешения f ~ 30МГц [1, с 55].

При расчетах следует учесть влияние дисперсии на ширину импульса. Ширина импульса в тракте вычисляется по формуле:

263

где: tuвх – длительность импульса, излучаемого лазером;

– результирующая дисперсия.

Согласно рекомендации G.652 [1, с 62] коэффициент дисперсии в интервале длин волн (1525-1575) нм составляет не более 18 пс/нм км.

Результирующая дисперсия вычисляется в форме

уд l, (4)

где: уд – паспортное значение дисперсии, пс/нм·км;

– ширина спектральной линии источника излучения, в расчетах принята равной 0,5

нм;

l – длина оптического тракта, км.

Произведем расчет результирующей дисперсии по формуле 4

18 0,5 80 720пс.

Пример расчета ширины импульса в тракте при длительности зондирующего импульса

100 нс:

tuвых 10 7 2 7,2 10 10 2 100,00259нс.

Пример расчета пространственной разрешающей способности при длительности зондирующего импульса 100 нс:

Результаты расчета пространственной разрешающей способности в зависимости от длины оптического тракта, в расчетах принятой 80 км при разных длительностях зондирующего импульса сведены в таблицу 3.

Таблица 3 Результаты расчета пространственной разрешающей способности

Результаты расчета доказывают, чем меньше длительность зондирующего импульса, тем точнее результаты измерений. С приведенными в расчетах длительностями зондирующих импульсов разрешающая способность по расстоянию низкая.

Разрешающая способность по расстоянию оказывает влияние на способность рефлектометра определять местонахождение конца всего волокна: если точки измерений находятся друг от друга на расстоянии 8 м‚ то конец волокна может быть определен лишь с точностью ±8 м.

264

Литература

1.Горлов Н.И., Мехтиев А.Д., Эйрих В.И., Алдошина О.В., Кшалова А.А. Методы и средства измерения параметров волоконно-оптических линий: учебник. Караганда.:

КарГТУ, 2014. 293 с.

Алькина Алия Даулетхановна

Магистр «Инфокоммуникации», старший преподаватель, КарГТУ, г. Караганда e-mail: alika_1308@mail.ru

Ковтун Александр Анатольевич

Магистрант, СибГУТИ, кафедра «Линии связи», г. Новосибирск e-mail: kovtun_temir@mail.ru

265

Современное состояние теории и техники измерения поляризационной модовой дисперсии.

А.М. Ашкен, Н.И. Горлов

Распространение линейно поляризованной световой волны вдоль одномодового оптического волокна можно представить как сумму двух поперечных ортогонально поляризованных волн(для фундаментальной моды одномодового волокна величина продольной компоненты поля значительно меньше поперечной компоненты). В идеальном, совершенно симметричном волокне эти две ортогонально поляризованные моды имеют одну и ту же постоянную распространения. Таким образом, хотя световая энергия в волокне распределена между двумя поляризационными модами, это не вызывает расширения светового импульса. В то же время реальное волокно не является совершенно симметричным, и две ортогонально поляризационные моды имеют неидентичные постоянные распространения. При этом каждая поляризационная мода перемещаясь своей скоростью, приводит к возникновению временной дисперсии и увеличению длительности импульса на выходе волокна. Это явление носит название поляризационной модовой дисперсии.В данной работе обсуждается появление поляризационноймодовой дисперсии на оптическойволокне. Далее подробнее рассматривается что она из себя представляет, и далее какими методами можно их

измерить, в дальнейших главах об измерительных устройствах. Она обычно измеряется в пс (10-12 с).

Ключевые слова: поляризационная модовая дисперсия, оптическое волокно, ортогонально поляризованные компоненты, дисперсия.

1. Введение

Свет – это поперечные электромагнитные волны. Направление колебаний векторы электрического поля в идеально круглом волокне может быть любым в плоскости, перпендикулярной оптической оси. Поэтому фундаментальная мода в одномодовом волокне содержит две ортогональные поляризованные компоненты, то есть включает в себя две ортогонально поляризованные моды. В волокне с оптически идеальной симметричной круглой сердцевиной и оболочкой как в объемной изотропной среде моды обеих поляризаций распространялись бы с одинаковой скоростью. Небольшие отклонения сердцевины волокна или оболочки от идеальной вращательной симметрии, а также возникновение механических напряжений ведут к появлению двулучепреломления. Такие нарушения идеально круговой симметрии всегда присутствуют в реальных волокнах, поэтому в них ортогонально поляризованные компоненты световых импульсов (поляризационные моды) распространяются с несколько различными скоростями. Если входной импульс возбуждает обе составляющие поляризации, то у выхода из волокна он уширяется из-за того, что ортогонально поляризованные компоненты оказываются сдвинуты друг относительно друга. Разделение мод, а точнее их задержка друг относительно друга (в ПС), на выходе из волоконного световода называется поляризационной модовой

дисперсией (ПМД). ПМД играет важную роль в высокоскоростных ВОСП, особенно при использовании усилителей для увеличения дальности передачи информации и компенсаторов для уменьшения влияния хроматической дисперсии[1].

266

2. Теория поляризационной модовой дисперсии.

Поляризационная модовая дисперсия – это основной механизм, с помощью которого все дефекты волокна проявляются на характеристиках системы передачи.

В любой точке волокна импульс поляризованного оптического излучения можно разложить на поляризационные составляющие с двумя взаимно ортогональными состояниями поляризации, направленными вдоль двух локально ортогональных осей волокна, так называемых, быстрой и медленной осей. Отметим, что эти оси не обязательно соответствуют состоянию линейной поляризации. На практике, в уложенном в кабель волокне направление этих осей и относительная разность скоростей распространения по каждой оси (непосредственно зависящих от величины локального двулучепреломле-ния) изменяются вдоль оптического пути. Для идеализированной модели явление PMD можно представить так, что различные участки волокна имеют постоянные, но различные на каждом участке направления осей двулучепреломления. (Локальное изменение ориентации главных осей двулучепреломления волокна известно как явление связи мод.) На каждом участке волокна возникнет временная задержка между компонентами оптического сигнала, разложенного по быстрой и медленной осям. Из-за того, что направление осей двулучепреломления соседних участков волокна меняется случайным образом, форма и границы оптического импульса претерпевают статистическое временное расплывание[2].

Для каждой выделенной длины волны излучения можно подобрать такую ориентацию плоскости поляризации оптического импульса на входе, что импульс при прохождении волокна не будет испытывать никакого расплывания (по крайней мере, на достаточно коротком интервале времени измерения, когда можно пренебречь изменениями внешних факторов).

Действительно, существуют два взаимно ортогональных состояния поляризации, называемые основными состояниями поляризации PSP (PrincipalStateofPolarization). Одно из них соответствует самому быстрому, а другое самому медленному времени распространения импульса по волокну. Разница времен распространения называется дифференциальной групповой задержкой DGD (DifferentialGroupDelay), соответствующей данной длине волны. Величина задержки PMD определяется как значение DGD усредненное по длинам волн, рис.

1

Рис. 1. Значение величины DGD, усредненное по рабочему диапазону длин волн, определяет

значение PMD для волокна

Так как отдельные факторы, вызывающие поляризационнаямодовую дисперсию PMD, невозможно выделить и измерить, то явление PMD следует рассматривать как непрерывный и нестационарный стохастический процесс. Этот процесс приводит к уширению информационных оптических импульсов, что может ухудшить качество сигнала при его декодировании приемником, рис. 2. Таким образом, поляризационная модовая дисперсия является существенным фактором, ограничивающим скорость передачи по волокну.

267

Рис. 2. Передаваемые биты информационного сигнала (0, 1) по мере распространения по волокну уширяются так, что не могут быть обнаружены фотоприемником

PMD измеряется в пс для каждого конкретного участка проложенного волокна в линии связи, рис. 3

Рис. 3. Пример измерения PMD интерферометрическим методом

3. Методы измерения поляризационной модовой дисперсии

После прокладки кабеля многие параметры, в том числе и PMD, могут по ряду причин (деформации волокна, температурные изменения, натяжение и т.д.) испытывать отклонения от паспортных данных. Это требует проведения измерения PMD волокон после развернутой волоконно-оптической кабельной системы. Также в процессе эксплуатации следует проводить регулярные проверки параметра PMD.

3.1. Применение матриц Джонса (JME)

Для измерения PMD используют различные методы. Волновые поляриметрические методы – такие как анализ собственных значений матрицы Джонса JME (Jones-Matrix- Eigenanalysis), метод сферы Пуанкаре PS (PoincareSphere). Применение матриц Джонса (JME) позволяет напрямую определить разницу групповых задержек мод с основными состояниями поляризации в зависимости от длины волны. Анализ основывается на измерении собственных матриц устройств с линейной функцией передачи, на серии длин волн. Метод может быть использован для коротких и длинных волокон, вне зависимости от степени связи мод. Ограничение линейности исключает возможность использования оптических устройств, генерирующих новые оптические частоты. При этом ограничение временной инвариантности относится только к преобразованию поляризации, вызванному

268

устройством, и не включает абсолютную задержку оптической фазы.Схема измерения для метода JME включает настраиваемый узкополосный оптический источник излучения, поляризатор, переключаемый на три линейных состояния поляризации, быстрый поляриметр и компьютер, выполняющий функции контроля и обработки результатов измерений. Поляризация источника регулируется приблизительно до состояния окружности, чтобы сделать возможной передачу соответствующей моды через каждый поляризатор[3].

3.2. Метод сферы Пуанкаре

Метод сферы Пуанкаре заключается в фиксации значения состоянии поляризации на входе волокна, будем измерять значение поляризации на выходе, и оно является функцией частоты и подчиняется дифференциальному уравнению. Но метод сферы Пуанкаре в измерительных телекоммуникационных лабораториях вряд ли будет использоваться, из-за ограниченного применения поляриметров.

3.3. Метод волнового сканирования WSFA

Кроме вышесказанных методов широко используются методы анализа PMD: метод волнового сканирования WSFA (Wavelength-ScanningFixedAnalyzer) и

интерферометрический метод IM (InterferometricMethods). В методе сканирования длины волны, среднее значение дифференциальной групповой задержки определяется статистически исходя из количества максимальных и минимальных значений мощности на выходе анализатора по мере сканирования длины волны[6].

Хотя отклонение выходной поляризации в случае использования волокна с произвольно связанными модами является неустойчивым на любой длине волны, существует два основных состояния поляризации, при небольших отклонениях от которых, выходная поляризация будет изменяться в достаточно малом интервале длины волны. Согласно данному методу, результаты измерений накапливаются во время сканирования или пошаговых изменений длины волны источника (или приемника, в зависимости от схемы измерения). Для коррекции зависимости мощности источника и потерь вставки устройства от длины волны, как правило, требуется проведение эталонного измерения, которое осуществляется с удаленным анализатором. В противном случае эталонное измерение может быть проведено при повороте анализатора на 90 градусов. Так как полученные результаты не являются непосредственно значением PMD, они требуют последующей автоматизированной обработки – анализа результатов, который осуществляется подсчетом экстремальных значений или преобразованием Фурье[7].

3.4. Интерферометрический метод

Интерферометрический метод измерения PMD основан на измерении автокорреляции электрического поля световой волны или взаимной когерентности двух сигналов, излучаемых одним широкополосным источником. Как и методы задержки импульса и дифференциального смещения фазы, он основан на прямом измерении временной задержки[5].

Отличительной особенностью интерферометрического метода является возможность перемещения тестируемого волокна во время измерения, так как движение изменяет только детали интерферограммы, но не всю ее форму. Вследствие того, что интерферометрический метод позволяет быстро измерять большие значения PMD и схема легко разделяется на источник и приемник, этот метод используется для измерения инсталлированного волокна. Кроме этого, введение модуляции, он позволяет проводить измерение и линий с EDFA. Таким образом, интерферометрический метод характеризуется следующими особенностями:

269

измерение больших значений PMD требует пропорционального смещения подвижного зеркала;

при измерениях когерентность источника должна быть меньше, чем измеряемая задержка и, следовательно, ширина спектра источника должна быть большой;

измерение осуществляется быстро и независимо от вибрации волокна;

из-за отсутствия связи между входом и выходом волокна, этот метод идеален для полевых условий;

измерение осуществляется в широком динамическом диапазоне;

показания зависят от состояния поляризации на входе объекта измерения.

4.Анализ измерения поляризационной модовой дисперсии

линии с целью повышения пропускной способности измерение фактической ПМД позволяет

внедрение системы передачи на основе спектрального уплотнения (DWDM). В приложении CMA 5000а PMD реализован собственный интерферометрический метод, основанный на интерферометре Михельсона, рекомендуемом в EIA/TIAFOTP-124 и МЭК-61941, для быстрого получения точных результатов по всем необходимым параметрам PMD. В процессе каждого измерения происходит автоматическое вычисление величины PMD, коэффициента PMD от расстояния и значений PMD второго порядка, чтобы полностью охарактеризовать возможности каждого волокна для работы с максимальной скоростью передачи данных. Благодаря запатентованной в CMA 5000a реализации интерферометрического метода Михельсона обеспечивается самое быстрое в отрасли измерение. С помощью данногометода возможно проведение быстрых и точных измерений с относительной устойчивостью к вибрациям, которые возникают в волокне при измерениях. Возможно проведение тестирования в широком диапазоне в связи с наличием множества опций источников излучения. Помимо того, не нужно организовывать связь между источником и приемником в любом направлении передачи, благодаря чему этот метод является идеальным средством для проведения измерения PMD в проложенных кабелях. Приложение CMA 5000а PMD имеет собственный, простой в применении интерфейс. Нажав кнопку, можно получить профессиональный, исчерпывающий отчет измерения в стандартном формате PDF как на рис. 3. Кабель может содержать свыше сотни волокон, поэтому на счету каждая секунда измерения. Благодаря уникальной конструкции приложения CMA 5000а PMD пользователь становится обладателем самого быстродействующего прибора: на одно измерение – менее 8 секунд.

Заключение

В данной статье рассмотрены методы измерения поляризационной модовой дисперсии для достижения максимальной скорости передачи данных. С помощью данного метода возможно проведение быстрых и точных измерений с относительной устойчивостью к вибрациям, которые возникают в волокне при измерениях.

Показано, что использование CMA 5000a реализации интерферометрического метода Михельсона обеспечивается самое быстрое в отрасли измерение. Метод Михельсона рекомендуемым в EIA/TIAFOTP-124 и МЭК-61941, для быстрого получения точных результатов по всем необходимым параметрам PMD. Благодаря уникальной конструкции

270