Затухание в оптических линиях связи и методы его измерения

На сегодняшний день в мире волоконно-оптических линий связи важную роль играет высокая скорость передачи данных. Одним из критериев достижения качества данной услуги является поддержание уровня мощности оптического сигнала в определенном диапазоне. Отсюда следует, что необходимо проводить контроль затухания света в волокне путем измерений с помощью специальных приборов. Для того, чтобы разобраться, а какое оборудование необходимо, рассмотрим сначала основные причины потерь сигнала на оптических линиях.

Затухание и потери света в оптических волокнах

Затухание является одним из критериев, на которые следует обращать внимание как при вводе ВОЛС в эксплуатацию, так и при ее обслуживании. Источники потерь могут быть разными, рассмотрим их.

1) Затухание сигнала из-за неоднородностей в волокне

Затухание – это уменьшение уровня мощности оптического сигнала при его распространении по волокну. Оптические волокна не являются идеальной средой передачи данных. На пути света встречаются неоднородности, из-за чего часть энергии на них поглощается, а часть рассеивается.

Также следует учитывать зависимость данных потерь в волокнах от длины волны распространяемого света. Данный график изображен на рисунке 3.

Согласно данному графику, затухание сигнала обуславливается релеевским рассеянием, которое уменьшается с увеличением значения длины волны. Минимальные значения достигаются в C- и L- диапазонах. Начиная с U-диапазона (1625-1675 нм) большую роль начинает играть инфракрасное поглощение. Типичные значения рассеяния (или километрического затухания) составляют 0.3 дБ/км на длине 1310 нм и 0.2 дБ/км на длине 1550 нм. В настоящее время на волокнах G.654 удалось достичь затухания 0.17 дБ/км на длине волны 1550нм. Уменьшение значения данного затухания, особенно на магистральных линиях, позволяет увеличить регенерационные участки, что в свою очередь приводит к уменьшению количества ретрансляторов. Это позволяет снизить и саму стоимость магистральных линий.

Также на графике проиллюстрированы «водяные» пики, которые характеризовали потери из-за водяных паров. Однако в современных стандартах волокон (например, G.652C) были улучшены технологии очистки и показатели рассеяния на данных длинах волн (1290 и 1383 нм) были уменьшены до типичных величин (0.3 дБ/км).

2) Потери на микро- и макроизгибах

Микроизгибами называют разного рода небольшие придавливания, растяжения или сгибы, которые возникают в результате внешнего воздействия на оптические волокна. По причине этого может нарушаться целостность сердцевины или ее геометрия в некоторых местах. Микроизгибы также могут возникнуть при производстве кабеля, когда само волокно сдавливается не слишком гладким покрытием.

Макроизгибы являются следствием чрезмерного изгиба и возникновением малого радиуса заворота, в следствии чего возникают дополнительные потери. У каждого типа или стандарта волокна есть минимально допустимое значение изгиба и при уменьшении этого радиуса сверхнормы, часть света, распространяющегося по сердцевине, будет выходить в оболочку и в конечном итоге теряться. Примеры микро- и макро- изгибов представлены на рисунках ниже.

3) Потери в месте соединения волокон

На сегодняшний день существуют три основных типа соединения оптических волокон:

• Сварное соединение (неразъемное). Выполняется с помощью сварочного оборудования. Является наиболее надежным соединением и с наименьшими потерями. Типичное затухание на нем не должно превышать 0.05 дБ.
• Соединение с помощью коннекторов (разъемное). Выполняется с помощью оптических коннекторов. Типичное затухание на нем не должно превышать 0.5 дБ. Более подробно узнать о разновидностях коннекторов можете в нашей статье: «Виды соединений оптических волокон (Оптические коннекторы)».
• Механическое соединение (условно неразъемное, менее популярное по сравнению с предыдущими). В данном способе очищаются сростки длиной около 6 см, а затем они помещаются в капсулы с иммерсионным гелем, который обеспечивает приемлемые потери.

Рисунок 6. Виды соединений волокон

4) Оптические сплиттера

Использование сплиттеров чаще встречается на FTTx / PON сетях. Они вносят разное затухание, в зависимости от коэффициента деления. Приблизительные значения указаны в таблице 1.

Подробнее об особенностях, разновидностях и измерениях на PON-сетях мы расскажем в отдельных статьях (следите за ними в разделе Блог (ссылка на раздел Блог)), т.к. данная тематика имеет свои подводные камни и сложности.

Методы измерения потерь

Цель измерения затухания сигнала в линии – убедиться, что фактические потери не превышают расчетные (бюджет затухания), определенные при проектировании системы. Превышение бюджета означает риск некорректной работы оборудования или полной потери связи. Измерения затухания проводятся на этапах:

1. Выпуск волокна: контроль качества с завода-изготовителя;
2. Приемка кабеля: проверка качества поставляемого оптического кабеля;
3. Монтаж: контроль качества при прокладке и в местах соединений;
4. Пуско-наладочные работы: проверка всей трассы перед сдачей в эксплуатацию;
5. Техническое обслуживание и поиск неисправностей: диагностика проблем, локализация повреждений.

Существует два основных метода измерения затухания в оптическом волокне. Рассмотрим их, а также какие где приборы необходимо использовать на примере оборудования EXFO.

Метод вносимых потерь (Insertion Loss Method - ILM)

• Принцип действия: более простой метод, чаще всего используемый в локальных сетях или на коротких линиях для измерения затухания или уровня мощности сигнала. Он измеряет общее затухание, вносимое на линии самим волокном и всеми событиями на нем находящимися путем сравнения опорного уровня оптической мощности (до включения в линию) и измеренного на линии.
• Процедура измерения:
  1. Источник оптического сигнала (стабилизированный по мощности и длине волны) и прибор для измерения уровня мощности и затухания сигнала в оптической линии (измеритель оптической мощности - OPM) соединяются напрямую через патч-корда. Измеряется и записывается опорный уровень мощности P1.
  2. Затем между ними подключается тестируемая линия. Измеряется уровень мощности P2.
  3. Затухание A (дБ) рассчитывается по формуле: A = P1 - P2. Для расчета усредненного километрического затухания полученное значение делится на длину участка и полученное значение будет измеряться в дБ/км.
• Преимущества: простота измерений, скорость теста, прямое измерение реальных потерь.
• Недостатки: требует доступа к обоим концам линии. Не позволяет локализовать место повышенного затухания (например, плохую сварку) вдоль кабеля – показывает только общее значение суммарных потерь. Точность зависит от качества соединения измерительных приборов с линией (чистота коннекторов) и синхронных настроек приборов на обоих концах.

Для проведения измерений данным методом нам понадобятся два типа оборудования: источник оптического излучения и измеритель оптической мощности. Есть также третий тип, который совмещает в себе функционал первых двух. Это оптический тестер. Его мы также рассмотрим.

Сначала рассмотрим источники оптического излучения (LS – Light Source). На данный момент среди ручных полевых моделей наиболее популярные у EXFO 2 модели: FLS-300 и FLS-600 (Рисунок 8).

Данные источник отличаются широким выбором модификаций с разными длинами волн излучения (850, 1300, 1310, 1490, 1550, 1625 нм), высокой стабильностью лазера (±0.10 дБ за 8 часов работы), а также различными режимами работы (непрерывный и с модуляциями 270 Гц, 1 или 2 кГц ).

Пару источнику составляет измеритель оптической мощности (OPM – Optical Power Meter). EXFO обновила линейку данного типа полевых компактных приборов и оставила модель Optical Power Expert (PX1) в двух модификациях: PX1 и PX1-PRO (Рисунок 9).

Данная линейка отличается компактными габаритами, легким весом и высокой надежностью. Они позволяют измерять как абсолютный уровень оптической мощности в линии (Вт, дБм), так и уровень оптических потерь (дБ). Ключевые особенности:

• Широкий диапазон измерений мощности как для стандартных уровней (модификации PX1-S и PX1-PRO-S) от -70 до +10 дБм, так и для линий с повышенным уровнем мощности (модификации PX1-H и PX1-PRO-H) от -50 до +26 дБм;
• Высокая точность измерения мощности (±5 %);
• Большой набор калиброванных длин волн (11 длин в модификации PX1 и 45 длин волн в модификации PX1-PRO);
• Возможность задавать пользовательские пороги прохождения на предмет «Годен» / «Не годен»;
• Энергоемкая батарея, позволяющая держать заряд на время работ в течение всего рабочего дня (до 10 часов).

Помимо этого, PX1-PRO дополнительно оснащен следующим функционалом:

• Встроенный визуальный локатор повреждений (VFL);
• Есть возможность составить список избранных длин волн (наиболее часто используемых);
• Автоматическое распознавание и переключение длин волн;
• Возможность устанавливать пользовательское значение длины волны с шагом 1 нм.

1-ый шаг: Сначала технический специалист устанавливает, какой выходной уровень мощности у источника, соединив его с измерителем (Рисунок 10).

Или, устанавливает эталонный (референсный) уровень для определения затухания на тестируемой линии (Рисунок 11).

2-ой шаг: Подключаемся к тестируемой линии. Если измеряем уровень мощности на выходе, то сразу видим уровень выходной мощности (Рисунок 12).

Тестируемая трасса – 2 км (около 0.4 дБ затухания) плюс два дополнительных разъемных соединений (если типичное 0.5 дБ, то около 1 дБ затухания). Приблизительно, на длине волны 1550 нм, общее затухание будет около 1,2-1,4 дБ.

Рассчитываем по формуле A = P1 - P2 наше затухание на линии (где P1 – эталонный уровень, P2 – измеренный на трассе).

A = P1 - P2 = 4,47 - 3,23 = 1,25 дБ.

Мы видим, что в результате нашего расчета уровень затухания приблизительно совпадает с заданным рассчитанным бюджетом линии, а значит на линии проблем нет.

Во втором случае, когда мы сразу установили эталонный уровень (Рисунок 10), при подключении к тестируемой линии измеритель сразу покажет уровень нашего затухания. А при установлении порогов, еще и укажет статус линии на предмет прохождения «Годен» / «Не годен» (Рисунок 13).

Как уже выше было сказано, измерять уровень потерь на линии можно и другим типом оборудования, оптическим тестером. Он объединяет в себе функционал источника оптического излучения и измерителя оптической мощности. Наиболее продвинутой и современной линейкой оптических тестеров у EXFO является линейка MaxTester 945 или просто MAX 945 (Рисунок 14).

Помимо функционала источник + измеритель, который позволяет померить вносимые потери, данные тестера способны также измерить обратные вносимые потери (ORL), длину тестируемой линии, проверить торцы ферулл оптических патч-кордов и розеток (с помощью подключенного оптического микроскопа), создавать отчеты по полученным результатам тестов и т.д. Также MaxTester 945 можно использовать для сертификации линий в дата центрах или ЦОДах.

Принцип измерения потерь остается таким же, как и описывался выше при использовании источника и измерителя.

Для более детальной информации по работе с MaxTester 945, рекомендуем ознакомиться со статьей «Описание методик тестирований линий с помощью оптического тестера EXFO MaxTester-945» (ссылка на будущую статью о тестировании линий с помощью MAX-945 разными эталонными методами).

На рынке, конечно, есть и более простые варианты оптических тестеров, как, например, KIWI-4400. Данное измерительное оборудование не поддерживает подключение оптических микроскопов и не могут измерить длину тестируемой линии. Они представляют из себя стандартный тестер, источник + измеритель (Рисунок 16).

Метод обратного рассеяния (Optical Time Domain Reflectometry - OTDR)

• Принцип действия: второй, более подробный метод измерения затухания на оптических линиях. Суть заключается в следующем: прибор типа OTDR посылает в волокно мощные лазерные импульсы с одинаковой периодичностью. Проходя по волокну, часть света рассеивается или отражается во все стороны за счет неоднородностей, мест сварок, разъемных соединений и прочих дефектов в волокне. Часть этого рассеиваемого света возвращается обратно в прибор. Анализируя мощность и время прихода этого обратного сигнала, прибор типа OTDR строит рефлектограмму – график зависимости относительной мощности вернувшихся обратно импульсов от расстояния до места их отражения.
• Анализ затухания: на рефлектограмме отчетливо видны:
  1. Начало и конец тестируемой линии;
  2. Отражающие события (соединения коннекторов, механические соединения, трещины) в виде пиков;
  3. Неотражающие события (места сварок, макроизгибов) в виде ступенек вниз или вверх (более подробно смотрите нашу статью «Как работать с рефлектометром: пошаговое руководство по тестированию ВОЛС» раздел «Чтение рефлектограммы» (вставить ссылку: https://expert-labs.ru/company/blog/kak-rabotat-s-reflektometrom/));
  4. Наклон кривой: участки рефлектограммы, расположенные между двумя соседними событиями. Представлен в виде прямой с плавным снижением вправо вниз. Такой наклон соответствует затуханию сигнала в оптической линии. Прибор типа OTDR автоматически рассчитывает коэффициент затухания для разных участков волокна.
  5. Расчет общего затухания линии, потерь на событиях, отражения от некоторых неоднородностей и т.п.
• Преимущества: позволяет измерять затухание и длину линии, используя доступ только к одному концу волокна. Неоценим для локализации событий (обрывов, макроизгибов, некачественных сварок или разъемных соединений) и оценки их качества на потери и отражения на предмет «Годен» / «Не годен». Способность отобразить на экране тестируемую линию в виде классической рефлектограммы или в линейном виде с помощью пиктограмм. Производит расчет километрического затухания (особенно важно на городских, магистральных и сверхдальних линиях).
• Недостатки: сложность интерпретации результатов по рефлектограмме для новичков или неопытных инженеров, требуется квалифицированный специалист. Наличие мертвых зон после отражающих событий, что может привести к некорректной оценке их качества. Вероятность некорректного подсчета километрического затухания на коротких линиях (из-за возможного большого скопления событий, зависимости типа полировки первого коннектора и значения длины волны).

Для проведения измерений методом обратного рассеивания используются оптические рефлектометры.

Компания EXFO обладает несколькими линейками рефлектометров, начиная с ручных и компактных и заканчивая моноблочными и модульными. Каждая модификация предназначена под свою область применения, будь то локальные сети, городские, PON-сети или магистральные. Они отличаются динамическим диапазоном, значениями мертвой зоны, общим функционалом, назначением, габаритами и т.д. Если вы хотите более подробно изучить вопрос выбора рефлектометра, то советуем ознакомиться с нашей статьей «Выбор оптического рефлектометра».

Также недавно у компании EXFO появился отдельный тип оборудования, среднее по функционалу между оптическим тестером и оптическим рефлектометром – оптический мультиметр Optical Explorer OX1. Принцип действия у него схож с OTDR, но саму рефлектограмму он не рисует, а найденные события и линию изображает в виде пиктограмм.

OX1 проводит измерения по принципу рефлектометра, посылает с определенной периодичностью лазерные импульсы. Это позволяет ему мерить такие параметры линии, как вносимые и возвратные потери, длину линии, а также локализовать и анализировать найденные события. За счет своего функционала отлично подойдет начинающим специалистам. Из особенностей:

• Позволяет тестировать линии до 20 км;
• Различные модификации с разными рабочими длинами волн (1310, 1550, 1650 нм);
• Также оснащен источником оптического излучения и измерителем оптической мощности;
• Подходит для тестирования FTTx / PON сетей с коэффициентом деления сплиттеров до 1:64.

Факторы, влияющие на точность измерений:

• Чистота коннекторов: Грязь, пыль или жир – основная причина ошибок и высокого уровня отражений. Используйте специальные чистящие средства: очистители OneClick, безворсовые салфетки с изопропиловым спиртом, ленты-очистители;
• Качественные патч-корда: на рынке присутствуют как совсем дешевые, которые можно использовать как расходный материал, так и специальные, эталонные, которые необходимы для сертификации в дата-центрах и ЦОДах;
• Стабильность лазера источника излучения и точность показаний измерителя оптической мощности: от этого зависит качество ваших измерений. В идеале брать измерительные приборы, которые внесены в Госреестр и поверяются в метрологических лабораториях;
• Корректные настройки перед измерением: например, следите за тем, чтобы длины волн на источнике и измерителе во время тестирования совпадали.
• Условия окружающей среды: если вы работаете в уличных условиях или на холоде, необходимо оборудование включить или немного «разогреть». Нельзя при таких условиях сразу начинать тесты, это может привести к некорректной работе или поломке оборудования.

Подведение итогов измерений

Полученные значения необходимо сравнивать с расчетными значениями при проектировании или, как принято говорить, с бюджетом линии. Обычно учитываются минимальные и максимальные возможные потери и строится из следующих пунктов:

• Расчетное затухание на длине волокна (дБ/км * км).
• Допустимые потери на сварных соединениях (типич.: 0.05 дБ на событии).
• Допустимые потери на разъемных соединениях (типич.: 0.5 дБ на событии).
• Дополнительные элементы (например, сплиттер)
• Дополнительный запас (обычно закладывается от 5 до 10 дБ).

Результат приемлем: бюджет линии больше, чем измеренное затухание.

Результат не приемлем: превышение бюджета. В таких случаях необходимо искать причину. Пара источник-измеритель здесь уже не поможет, в данном случае необходимо использовать оптический рефлектометр для выявления и локализации проблемы, а также оптический микроскоп для проверки поверхности ферулл коннекторов.

Заключение

Измерения затухания – не просто формальность, а важный процесс на всех этапах жизненного цикла ВОЛС. Техническим специалистам необходимо понимание физики процессов затухания, причин их появления (загрязненные коннекторы, плохие сварки, макроизгибы и прочее), а также умение владеть и правильно применять измерительное оборудование, как от простых источников/измерителей, так и более сложных, как оптические рефлектометры.

Точность – основа надежной связи!