Kolozs Csaba - EQUICOM Kft. • Kromatikus- és Polarizációs Módus Diszperzió mérése a CWDM rendszereken

DefiníciókDiszperzió fogalma alatt szó szerinti jelentését nézve a jel szóródását értjük. A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy a bemeneti keskeny impulzusból a vevő detektorába már egy a bemeneti jelhez képest szélesebb és laposabb impulzus fog érkezni. A jel kiszélesedése könnyen átlapolódást okozhat az egyes impulzusok között nagy adatátviteli sebességeknél, ezért hatása nem hagyható figyelmen kívül a távoli és nagysebességű összeköttetéseknél.

A CWDM rendszerek esetén kizárólag egymódusú hálózatokról beszélhetünk, ezért kétféle diszperzióval foglalkozunk csupán, a kromatikus diszperzióval és polarizációs módus diszperzióval.

Kromatikus diszperzió (CD)A kromatikus diszperzió (CD) okozta jelalak torzulás körülbelül 1000-szer kisebb, mint a módus diszper- zióból eredő, ezért sokáig nem is foglalkoztak vele. Amikor viszont elkezdték alkalmazni az egymó-dusú (SM) üvegszálakat, a módus diszperzió hiánya folytán, a kromatikus diszperzió lett a legnagyobb hatással a jel kiszélesedésére. Ezen diszperzió abból ered, hogy egy SM üvegszálon, a különböző hullám- hosszúságú fények más-más sebességgel terjednek. Az eltérő terjedés miatt, pedig a vevőhöz egy kiszé-lesedett fényimpulzus fog megérkezni. A kromatikus diszperzió két összetevőre bontható az anyagi disz-perzióra, és a hullámvezető diszperzióra. Ez olyan jellemző, amelyet egyszer kell mérni, és az idővel sem változik az eredménye az optikai szál hibájából.

Polarizációs módus diszperzió (PMD)A polarizációs módus diszperzió (PMD) röviden nem más, mint a különböző polarizációs síkok egymáshoz

Kromatikus- és Polarizációs Módus Diszperzió mérése a CWDM rendszereken

3. ábra

2. ábra

1. ábra

2 EQUICOM Méréstechnikai Kft. • © 2012 Minden jog fenntartva • www.equicom.hu

sebesség 1 Gbit/s volt, addig a „csatlakoztasd és imádkozz” szabály nem volt annyira kockázatos, mert alacsony átviteli sebességekhez viszonylag nagy CD és PMD tolerancia tartozik.

Manapság a sávszélesség iránti növekvő kereslet kényszeríti a magasabb átviteli sebességre való átállást. Sajnálatos módon egy optikai szálról 10GigE hálózati alkalmazásra való áttérés előtt nem tudni e jellemzőket, egyszerűen nem elfogad- ható, más szóval a „csatlakoztasd és imádkozz” szabály többé már nem tolerálható.

Tudunk diszperziót mérni egy élő CWDM rendszeren?

Szerencsére a válasz „igen”. A diszperziós vizsgá-lathoz a legjobb gyakorlat az egyirányú diszper-ziós analizátor használata, amely automatikusan fogja tesztelni és mérni mindkét szóródási para-métert egyszerre.Két egyedi sajátossága van az ilyen eszköznek:• lehetőség a kromatikus diszperzió és a polari-

zációs mód diszperzió tesztelésének a szakasz egyik végétől a szabványos FOTP-168 (CD) és TIA FOTP-243 (PMD) módszerek használatával (nem szükséges hozzá fényforrás);

• képesség, hogy teszteljük a CD és a PMD érté-keket a speciálisan adott hullámhossz tarto-mányban.

Kromatikus diszperzió mérése általánosságban

A kromatikus diszperziót lehet közvetlenül mérni az adott hullámhosszokon, vagy közvetve. Közvetett mérésnél, az impulzus csoport késleltetési (group delay) idejét mérik a hullámhossz függvényében. A mért pontokra egy görbét kell illeszteni, majd deriválva a görbét megkapható a kromatikus disz-perzió értéke. Ha ezt még egyszer deriváljuk, akkor megkapjuk a CD slope értékét. A gyakorlatban a közvetett és közvetlen mérési módszert is alkal-mazzák. Ebben a részben két kromatikus diszperzió mérési módszert mutatunk be, melyek mindegyike közvetett módon méri a CD értékét. A két bemu-tatandó mérési módszer az impulzus késleltetési

viszonyított futásidő-különbségéből származó jel-szóródás. A PMD-vel az utóbbi időben kezdtek el részletesebben foglalkozni. A kromatikus diszperzió a nagytávolságú „alacsony” átviteli sebességű (<10Gbit/s) rendszerekben a jelátvitelre nagyobb hatással van, mint a PMD. A gyorsabb (≥10Gbit/s) átviteli rendszerek terjedésével kiderült, hogy a nagytávolságú jelátvitelnél a kromatikus diszper-zión kívül van egy másik korlátozó tényező, ez pedig a PMD. A polarizációs módus diszperzió csökkentésére az utóbbi időkben helyeznek nagy hangsúlyt, ezért egy régebben lefektetett optikai kábelszakasz PMD értéke sokkal rosszabb lehet, mint egy manapság lefektetett szakaszé (pl. G.652A típusú üvegszál).

A további PMD hiba okozója általában az optikai szál gyártási folyamatából ered, valamint a kábe-lezés vagy a helytelen telepítési gyakorlatok is felelhetnek a magas értékért. Ezen kívül az idő múlásával is kifejlődhet.

Diszperzió mérése mielőtt a CWDM rendszert telepítjük

Mindig ajánlott, hogy teljes mértékben jellemezzük az optikai szálat a távközlési alkalmazásokhoz az átviteli rendszer telepítése előtt: becsatolási veszteség, optikai reflexiós csillapítás, CD és PMD értékeket jelenleg „de facto” kell mérni bármely optikai hálózat telepítésekor. Hálózatok mérnöki csoportjai támaszkodnak ezekre az információkra, melyek segítségével kiválaszthatók az optimális adatátviteli eszközök a szakasz büdzsék és margók alapján.

Szintén erősen javasoljuk OTDR használatát is vagy egy iOLM feltérképezést a csatlakozók, hegesz-tések és a szálban keletkezett feszültségek ellenőr-zéséhez.

Diszperzió mérése a CWDM rendszer telepítése után

Néhány évvel ezelőtt a diszperzió tesztelése a Metro hálózatokon nem volt bevett gyakorlat, és sajnos sok olyan optikai szálat használnak CWDM rendszerhez, ahol nem vizsgálták meg a CD vagy PMD értékeket. Amikor a legnagyobb átviteli

Kolozs Csaba - EQUICOM Kft. • Kromatikus- és Polarizációs Módus Diszperzió mérése a CWDM rendszereken

Polarizációs módus diszperzió mérése általánosságban

Nagysebességű összeköttetések (≥10Gbit/s) egyik korlátozó tényezője a polarizációs módus diszper-zió, ezért fontos ismerni az adott optikai kábel-szakasz polarizációs módus diszperziójának a pontos értékét. Ma már rengeteg féle PMD-t mérő műszer van a piacon, melyek eltérő elveken mérik az optikai kábel PMD értékét.

A legtöbb műszer az adott kábelszakasz eredő PMD értékét méri meg, de létezik olyan műszer is (pl. EXFO POTDR-1100), mely a csillapítást mérő OTDR-hez hasonló eredményt ad. Ezeket a műsze-reket főleg régen lefektetett kábelek mérésénél használják, melyeket nagyobb sebességeken akarnak használni, de ezt az optikai kábel teljes PMD értéke nem engedi. A teljes összeköttetés cseré-jénél sokkal olcsóbb, ha csak az optikai kábel egy részét kell kicserélni. A cserélendő kábelszakasz helyét lehet kimérni a POTDR mérőkkel. Egy ilyen műszerrel a kábelt megmérve megkapjuk, hogy egyes kábelszakaszoknak mekkora a PMD értéke. Az eredményül kapott grafikonról pedig már köny-nyen leolvasható a problémás kábelszakasz helye. Bár megmérik az adott üvegszál „jó” és „rossz” szakaszait PMD szempontjából, de a teljes szakasz PMD értékét nem mérik. A teljes szakasz PMD értéke egyszerűen számítható az egyes szakaszok mért PMD értékéből. Az eredő PMD értékét adja a szakaszok értékeinek négyzetösszegéből vont négyzetgyök. Ma már létezik ennek egy továbbfej-lesztett változata is, ahol gyakorlatilag a diszperzió eloszlását mérjük és figyelembe vesszük a pola-rizációs állapoton kívül a szakaszról visszavert

(pulse-delay) és a fázis eltolásos (phase-shift) vagy a fázis különbség eltolásos (differential phase-shift) metódusok.

Impulzus késleltetési módszer (TIA/EIA FOTP-168) az élő CWDM rendszer méréséhez

A pulse-delay mérési módszernél az üvegszálon áthaladó impulzusok csoport késleltetési idejét mérik, több különböző hullámhosszon, vagy egy hullámhossz tartományban. Ez a módszer megva-lósítható egy OTDR felépítésű eszközzel, ennek előnye az egyoldalas mérés (elég a méréshez a szál egyik vége) és az alacsony ár. Régen e módszereknek számos hátránya volt. Egyik legjelentősebb, hogy diszperziót szenvedett jel érkezési idejének meghatá- rozásába hiba csúszhatott, annak kiszélesedett volta miatt, ráadásul az OTDR hullámhossz stabi-litása (±3nm) sem elég nagy. További pontosság romlást tudott okozni, hogy az OTDR maximum négy pontot vett fel a késleltetést ábrázoló grafikonba, e pontokra azonban nem lehetett elég pontosan görbét illeszteni, azaz egymástól messze lévő hullám- hosszak között a műszer extrapolálást végez, ami nagyon nagy hibaforrást vihet bele a kapott ered-ménybe. Ráadásul, ha a mért optikai szakasz eltérő típusú üvegszálakat is tartalmaz (más kromatikus diszperzió profillal rendelkeznek), akkor a felvett négy pont kevés ahhoz, hogy görbét lehessen illesz- teni rájuk. A jó hír, hogy 2009 év vége óta létezik már egy szabványos és jobb impulzus késleltetési eljárás (TIA/EIA FOTP-168), ahol az EXFO kifejlesz- tett egy 8 hullámhosszas megoldást, ráadásul a beépí- tett hangolható fényforrás segítségével e pontokat változtatni is lehet az adott igényeknek megfe-lelően 1475nm és 1626nm közti tartományban, melyet az ITU-T határozott meg. A műszer alapja szintén OTDR, de nem erre van a mérés kihegyezve, sőt az eljárás segítségével ugyanezen műszerben egy polarizációs állapotot mintavételező (SSA) PM analizátor is beépítésre került, ezáltal az előd műszerhez képest megmaradt a jó árfekvése, de nem, mint OTDR és kiegészített CD megoldás, hanem komplett CD/PMD mérőeszköz egyetlen kézi kivitelben.

4. ábra: Hangolható fényforrás alapú egyoldalas CD mérés

4 EQUICOM Méréstechnikai Kft. • © 2012 Minden jog fenntartva • www.equicom.hu

Splitter), majd áthaladva rajta a polarizáció keve- rőre jut (PS). A PS véletlenszerűen beállítja az üvegszálba becsatolandó fény polarizációs állapotát.

A fény az üvegszál végén reflektálódik és vissza- érkezik a műszerhez, ahol ugyanazon a polarizáció keverőn halad át, mint a szálba való belépés előtt. A PBS a visszaérkezett jelet két részre bontja a polarizációs állapotától függően, majd a két jelet egyszerre detektálják a fotodiódákkal (APD1, APD2).

CWDM hálózatok mérési beállítása

A CWDM hálózati elemek általában a következő interfészeket tartalmazzák:• 4 vagy 8 hullámhosszas bemenet/kimenet (szűrőzött)• egy expressz port (szolgálati vagy mérő interfész)• egy hálózati port (a hálózat irányába)

Különböző módon lehet CD és PMD paraméte-reket vizsgálni az élő rendszeren: egy még nem foglalt csatorna portján keresztül (pl.: 1551nm) vagy az expressz porton keresztül, ha minden csatornát használnak.

Rayleigh szóródást is, ami abban óriási segítség, hogy mint egy valós OTDR, eseménytől eseményig megtudjuk a PMD eloszlását és a nagy dinamika tartománnyal hosszú szakaszok is átmérhetők.

Polarizációs állapotot analizáló módszer (SSA, FOTP-243) az élő CWDM rendszer méréséhez

Ez a mérési módszer több okból is kivétel az egyéb PMD mérési megoldásoktól. Ez az előbb említett CD méréshez hasonlóan egyoldalas mérés, azaz elég az optikai kábel egyik végéhez hozzáférni, hogy meg- mérjük annak PMD értékét. A mérési elvet nemrég fejlesztették ki, és jelenleg csak egy cég terméke kapható a piacon, ami ezt a módszert használja.

A méréshez adónak egy aránylag keskeny spekt-rumú, de széles tartományban hangolható lézert használnak. A mérendő üvegszálba egy véletlen-szerű polarizációs állapottal rendelkező fényt csatolnak be, aminek a véletlenszerű polarizációs állapotát egy szabályzó állítja be. A detektálandó jel az üvegszál túlsó végéről reflektálódik, és visz-szaérkezik a műszerhez. Az üvegszál túlsó végén ilyen reflektáló hely lehet egy nyitott PC csatla-kozó, ahol a 4%-os Fresnel reflexió fellép, vagy a szál végére csatlakoztatott optikai tükör. A vissza-érkezett jelből az optikai kábel teljes PMD értéke kerül meghatározásra. A mérés kulcsa az, hogy sok-sok fényimpulzus párt csatolnak be az üveg-szálba, melyek hullámhossza egymáshoz közel esik. Ezek a szál végén reflektálódnak, majd vissza- érkezve a műszerhez detektálják őket. Minden impulzus párnak van egy nem korelálló polarizációs állapota és eltérő középhullámhossza.

A hangolható lézerhez a következő struktúra tartozik: egy gyűrű szerkezetű polarizációt tartó üvegszál, az erősítésről egy szélessávú félvezető erősítő gondoskodik (SOA1), és egy hangolható sáváteresztő szűrő (TBF), ami a hullámhossz szelek- tivitást biztosítja. A hangolható lézer a „Controlling and Signal Procesing” nevű dobozban van. A C1 csatolóval a folyamatos lézerfény kb. 25%-át kicsa- tolják a gyűrűből és modulálják a SOA2-vel, hogy a PMD méréshez megkapják a szükséges rövid, <1-20ms idejű fényimpulzust. A fény a C2 cirkulá-toron keresztül eljut a PBS-re (Polarization Beam

5. ábra: SSA módszerrel történő PMD mérés

6. ábra: CWDM rendszer mérése üres csatornán keresztül vagy a szolgálati ablakban

Kolozs Csaba - EQUICOM Kft. • Kromatikus- és Polarizációs Módus Diszperzió mérése a CWDM rendszereken

Az ilyen eszközök szabványos szűrőszélessége 20 nm. A műszer előnye, hogy úgy is konfigurálható, hogy a mérés az elérhető (nem működő) hullámhossz- tartományon belül legyen. Amikor egy üres csatorna portján végezzük el a mérést, és nem zavarjuk a szomszédos csatornákat, akkor csökkentjük a hullám-hossz tartományt 18 nm-ra a központi hullámhossz környékén.

UPC vagy APC csatlakozók a hálózatban?

Az FOTP-243 és az FOTP-168 módszertani megvalósí-tások az FTB-5700 CD/PMD analizátorban működni fognak mindkét csatlakozó típussal. Mindazonáltal egy ferdén csiszolt (APC) távoli patch panel csatla- kozóihoz rendelkezik egy FC/APC reflektorral (TJ-B58-MIRROR), amivel növelni is tudjuk a dinamika tartományt, ha kell.

CD mérés bizonytalansága egy korlátozott hullámhossz tartományban

A kromatikus diszperzió mérési bizonytalansága nem befolyásolja az eredményt a mért hullám-hossz tartományban, de szokás szerint bármely extrapolált hullámhossz bizonytalansága a csator-nák közti távolságban marad a mért hullámhossz tartomány és az említett extrapolált hullámhossz között.

PMD mérés bizonytalansága egy korlátozott hullámhossz tartományban

A PMD statisztikai jellege miatt (csoport futási idő kése- delem különbözősége a hullámhossz tartomány átlagá-ban), a PMD mérését a minél nagyobb hullámhossz tartományban ajánlott megtenni, ha van rá lehetőség.

A jó hír, hogy minél magasabb a PMD értéke, annál nagyobb az eredmények pontossága.

Konklúzió

Az FTB-5700 egyoldalas diszperziós analizátorral egyszerre és automatikusan, egy gombnyomással lehet jellemezni kromatikus-, valamint a polarizáció módus diszperziós paramétereket egyetlen végről (egy tech-nikus) egyenes (PC) csiszolású hálózati vég esetén annak ellenőrzésére, hogy a megadott csatornát lehet egy nagyobb átviteli sebességű jelre bővíteni vagy sem.

7. ábra: CD/PMD mérési konfigurálási lehetőség

8. ábra: DGD értéke a hullámhossz tartományban

9. ábra: Egyetlen mérés és GUI felület a CD/PMD méréshez

6 EQUICOM Méréstechnikai Kft. • © 2012 Minden jog fenntartva • www.equicom.hu

Amennyiiben a fenti mérési megoldásokkal kap-csolatosan tudunk Önnek segíteni, vagy ha bárkinek szakmai kérdése van a CD/PMD technológia méré-sével kapcsolatban, úgy kérem, hogy keresse az EQUICOM Méréstechnikai Kft. szakembereit, akik mindig készséggel állnak az Önök rendelkezésére.

Kérjük kérdéseivel, észrevételeivel forduljon bizalommal munkatársainkhoz.www.equicom.hu

EQUICOM Méréstechnikai Kft. © 2012 Minden jog fenntartva Jelen kiadvány a jogtulajdonos írásos engedélye nélkül sem részben, sem egészben nem másolható, sem elektronikus, sem mechanikus eljárással, beleértve a fénymásolást, számí-tógépes rögzítést is.

10. ábra: AZ EXFO FTB-5700 egyoldalas CD/PMD mérőműszere kézi FTB-200 kompakt platformban