Měření útlumu trasy

Měřítkem celkových ztrát optického výkonu ve vlákně je jeho útlum, který pro danou vlnovou délku můžeme definovat takto:

a(λ) = 10 log (P₂/P₁) [dB]

a(λ) útlum trasy na dané vlnové délce [dB]

P₁ výkon navázaný do vlákna na začátku tras [W]

P₂ výkon vyvázaný na konci trasy [W]

Pro klasifikaci útlumu vlákna vztaženého na kilometr délky definujeme vztah:

α(λ) = a(λ)/l [dB/km]

α(λ) měrný útlum [dB/km]

a (λ)útlum trasy na dané vlnové délce [dB]

l délka trasy [km]

Pro snadné výpočty optických tras používáme pro vyjádření výkonu generátorů záření nebo vstupního výkonu na detektorech, absolutní úroveň vztaženou k jednomu miliwattu výkonu (1 mW)

L(p) = 10 log (P/1 mW) [dBm]

L(p )výkonová úroveň [dBm]

P porovnávaný výkon [W]

1mW referenční výkon

Je- li L(p) kladné, je porovnávaný výkon větší, než 1mW; je-li L(p) záporné je porovnávaný výkon menší než 1 mW. Pro L(p) rovno nule je porovnávaný výkon roven 1 mW.

Metody měření útlumu

Pro měření útlumu jsou normami doporučeny tři standardní metody:

• metoda dvou délek (cut-back)

• metoda vložných ztrát (insertion loss)

• metoda měření zpětného rozptylu (backscattering metod)

První dvě metody využívají ke stanovení útlumu zdroj záření a měřič optického útlumu a jsou označovány jako transmisní (přímé) metody. Třetí metoda je založena na měření zpětného rozptylu optickým reflektometrem a je též nazývána metodou optické reflektometrie v časové oblasti (OTDR – Optical Time Domain Reflektometry).

Metoda dvou délek

Je nejpřesnější metoda měření útlumu, nazývána také referenční. Nevýhodou metody je její destruktivnost. Při každém měření se měřená trasa zkracuje asi o dva metry, proto není vhodná pro měření už zabudovaných tras. Vhodná je zejména pro měření v laboratořích. Schéma této metody je zobrazeno obrázku.

Obr. 1: Metoda dvou délek

Postup při měření metodou dvou délek

V prvním kroku měříme výkon na konci trasy, v druhém kroku měříme výkon na trase zkrácené na dva metry (vstupní výkon). Optickou vazbu generátor záření -vlákno nesmíme porušit. Útlum potom počítáme podle vztahu:

a(λ) = 10 log (P₂/P₁) [dB]

a(λ)útlum trasy na dané vlnové délce [dB]

P₁výkon navázaný do vlákna na začátku trasy [W]

P₂výkon vyvázaný na konci trasy [W]

Pokud bychom neměřili optický výkon, ale výkonovou úroveň, pak platí:

a(λ) = L_p1 – L_p2 [dB]

Lp₁výkonová úroveň na začátku vlákna [dB nebo dBm]

Lp₂výkonová úroveň na konci vlákna [dB nebo dBm]

Úrovně Lp₁, Lp₂ jsou v jednotkách decibel (dB), pokud detektor není kalibrovaný, v jednotkách decibel měrný (dBm) pokud je detektor kalibrovaný (hodnota 0 dBm odpovídá výkonu 1 mW).

Metoda vložných ztrát

Měření je zde dvoustupňové, podobně jako u metody dvou délek. V prvním kroku je soustava kalibrována propojením zdroje záření a měřiče optického výkonu měřícím spojovacím modulem. Modul má dvoumetrovou délku a je na obou koncích opatřen konektory. Tím získáme referenční hodnotu optického výkonu P₂ ve wattech. Ve druhém kroku připojíme měřenou trasu mezi zdroj a měřič výkonu a odečteme hodnotu P₁ opět ve wattech. Výpočet je stejný jako u metody dvou délek jak pro měření s výkony, tak pro měření s úrovněmi.

a(λ) = 10 log (P₂/P₁) [dB]

a(λ) = L₁ – L₂ [dB]

a(λ)útlum trasy na dané vlnové délce [dB]

P₁výkon navázaný do vlákna na začátku trasy [W]

P₂výkon vyvázaný na konci trasy [W]

Lp₁výkonová úroveň na začátku vlákna [dB nebo dBm]

Lp₂výkonová úroveň na konci vlákna [dB nebo dBm]

Jsou-li úrovně Lp₁, Lp₂ měřeny v jednotkách dBm, jde o absolutní úrovně počítané podle vztahu:

Lp₁ = 10 log P₁ /1 mW

Lp₂ = 10 log P₂ /1 mW

P₁ výkon navázaný do vlákna na začátku trasy [W]

P₂ výkon vyvázaný na konci trasy [W]

Schéma metody vložných ztrát je vyobrazeno na obrázku.

Obr. 2: Metoda vložných ztrát

Metoda měření zpětného rozptylu

Je založena na jiném principu než předchozí dvě metody. Při této metodě se vyhodnocuje časová závislost optického výkonu zpětně rozptýleného signálu při šíření úzkého optického impulzu optickým vláknem. Výhodou metody je možnost získat informace nejen o celkové hodnotě útlumu, ale také o rozložení útlumu na celé trase. Je možné ji využít také pro identifikaci poruch a pro dálkový dohled trasy. Měřič zpětného rozptylu (OTDR) se stává nejpoužívanějším přístrojem pro instalaci, měření a servis optických sítí.

Schéma metody je zobrazeno na obrázku.

Obr. 3: Metoda OTDR

Graf profilu trasy naměřený reflektometrem je zobrazen na obrázku.

Obr. 4: Graf profilu trasy  metody OTDR

Spektrální závislost útlumu optické trasy

V kapitole útlum optické trasy jsme uvedli vztah pro výpočet útlumu trasy ve tvaru:

A(λ) = 10 log (P₂/P₁) [dB]

A(λ) je útlum trasy na dané vlnové délce v decibelech [dB]. Ze vztahu vyplývá, že pro různé vlnové délky je útlum různý. Tuto závislost nejde popsat žádnou jednoduchou matematickou funkcí, každá vlnová délka má jiný útlum. Na útlumu vlákna se podílí celá řada ztrátových mechanizmů, můžeme je rozdělit na dvě skupiny:

• materiálové ztráty

• radiační ztráty

Materiálové ztráty

Materiálové ztráty jsou způsobené:

Absorpcí (pohlcením) záření v optickém vlákně a jeho rozptylem na nehomogenitách materiálu skla nebo poruchami geometrické struktury vlákna. K tomu dochází u moderních typů vláken především díky hydroxidovým aniontům OH^- v základním absorpčním pásmu 2,7 µm v blízké infračervené oblasti a rezonančními pásy ve viditelném spektru na vlnové délce 0,7 µm, 0,96 µm, 1,24 µm a 1,383 µm. Tyto vlnové délky jsou na grafu spektrální útlumové charakteristiky znázorněny jako absorpce OH^- anionty. Pro malé hodnoty útlumu (menší než 1 dB/km) je potřeba udržet koncentraci OH^- aniontů na hranici čistoty 1 z 10⁹.

Rayleighův rozptyl

Rozptyl na nehomogenitách rozměrově menších než je vlnová délka optického záření, nazýváme Rayleighův rozptyl. Uplatňuje se v každém optickém prostředí a nelze jej nijak odstranit. Ztráty Rayleighovým rozptylem určují teoretickou minimální mez útlumu na dané vlnové délce. V tabulce jsou uvedeny teoretické hodnoty útlumu způsobené Rayleighovým rozptylem pro vlnové délky:

Typická spektrální útlumová charakteristika telekomunikačního optického vlákna s vyznačením jednotlivých druhů materiálových ztrát je zobrazena na obrázku.

Obr. 5: Graf závislosti útlumu na vlnové délce

Z charakteristiky je patrné, že vhodných vlnových délek pro optické přenosové systémy není mnoho. Vhodné jsou označené jako 1., 3. pásmo nebo také telekomunikační okno.

Radiační ztráty

Skutečné optické vlákno nepředstavuje ideální válcový podélně homogenní světlovod. Již při tažení z preformy a při následném nanášení ochran a kabelování vznikají nepatrné podélné fluktuace vlnovodové struktury – tzn. mikroohyby.

Mikroohyby vedou k poruše podmínek šíření dominantního vidu u jednobodových vláken, nebo k vidové konverzi u mnohovidových vláken. Ta se projevuje částečnou ztrátou energie vedených vidů (nárůstem útlumu).

Radiační ztráty způsobují také makroohyby – ohyby, které mají poloměr ohybu v řádech centimetrů až milimetrů. Makroohyby vznikají zejména při pokládání kabelů.

Mnohovidová vlákna jsou na mikroohybech spektrálně nezávislá, jednovidová vlákna jsou naopak silně spektrálně závislá na mikroohybech. Čím větší vlnová délka, tím větší citlivost na mikroohyby.