ZKUŠENOSTI S MĚŘENÍM POLARIZAČNÍ VIDOVÉ

ZKUŠENOSTI S MĚŘENÍM POLARIZAČNÍ VIDOVÉ DISPERZE (PMD) JEDNOVIDOVÝCH OPTICKÝCH KABELOVÝCH TRAS
Martin Hájek
Úvod / Anotace
Polarizační vidová disperze – PMD je jevem, který se v posledních několika letech dostal z poněkud okrajové oblasti přímo do středu zájmu takřka
všech, kdo se zabývají vysokorychlostními přenosy pomocí optických vláken. Došlo k tomu díky stálému nárůstu požadovaných přenosových rychlostí a v důsledku rozšíření různých metod kompenzace vlivu chromatické
disperze. Z vlastností PMD vyplývá nutnost tento jev měřit ve všech etapách
života vlákna a tato měření se dnes již staly i standardní součástí přejímacích měření vysokorychlostních optických tras. V příspěvku bych se chtěl
zejména podělit o naše vlastní zkušenosti s měřením PMD, které jsme načerpali na již mnoha měřeních optických kabelových tras v České republice.
Klíčová slova: OPTICKÉ VLÁKNO, POLARIZAČNÍ VIDOVÁ DISPERZE,
PMD, DVOJLOM, MĚŘENÍ, OPTICKÉ KABELOVÉ TRASY, INTERFEROMETRICKÁ
METODA, POTDR
Polarizační vidová disperze - PMD
Signál se jednovidovým optickým vláknem šíří ve dvou navzájem kolmých tzv. polarizačních rovinách. Říkáme, že se signál šíří prostřednictvím
dvou polarizačních vidů. Pokud by vlákno bylo po celé své délce zcela homogenní a dokonale kruhové, podmínky šíření signálu budou pro oba tyto
vidy (tzn. v obou rovinách) stejné. Žádné optické vlákno ale ideálně kruhové a homogenní není a říkáme, že ve vláknu je přítomen tzv. dvojlom. Důsledkem dvojlomu se záření šíří v obou polarizačních videch různě rychle
a mezi vidy dochází k časovému zpoždění – PMD. Jelikož impuls nesoucí
informaci je tvořen oběma polarizačními vidy, dochází tím k jeho roztahování. Časové rozšíření impulsu vede ke snižování výkonové špičky signálu,
čímž se zhoršuje odstup signálu od šumu (SNR) a může dojít i k roztažení
impulsu až do sousedních bitových mezer. Oba tyto mechanismy zvyšují
chybovost a vedou k omezování přenosové rychlosti – viz. obr. č. 1.
Obr. č. 1 Princip PMD
ideální vlákno
reálné vlákno
impulsy
procházející
trasou
Dopad působení PMD na přenášený signál je obdobný působení chromatické disperze, i když je podstatně slabší. Zásadní odlišnost spočívá ale
v tom, že PMD je svou podstatou parametr závislý na celé řadě dalších faktorů. Příčinou PMD je nedokonalá kruhovost vlákna a její nehomogennost.
Ty jsou ovlivněny nejen samotnou výrobou vlákna (jako je tomu v případě
chromatické disperze), ale též výrobou kabelu a dále také veškerými dalšími vlivy způsobujícími jakékoliv deformace, ohyby a pnutí vlákna. Z toho
vyplývá, že velikost PMD vlákna je ovlivněna také kvalitou montáže trasy
a i vlivy okolního prostředí, např. teplotními změnami. Všechny tyto faktory
ovlivňují navíc PMD značně náhodným způsobem.
Kromě toho také zmíněné dva polarizační vidy se v telekomunikačních
vláknech nešíří nezávisle, ale dochází mezi nimi k intenzivní mezividové
vazbě. Telekomunikačními vlákny, na které je tento příspěvek omezen, rozumíme všechna jednovidová optická vlákna kromě speciálních vláken
s velkým dvojlomem, užívaných např. v senzorových systémech.
Výsledkem výše uvedeného je značná nahodilost a nevypočitatelnost
PMD, k níž je nutné přistupovat jako k náhodnému jevu závislému na mnoha různých faktorech, jehož hodnotu pro danou optickou trasu není možné
stanovit s dostatečnou přesností výpočtem.
Náhodný charakter PMD velmi ztěžuje i způsoby kompenzace jejích
vlivů. Přestože dnes již jsou komerčně dostupné účinné kompenzátory PMD,
jsou velmi drahé a nevhodné pro WDM systémy [1].
Zpoždění vlivem PMD dokonce kolísá i se změnou vlnové délky záření
a udávaná hodnota PMD představuje spektrální střední hodnotu. (To co
v článku nazýváme PMD se vlastně nazývá PMD 1. řádu a spektrální kolísání zpoždění vystihuje tzv. PMD 2. řádu. Tím se zde dále zabývat nebudeme,
neboť jeho vliv je ještě výrazně slabší a prozatím nás v drtivé většině případů znepokojovat nemusí.)
Statistický charakter PMD telekomunikačních optických vláken je vyjádřen i v jednotkách jejich PMD koeficientu:
[ ps /√km ] tzn., že celkové zpoždění nenarůstá se vzdáleností tak rychle
(lineárně) jako v případě chromatické disperze.
V dnešní době mají zpravidla vlákna v kabelu garantovánu hodnota
PMD koeficientu Ł 0,5 ps/√km, což je hodnota v porovnání s chromatickou
disperzí velmi nízká, přičemž skutečná hodnota PMD koeficientu bývá ještě
podstatně nižší (až o řád). Z těchto hodnot vyplývá, že PMD se začne výrazně uplatňovat až při vysokých přenosových rychlostech – v podstatě až
u systémů s přenosovou rychlostí 10 Gbit/s (STM-64) a vyšší. Hodnoty koeficientu PMD mohou být však vyšší v případě starších vláken vyrobených
před rokem 1997, kdy ještě PMD vláken nebylo pečlivě sledováno – čím starší vlákno, tím vyšší je riziko. Podle studie tehdejšího Bellcoru měla vlákna
vyrobená v roce 1996 z 20% větší koeficient PMD než 0,8 ps/√km [2], nebo
12% vláken vyrobených do roku 1998 mělo koeficient PMD větší než 1 ps/
√km [3]. (Pozn.: Pro vlákna, na nichž se uvažuje do budoucna o použití systémů s přenosovou rychlostí 40 Gbit/s se požaduje hodnota PMD koeficientu < 0,1 ps/√km.)
Na závěr této části můžeme konstatovat, že PMD je jev výrazně slabší
než např. chromatická disperze, uplatňuje se v podstatě až od přenosové
rychlosti 10 Gbit/s, ovšem jedná se o jev do značné míry náhodný, závisící
i na montáži trasy a vlivech okolního prostředí a obtížně a draze kompenzovatelný. PMD není možné pro optickou trasu exaktně spočítat a je ho
nutné měřit ve všech stadiích života vlákna – tedy také po výstavbě trasy.
Interferometrická metoda měření PMD optických tras
Jak bylo výše řečeno, hodnotu PMD optické trasy je nutné stanovit měřením a dnes již taková měření jsou na vysokorychlostních optických trasách standardem.
Existuje řada metod pro měření PMD, přičemž pro měření optických
tras v terénu se ukazuje jako nejvhodnější a je také nejrozšířenější metoda
interferomatrická, kterou užívá i naše měřicí souprava. Tato metoda je založena na interferenci nízko-koherentního optického záření. Blokové schéma
metody je na obrázku č. 2.
Na jednu stranu optické trasy se připojí zdroj záření – používá se širokospektrální LED dioda (nízkokoherentní zdroj záření), jejíž výstup je polarizovaný. Na druhém konci trasy v PMD analyzátoru zjišťujeme pomocí Michelsonova interferometru autokorelační funkci přicházejícího optického
záření. Detailněji je Michelsonův interferometr zobrazen na obrázku č. 3.
Optické záření se v interferometru rozdělí do dvou větví z nichž v jedné větvi
je pevné zrcadlo a v druhé zrcadlo pohyblivé.
Pohyblivým zrcadlem měníme fázový posun mezi signály obou větví
a pomocí jejich interference na detektoru zjišťujeme zpoždění vlivem PMD.
Obr. č. 2 Interferometrická metoda
měřená trasa
zdroj záření
polarizátor
PMD analyzátor
interferometr
Obr. č. 3 Michelsonův interferometr
zrcadlo
polopropustné zrcadlo
pohyblivé zrcadlo
detektor
Při měření není nutné provádět nastavování referenční hodnoty či používat další referenční cestu – používá se pouze samotné měřené optické
vlákno. Takto je možné měřit hodnoty zpoždění PMD od ~ 0,1 ps až po stovky ps, což je pro měření optických kabelových tras naprosto postačující.
Metoda je velmi rychlá a pro měření PMD optických tras dostatečně přesná.
Pro tyto své vlastnosti a svou odolnost proti vibracím vlákna je pro měření
optických tras v terénu velmi vhodná.
Na obr. č. 4 je ukázka interferogramu měření PMD telekomunikačního
vlákna. Kromě hlavní špičky (při níž jsou signály v obou větvích interferometru ve fázi) je na interferogramu patrné velké množství špiček, které vznikají
vlivem působení silné mezividové vazby. Pro vyhodnocení se takový náměr
prokládá Gaussovskou křivkou, z níž se odečítá hodnota celkového PMD
zpoždění trasy. Průměrný koeficient PMD vlákna trasy se spočítá ze zadané
délky vlákna.
Obr. č. 4 Ukázka náměru PMD telekom. vlákna interfer. metodou
• Stanovit směrodatnou hodnotu PMD zpoždění trasy z koeficientu
PMD vlákna kabelu z katalogových hodnot nelze. Dokonce v konfrontaci
s výsledky bychom takový výpočet nenazvali ani odhadem této hodnoty. To
ovšem neznamená, že udávaný koeficient PMD vlákna v kabelu není důležitý údaj. Jeho nízká hodnota je nutným předpokladem pro stavbu vysokorychlostních tras a u dnes vyráběných kvalitních vláken je samozřejmostí. Je
to však jen jeden z mnoha faktorů působících na výslednou hodnotu PMD
na trase a exaktně vyjádřit vliv oněch dalších faktorů je nemožné.
• Jak bylo několikrát zdůrazněno, hodnota PMD vláken trasy je výsledkem mnoha vlivů počínaje výrobou vlákna přes kabelování až po výstavbu
trasy atd. Důsledkem toho je, že hodnoty PMD se mohou lišit pro vlákna od
různých výrobců, z různých dodávek, ale i pro vlákna ze stejného kabelu
dokonce z jedné trubičky (i pro vlákna z kabelů dosud na bubnech). Naměřili jsme i více než desetinásobné rozdíly mezi vlákny trasy ze stejného kabelu.
Musíme proto počítat s tím, že různá vlákna trasy mohou mít hodnotu PMD
zcela odlišnou a může nastat situace výběru vláken pro nasazení systému.
Na obrázku č. 5 jsou uvedeny dvě ukázky z našich měření, které ilustrují rozmanitost hodnot celkového zpoždění vlivem PMD u jednotlivých vláken na
optické trase v jednom kabelu. U kabelu č. 1 (na trase dlouhé cca 20 km) jsou
hodnoty zpoždění různých vláken relativně velmi vyrovnané. Avšak u kabelu č. 2 (na trase délky cca 30 km) jsou výsledné hodnoty jednotlivých vláken
vzájemně naprosto odlišné, např. maximální a minimální hodnota se liší
třicetkrát. S oběma variantami se v praxi můžeme setkat a z uvedených příkladů také vyplývá, že stanovení takovýchto hodnot výpočtem je zcela nemožné.
Obr. č. 5
• V případě kabelů páskové struktury tzv. ribbonů, kde slepená vlákna
mohou být mechanicky více namáhána je situace ještě složitější a hodnotu
PMD je nutné kontrolovat zvláště u krajních vláken pásků, která jsou nejvíce
namáhána.
• Z měření co jsme prováděli jsme nezjistily obecné rozdíly mezi hodnotami PMD u kabelů úložných a závěsných.
• Obecně lze říci, že u starších vláken je riziko zvýšené hodnoty PMD
výrazně vyšší.
Použitá měřicí souprava
Na většině měřených tras jsme používali měřicí soupravu od výrobce
EXFO [4] obsahující polarizovaný LED zdroj záření na 1550 nm se spektrální
pološířkou ~ 65 nm, který naváže do jednovidového optického vlákna výkon ~ -20 dBm a dále PMD analyzátor s rozsahem měřeného celkového
zpoždění 0,1 až 115 ps. Souprava měla dynamický rozsah na 1550 nm 42 dB,
což nám umožňovalo měřit trasy dlouhé až přes 150 km. Měření probíhalo
velmi rychle – 10 až 20 s na jedno vlákno. Obsluha přístroje byla velmi jednoduchá, podstatně jednodušší než např. v případě měření útlumu trasy přístrojem OTDR. Kromě délky vlákna pro výpočet PMD koeficientu bylo třeba
zadat už jen to, že se jednalo o vlákna se silnou mezividovou vazbou, což
platí pro všechna telekomunikační vlákna v optických kabelových trasách.
Výsledkem každého měření je celková hodnota PMD vlákna optické trasy
[ps] a při zadání délky vlákna trasy též průměrná hodnota koeficientu PMD
vlákna [ps/√km].
Výsledky měření PMD optických kabelových tras
Z mnoha měření, která jsme prováděli na rozmanitých kabelových trasách u nás, při nichž jsme měřili i trasy s různými typy kabelů (závěsné, kombinovaná zemnící lana, uložené v zemi) lze vyvodit některé obecné poznatky.
• Z našich měření bohužel nevyplývá závislost PMD na jiném přenosovém parametru – např. útlumu. To platí pro hodnoty útlumu na 1310 nm
i 1550 nm a dokonce i pro poměr útlumů A(1550) / A(1310) vypovídající
o mechanických deformacích a ohybech vlákna. Ohyby vlákna PMD ovšem
nepochybně ovlivňují, je ovšem obtížné tento vliv nějak vyjádřit. Z měření,
které jsme prováděli laboratorně vyplývá, že bodový ohyb má vzhledem ke
svému dopadu na útlum vlákna vliv poměrně malý. Abychom vytvořili bodovým ohybem či deformací zpoždění PMD alespoň okolo 0,5 ps, je třeba
vlákno namáhat tak, že jeho útlum na 1550 nm se zvýší o více než 10 dB, což
představuje zpravidla daleko závažnější problém než zvýšení PMD. Problematičtější mohou být však i daleko slabší deformace vlákna, které se ale vyskytují na dlouhých vzdálenostech, přičemž tento vliv se dá jen velmi obtížně odhadnout.
• Bylo zmíněno, že zpoždění vyvolané jevem PMD se mění i s vlnovou
délkou a že tudíž samotné PMD (1. řádu) je definováno jako spektrální střední hodnota. U interferometrické metody je přímo tato střední hodnota měřena, neboť měříme širokospektrálním zdrojem záření. Kromě spektrální
oblasti 1550 nm jsme prováděli některá měření také v oblasti 1310 nm, výsledky měření se ovšem mezi sebou výrazněji nelišily.
• Na obrázku č. 6 je zobrazena četnost změřených hodnot koeficientu
PMD z několika set měření provedených na rozmanitých trasách různého
stáří a různých délek (od 2 km do více než 150 km), která nám může s trochou nadsázky prezentovat současný stav optických sítí v ČR z hlediska
PMD. Překročení hodnoty 0,5 ps/√km jsme naměřili asi u 10 % vláken, přes 1
ps/√km něco přes 4 %. Maximální hodnotu jsme naměřili 2,3 ps/√km.
Obr. č. 6
• Nejvyšší hodnoty celkového PMD zpoždění, které jsme zatím na trasách v terénu naměřili překračují 6 ps, což je již hodnota poměrně vysoká,
jelikož jsme ji naměřili i na trase kratší než 30 km. Nicméně pro provoz systému s STM-64 je to hodnota stále ještě ve většině případů vyhovující. Zpravidla bývá pro systémy s takovou přenosovou rychlostí mezní hodnota 10 ps
(1/10 bitové mezery 10 Gbit/s signálu). Některé systémy STM-64 tolerují bez
přídavné kompenzace i výrazně vyšší hodnotu (až 30 ps), jsou však i takové,
pro které je doporučená hodnota jen 5 ps. U systémů s pomalejší přenosovou rychlostí se s PMD v podstatě znepokojovat nemusíme.
Měření s optickým polarizačním reflektometrem P-OTDR
Na závěr příspěvku bychom se chtěli podělit o čerstvé zkušenosti s měřením s tzv. P-OTDR. Jedná se o využití známé metody měření zpětného Rayleighovského rozptylu ve vlákně, využívané zejména pro měření útlumu
optických tras. S P-OTDR je možné stanovit, které úseky kabelové trasy mají
pro dané vlákno zvýšenou hodnotu PMD koeficientu. Jelikož jeden několikakilometrový úsek s vysokým PMD nám může znemožnit nasazení vysokorychlostního systému i na dlouhé páteřní trase, je tato informace velmi
cenná. Díky ní můžeme například provést výměnu kritického kabelového
úseku, udělat v tomto místě trasy jiný výběr vláken pro vysokorychlostní
přenos nebo toto místo v síti obejít.
Měli jsme možnost měřit s přístrojem (od výrobce EXFO [4]), který vysílal
do vlákna měřicí impulsy polarizovaného záření a následně vyhodnocoval
stupeň polarizace záření zpětně rozptýleného z trasy (DOP). Ze střední hodnoty stupně polarizace DOP a rychlosti jeho změny se poté prováděl odhad
velikosti dvojlomu a intenzity mezividové vazby ve vláknu. Z těchto údajů se
nakonec stanovovala zvýšená hodnota PMD.
Na obr. č. 7 je ukázka výsledku měření P-OTDR na jedné optické trase
u nás. V horním okně zobrazují body pod reflektogramem průběh PMD na
trase. V prostředním okně je zobrazen průběh DOP (pro dva stavy polarizace
vstupního záření) a v dolním okně je křivka vypovídající o rychlosti změn
DOP – křivka klesá s touto rychlostí, tzn. že vrcholy křivky jsou oblasti, kde se
DOP mění zvolna. Zvýšená hodnota PMD je indikována nízkou střední hodnotou DOP = vysoký dvojlom a dále pomalejšími změnami DOP = slabá
mezividová vazba. Tato situace nastává v oblasti okolo osmého kilometru
trasy. S tímto přístrojem je tedy možné lokalizovat místa trasy se zvýšenou
hodnotou PMD.
Obr. č. 7
Závěrem
Měření PMD je již v dnešní době běžné i v České republice. Pokud provozovatel uvažuje o přenosových rychlostech STM-64, je vhodné (resp. nutné)
toto měření zařadit mezi standardní závěrečná měření optických tras. S tím,
jak se i takovéto rychlé přenosy u nás budou rozšiřovat, bude měření PMD
čím dál více nutné provádět a stane se běžnou záležitostí. U tras vykazujících zvýšené či dokonce hraniční hodnoty může pak být důležité provádět
tato měření i v odlišných podmínkách, kterým je kabel trasy vystaven, např.
v různých ročních obdobích a sledovat tím vliv teploty. Celosvětový vývoj
směřující k dalšímu zvyšování přenosové kapacity (ve světě již probíhá první
nasazování systémů s rychlostí 40 Gbit/s) povede ke stálému růstu poptávky
po měření disperzních vlastností vláken – zejména PMD.
Literatura
[1] firemní literatura a katalogové listy firmy Yafo Networks
[2] Chbat, M., W.: Managing polarization mode dispersion, Photonics
Spectra 6/2000
[3] Martin A., Sunil M., Thompson W., Muckelbauer M., Glow Networks Inc. 2001
[4] firemní literatura a katalogové listy firmy EXFO Electro-Optical Engineering
[5] Leblanc M., Fougeres A.: Polarization-OTDR: identifying high-PMD sections along installed fibers, Lightwave 2/2002
Ing. Martin Hájek
[email protected]
MIKROKOM s.r.o.
tel.: 241 760 100
Pod Vinicí 622
fax.: 241 764 822
143 00 Praha 4
www.mikrokom.cz