Rambler's Top100
Статьи ИКС № 09 2011
Денис МОРГУНОВ  13 сентября 2011

Испытания оптической проводки в ЦОДах. Стандартные методики и воспроизводимость измерений

В волоконно-оптических сетях передачи данных оценка величины бюджета потерь в линии требует итоговых сертификационных испытаний. Точность и воспроизводимость таких измерений особенно важны для случаев, когда протяженность спроектированной СКС приближается к предельным значениям для выбранной производительности системы и соответствующей технологии передачи данных.

Подразумевается, что необходимость проведения сертификационных испытаний стационарных линий (а в некоторых случаях и каналов) и те преимущества, которые получает от этого пользователь, очевидны для профессионального сообщества, поэтому мы не будем их рассматривать. Основная цель данной публикации – обзор существующих методик испытаний и рекомендаций стандартов для оптических СКС, а также особенностей и ограничений, накладываемых волноводной структурой волокна, пассивными оптическими компонентами, источниками и приемниками излучения в составе применяемого измерительного оборудования.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
В первой статье серии мы кратко обсудим состав сертификационных испытаний согласно рекомендациям стандартов и рассмотрим особенности ввода, возбуждения и распространения излучения по многомодовому волокну.

Рекомендации стандартов

Состав и периодичность испытаний оптической проводки указаны в стандарте ISO/IEC 14763-3, который определяет способы подтверждения соответствия параметров сертифицируемой СКС требованиям стандарта ISO/IEC 11801. В общем случае любая оптическая линия должна быть протестирована согласно принятому плану испытаний при помощи измерителя мощности с соответствующим типом источника излучения или рефлектометрическими методами на соответствующей центральной длине волны. Второй метод выступает как дополнительный, и его рекомендуется использовать для идентификации, локализации и поиска способа устранения неисправности в оптической линии.

Для сертификационных испытаний может быть принята одно- или двухуровневая модель (рассматриваемая в данной статье), которая определяет обязательные и дополнительные виды испытаний (табл. 1).

Таким образом, основным и обязательным способом подтверждения работоспособности оптической проводки и ее соответствия требованиям является измерение затухания в терминах либо стационарной линии, либо канала.

Здесь уместен вопрос о том, насколько получаемые результаты измерения достоверны и воспроизводимы в реальных условиях. Не секрет, что при использовании одного и того же измерителя мощности при испытании линии получают разные результаты, порой отличающиеся на 0,5 дБ и более. В чем причина?

Современные измерители мощности ведущих мировых производителей представляют собой автоматизированные комплексные системы, выполняющие измерение и обработку результатов по единому алгоритму. Причина расхождений результатов кроется в непостоянстве условий, при которых проводятся последовательные измерения. В первую очередь необходимо учитывать особенности волноводной структуры волокна, особенности ввода и распространения света.

Оптическое волокно

На практике в большинстве случаев в составе оптической СКС используются многомодовые волокна различных категорий с градиентным профилем показателя преломления. Анализ распространения света в сердцевине волокна подразумевает сложный математический аппарат и в большинстве случаев основан на приближенных решениях волновых уравнений, не всегда имеющих аналитические решения в явном виде. Чтобы упростить обсуждение, заменим реальные пространственные конфигурации полей лучевыми траекториями и введем следующие допущения:

• лучи образуют малые углы с продольной осью волокна (параксиальное приближение);

• волокна являются слобонаправляющими волноводами (малая разница между максимальным значением показателя преломления на оси сердцевины и значением показателя оптической оболочки волокна).

В общем случае в многомодовом волокне распространяется множество направляемых (удерживаемых сердцевиной) лучей, каждый из которых представляет собой дискретное решение дисперсионного уравнения и называется модой. Количество таких мод (модовый объем) зависит от конструктивных особенностей сердцевины волокна, профиля показателя преломления в сердцевине и длины волны излучения. Важно, что каждая мода (луч) распространяется под своим углом относительно продольной оси световода (рис. 1) и с различными постоянными распространения вдоль волокна. Группы мод, которые распространяются вблизи центра сердцевины (малые углы), называются модами низших порядков, а группы мод с большими углами относятся к модам высших порядков.

Очевидно, что распределение мощности излучения, переносимой каждой модой, будет определяться условиями ввода излучения от источника в сердцевину волокна. Возбужденные моды высших порядков, которые распространяются в непосредственной близости от границы раздела сердцевина – оболочка или даже частично в оптической оболочке, будут испытывать большее затухание на неоднородностях (оптические соединители, изгибы) в тракте, что приведет к высокому значению потерь в линии по результатам испытаний. Таким образом, условия ввода излучения в сердцевину волокна оказывают непосредственное влияние на результаты испытаний.

Условия ввода излучения

При падении электромагнитной волны на торец волокна не все направляемые моды сердцевины возбуждаются одинаково. Поэтому условия ввода определяют, как и в какой степени будут возбуждены группы мод низшего и высшего порядков. На практике для описания условий ввода используют два параметра: диаметр пятна и числовую апертуру (NA) светового пучка*. Если условия ввода таковы, что диаметр пучка превосходит соответствующее значение диаметра пятна моды сердцевины и (или) значение числовой апертуры, то можно говорить об условии ввода с переполнением сердцевины. В том случае, когда диаметр пучка и (или) числовая апертура равны 70% или менее соответствующих значений для самого волокна, принято говорить об ограниченном условии ввода (рис. 2).

Очевидно, что тип используемого источника в общем случае будет определять и условия ввода излучения в сердцевину волокна. Для полупроводникового лазерного источника ожидаемое условие ввода будет ограниченным из-за малых значений пространственной ширины пучка и угла расхождения. В противном случае использование светодиода в качестве источника приведет к переполнению сердцевины, так как ширина пучка может на несколько порядков превосходить значение диаметра пятна моды сердцевины волокна.

Как видно из рис. 3, при использовании светодиода (LED) вся торцевая поверхность сердцевины волокна равномерно засвечивается, и значительный объем вводимой мощности будет переноситься группами мод высших порядков. В этом случае результаты измерения затухания в тракте будут завышенными.

Особый интерес представляет полупроводниковый источник VCSEL, который сегодня используется в большинстве оптических трансиверов для передачи данных на короткие расстояния. Имея достаточно малую ширину пучка излучения, такой источник засвечивает лишь небольшую часть торцевой поверхности волокна, поэтому лишь часть из возможных модовых групп будет возбуждена в сердцевине. Здесь необходимо отметить, что вероятность возбуждения мод низших или высших порядков зависит от места на торце волокна, на которое падает пучок. Принимая во внимание малые, в общем случае, значения осевого смещения пучка относительно центра сердцевины, можно говорить о том, что большая часть мощности излучения будет переноситься модами низших порядков вблизи оси сердцевины. Таким образом, результаты измерений затухания в тракте при ограниченном условии ввода излучения могут оказаться излишне оптимистичными и не отражать реального положения вещей.

Из сказанного выше следует важный вывод: требования по контролю условий ввода излучения в процессе измерений должны быть неотъемлемой частью регламента проведения сертификационных испытаний.

Контроль условий ввода

На первый взгляд, критерий 70/70 (рис. 2), о котором шла речь выше, представляет собой удобное мнемоническое правило определения условий ограниченного ввода излучения или ввода с переполнением. Однако вне лаборатории обеспечить точность измерения геометрических параметров волокна и светового пучка практически невозможно. Поэтому указанный способ не вошел в существующие редакции стандартов методик тестирования СКС.

Коэффициент CPR. Второй способ определения условий ввода излучения основан на параметре CPR (coupled-power ratio), который позволяет оценить распределение мощности по сечению сердцевины волокна и, соответственно, между различными группами направляемых мод (рис. 4). Методика измерения детально описана в стандарте IEC 61300-3-31.

Очевидно, что большие значения CPR говорят о том, что основная часть мощности переносится модами высших порядков (значительное переполнение сердцевины), поскольку на стыке многомодового и одномодового волокон будут зафиксированы большие потери. Данная методика является удобным и доступным способом контроля ввода при проведении измерений затухания в оптическом тракте. Рекомендуемые значения CPR определены, например, в стандарте TIA/EIA-526-14A (для справки они приведены в табл. 2).

Модовый фильтр. В дополнение к измерению параметра CPR рекомендуется провести измерения, используя модовый фильтр – оправку с несколькими витками измерительного патчкорда. Очевидно, что слабосвязанные направляемые моды высших порядков становятся излучаемыми, как только возникает многократный макроизгиб волокна и нарушается условие полного внутреннего отражения на границе раздела сердцевина – оболочка. Таким образом, проведение последовательных измерений без модового фильтра и с ним позволяет оценить долю мощности, которая переносится слабосвязанными модами (рис. 5).

Для лазерного полупроводникового источника использование модового фильтра несущественно скажется на итоговых результатах измерений. Однако для светодиода наблюдаемые малые изменения могут означать низкое качество источника категорий 1–3 или плохую юстировку источника относительно волокна.

Использование оправки в общем случае позволяет снизить влияние «переходных» потерь, т.е. дополнительного прироста затухания в неустановившемся режиме. В этом случае прирост затухания на рассматриваемом составном оптическом тракте (в реальных условиях) может достигать 0,5–1,0 дБ в сравнении с затуханием на каждом отдельно взятом участке тракта, который тестируется в условиях ввода излучения с переполнением сердцевины.

Диаметр оправки и количество полных витков влияет на количество модовых групп, которые успешно излучаются за пределы сердцевины (переход от высших порядков в сторону низших порядков). Практика показывает, что при числе полных витков свыше 3–5 дополнительный прирост потерь незначителен. С физической точки зрения диаметр оправки влияет на силу преобразования направляемых мод в излучаемые из общего модового объема сердцевины. Кроме того, необходимо отметить, что эффективность фильтрации мод имеет спектральную зависимость, что обусловливает разные значения диаметра оправки для разных рабочих длин волн. Так, для многомодового волокна 50/125 с градиентным профилем диаметр оправки ( волокно в первичной оболочке, @850 нм) составляет 25 мм, для многомодового волокна 62,5/125 с градиентным профилем – 20 мм. Дополнительная информация представлена в стандарте TIA/EIA-455-34.

При проведении испытаний на объекте обычно используют измерительные шнуры, поэтому необходимо вычесть диаметр наружной оболочки патчкорда, чтобы определить необходимый диаметр оправки.

Унификация условий измерения

Из приведенных выше рассуждений становится понятно, что ни один способ контроля условий возбуждения световода не гарантирует воспроизводимости результатов измерений. Здесь стоит заметить, что при достаточном запасе бюджета потерь в линии вариация результатов не играет заметной роли. Однако в случае высокоскоростных систем передачи с малым допустимым бюджетом потерь (например, 16G Fibre Channel) расхождение в результатах измерений, например в 30%, может стать принципиально важным.

В 2009 г. был утвержден стандарт IEC 61280-4-1, в котором вводится новый параметр Encircled Flux (EF), определяющий распределение интенсивности излучения по поперечному сечению сердцевины волокна. С математической точки зрения он представляет собой относительную величину, поскольку рассчитывается как отношение потока мощности через элемент сечения сердцевины, ограниченный цилиндрической поверхностью с определенным радиусом, к общему потоку мощности через сердцевину. Таким образом, можно говорить о нормированной величине потока.

Основная цель введения нового критерия, унифицирующего условия возбуждения мод, состояла в том, чтобы исключить необходимость контроля излучения конкретного источника в процессе испытаний линии и определить требования к функции распределения интенсивности излучения на выходе из соединительного шнура от порта источника. Залогом достоверности и воспроизводимости результатов измерений при использовании различных источников является установка референсных точек функции распределения в окрестности границы раздела сердцевина – оболочка (большие значения радиуса сердцевины).

Стандарт определяет четыре референсных значения радиуса, для которых задается значение нормированного потока (табл. 3) через площадь сечения, ограниченного окружностью с этим радиусом (рис. 6).

Таким образом, ограничивая кривую распределения интенсивности, мы повышаем воспроизводимость результатов, так как исключаем или снижаем влияние «переходных» потерь, которые зависят от конкретного типа источника или условий возбуждения.

Продолжение – в следующем номере «ИКС».
Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!
Поделиться: