Измерение оптических потерь в многомодовых системах: Encircled Flux, катушки-оправки или так обойдемся?

Особенно остро стоит вопрос с многомодовыми эталонными тестовыми шнурами (Test Reference Cords, TRC). В одномодовых изделиях производителю достаточно применить коннекторы эталонной точности изготовления и обеспечить качество полировки в соответствии с требованиями актуальных версий стандартов ANSI/TIA-526-7 и IEC 61280-4-2. Наличие единственной моды (пусть это представление упрощенное) позволяет не думать о проблемах, связанных с модами высокого порядка. В досанкционные времена при отсутствии одномодовых эталонных перемычек от производителей сертификационных тестеров (Fluke Networks, TREND Networks/Ideal Industries, Psiber и других) их успешно заменяли высококачественными изделиями других брендов – в основном западных поставщиков решений СКС. Есть все основания ожидать, что отечественные компании, налаживающие в рамках импортозамещения производство оптических шнуров на территории РФ, вскоре доведут качество одномодовых изделий до уровня, который позволит применять их в качестве эталонных. Разумеется, их цена будет выше, чем у обычных одномодовых шнуров, предназначенных для повседневной коммутации, но определенные шаги по улучшению качества уже сделаны.

В многомодовых же эталонных тестовых шнурах производители не только следуют стандартам ANSI/TIA-526-14 и IEC 61280-4-1 в отношении коннекторов и качества полировки, но и применяют различные методы для устранения мод высокого порядка, поскольку их наличие/отсутствие непосредственно влияет на точность измерения оптических потерь.

Многие специалисты, работающие с оборудованием для сертификации оптических СКС, знакомы с эталонными шнурами TRC, изготовленными с применением технологии Encircled Flux (рис. 1). Многие также помнят катушки-оправки («мандрели»), на которые наматывали пять витков многомодового шнура, подключаемого к порту источника излучения (рис. 2).

 

 

Диаметры катушек выбираются в соответствии со стандартом TIA-526-14 (сейчас действует версия D, но в документации производителей обычно стоит ссылка на предшествующую версию C). Цифры рассчитаны исходя из номинальных значений 25 мм и 20 мм для волокон 50 мкм и 62,5 мкм соответственно, выполненных в 900-микронном буфере. Для шнуров вносится поправка на толщину рубашки кабеля с округлением до целых единиц миллиметра, поэтому некоторые значения в таблице повторяются.

 

Эти требования едины для всех производителей приборов для сертификации волоконно-оптических систем, поэтому, хотя прямо это нигде не заявлено, катушки-оправки одних изготовителей вполне могут использоваться в сочетании со шнурами других.

Как технология Encircled Flux, так и применение катушек-оправок преследуют одну цель: убрать из передаваемого излучения моды высокого порядка, чтобы повысить точность измерения. При установке эталонного значения, когда модули прибора соединены единственной перемычкой небольшой длины, имеет место переполнение ядра модами (рис. 3). Моды высокого порядка, распространяющиеся по границам ядра и за его пределами, достигают измерителя; эталон сохраняется с учетом их мощности.

 

При подключении к тестируемому сегменту они затухают на первых же нескольких метрах кабеля, в итоге значение оптических потерь оказывается завышенным.

В свое время изучался вариант установки эталона на шнурах большей длины – не 2 м, как принято сейчас у производителей сертификационных тестеров, а 5–7 м, чтобы в таком метраже моды высокого порядка затухали до достижения измерителя. Однако столь длинные шнуры дают неприемлемо большой разброс результатов из-за изгибов кабеля – они каждый раз ложатся по-разному. Добиться должной повторяемости измерений в таких условиях не удается. Да и работать с такими длинными шнурами в условиях реальных объектов неудобно – они запутываются и быстро выходят из строя. От этого решения отказались.

Переполнение ядра модами характерно для всех светодиодных источников LED. Раньше они применялись в оборудовании передачи данных на скоростях до 1 Гбит/с, но современные мультигигабитные решения для многомодовых сред предусматривают использование лазерных источников VCSEL. Их излучение не переполняет ядро модами (рис. 4). Однако это создает другую проблему – риск занижения потерь. Излучение, не занимающее все поперечное сечение ядра, может «не заметить» ни отсутствие соосности волокон при стыковке разъемов, ни другие дефекты в сегменте.

Для сертификации такой подход неприемлем. Некоторые изготовители сертификационных тестеров (Microtest, например) в начале 2000-х выпускали измерительные насадки с источниками VCSEL, но их быстро сняли с производства, поскольку тогда же в стандартах тестирования было зафиксировано, что для сертификации должны применяться источники, заполняющие модами все поперечное сечение ядра.

Современные светодиодные источники LED в сочетании с технологией Encircled Flux либо с катушками­оправками отвечают этому требованию. И в том и в другом случае для устранения мод высокого порядка применяется контролируемый изгиб волокна.

В плоских конструктивах шнуров Encircled Flux волокно выложено единичным U-образным изгибом. В ходе производства таких изделий форма изгиба подбирается эмпирически при непрерывном инструментальном контроле излучения на выходе. Как только моды высокого порядка устраняются, изгиб волокна фиксируется навсегда. Каждый эталонный тестовый шнур получает не только паспорт качества полировки и параметров коннекторного соединения, но и сертификат соответствия требованиям технологии Encircled Flux.

Катушки-оправки используются в полевых условиях, шнуры на них наматываются вручную, и для получения достаточно стабильных результатов необходимо пять витков, а не один изгиб. И в том и в другом методе моды высокого порядка отсекаются, в то время как остальное излучение проходит дальше, заполняя (но не переполняя) поперечное сечение ядра (рис. 5).

 

Приведенные выше схемы позволяют получить представление о ситуации, но не характеризуют ее численно. Однако несложно поставить эксперимент для сравнения эталонных шнуров с неэталонными, а также численно оценить эффект от использования катушек-оправок. В измерениях участвовал комплект эталонных шнуров Fluke Networks 50/125 мкм класса OM3, в которых применяется технология Encircled Flux. Шнуры были в употреблении и имеют следы износа, но, как показано далее, принимаются прибором CertiFiber Pro для установки эталона и проведения измерений. Также в эксперименте использовались неэталонные многомодовые шнуры 50/125 мкм класса OM4, не относящиеся ни к брендированной зарубежной продукции, ни к более дешевому китайскому сегменту, а представляющие собой пробные изделия отечественной компании.

В начале эксперимента на шнурах Fluke Networks 50/125 мкм с технологией Encircled Flux было установлено эталонное («опорное») значение методом одной эталонной перемычки. Несмотря на определенный износ шнуров и наличие незначительных царапин на торцах коннекторов, эталонные значения, полученные на двух длинах волн для каждой из перемычек, легко уложились в диапазон, предусмотренный изготовителем (рис. 6).

 

В соответствии с мастером установки эталона в интерфейсе прибора следующим шагом были проверены вторые перемычки из фирменного комплекта. Параметры коннекторных соединений тоже оказались в пределах допустимого: потери составили 0,05 дБ; рекомендация производителя вписаться в 0,15 дБ соблюдена.

Необходимо отметить, что при установке эталона и проверке вторых перемычек не всегда достигаются одни и те же значения, даже если используются фирменные шнуры и применяются все необходимые средства очистки для волоконной оптики. Износ коннекторов и сам факт изготовления изделий с определенными допусками приводят к некоторому разбросу получаемых значений. Так, при повторных установках эталона и проверке вторых перемычек получены значения вплоть до 0,06 дБ и 0,14 дБ (рис. 7). Они тоже вписывались в рекомендации производителя, но одно из значений уже находилось на границе допустимого диапазона.

Установка эталона на пробных изделиях, предоставленных для эксперимента отечественной компанией, прошла успешно (рис. 8). Это ожидаемо: на принимающих портах прибора стоят собирающие линзы, и на этой стадии только откровенно «убитые» или чрезвычайно грязные шнуры вызвали бы сбой. Проверка значений в децибел-милливаттах больше нужна для того, чтобы убедиться в штатной работе источников излучения. Однако в данном случае меньшие по модулю эталонные значения при прочих равных условиях могут характеризовать отличие пробных изделий от фирменных эталонных шнуров.

 

Последующая проверка вторых перемычек стороннего производителя не позволила вписаться в рекомендации изготовителя прибора, сколько бы раз ни производилась очистка разъемов. Прибор CertiFiber Pro неизменно выдавал сообщение о том, что величина потерь на коннекторных соединениях тестовых перемычек превышает максимум, указанный в рекомендациях изготовителя. На рис. 9 показаны средние потери: 0,33 дБ и 0,40 дБ. В повторных экспериментах эти значения варьировались на несколько сотых в большую или меньшую сторону. При заявленном максимуме 0,15 дБ небольшие вариации не имеют значения: потери на коннекторных соединениях в любом случае слишком велики для использования шнуров в качестве эталонных тестовых перемычек.

 

Выданное предупреждение о превышении предела по потерям не означает, что прибор затем откажется проводить измерения с такими шнурами. Выполнить измерения можно, и значения потерь будут получены. Однако они окажутся выше, чем при использовании эталонных перемычек, соответствующих рекомендациям. Применять качественные перемычки в интересах специалистов, проводящих измерения, просто потому, что с ними они будут получать меньше результатов FAIL, особенно в пограничных случаях при жестких пределах тестирования.

На следующей стадии эксперимента шнуры отечественной компании­изготовителя были намотаны на катушки-оправки, соответствующие требованиям TIA-526-14-C (см. таблицу): аккуратно, по пять витков на конце, подключаемом к порту источника излучения. Установка эталона, как и ожидалось, прошла успешно, при этом опорные значения были ближе к величинам, полученным ранее на фирменных шнурах Encircled Flux. Проверка вторых перемычек снова показала на коннекторных соединениях превышение предела по потерям, однако уже на меньшую величину – потери составили 0,17 дБ и 0,24 дБ вместо прежних 0,33 дБ и 0,40 дБ (рис. 10). Разница существенная.

 

Некоторая доработка изделий отечественного изготовителя позволила бы при использовании катушек­оправок вписаться в рекомендованные пределы 0,15 дБ – предпосылки к этому есть. В одномодовой среде, для которой предельное значение составляет 0,25 дБ, тот же изготовитель уже достиг определенных успехов – практически без нареканий проходит не только установка эталонного значения, но и проверка вторых шнуров. Ведется работа над тем, чтобы «вписывание» в предел происходило с запасом больше, чем сейчас, и с более высокой воспроизводимостью результатов. Но в многомодовых изделиях рекомендации по предельным потерям для эталонных перемычек изначально строже, к тому же в среде передачи сказываются эффекты модовости. Из-за этого процесс совершенствования изделий сложнее и занимает больше времени.

На заключительном этапе эксперимента было проведено сравнительное тестирование одного и того же короткого многомодового сегмента 50/125 мкм класса OM4: сначала при помощи фирменных эталонных шнуров Encircled Flux, затем с использованием изделий отечественного изготовителя с установленными на них катушками-оправками. Как уже отмечалось, даже при выдаче сообщения о превышении потерь при проверке вторых перемычек прибор не отказывается затем провести измерение с их использованием. При настройках пределов тестирования в соответствии со стандартом TIA/EIA-568.3-D (0,75 дБ на каждое коннекторное соединение) измерения с обоими комплектами перемычек дали результат PASS (рис. 11).

 

Полученные при этом численные значения существенно отличаются друг от друга. Сертификация короткого сегмента фирменным комплектом шнуров Encircled Flux дала значения 0,14 дБ и 0,23 дБ, в то время как использование оте­чественных изделий – 0,46 дБ и 0,44 дБ. Несмотря на применение катушек-оправок, значения потерь во втором случае выше на те же 0,2÷0,3 дБ, что и на этапе проверки вторых перемычек после установки эталона. Такая разница может быть критична для требовательных систем, например, в центрах обработки данных, где в расчетах бюджета затухания ВОЛС важна каждая десятая доля децибела.

Хотя по итогам эксперимента изделия сторонних изготовителей уже сейчас можно было бы применять в измерениях (приборы «не откажутся» от их использования), но погрешность результатов пока слишком велика. Необходимо еще некоторое время, чтобы довести стороннюю продукцию до эталонного уровня. Применение таких шнуров в сочетании с катушками-оправками – дело ближайшего будущего. Не исключено также освоение отечественными производителями технологии одиночного контролируемого изгиба, такого же, как в перемычках Encircled Flux. Но это уже вопрос более отдаленной перспективы.

В среде производителей сертификационных тестеров неоднократно обсуждалась тема встраивания модового фильтра в оптические насадки к приборам. Идея представляется ра­зумной: вместо того, чтобы наматывать участок шнура на катушку-­оправку или встраивать в эталонные перемычки плоский конструктив с одиночным контролируемым изгибом волокна, можно предусмотреть такой же изгиб внутри самого оптического модуля. В отличие от тестовых шнуров такой фильтр не будет подвержен ни механическим деформациям, ни износу.

Однако в стандартах, регламентирующих сертификацию многомодовых оптических систем и реально применяющихся сегодня на практике, есть положения о том, что в сертификационных тестерах на выходе из источника излучения должен иметь место режим подключения с переполнением ядра модами (Overfilled Launch). Это означает, что от мод высокого порядка следует избавляться не внутри измерительного оптического модуля, а вне его – либо с помощью катушек-оправок, либо с использованием технологии Encircled Flux. В этом тоже есть свой смысл: параметры такого внешнего модового фильтра всегда можно проверить, подключив лабораторное измерительное оборудование к обоим концам тестового шнура. А как проверить характеристики модового фильтра, встроенного в оптический измерительный модуль и потому не имеющего второго конца? Впрочем, не исключено, что под давлением производителей измерительного оборудования, здравого смысла и новых технологических достижений формулировки в стандартах будут обновлены, и идея модового фильтра, встроенного в оптические насадки, в том или ином виде все же найдет применение.

***

Использование катушек-оправок и технологии Encircled Flux для тестирования многомодовых сред при прочих равных условиях позволяет улучшить результаты измерения в среднем на 0,2÷0,3 дБ за счет устранения мод высокого порядка.

Шнуры эталонного качества дают более точные результаты измерения, чем неэталонные изделия даже в сочетании с катушками-оправками (во втором случае измеренные значения потерь существенно выше). Для сертификационных измерений необходимы шнуры эталонного качества.

На отечественном рынке оптических СКС спрос на эталонные тестовые перемычки растет. Доставка таких изделий из-за рубежа крайне проблематична. В ближайшее время в рамках импортозамещения можно ожидать появления отечественных изделий эталонного качества как для одномодовых, так и для многомодовых сред.

Заметили неточность или опечатку в тексте? Выделите её мышкой и нажмите: Ctrl + Enter. Спасибо!

<< Предыдущая статья   Вернуться к содержанию   Следующая статья >>