Merania v optických zariadeniach - prenosová metóda.

Tento článok je zbierkou poznatkov pre inštalatérov, ktorí majú za úlohu overiť správnosť inštalácie optických vlákien. Článok podrobne opisuje všetky aspekty týkajúce sa koncepcie a postupov merania prenosu, t. j. pomocou optického merača výkonu (OPM - Optical Power Meter//) a zdroja svetla (LS - Light Source//) alebo súpravy na testovanie útlmu (OLTS - ///Optical Loss Test Set//).

.

Medzi meracími metódami definovanými normami PN-ISO/IEC 14763-3 a PN-EN 61280-4-2 môžeme rozlíšiť metódy spojené s tzv. základnými a rozšírenými skúškami. Základné skúšky ("Tier 1") umožňujú určiť zhodu dokončeného kanála alebo pevného spojenia s požiadavkami danej aplikácie (napr. jednej z aplikácií Ethernetu) a v prípade potreby certifikovať sieť. Rozšírené testy ("Tier 2") sa zvyčajne používajú ako doplnok k základnému testu alebo v situáciách, keď základný test poskytuje negatívny výsledok a je potrebné overiť presnú príčinu tejto situácie.

Uvedené normy definujúce parametre, metódy a postupy merania priamo súvisia s normami pre štruktúrovanú kabeláž ISO/IEC 11801 a EN 50173. Inštalatéri, ktorí realizujú takéto siete a vykonávajú ich certifikáciu, by mali prísne dodržiavať pravidlá definované v normách a používať zariadenia, ktoré umožňujú vykonať takéto skúšky a vydať príslušnú certifikáciu. V praxi je schválené zariadenie definované v záručných podmienkach výrobcu štruktúrovanej kabeláže.

Existuje však oblasť inštalácií, ktoré sa nevykonávajú podľa noriem pre štruktúrovanú kabeláž a pri ktorých sa neočakáva žiadna nákladná certifikácia. V týchto situáciách však investori často očakávajú dokument, ktorý potvrdzuje, že inštalácia bola vykonaná správne a bude fungovať, keď k nej bude pripojené aktívne zariadenie. Často chce tiež overiť, či parametre inštalácie, ako napríklad jej útlm, umožnia jej použitie na konkrétne aplikácie. Ako teda postupovať? Aké meracie zariadenia by sa mali použiť? Na aké normy sa treba odvolávať? Ako správne vykonať postup merania?

Rozdelenie metód na základné testy uvedené v prvom odseku a rozšírené testy je určite niečo, čo by mal každý inštalatér zaviesť do svojej práce.

Základný test je test, pri ktorom sa primárne meria útlm vytvoreného kanála. Pri takomto meraní, ktoré sa nazýva meranie prenosu alebo prenosová metóda, sa používa stabilný zdroj svetla a merač optického výkonu. Stručne povedané, tieto zariadenia pripojené k obom koncom optického spojenia umožňujú merať útlm, ktorým spojenie prispieva. Útlm (vložný útlm) je zďaleka najdôležitejším parametrom, ktorý treba zohľadniť pri overovaní inštalácie optických vlákien. Tu sa vo všeobecnosti končia možnosti lacných a populárnych zdrojov svetla a meračov optického výkonu. Veľmi drahé súpravy určené na certifikáciu sietí umožňujú navyše meranie parametrov, ako sú: oneskorenie šírenia spojenia, dĺžka spojenia a spojitosť spojenia. Mimoriadne dôležité je, že umožňujú aj vyhodnotenie zhody výsledkov so zvolenými predpokladmi alebo normami a vypracovanie správy o meraní. Absencia takejto možnosti v prípade lacných meračov a svetelných zdrojov spôsobuje, že inštalatéri obracajú svoju pozornosť na zariadenia, ktoré umožňujú rozšírené testy, najčastejšie reflektometre OTDR.

.

Meranie pomocou zdroja svetla a merača optického výkonu v súlade s normou PN-EN 61280-4-2 alebo ISO/IEC 14763-3:2014 je základným prostriedkom na overenie správnosti optického spojenia. Môže tiež tvoriť základ certifikácie siete špecifickej pre danú aplikáciu.

Myšlienka metódy merania prenosu je jednoduchá. Na jednej strane pripojíme zdroj svetla so známym výkonom a na druhej strane optický merač výkonu. Pri pripájaní zariadení používame testovacie patchcordy.

Poznaním výkonu zdroja svetla, ktorý vstrekuje signál do optického vlákna, a odčítaním výkonu na optickom merači výkonu dokážeme určiť, aká veľká časť výkonu zdroja sa vyzrážala, alebo inými slovami, aký je útlm vytvoreného spojenia. Väčšina dostupných zdrojov svetla generuje výkon pri -5 dBm. Ak na merači výkonu pripojenom na druhom konci odčítame napríklad -8 dBm, bude to znamenať, že útlm meraného vedenia je 3 dB.

Vykonanie merania uvedeným spôsobom bez vykonania tzv. nulovacieho postupu meracieho systému však podlieha veľmi vysokej neistote a nemožno ho považovať za spoľahlivé meranie. Neistota merania je spôsobená niekoľkými problémami. Medzi najdôležitejšie patria:

S cieľom znížiť neistotu merania normy PN-EN 61280-4-2 a ISO/IEC 14763-3:2014 predpisujú postup nazývaný nulovanie systému, známy aj ako kalibrácia meracieho systému alebo referenčné meranie (vykonávané vzhľadom na inú hodnotu). Existujú 3 metódy nulovania systému: metóda 1 patchcord, metóda 2 patchcord a metóda 3 patchcord. Všetky zahŕňajú to isté - prepojenie svetelného zdroja a merača výkonu pomocou meracieho patchcordu alebo patchcordu a následné uloženie získaného výkonu ako referenčnej hodnoty pre ďalšie meranie, ktorá už bude skutočným meraním na vykonanej linke. Názov "systémové vynulovanie" súvisí s tým, že používateľ spravidla po prepojení zariadení s meracím patchcordom (patchcordy) stlačí na meracom prístroji tlačidlo "REF" alebo podobné tlačidlo, čím sa aktuálne odčítaný výkon uloží do pamäte prístroja a na displeji meracieho prístroja sa zobrazí hodnota 0 dB. Od tejto chvíle bude všetko, čo je dodatočne zapojené medzi zariadeniami (najmä vyrobené vedenie, ktoré chceme merať), generovať dodatočný útlm, ktorý sa bude priamo zobrazovať na obrazovke merača. Myšlienka vynulovania systému pomocou každej z troch metód je uvedená nižšie.

Po vynulovaní systému odpojte zariadenia a potom ich pripojte k rozvodným skriniam na meranie útlmu zavedeného vedením. Neodpájajte prepojovací kábel od svetelného zdroja, pretože pripojenie a odpojenie zástrčky v tomto bode generuje zakaždým mierne odlišné hodnoty útlmu.

Zoberme si príklad zo začiatku poznámky, v ktorom bol útlm meranej linky bez vynulovania obvodu 3 dB. Predpokladajme, že teraz meriame to isté vedenie, ale meraniu predchádza vynulovanie obvodu metódou dvoch patchcordov. K meraču pripojíme zdroj s deklarovaným výkonom -5 dBm pomocou dvoch patchcordov a adaptéra a na merači dostaneme indikáciu výkonu -6 dBm. Z toho vyplýva, že patchcordy merača prispievajú k útlmu 1 dB. V skutočnosti nevieme, aký veľký útlm spôsobujú samotné patchcordy, pretože si stále nemôžeme byť istí deklarovaným výkonom zdroja (ak by zdroj generoval signál -5,2 dBm, útlm patchcordu by bol 0,8 dB). Napriek tomu to v tejto chvíli nie je dôležité. Dôležité je meranie, ktoré vykonáme v druhom kroku, vzhľadom na hodnotu výkonu uloženú v merači (v tomto prípade -6 dBm). Obvod vynulujeme stlačením tlačidla REF. Po vynulovaní obvodu pripojíme zariadenie k meranému vedeniu a na obrazovke merača získame hodnotu -2 dB. Nameraná hodnota útlmu vedenia je bez vyššie opísaných neistôt merania.

Každá z týchto troch metód nulovania meracieho systému v dôsledku použitia rôzneho počtu patchkordov nakoniec vygeneruje mierne odlišný výsledok merania pri určovaní referenčného výkonu. Ktorú z nich by ste si teda mali vybrať? Intuícia zvyčajne naznačuje metódu dvoch patchcordov, pretože práve toľko ich použijeme pri konečnom meraní. Ukazuje sa však, že táto metóda je menej presná ako metóda jedného patchcordu a pri nulovaní obvodu by sa mal vždy, keď je to možné, použiť práve jeden patchcord.

.

Keďže na pripojenie zdroja svetla a optického merača výkonu k meranému vedeniu sú potrebné dva patchcordy, najintuitívnejšou metódou na stanovenie referenčného výkonu (kalibrácia meracieho systému) je metóda s použitím dvoch meracích patchcordu (inak známych ako referenčné patchcordy, testovacie patchcordy alebo TRC - od Test Reference Cords). Ukazuje sa však, že najpresnejšou metódou je metóda kalibrácie pomocou jedného patchcordu. Je to tá, ktorá sa odporúča ako najvhodnejšia podľa meracích noriem ISO/IEC 14763-3 a PN-EN 61280-4-2, podnikových noriem používaných veľkými prevádzkovateľmi, ako aj pokynov výrobcov systémov štruktúrovanej kabeláže.

Na nasledujúcom obrázku je znázornený rozsah merania pre každú z troch metód nastavenia referenčného výkonu. Ukazuje sa, že metóda jedného patchcordu v skutočnosti umožňuje merať celé vedenie od začiatku až po koniec vrátane začiatočných a koncových konektorov. Metóda dvoch patchcordov znižuje rozsah merania o útlm jedného konektora (je to spôsobené tým, že v referenčnom procese sa zohľadňuje útlm jedného konektora), zatiaľ čo výsledok merania s použitím referenčnej metódy troch patchcordov vynecháva útlm dvoch konektorov. Na tomto mieste je potrebné zdôrazniť, že nižšie uvedený obrázok, hoci je všeobecne akceptovaný normami, obsahuje určité zjednodušenie, pretože útlm konektora (alebo konektorov) počas vytvárania referencie (t. j. pripojenia dvoch referenčných zástrčiek) nie je rovnaký ako útlm konektora (alebo konektorov) v meranom vedení (t. j. pripojenie referenčnej zástrčky k normám).

Meranie metódou prenosu, keď sa v procese stanovenia referencie použil jeden patchcord (kalibrácia meracieho systému). Zelené značky označujú rozsah meraného útlmu - od počiatočného konektora po koncový konektor vrátane týchto konektorov. Metóda kalibrácie jedného patchcordu je preto najlepšou metódou na stanovenie referenčného výkonu..

Meranie metódou prenosu, keď sa v procese stanovenia referencie (kalibrácia meracieho systému) použili tri patchcordy. Zelené značky označujú rozsah nameraného útlmu - od počiatočného konektora po koncový konektor - bez oboch konektorov. To zahŕňa zohľadnenie útlmu dvoch konektorov v procese kalibrácie meracieho systému..

Na tomto mieste je vhodné venovať dve slová samotným referenčným patchcordom. Podľa odporúčaní uvedených noriem by sa mali používať "najkvalitnejšie" patchcordy, pri ktorých útlm konektora nepresahuje 0,2 dB (môžeme nájsť aj 0,15 dB). Je to spôsobené tým, že počas merania obsahujú počiatočné a koncové konektory meraného vedenia kolíky uvedených referenčných patchcordov (referenčný konektor - štandardné konektorové pripojenie). Preto by mali patchcordové konektory vnášať do merania čo najmenšiu neistotu merania. V skutočnosti sa počas prevádzky vedenia tieto konektory nahradia štandardnými patchcordovými konektormi - napr. pri pripájaní aktívnych zariadení alebo kríženia prepínačov. Vzhľadom na to platí, že čím je útlm referenčných konektorov menší a predvídateľnejší alebo opakovateľnejší, tým je meranie presnejšie.

Výrobcovia meracích zariadení na certifikáciu sietí ponúkajú takéto "špeciálne" patchcordy za ceny, ktoré sú niekoľko desiatokkrát vyššie ako ceny bežne dostupných patchcordu. Tieto patchcordy majú okrem dobrých prenosových parametrov zvyčajne aj fyzikálne vlastnosti (napr. zosilnenú konštrukciu), ktoré umožňujú ich dlhšie používanie s menším rizikom zhoršenia ich parametrov. Zatiaľ čo v prípade certifikácie siete má použitie tohto typu patchcordu zmysel a niekedy je dokonca nevyhnutnosťou (meracie súpravy nemusia akceptovať iné patchcordy ako tie, ktoré odporúča výrobca), merania útlmu vedenia bez certifikácie môžu zahŕňať použitie štandardných patchcordu, t. j. takých, ktoré nie sú opísané ako TRC. Je dôležité, aby takéto patchcordy boli vyrobené v triede min. B podľa normy EN 61300-3-34 (IEC 61753-1). To znamená, že priemerný útlm konektora nie je väčší ako 0,12 dB a maximálny nie je väčší ako 0,25 dB. V konečnom dôsledku teda neistota merania spojená s použitím takéhoto konektora nebude výrazne väčšia ako neistota skutočného referenčného konektora. Určite by sa však tieto patchcordy mali pravidelne vymieňať za nové a pravidelne čistiť. Dĺžka meracieho patchcordu by nemala byť menšia ako 2 m. Použitie kratších patchcordov zahŕňa riziko chyby pri stanovení referenčného výkonu - môže byť o niečo vyšší, ako by mal byť, a to bude mať za následok skreslený konečný výsledok merania v neprospech merajúceho.

Ak sa vrátime k trom metódam stanovenia referenčného výkonu, už vieme, že metóda s jedným patchcordom je najlepšia, pretože ostatné metódy zvyšujú neistotu merania znížením referenčného výkonu v dôsledku zahrnutia útlmu jedného alebo dvoch referenčných spojení. Metóda dvoch patchcordov by sa mala použiť, keď konektor optického merača výkonu nie je kompatibilný s konektorom v prepínači (napr. keď je merač vybavený konektormi SC a prepínač adaptérmi LC). V tomto prípade nie je metóda jedného patchcordu možná a je potrebné použiť dva meracie patchcordy (napr. SC-LC) a centrovací adaptér (napr. LC-LC). Metóda troch patchcordov sa predpokladá v situáciách, keď je merané vedenie ukončené konektormi. Keďže táto metóda vylučuje z merania útlm počiatočných a koncových konektorov (pozri obrázok vyššie), jej použitie má zmysel len vtedy, keď tento útlm tvorí zanedbateľnú časť útlmu celého vedenia.

Overenie správnosti inštalácie optického vlákna pomocou zdroja svetla a merača optického výkonu zahŕňa vygenerovanie len jednej číselnej hodnoty útlmu celej optickej trasy a jej porovnanie s očakávanou hodnotou. V prípade sieťovej certifikácie je očakávaná hodnota špecifická pre aplikáciu, pre ktorú sa spojenie certifikuje - napríklad v prípade sieťovej certifikácie pre aplikáciu 10GBASE-LR, t. j. 10 Gbit/s ethernetové spojenie na jednovidovom vlákne, môže byť maximálny útlm optického kanála 6,2 dB pre vlnovú dĺžku 1310 nm. Hodnoty útlmu pre iné aplikácie možno nájsť v dokumentoch opisujúcich konkrétnu normu alebo v normách pre štruktúrovanú kabeláž ISO/IEC 11801, EN 50173. Ak merané spojenie nie je predmetom certifikácie, maximálna hodnota útlmu sa vypočíta sčítaním teoretických hodnôt maximálneho útlmu všetkých prvkov tvoriacich optickú trasu.

Problém s výpočtom približného typického útlmu daného vedenia vyplýva z nedostatku jasne definovaných noriem útlmu pre jednotlivé udalosti, ako sú spoje a konektory. Môže sa ukázať, že podľa jedného kritéria by linka pozostávajúca z dvoch konektorov, dvoch spojok a 500 metrov vlákna nemala mať útlm väčší ako 2,3 dB, podľa iného kritéria 1,5 dB a podľa ďalšieho 0,82 dB! Takéto rozdielne hodnoty majú svoj zdroj v rôznych dokumentoch: v normách pre štruktúrovanú kabeláž, v podnikových normách veľkých prevádzkovateľov, v medzinárodných odporúčaniach, v normách výrobcov definujúcich triedy útlmu konektorov optických vlákien, v technických listoch výrobkov a v informáciách odovzdávaných z úst do úst, ktoré sa po určitom čase stali akýmsi nepopísateľným priemyselným štandardom.

Preto je veľmi dôležité, aby osoba, ktorá vykonáva meranie prenosu, okrem správneho postupu merania a stanovenia referenčného výkonu vedela presne definovať kritériá na vyhodnotenie výsledku - aby určenie, či bola inštalácia vykonaná správne alebo nie, nepodliehalo žiadnej interpretácii.

Prvky optickej cesty, ktoré by sa mali analyzovať pri výpočte maximálneho útlmu jednovidového optického vedenia, sú uvedené nižšie. Pre každý z nich sú uvedené prijateľné hodnoty útlmu vyplývajúce z použitia rôznych kritérií a uvedená hodnota, ktorá bude podľa nášho názoru vhodná na analýzu veľkej väčšiny optických pripojení.

Z toho vyplýva, že v závislosti od prijatého kritéria môžeme pri odhade maximálneho útlmu daného spojenia získať veľmi odlišné výsledky, čo môže viesť k tomu, že výsledok merania bude pre jedno kritérium správny a pre druhé nesprávny. Ak vezmeme do úvahy skutočný útlm správne vykonaných prvkov optických vláknových inštalácií, bude rozumnejšie prijať prísnejšie predpoklady. V skutočnosti budú namerané hodnoty v drvivej väčšine prípadov aj tak výrazne nižšie. V súhrne sú navrhované hodnoty útlmu jednotlivých udalostí, ktoré sa majú brať do výpočtov, nasledovné:

Overenie správnosti optickej inštalácie vybudovanej s použitím jednovidových vlákien by malo zahŕňať merania pri vlnových dĺžkach 1310 nm a 1550 nm. Aj keď sa v tejto sieti majú používať len vložky SFP s vlnovou dĺžkou 1310 nm, mali by sme si byť istí, že ak ich zmeníme napríklad na vložky WDM s vlnovou dĺžkou 1310 nm/1550 nm, sieť bude fungovať správne.

Merania pre obe vlnové dĺžky môžu poskytnúť mierne odlišné výsledky a poukázať na niektoré problémy v inštalácii, ktoré by sa pri meraní len jednej vlnovej dĺžky nezaznamenali. Prvým faktorom, ktorý prispieva k rozdielu vo výsledku, je rozdielny jednotkový útlm vlákna pre rôzne vlnové dĺžky. Na krátke vzdialenosti to však nie je podstatné. Len pri vzdialenostiach nad 1 000 m môže tento rozdiel presiahnuť 0,1 dB a pri ďalších 1 000 m by sa mal lineárne zvyšovať približne o ďalších 0,1 dB. Pri kratších spojeniach by mali byť výsledky meraní podobné s o niečo menším útlmom pre vlnovú dĺžku 1550 nm.

Ak meranie pri vlnovej dĺžke 1550 nm poskytuje horší výsledok, znamená to s najväčšou pravdepodobnosťou makroohyb vo vlákne niekde na trase. Často ide o ohyb v prepínači, ktorý sa dá ľahko nájsť pomocou vizuálneho vyhľadávača porúch VFL. V mieste ohybu bude pozorovaný jasný únik svetla. Môže sa však stať, že ohyb vlákna je dôsledkom ohybu kábla niekde na trase. V takejto situácii prenosová metóda nedá odpoveď na otázku o presnom mieste poškodenia. Je potrebné overenie pomocou reflektometra.

V opačnom prípade, t. j. keď meranie pre vlnovú dĺžku 1310 nm poskytuje horší výsledok (a rozdiel je väčší ako rozdiel spôsobený útlmom vlákna), to s najväčšou pravdepodobnosťou naznačuje problém s umiestnením vlákna, presnejšie jadier vlákna. Spravidla pôjde o problém niekde na konektore (konektoroch), ale môže ísť aj o zle urobený spoj. Samozrejme, bez dodatočnej diagnostiky pomocou reflektometra sa prípadná lokalizácia poruchy dá urobiť len metódou pokusu a omylu.

Stojí za zváženie, prečo vlnová dĺžka 1550 nm zvýrazní ohyby vlákien a 1310 nm zvýrazní horšie spojenia vlákien. Na jej určenie je potrebné zoznámiť sa so štruktúrou optického vlákna a zaviesť definíciu MFD (Mode Field Diamemeter), teda priemeru vidového poľa vlákna.

Štruktúra typického optického vlákna pozostáva z jadra a okolitého plášťa. Tie majú rôzne indexy lomu (jadro je o niečo väčšie), takže svetlo zavedené do jadra pod pravým uhlom sa úplne vnútorne odráža a šíri sa od vysielača k prijímaču. Fyzický priemer jadra je samozrejme konštantný a môže byť napríklad 8,2 μm bez ohľadu na vlnovú dĺžku, ktorú prenáša. Svetelné vlny sa však nešíria len v jadre. Niektoré z nich sa prenášajú aj v plášti a plocha jadra a plášťa, ktorá je zodpovedná za šírenie svetelných vĺn, je spomínaná MFD, označovaná aj ako efektívna plocha jadra. Práve priemer MFD uvádzajú výrobcovia vlákien ako základný parameter vlákna. Fyzický priemer jadra je druhoradý. Príkladová hodnota MFD pre vlákno Corning SMF-28e+, ktoré je v súlade s odporúčaním ITU-T G.652.D, je 9,2 μm pri vlnovej dĺžke 1310 nm a 10,4 μm pri vlnovej dĺžke 1550 nm.

Skutočnosť, že sa MFD mení pre rôzne vlnové dĺžky, môže ovplyvniť merania, ako je opísané vyššie. Väčší priemer pre 1550 nm znamená, že signál pre túto vlnovú dĺžku prebieha bližšie k hranici plášťa. Prekročenie minimálneho polomeru ohybu vlákna bude mať za následok väčší útlm pre túto vlnovú dĺžku, pretože časť signálu rýchlejšie "unikne" z plášťa. Naopak, menšia plocha MFD pre vlnovú dĺžku 1310 nm znamená, že bude citlivejšia na vzájomný posun jadier.