Tableau 1. Bilan des pertes optiques et distances tolérables correspondantes pour différentes applications
Les résultats d'une expérience contrôlée démontrent que les mesures de pertes optiques obtenues à l'aide d'une source lumineuse à injection par débordement et d'un enroulement sur mandrin comme filtre de conditionnement de mode présentent une variabilité importante selon l'équipement de test. En revanche, les mêmes tests effectués avec la méthode de test du flux encerclé (EF) donnent des résultats très concordants, quel que soit l'instrument utilisé. Le flux encerclé est la méthode de test recommandée par les experts du secteur pour des mesures précises des pertes optiques des fibres optiques conventionnelles et multimodes insensibles à la courbure. Cette caractéristique est particulièrement importante pour les applications à haut débit où les pertes optiques sont critiques. Le flux encerclé est la méthode de test spécifiée pour les applications Ethernet 40G et 100G.
Tableau 1. Spécifications TIA-492AAAD pour la fibre OM4, septembre 2009
Tests de perte optique : pourquoi sont-ils importants ?
La mise au point d’une méthode précise pour effectuer des tests de perte optique sur fibre multimode revêt une importance croissante pour les applications à très haut débit, qui imposent des exigences plus strictes quant à la perte maximale admissible dans un canal entre un émetteur et un récepteur optiques. À titre d’exemple, le tableau 1 présente le bilan de perte optique et la distance maximale correspondante pour différentes applications.
Plus le débit de données est élevé, plus le bilan de perte optique du canal est contraignant. La perte maximale admissible d’un canal Ethernet 10 Gb/s avec fibre multimode OM3 est de 2,6 dB, tandis que celle d’un canal Ethernet 40 Gb/s et 100 Gb/s est respectivement de 1,9 dB avec fibre OM3 et de 1,5 dB avec fibre OM4.
Quels sont les facteurs qui influencent la précision des tests de pertes optiques ?
Plusieurs facteurs importants peuvent affecter la précision des mesures de pertes optiques :
1. Le type et la qualité des cordons de brassage de référence.
2. Le désaccord de fibre entre les cordons de brassage de référence et la liaison testée.
3. Les caractéristiques de la source lumineuse et son couplage à la fibre.
4. Le filtre de conditionnement de mode utilisé.
Ce travail analysera l’influence de tous ces facteurs sur la précision des mesures de pertes optiques.
1. Type et qualité des cordons de brassage de référence :
Le type et la qualité du cordon de brassage de référence sont essentiels à la précision des mesures de pertes optiques sur le terrain. La géométrie de la face d’extrémité de la férule polie du connecteur du cordon de brassage peut affecter considérablement les résultats des tests et doit respecter des paramètres précis, tels que le rayon de courbure, l’apex et la saillie de la fibre. C’est pourquoi les cordons de brassage de référence doivent satisfaire aux exigences de géométrie de la face d’extrémité, comme celles spécifiées dans la norme Telcordia GR-326. De plus, la précision du test de pertes optiques peut être fortement réduite si la surface du connecteur du cordon de brassage est rayée ou simplement sale. Inspectez le connecteur de fibre à l’aide d’un fibroscope et, s’il est sale, nettoyez-le à sec.
Comment s'assurer de la fiabilité des résultats de mesure de l'affaiblissement optique ? Une méthode simple consiste à examiner un cordon de brassage de référence, testé en usine. La plupart des fabricants indiquent la valeur d'affaiblissement réelle sur l'emballage. Inspectez et nettoyez les connecteurs. Connectez ensuite ce cordon à votre équipement comme s'il s'agissait d'une liaison fibre optique et testez-le avec les mêmes cordons de référence que ceux utilisés habituellement pour les tests de liaison. Comparez les résultats obtenus sur le terrain avec la valeur d'affaiblissement du cordon testé en usine. Si l'écart est significatif (supérieur à 0,1 dB), le test sur le terrain est erroné. Le problème peut provenir de l'équipement, de la méthode de test ou, plus probablement, des cordons de brassage utilisés pour le test.
2. Disparité entre deux fibres optiques épissées.
La disparité entre les fibres est une conséquence de leurs caractéristiques intrinsèques et est indépendante des techniques d'épissure utilisées. Les pertes de couplage intrinsèques dues à cette disparité sont notamment causées par :
2.1. Des diamètres de cœur différents,
2.2. Un défaut de concentricité cœur/gaine,
2.3. Des ouvertures numériques différentes.
Quelles sont les spécifications de ces paramètres ? Le tableau 2 récapitule certaines des spécifications dimensionnelles et optiques de la fibre multimode OM4.
Quelles sont les pertes de couplage intrinsèques lors de l'épissure de deux fibres situées aux limites minimale et maximale de la spécification TIA-492AAAD ? Les figures 1, 2 et 3 montrent respectivement les pertes de couplage intrinsèques dues à la disparité du diamètre des fibres, à l'erreur de concentricité cœur/gaine et à la disparité d'ouverture numérique.
Comme le montrent les figures 1, 2 et 3, les pertes dues à la disparité de la fibre peuvent, dans le pire des cas, être considérables par rapport aux pertes admissibles pour des débits de transfert de données de 10 gigabits et plus. Que se passe-t-il alors ? En général, nous n’observons pas de telles pertes lors des tests sur le terrain pour deux raisons : 1) la plupart des fibres actuelles sont fabriquées avec des tolérances plus strictes que celles spécifiées, et 2) tous les modes ne sont pas excités de la même manière ; autrement dit, la puissance est moindre pour les modes d’ordre supérieur que pour les modes d’ordre inférieur en raison du filtrage modal utilisé (un sujet abordé plus loin dans cet article).
3. Caractéristiques de la source lumineuse et couplage de la lumière à la fibre.
Les conditions d’injection et le couplage de la lumière à la fibre peuvent fortement influencer les mesures de pertes optiques. Dans le cas des fibres multimodes, différentes distributions de puissance injectée (conditions d’injection) peuvent entraîner des mesures d’atténuation différentes.
La distribution de puissance entre les modes de la fibre est réalisée en contrôlant la taille du point d'injection et la distribution angulaire à l'aide d'un système optique qui couple la lumière à la fibre, comme illustré sur la figure 4.
Dans une fibre à gradient d'indice, l'indice de réfraction plus faible du cœur près de la gaine induit un trajet courbe pour les modes d'ordre supérieur, plus long que celui du faisceau axial (le « mode d'ordre zéro »). Ces modes se propageant plus profondément dans le cœur de verre et étant plus susceptibles d'être diffusés ou absorbés, leur atténuation est supérieure à celle des modes d'ordre inférieur. Par conséquent, une fibre longue et saturée (tous les modes injectés à la même puissance) présentera une puissance moindre pour les modes d'ordre supérieur qu'un court segment de la même fibre. Le terme « distribution modale à l'équilibre » (DME) décrit la distribution des modes dans une fibre longue ayant perdu ses modes d'ordre supérieur. Cette différence de distribution modale entre les fibres longues et courtes peut avoir un impact significatif sur les mesures effectuées avec la fibre. La figure 5 illustre la distribution relative de la puissance des modes dans une fibre multimode.
La figure 5 illustre la distribution modale à l'équilibre (DME) pour un long segment de fibre multimode et la distribution de puissance modale pour un court segment de fibre multimode lorsqu'un filtre modal est utilisé. Le filtrage modal élimine les modes d'ordre supérieur, mais ne fournit qu'une approximation grossière de la DME.
4. Filtre de conditionnement de mode
4.1. Filtre de conditionnement de mode à enroulement sur mandrin
Un cordon de brassage à injection enroulé sur mandrin est généralement utilisé comme filtre de conditionnement de mode. L'enroulement sur mandrin tend la fibre et augmente l'atténuation des modes d'ordre supérieur lors de l'injection de lumière dans la fibre testée.
L'utilisation de l'enroulement sur mandrin comme filtre de mode est décrite dans l'annexe A.1.3.1.2 de la norme TIA-455-78B. Une mesure en champ lointain permet de comparer la distribution de puissance sortante d'une longue section (supérieure à 1 km) de fibre testée, excitée par une source de lumière de débordement uniforme, avec celle d'une courte section de fibre munie du mandrin. Le diamètre du mandrin est choisi de manière à obtenir, sur la courte section, une distribution de puissance en champ lointain proche de celle de la longue section.
La méthode d'enroulement sur mandrin est largement utilisée pour les tests de fibres optiques sur le terrain. Cette méthode préconise l'utilisation d'une source de lumière de débordement de catégorie 1 et d'un cordon de brassage de référence enroulé autour d'un mandrin. La spécification de la source lumineuse de catégorie 1 est déterminée par le test du rapport de puissance couplée (RPC), illustré aux figures 6 et 2. La clause 6.4.2.1 de la norme ANSI/TIA-568-C.0 définit les diamètres de mandrin acceptables pour les câbles multimodes courants (cinq spires).
Le problème de la méthode de test par enroulement sur mandrin réside dans la variabilité importante des mesures qu'elle peut engendrer. Cette variabilité est due à : 1) des différences dans la distribution de puissance des modes de la source lumineuse couplée, en fonction de l'équipement utilisé, la spécification de la catégorie 1 étant relativement peu exigeante** ; et 2) des différences dans les caractéristiques des fibres multimodes utilisées dans les cordons de brassage de référence, les effets de la flexion pouvant varier selon le fabricant de fibres.
4.2. Filtre de conditionnement de mode - Flux encerclé.
Le flux encerclé (FE) est une méthode innovante permettant de contrôler la distribution de puissance de la lumière injectée à l'extrémité d'un câble de référence de test (TRC) lors de mesures de pertes optiques.
Les limites supérieure et inférieure de la distribution de puissance lumineuse sont définies en fonction du rayon du cœur et pour des longueurs d'onde de 850 nm et 1300 nm, comme illustré sur la figure 7 [3]. Cette méthode FE a été développée par des experts en optique afin de réduire la variabilité des mesures de pertes de liaison par rapport à d'autres méthodes de mesure de pertes optiques utilisant une source de lumière à injection par débordement et des filtres de conditionnement de mode (par exemple, l'enroulement sur mandrin). Le flux encerclé est également la méthode de test spécifiée dans la norme IEEE 802.3ba pour l'Ethernet 40 Gb/s (40GBASE-SR4) et l'Ethernet 100 Gb/s (100GBASE-SR10).
La TIA adopte le flux encerclé dans sa nouvelle norme de test de fibres optiques.
La méthode de test du flux encerclé est spécifiée dans la norme TIA-526-14-B, « Mesures des pertes de puissance optique des câbles à fibres multimodes installés », et est harmonisée avec la norme CEI 61280-1-4. La TIA travaille actuellement à une nouvelle annexe 2 à la norme ANSI/TIA-568-C.0, qui traite de divers problèmes liés aux fibres optiques. Une section de cette annexe remplace la méthode de test d'enroulement sur mandrin spécifiée dans les normes TIA-455-78B et TIA-526-14-A par la méthode suivante :
pour les câbles multimodes, les normes de câblage stipulent que les mesures d'atténuation doivent être effectuées conformément à la norme TIA-526-14-B, qui exige que la sortie du cordon de brassage d'injection réponde à des conditions d'injection spécifiques déterminées par la largeur spectrale et la distribution de puissance des modes. Ces conditions d'injection peuvent être fournies par l'instrument de test lui-même ou par l'utilisation d'un conditionneur de mode externe.
Comparaison des mesures de pertes optiques obtenues par injection par débordement (OFL)/enroulement sur mandrin selon la norme TIA-426-14-A, méthode B, par rapport au flux encerclé de la norme TIA-426-14-B, annexe A.
Afin de mieux comprendre la variabilité des mesures de pertes optiques, nous avons conçu une expérience contrôlée où toutes les variables étaient maintenues constantes, à l'exception des conditions d'injection.
Lors de la première série de tests, les mêmes liaisons permanentes PL a), PL b) et PL c) ont été testées avec les mêmes câbles de référence (à fibre multimode conventionnelle), TRC n° 1 et TRC n° 2, enroulés autour d'un mandrin de 22 mm, à l'aide de deux appareils de test différents, OLTS n° 1 et OLTS n° 2. Lors de la seconde série de tests, les câbles de référence ont été remplacés par des câbles intégrant un module EF, EF n° 1 et EF n° 2. Les pertes optiques ont été mesurées sous les différentes conditions d'injection décrites précédemment pour les trois liaisons permanentes de 20 mètres, avec les deux connecteurs suivants :
liaison permanente a) à fibre multimode conventionnelle
liaison permanente b) à fibre multimode insensible à la courbure (fournisseur A) ;
liaison permanente c) à fibre multimode insensible à la courbure (fournisseur B).
La figure 8 présente les résultats des tests.
**Remarque : Une différence de 4 dB dans la valeur CPR d'une source lumineuse de catégorie 1 représente une augmentation de 150 % de la puissance des modes d'ordre supérieur.
Résultats des mesures
Les résultats de l'expérience contrôlée sont présentés sur la figure 9. La première série de tests a été réalisée dans les mêmes conditions, avec une source lumineuse à injection par débordement et un filtre de conditionnement de mode bobiné. On observe une différence d'environ 0,5 dB de perte optique entre les tests effectués avec l'OLTS n° 1 et ceux effectués avec l'OLTS n° 2, une différence qui affecte toutes les liaisons permanentes, quel que soit le type de fibre. Quelle est la cause de cet écart ?
La différence de mesures de perte peut être attribuée à la quantité de lumière couplée à la fibre multimode par chacun des deux instruments de test. Bien que les deux sources lumineuses soient de catégorie 1, les spécifications ne garantissent pas une distribution uniforme de la puissance des modes injectée à l'extrémité d'un cordon de brassage de référence lors de l'utilisation du filtre de mode bobiné. Une différence de 0,5 dB dans les mesures peut faire la différence entre la réussite et l'échec de la liaison pour des bilans de perte de l'ordre de 1,5 à 2,6 dB.
Dans la deuxième série de tests, les mesures de perte optique correspondaient (à une tolérance de +/- 0,1 dB près) avec les deux instruments de test (OLTS n° 1 et OLTS n° 2) lors de l'utilisation d'un filtre de conditionnement de mode Encircled Flux.
Bonne nouvelle !
Il existe un consensus au sein de l’industrie sur les procédures de test permettant d’obtenir des mesures de pertes optiques précises et reproductibles. La méthode de test du flux encerclé réduit la variation des mesures de pertes à seulement ± 10 % pour les mesures d’atténuation de liaison supérieures à 1 dB. La conformité à la norme IEC 61280-4-1 peut être obtenue grâce à un contrôleur de mode, qui peut être intégré à l’équipement de test ou être un dispositif externe inséré entre la source lumineuse et la fibre testée.
Le contrôleur de mode est un dispositif passif qui garantit que les conditions d’injection répondent aux exigences de la norme IEC 61280-4-1, quelle que soit la source lumineuse utilisée (LED ou laser).
Conclusion :
Les tests de pertes optiques sur le terrain sont plus complexes qu’il n’y paraît et peuvent être influencés par de nombreuses variables, telles que la disparité des fibres, le type et la qualité des cordons de brassage de référence, et les conditions d’injection (OFL/bobinage sur mandrin versus flux encerclé).
Les exigences strictes en matière de pertes optiques pour les applications haut débit nécessitent une méthode de test précise pour l’examen des liaisons sur le terrain. Les experts du secteur recommandent la méthode de test par flux encerclé pour la précision de ses mesures de pertes optiques, tant pour les fibres multimodes conventionnelles que pour les fibres bimodes. Le
flux encerclé est également la méthode de test spécifiée pour les applications Ethernet 40G et 100G.
Auteur:
Auteur : Paul Kish, directeur des systèmes et des normes chez Belden
À propos de l'auteur :
Paul Kish, directeur des systèmes et des normes chez Belden, est un contributeur clé au développement des normes de câblage TIA, ISO et IEEE et est également membre du comité des informations et méthodes techniques de BICSI.
