In passato, i progressi tecnologici hanno presentato nuove sfide e stimolato l'innovazione nella metrologia. Ad esempio, i motori ad alte prestazioni hanno tolleranze molto ristrette in termini di giochi e altri attributi fisici. Il concetto di prodotto sviluppato in laboratorio può diventare realtà solo se questi giochi possono essere misurati con precisione e accuratezza eccezionali. L'utilizzo di metodi di misurazione meno rigorosi porterebbe a concetti brillanti che non raggiungerebbero mai la fase di produzione o la strada.
Questo concetto è altrettanto valido in una vasta gamma di settori. Le apparecchiature di misurazione di prima generazione devono evolversi per soddisfare i requisiti sempre più stringenti delle applicazioni funzionali avanzate. La sfida per gli specialisti di metrologia è quella di innovare e sviluppare sistemi di misurazione progettati in modo intelligente, in grado di supportare le esigenze in continua evoluzione del prodotto in fase di valutazione.
La domanda di sistemi di comunicazione ottica ad alta velocità per applicazioni edili ha spinto lo sviluppo di significativi miglioramenti nella tecnologia di misurazione della fibra ottica multimodale. La misurazione della larghezza di banda Overfilled Launch (OFL), a lungo standard per la caratterizzazione delle prestazioni della fibra multimodale, non possedeva l'accuratezza e la rilevanza funzionale necessarie per la valutazione degli attributi. Sebbene la misurazione della larghezza di banda OFL fornisse un risultato in megahertz (lo standard tradizionale nelle applicazioni ottiche e in rame), la sua scarsa rilevanza per la funzionalità nei sistemi LED e laser ad alta velocità ha stimolato la ricerca di metodi di misurazione della larghezza di banda più accurati. Con 
l'avvento dello standard OM3 (fibra multimodale 50/125 µm ottimizzata per laser a 850 nm), la misurazione della larghezza di banda OFL ha lasciato il posto a un metodo di misurazione della fibra più preciso chiamato Differential Mode Delay (DMD). I risultati DMD, riconosciuti come "misurazione pura della fibra", sono stati adattati per valutare le fibre idonee all'uso in applicazioni ad alta velocità (≥ 1 GHz).
Oltre al semplice feedback
: storicamente, le misurazioni DMD si sono limitate all'elaborazione del feedback, piuttosto che all'esecuzione di valutazioni delle prestazioni. Fin dalla sua nascita, il DMD è stato utilizzato principalmente come strumento di valutazione e ottimizzazione dei processi. La misurazione fornisce informazioni dettagliate sui ritardi relativi tra i gruppi modali di una fibra. Tuttavia, per il controllo e il feedback del processo, non era richiesta una misurazione particolarmente accurata o sofisticata, pertanto un tipico sistema DMD non era in grado di valutare la larghezza di banda della fibra o le sue prestazioni operative.
Con lo sviluppo dello standard OM3, l'applicazione di questo strumento di feedback di processo si è affermata come sistema per la valutazione delle prestazioni di banda della fibra. Durante lo sviluppo dello standard, si è cercato un metodo per valutare le prestazioni della fibra basandosi sui risultati DMD. Il primo test sviluppato prevedeva l'utilizzo di modelli di mascheratura DMD, o maschere DMD, costituiti da sei modelli unici. Ogni modello consente una quantità definita di ritardo in modalità differenziale in picosecondi per metro (ps/m) in funzione della sua posizione radiale sulla fibra. Ogni modello ha una maschera interna e una esterna, nonché quattro maschere scorrevoli che devono soddisfare i criteri di designazione OM3.
Tuttavia, prima di valutare i dati DMD rispetto alle maschere di ciascun modello, i dati grezzi vengono elaborati per condizionare i risultati. Queste fasi di condizionamento aiutano a superare difetti significativi nei sistemi di misurazione a scapito delle capacità di valutazione del metodo di selezione della fibra.
L'esempio più chiaro dei limiti del processo di valutazione DMD è l'utilizzo dell'ampiezza FWQM (larghezza a un quarto del massimo) per definire il ritardo di modo differenziale tra gli impulsi iniziali e ritardati. L'utilizzo di FWQM consente alla maschera DMD di ignorare tutti i segnali iniziali e di follow-through con un'ampiezza inferiore al 25%.
La Figura 3 (Risposta DMD per una singola iniezione di offset) mostra un esempio di questo filtraggio. Il disegno mostra l'uscita normalizzata di una sonda DMD in una singola posizione radiale sul core. La potenza ricevuta è normalizzata alla potenza massima della risposta all'impulso e vengono identificati i punti FWQM iniziali e ritardati in quella posizione. In questo esempio, un impulso iniziale ha un'ampiezza normalizzata leggermente inferiore al 25% del massimo, quindi l'intero impulso viene ignorato durante la determinazione del DMD e non viene applicato ai modelli di mascheratura. Tuttavia, l'omissione di questo impulso iniziale potrebbe influire sulle prestazioni effettive del sistema e sulla funzionalità del collegamento in un sistema ad alta velocità.
Costo di produzione vs. precisione:
è evidente che questa fase di condizionamento può omettere o minimizzare l'impatto di attributi di risposta significativi che potrebbero influenzare le prestazioni del sistema. Oltre a omettere impulsi anticipati o ritardati e altri segnali ricevuti al di sotto del 25% del massimo normalizzato, l'uso del filtraggio FWQM può consentire ai sistemi di misurazione di presentare oscillazioni ottiche ed elettriche eccessive. 
Pertanto, i risultati ottenuti con sistemi di misurazione meno robusti possono essere utilizzati per determinarne l'idoneità per la maschera DMD, poiché i segnali spuri al di sotto del 25% della potenza massima normalizzata vengono ignorati. Sebbene questi sistemi possano ridurre i costi di produzione, tale riduzione avviene a scapito della precisione e dell'accuratezza della misurazione, il che potrebbe portare a problemi di prestazioni funzionali.
Altri adattamenti speciali di misurazione sono incorporati nell'uso della maschera DMD, come la rimozione aritmetica del segnale di riferimento. Questa rimozione aumenta la praticità a scapito della precisione. Per eliminare correttamente la risposta del sistema di misurazione e isolare la risposta della fibra, l'impulso di riferimento deve essere deconvoluto dalla risposta dell'impulso ricevuto in modo coerente con la teoria dei sistemi LTI (lineari tempo-invarianti).
La semplice sottrazione aritmetica dell'impulso di riferimento può portare a una mancanza di scalabilità nei risultati della maschera. Ad esempio, due sistemi di misurazione, ciascuno con risposte temporali diverse, possono produrre risultati diversi per la stessa fibra. La maschera può apparire idonea tramite una semplice sottrazione aritmetica del riferimento, mentre misurazioni più accurate con deconvoluzione possono indicare che la fibra non è in grado di garantire le prestazioni di un sistema ad alta velocità. 
La maschera DMD presenta anche delle problematiche relative alla sua capacità di garantire la compatibilità tra tutte le fibre e tutti i trasmettitori conformi agli standard. Ogni modello supporta una quantità variabile di ritardo di modo in funzione della sua posizione radiale sul nucleo. I ritardi temporali variabili nelle regioni interne ed esterne rappresentano i diversi livelli di rigidità dei requisiti da soddisfare, in base alle caratteristiche di dimensione del punto dei ricetrasmettitori utilizzati nei sistemi ad alta velocità.
I risultati del DMD richiedono solo il superamento di uno dei sei modelli di mascheratura per qualificare una fibra come OM3, ma ciò può portare a problemi funzionali nell'applicazione. I sistemi reali utilizzano VCSEL (laser a emissione superficiale a cavità verticale) da 850 nm con limiti di flusso inscritto (EF) definiti. Questi limiti definiscono la quantità di luce che deve essere iniettata in una specifica posizione radiale all'interno del nucleo della fibra. Per le fibre OM3, i VCSEL possono emettere fino al 30% della loro potenza entro i primi 4,5 µm del raggio del nucleo e almeno l'86% della loro luce entro i primi 19 µm del raggio del nucleo.
Ovviamente, alcune combinazioni di VCSEL con fibre che attraversano una particolare maschera potrebbero portare a problemi di prestazioni. Ad esempio, l'accoppiamento di una sorgente VCSEL esterna attiva con una fibra che ha una maggiore capacità di dispersione modale in posizioni radiali più elevate potrebbe compromettere le prestazioni del collegamento del sistema.
Inoltre, la maschera si applica solo ai primi 23 µm del raggio per una fibra con un raggio del nucleo di 25 µm. Sebbene i VCSEL possano avere un punto di iniezione leggermente più piccolo rispetto alle sorgenti tradizionali (ad esempio, i LED), il ritardo di modo nelle posizioni radiali più elevate non deve essere ignorato.
In genere, una fibra multimodale riceve un valore misurato che ne descrive le prestazioni in termini di larghezza di banda. Gli utenti della banda larga non hanno familiarità con i risultati della maschera DMD. Se viene specificato un valore di maschera, alla fibra viene assegnato un insieme di valori di ritardo in picosecondi per metro (ps/m). In alcuni casi, è possibile fornire solo un risultato di superamento/fallimento rispetto alla specifica OM3, senza dati di misurazione aggiuntivi. Sebbene i valori di ritardo possano non essere convertibili in un valore di larghezza di banda più familiare, il loro significato e la loro scalabilità non sono gli stessi dei valori standardizzati e collaudati in MHz•km, comuni nei settori delle comunicazioni in fibra ottica e in cavo di rame.
I limiti intrinseci della maschera DMD hanno spinto la comunità di misurazione della larghezza di banda a cercare innovazioni. Gli utenti finali necessitavano di un valore di larghezza di banda familiare in MHz•km che indicasse chiaramente la capacità di throughput e garantisse prestazioni in un sistema ottico ad alta velocità con VCSEL approvati. La misurazione DMD è rimasta il sistema più efficace disponibile per la caratterizzazione della fibra, ma necessitava di essere significativamente migliorata attraverso innovazioni che consentissero di raggiungere l'obiettivo desiderato di un valore di larghezza di banda reale.
La nuova misurazione e il relativo output dovevano possedere una gamma dinamica e una risposta in frequenza sufficienti per consentirne l'utilizzo in un sistema di misurazione ad alta potenza. Se i risultati dell'output del DMD fossero stati sufficientemente raffinati e robusti, avrebbero potuto essere aggiunti al profilo del punto luminoso proveniente dai ricetrasmettitori effettivi, fornendo un valore di larghezza di banda calcolato affidabile. Per comodità, i fornitori di VCSEL avevano definito dei vincoli di efficienza (EF), quindi la distribuzione dell'energia ottica iniettata nella fibra era ben nota. La combinazione di questi due attributi (DMD della fibra e posizione di iniezione dell'energia del VCSEL) sembrava offrire la strada per un sistema di misurazione più ottimizzato.
I risultati del DMD devono superare solo uno dei sei modelli di mascheratura per qualificare una fibra come OM3, ma ciò può causare problemi funzionali nell'applicazione. I sistemi reali utilizzano VCSEL (laser a emissione superficiale a cavità verticale) a 850 nm con limiti di efficienza (EF) definiti. Questi limiti definiscono la quantità di luce che deve essere iniettata in una specifica posizione radiale all'interno del nucleo della fibra. Nel caso delle fibre OM3, i VCSEL potrebbero emettere fino al 30% della loro potenza entro i primi 4,5 µm del raggio del nucleo e almeno l'86% della loro luce entro i primi 19 µm del raggio del nucleo.
Ovviamente, alcune combinazioni di VCSEL con fibre che attraversano una particolare maschera potrebbero portare a problemi di prestazioni. Ad esempio, l'accoppiamento di una sorgente VCSEL attiva esterna con una fibra che presenta una maggiore capacità di dispersione modale a posizioni radiali più elevate potrebbe compromettere le prestazioni soddisfacenti del collegamento di sistema.
Inoltre, la maschera si applica solo ai primi 23 µm di raggio per una fibra con un nucleo di raggio pari a 25 µm. Sebbene i VCSEL possano avere un punto di iniezione leggermente più piccolo rispetto alle sorgenti tradizionali (ad esempio, i LED), il ritardo di modo a posizioni radiali più elevate non deve essere ignorato.
Una fibra multimodale riceve in genere un valore misurato che descrive le sue prestazioni di larghezza di banda. Gli utenti a banda larga non hanno familiarità con i risultati della maschera DMD. Se viene specificato un valore di maschera, alla fibra viene assegnato un insieme di valori di ritardo in picosecondi per metro (ps/m). In alcuni casi, può essere fornito solo un risultato di superamento/fallimento rispetto alla specifica OM3, senza dati di misurazione aggiuntivi. I valori di ritardo potrebbero non essere convertibili in un valore di larghezza di banda più familiare, ma il loro significato e la loro scalabilità non sono gli stessi dei valori standardizzati e collaudati MHz•km comuni nei settori delle comunicazioni in fibra ottica e cavi in rame.
Le limitazioni intrinseche della maschera DMD hanno spinto la comunità di esperti nella misurazione della larghezza di banda a cercare soluzioni innovative. Gli utenti finali necessitavano di un valore di larghezza di banda a loro familiare, espresso in MHz•km, che indicasse chiaramente la capacità di trasmissione e garantisse prestazioni ottimali in un sistema ottico ad alta velocità con VCSEL certificati. La misurazione DMD rimaneva il sistema più efficace disponibile per la caratterizzazione delle fibre, ma necessitava di significativi miglioramenti attraverso innovazioni che consentissero di raggiungere l'obiettivo desiderato di un valore di larghezza di banda reale.
La nuova misurazione e il relativo output dovevano possedere una gamma dinamica e una risposta in frequenza sufficienti per consentirne l'utilizzo in un sistema di misurazione ad alta potenza. Se i risultati dell'output DMD fossero stati sufficientemente precisi e robusti, avrebbero potuto essere aggiunti al profilo del punto luminoso dei ricetrasmettitori reali, ottenendo un valore di larghezza di banda calcolato affidabile. Per comodità, i produttori di VCSEL avevano definito vincoli di EF (Energy Factor), pertanto la distribuzione dell'energia ottica iniettata nella fibra era ben nota. La combinazione di questi due attributi (DMD della fibra e posizione dell'energia di iniezione del VCSEL) sembrava rappresentare la strada per ottenere un sistema di misurazione più ottimizzato.
L'avvento di EMBc:
i fornitori di fibra hanno trovato la soluzione a questo problema in EMBc (Effective Modal Bandwidth Calculated). EMBc è un sistema di misurazione che consente il calcolo di un singolo valore di larghezza di banda per qualsiasi combinazione di fibra e distribuzione di energia della sorgente ottica, sia che venga misurata da un trasmettitore reale, sia che venga derivata teoricamente per una distribuzione di sorgente ottica (EF) definita. Il metodo di misurazione EMBc è stato il secondo
sistema di metriche di valutazione incorporato negli standard OM3.
I calcoli EMBc aumentano il livello di prestazioni dei sistemi di misurazione DMD. La creazione di un sistema di misurazione DMD predisposto per EMBc richiede ore di progettazione ingegneristica e un'attenta selezione dei componenti. A differenza della maschera DMD, che ignora l'energia degli impulsi di uscita con ampiezza inferiore al 25%, EMBc utilizza l'intero segnale ottico ricevuto per calcolare il valore della larghezza di banda. Pertanto, le sorgenti di rumore, le oscillazioni sorgente/rivelatore e altri dispositivi di misurazione spuri devono essere eliminati o notevolmente ridotti.
Un sistema DMD predisposto per EMBc deve utilizzare sorgenti laser (tipicamente un laser Ti:zaffiro), rivelatori e componenti periferici ottici e meccanici ad alte prestazioni. Per il segnale di sonda è necessario utilizzare una dimensione del punto eccezionalmente piccola, al fine di garantire una misurazione accurata dei ritardi di gruppo in ogni punto specifico all'interno del nucleo della fibra. Inoltre, per ottenere un EMBc preciso e accurato, è essenziale adottare procedure particolarmente rigorose, come il centraggio preciso della fibra di sonda rispetto alla fibra in esame, la selezione appropriata dell'intervallo temporale dell'oscilloscopio, tecniche di campionamento temporale idonee e la raccolta completa di tutta la potenza ricevuta.
Il valore di EMBc viene applicato in modo diverso alla maschera DMD. Sebbene una fibra debba superare una singola maschera per essere classificata come compatibile con OM3, deve presentare valori di EMBc (larghezza di banda in MHz•km) superiori a una soglia definita, se valutata con la distribuzione di potenza di iniezione di 10 VCSEL rappresentativi. Le 10 distribuzioni di potenza di iniezione coprono completamente le specifiche EF per i VCSEL compatibili con OM3 descritte in precedenza. Qualsiasi piccolo errore di ritardo nel profilo DMD della fibra o ritardi di modo eccessivi in un'area localizzata comporterebbero una significativa riduzione dell'EMBc. Ciò è in contrasto con l'applicazione della maschera DMD, che ignora i segnali inferiori al 25% del massimo normalizzato.
Il valore minimo dei 10 valori EMBc viene utilizzato per stabilire il criterio di superamento/fallimento del test (denominato larghezza di banda modale minima effettiva calcolata, o minEMBc). Questo garantisce che la peggiore corrispondenza possibile tra DMD della fibra e VCSEL di sorgente definisca in modo conservativo le prestazioni della fibra. Pertanto, minEMBc rappresenta un test di idoneità e funzionalità molto più rigoroso rispetto alla maschera DMD.
Un esame più attento della Figura 6 (Sorgenti per il modello TIA) mostra che esiste un'ampia gamma di valori EF del trasmettitore adatti, che vanno da quelli attivi al centro (con potenza ottica vicina al 30% a 4,5 µm) a quelli attivi all'esterno (appena l'86% di potenza ottica a 19 µm). I 10 pesi
pienamente
la distribuzione teorica del trasmettitore considerata nella determinazione delle specifiche OM3.
Valutazioni indipendenti delle distribuzioni EF del trasmettitore hanno confermato l'idoneità dell'utilizzo di questi 10 pesi standard rispetto alla distribuzione complessiva delle sorgenti reali. Infatti, questi studi hanno portato alla luce un altro aspetto riguardante le distribuzioni EF del trasmettitore. Alcuni lavori recenti suggeriscono che le sorgenti più limitanti (Sorgenti 1 e 5, come mostrato nella Figura 5, Calcolo EMBc) sono rare nella popolazione reale di ricetrasmettitori. Un'analisi dei risultati minEMBc effettivi sulle fibre di produzione rivela che questi due pesi producono la stragrande maggioranza dei valori minEMBc. In altre parole, è altamente improbabile che le sorgenti che producono i valori minEMBc si presentino in un sistema reale. Questo fatto conferisce a minEMBc un ulteriore livello di sicurezza, poiché le sorgenti più comuni tendono ad avere un risultato EMBc molto più elevato del valore minEMBc. Inoltre, minEMBc è molto robusto e può essere facilmente adattato a nuovi standard e distribuzioni di transceiver man mano che nuove sorgenti e applicazioni diventano disponibili.
Standard di prestazione migliorati per i sistemi di misurazione DMD possono spiegare l'evoluzione di EMBc, ma non affrontano il requisito più importante degli attributi di una fibra: la loro relazione con la funzionalità del sistema. Come affermato in precedenza, una fibra ottica multimodale deve soddisfare solo uno dei sei modelli di mascheramento per soddisfare i requisiti OM3. Il DMD massimo in qualsiasi fibra isolata può variare tra 0,33 e 0,7 ps/m, a seconda del modello di mascheramento che la fibra soddisfa. Se una fibra supera un modello di mascheramento, ad esempio, potrebbe essere abbinata a un VCSEL non ottimizzato per una fibra con quel particolare profilo DMD. Di conseguenza, la correlazione tra le prestazioni della maschera e la funzionalità effettiva del sistema può risultare problematica.
Tuttavia, EMBc utilizza i due punti dati di collegamento più significativi: il profilo DMD della fibra e le caratteristiche della sorgente luminosa VCSEL. Il valore minimo di EMBc di 10 laser diversi viene utilizzato per certificare le prestazioni OM3. L'utilizzo dei valori di EMBc più conservativi offre la massima garanzia che la fibra funzionerà come previsto se abbinata a un VCSEL conforme agli standard in un collegamento ottico.
Valutare minEMBc in funzione del BER o della penalità di dispersione di un sistema potrebbe indurre a credere che questa metrica non sia completamente correlata con tutte le sorgenti VCSEL. Poiché il valore di minEMBc rappresenta la misurazione della larghezza di banda registrata, una fibra che soddisfa questo requisito sarà pienamente compatibile con l'intera gamma di ricetrasmettitori conformi agli standard. Ogni VCSEL conforme allo standard avrà il proprio EF univoco, che fornirà un EMBc univoco. L'EMBc specifico è in genere molto più elevato dei requisiti specificati per le fibre OM3. Di conseguenza, le fibre con un minEMBc adeguato forniranno risultati soddisfacenti nei sistemi OM3 se abbinate a un ricetrasmettitore conforme.
Tuttavia, il confronto del BER o della penalità di dispersione per un collegamento specifico potrebbe non correlarsi bene con il valore di minEMBc della fibra. Per ottimizzare la correlazione con il BER e la penalità di dispersione, il confronto tra EMBc e prestazioni del sistema dovrebbe utilizzare una ponderazione per il VCSEL in esame.
Alcuni recenti studi tecnici riflettono una tendenza a valutare le prestazioni del sistema in base all'EMBc calcolato per una data combinazione sorgente/fibra, piuttosto che utilizzare il valore minEMBc, che è molto conservativo. Sono previsti lavori futuri per dimostrare la correlazione tra una specifica fibra sorgente/EMBc e attributi di prestazione del sistema come la penalità di potenza o il rapporto bit-errore.
Metodi alternativi
Se l'imitazione è la forma più sincera di adulazione, EMBc ha motivo di arrossire. Le organizzazioni di standardizzazione del settore hanno recentemente concordato di sviluppare OFLc (larghezza di banda di saturazione calcolata) come metodo di misurazione alternativo per la larghezza di banda OFL. OFLc utilizzerà il DMD di una fibra e una ponderazione concordata per calcolare il valore della larghezza di banda OFL. Questo metodo eliminerà l'enorme variabilità nei valori della larghezza di banda OFL dovuta alla variazione consentita nelle iniezioni di saturazione e ad altre differenze di riferimento nei sistemi di misurazione.
Sebbene ciò potrebbe non rendere OFL una misurazione più funzionale, dovrebbe incoraggiare la concordanza in termini di sistemi di misurazione quando si confrontano sistemi DMD di pari capacità.
Maggiori informazioni o un preventivo
Gli autori
Jeffrey Englebert è supervisore del Centro di collaudo delle fibre ottiche e Steven Garner è ingegnere di misurazione multimodale presso Corning Optical Fiber.
Riproduzione tratta dal numero di febbraio 2009 di CABLING INSTALLATION & MAINTENANCE, con revisioni di formattazione.
Copyright 2009 PennWell Corporation
