Tabella 1. Bilancio delle perdite ottiche e relative distanze tollerabili per diverse applicazioni
I risultati di un esperimento controllato dimostrano che le misurazioni della perdita ottica ottenute utilizzando una sorgente luminosa a iniezione di overflow e un avvolgimento a mandrino come filtro di condizionamento del modo presentano una varianza significativa a seconda dell'apparecchiatura di prova, mentre le stesse prove eseguite con il metodo di prova Encircled Flux (EF) producono un'ottima concordanza con diversi strumenti di prova. Encircled Flux è il metodo di prova raccomandato dagli esperti del settore per misurazioni accurate della perdita ottica sia delle fibre multimodali convenzionali che di quelle insensibili alla curvatura, una caratteristica particolarmente importante per le applicazioni ad alta velocità con budget di perdita ottica ristretti. Encircled Flux è il metodo di prova specificato per le applicazioni Ethernet a 40G e 100G.
Tabella 1. Specifiche TIA-492AAAD per fibra OM4, settembre 2009
Test di perdita ottica: perché è importante?
Fornire un metodo accurato per eseguire test di perdita ottica su fibre multimodali sta diventando sempre più importante per le applicazioni con velocità di trasferimento dati molto elevate, che impongono requisiti più stringenti sulla perdita massima tollerabile in un canale tra un trasmettitore ottico e un ricevitore ottico. A titolo di esempio, la Tabella 1 mostra il budget di perdita ottica e la corrispondente distanza massima per diverse applicazioni.
Maggiore è la velocità di trasferimento dati, più ristretto è il budget di perdita ottica per un canale. La perdita massima tollerabile di un canale Ethernet a 10 Gb/s con fibra multimodale OM3 è di 2,6 dB, mentre la perdita massima consentita di un canale Ethernet a 40 Gb/s e di un canale Ethernet a 100 Gb/s è rispettivamente di 1,9 dB con fibra OM3 e di 1,5 dB con fibra OM4.
Quali fattori influenzano la precisione dei test di perdita ottica?
Diversi fattori importanti possono influenzare la precisione dei test di misurazione della perdita ottica:
1. Il tipo e la qualità dei cavi patch di riferimento utilizzati per il test.
2. Il disadattamento della fibra tra i cavi patch di riferimento e il collegamento in esame.
3. Le caratteristiche della sorgente luminosa e il modo in cui la luce si accoppia alla fibra.
4. Il filtro di condizionamento di modo utilizzato.
Questo lavoro analizzerà gli effetti di tutti questi fattori sulla precisione delle misurazioni della perdita ottica.
1. Tipologia e qualità dei cavi patch di riferimento per i test:
La tipologia e la qualità del cavo patch di riferimento per i test sono fondamentali per la precisione delle misurazioni della perdita ottica sul campo. La geometria della superficie terminale della ghiera lucida del connettore del cavo patch può influenzare significativamente i risultati del test e deve soddisfare parametri precisi, come il raggio di curvatura, l'apice e la sporgenza della fibra. Per questo motivo, i cavi patch di riferimento per i test devono soddisfare i requisiti di geometria della superficie terminale, come quelli specificati nella norma Telcordia GR-326. Inoltre, la precisione del test di perdita ottica può essere notevolmente ridotta se la superficie del connettore del cavo patch è graffiata o semplicemente sporca. Ispezionare il connettore in fibra con un fibroscopio e, se è sporco, pulirlo utilizzando una tecnica di pulizia a secco.
Come si fa a sapere se i risultati della misurazione della perdita ottica sono affidabili? Un modo semplice per verificarlo è esaminare un "cavo patch funzionante e noto" già testato in fabbrica. La maggior parte dei produttori di cavi patch indica il valore effettivo della perdita sulla confezione. Ispezionare e pulire i connettori del cavo patch. Quindi, collegare questo "cavo patch funzionante e noto" alla propria apparecchiatura come se fosse un collegamento in fibra ottica e testarlo utilizzando gli stessi cavi patch di riferimento che si utilizzano normalmente per i test di collegamento. Confrontare i risultati ottenuti sul campo con il valore di perdita del cavo patch testato in fabbrica. Se il risultato è significativamente diverso (superiore a 0,1 dB), il test sul campo è errato. Il problema potrebbe risiedere nell'apparecchiatura, nel metodo di test o, molto probabilmente, nei cavi patch utilizzati per il test.
2. Disparità tra due fibre ottiche giuntate.
La disparità tra le fibre è una conseguenza delle caratteristiche intrinseche delle fibre stesse e non è correlata alle tecniche di giunzione utilizzate. La perdita di accoppiamento intrinseca dovuta alla disparità tra le fibre è causata, tra l'altro, da:
2.1. Diversi diametri del nucleo,
2.2. Errore di concentricità nucleo/rivestimento,
2.3. Diverse aperture numeriche.
Quali sono le specifiche per questi parametri? La Tabella 2 fornisce un riepilogo di alcune delle specifiche dimensionali e ottiche della fibra multimodale OM4.
Qual è la perdita di accoppiamento intrinseca quando si giuntano due fibre che si trovano ai limiti minimo e massimo della specifica TIA-492AAAD? Le figure 1, 2 e 3 mostrano, rispettivamente, la perdita di accoppiamento intrinseca dovuta alla disparità del diametro delle fibre, all'errore di concentricità nucleo/rivestimento e alla disparità dell'apertura numerica.
Come mostrato nelle Figure 1, 2 e 3, le perdite dovute alla disparità della fibra possono essere, nel caso peggiore, piuttosto significative rispetto ai budget di perdita assegnati alle applicazioni con velocità di trasferimento dati di 10 Gigabit e superiori. Cosa succede quindi? Generalmente non osserviamo perdite così elevate nei test sul campo per due motivi: 1) la maggior parte delle fibre attuali è prodotta con tolleranze più strette di quelle specificate e 2) non tutti i modi sono eccitati nella stessa misura; ovvero, la potenza è inferiore per i modi di ordine superiore rispetto a quelli di ordine inferiore a causa del filtraggio dei modi utilizzato (un argomento che verrà spiegato più avanti in questo documento).
3. Caratteristiche della sorgente luminosa e accoppiamento della luce alla fibra
Le condizioni di iniezione e il modo in cui la luce si accoppia alla fibra possono influenzare notevolmente le misurazioni delle perdite ottiche. Nel caso di fibre multimodali, diverse distribuzioni di potenza di iniezione (condizioni di iniezione) possono risultare in diverse misurazioni di attenuazione.
La distribuzione di potenza tra le modalità della fibra si ottiene controllando la dimensione del punto di iniezione e la distribuzione angolare mediante un sistema ottico che accoppia la luce alla fibra, come mostrato in Figura 4.
Nelle fibre a indice graduale, il minore indice di rifrazione del nucleo vicino al rivestimento fa sì che i modi di ordine superiore seguano un percorso curvo più lungo del fascio assiale (il "modo di ordine zero"). Poiché i modi di ordine superiore si propagano più in profondità nel nucleo di vetro e hanno maggiori probabilità di essere diffusi o assorbiti, presentano un'attenuazione maggiore rispetto ai modi di ordine inferiore. Pertanto, una fibra lunga e completamente riempita (con tutti i modi iniettati nella fibra allo stesso livello di potenza) avrà meno potenza nei modi di ordine superiore rispetto a un tratto più corto della stessa fibra. Il termine "distribuzione di equilibrio dei modi" (EMD) descrive la distribuzione dei modi in una fibra lunga che ha perso i suoi modi di ordine superiore. Questa differenza nella distribuzione dei modi tra fibre lunghe e corte può fare una grande differenza nelle misurazioni effettuate con la fibra. La Figura 5 illustra la distribuzione relativa della potenza dei modi per una fibra multimodale.
La Figura 5 illustra la distribuzione modale di equilibrio (EMD) per un lungo segmento di fibra multimodale e la distribuzione di potenza modale per un breve segmento di fibra multimodale quando viene utilizzato un filtro modale. Il filtraggio modale rimuove i modi di ordine superiore, ma fornisce solo un'approssimazione grossolana dell'EMD.
4. Filtro di condizionamento di modo
4.1. Filtro di condizionamento di modo con avvolgimento su mandrino
Un cavo patch di iniezione avvolto su mandrino viene generalmente utilizzato come filtro di condizionamento di modo. L'avvolgimento su mandrino tende la fibra e aumenta la perdita dei modi di ordine superiore quando la luce viene iniettata nella fibra in esame.
L'uso dell'avvolgimento su mandrino come filtro di modo è descritto nell'Allegato A.1.3.1.2 della norma TIA-455-78B. Una misurazione in campo lontano viene utilizzata per confrontare la distribuzione di potenza in uscita di una lunga sezione (superiore a 1 km) di fibra di prova, eccitata con una sorgente luminosa uniforme, con la distribuzione di potenza in uscita di una breve sezione della fibra con il mandrino applicato. Il diametro del mandrino viene selezionato in modo da produrre una distribuzione di potenza in campo lontano nella sezione corta che approssimi la distribuzione di potenza in campo lontano della sezione lunga.
Il metodo di avvolgimento su mandrino è ampiamente utilizzato per i test sul campo delle fibre ottiche. Questo metodo prescrive l'uso di una sorgente luminosa di categoria 1 e di un cavo patch di riferimento avvolto attorno a un mandrino. La specifica per la sorgente luminosa di categoria 1 è determinata dal test del rapporto di potenza accoppiata (CPR), illustrato nelle figure 6 e 2. La clausola 6.4.2.1 della norma ANSI/TIA-568-C.0 fornisce diametri del mandrino accettabili per i tipi comuni di cavi multimodali (cinque spire).
Il problema del metodo di prova con avvolgimento su mandrino è che può portare a una significativa variabilità di misurazione. Questa variabilità è dovuta a 1) differenze nella distribuzione di potenza dei modi della sorgente luminosa accoppiata a seconda dell'apparecchiatura utilizzata, poiché la specifica della categoria 1 è piuttosto permissiva** e 2) differenze nelle caratteristiche delle fibre multimodali utilizzate nei cavi patch di riferimento per il test, poiché gli effetti della flessione possono variare a seconda del produttore della fibra.
4.2. Filtro di condizionamento di modo - Flusso circondato.
Il flusso circondato (EF) è un metodo innovativo per controllare la distribuzione di potenza della luce iniettata dall'estremità di un cavo di riferimento di prova (TRC) durante l'esecuzione di misurazioni di perdita ottica.
I limiti superiore e inferiore della distribuzione di potenza della luce sono specificati in funzione del raggio del nucleo e per lunghezze d'onda di 850 nm e 1300 nm, come mostrato in Figura 7 [3]. Questo metodo EF è stato sviluppato da esperti di ottica per ridurre la variabilità delle misurazioni di perdita di collegamento rispetto ad altri metodi di misurazione della perdita ottica che utilizzano una sorgente luminosa a iniezione di overflow e filtri di condizionamento di modo (ad esempio, avvolgimento su mandrino). Il flusso circondato è anche il metodo di prova specificato nello standard IEEE 802.3ba per Ethernet a 40 Gb/s (40GBASE-SR4) e Ethernet a 100 Gb/s (100GBASE-SR10).
TIA adotta il metodo del flusso circolare nel nuovo standard di prova per le fibre ottiche.
Il metodo di prova del flusso circolare è specificato nella norma TIA-526-14-B, "Misurazioni della perdita di potenza ottica dei cavi in fibra multimodale installati", ed è armonizzato con la norma IEC 61280-1-4. La TIA sta attualmente lavorando a una nuova Appendice 2 alla norma ANSI/TIA-568-C.0, che affronta diverse problematiche relative alle fibre ottiche. Una sezione di questa appendice sostituisce il metodo di prova dell'avvolgimento su mandrino specificato nelle norme TIA-455-78B e TIA-526-14-A con il seguente:
per il cablaggio multimodale, gli standard di cablaggio stabiliscono che le misurazioni dell'attenuazione devono essere effettuate in conformità con la norma TIA-526-14-B, che richiede che l'uscita del cavo patch di iniezione soddisfi specifiche condizioni di iniezione determinate dalla larghezza spettrale e dalla distribuzione di potenza dei modi. Queste condizioni di iniezione possono essere fornite dallo strumento di prova sul campo stesso o utilizzando un condizionatore di modo esterno.
Confronto delle misurazioni della perdita ottica ottenute mediante iniezione di overflow (OFL)/avvolgimento del mandrino secondo TIA-426-14-A, Metodo B, in contrasto con il flusso circoscritto di TIA-426-14-B, Allegato A
Per comprendere meglio la variabilità nelle misurazioni della perdita ottica, abbiamo progettato un esperimento controllato in cui tutte le variabili sono state mantenute costanti, ad eccezione delle condizioni di iniezione.
Nella prima serie di test, gli stessi collegamenti permanenti PL a), PL b) e PL c) sono stati testati utilizzando gli stessi cavi di riferimento (con fibra multimodale convenzionale), TRC #1 e TRC #2, avvolti attorno a un mandrino da 22 mm, utilizzando due diverse apparecchiature di prova, OLTS #1 e OLTS #2. Nella seconda serie di test, i cavi di riferimento sono stati sostituiti con cavi contenenti un modulo EF integrato, EF #1 e EF #2, invece della versione avvolta su mandrino. La perdita ottica è stata misurata nelle diverse condizioni di iniezione descritte sopra nei tre collegamenti permanenti da 20 metri con i seguenti 2 connettori:
Collegamento permanente a) con fibra multimodale convenzionale
Collegamento permanente b) con fibra multimodale insensibile alla curvatura del fornitore A
Collegamento permanente c) con fibra multimodale insensibile alla curvatura del fornitore B
La Figura 8 mostra i dati del test.
**Nota: una differenza di 4 dB nel valore CPR di una sorgente luminosa di Categoria 1 rappresenta un aumento del 150% nella potenza dei modi di ordine superiore.
Risultati misurati
I risultati dell'esperimento controllato sono presentati nella Figura 9. La prima serie di test è stata condotta nelle stesse condizioni, con una sorgente luminosa a iniezione di overflow e un filtro di condizionamento di modo avvolto su mandrino. Si osserva una differenza di circa 0,5 dB nella perdita ottica quando i test vengono eseguiti con OLTS n. 1 rispetto a OLTS n. 2, una differenza che interessa tutti i collegamenti permanenti indipendentemente dal tipo di fibra. Qual è la causa di questa discrepanza?
La differenza nelle misurazioni della perdita può essere attribuita alla quantità di luce accoppiata alla fibra multimodale da ciascuno dei due strumenti di test. Sebbene entrambe le sorgenti luminose siano specificate in Categoria 1, le specifiche sono insufficienti a garantire che una distribuzione uniforme della potenza dei modi venga iniettata dall'estremità di un cavo patch di riferimento di test quando si utilizza il filtro di modo avvolto su mandrino. Una differenza di 0,5 dB nelle misurazioni può significare la differenza tra il superamento e il fallimento del collegamento quando si lavora con budget di perdita dell'ordine di 1,5 dB a 2,6 dB.
Nella seconda serie di test, le misurazioni della perdita ottica sono risultate corrispondenti (entro una tolleranza di +/- 0,1 dB) con i due strumenti di prova (OLTS n. 1 e OLTS n. 2) quando si utilizza un filtro di condizionamento di modo Encircled Flux.
Ottime notizie!
La buona notizia è che nel settore c'è un accordo generale sulle procedure di prova che garantiscono misurazioni accurate e ripetibili della perdita ottica. Il metodo di prova Encircled Flux riduce la variazione nelle misurazioni della perdita fino a un minimo di +/- 10% per le misurazioni di attenuazione del collegamento superiori a 1 dB. La conformità alla norma IEC 61280-4-1 può essere ottenuta utilizzando un controller di modalità, che può essere integrato nell'apparecchiatura di prova o essere un dispositivo esterno inserito tra la sorgente luminosa e la fibra in esame.
Il controller di modalità è un dispositivo passivo che garantisce che le condizioni di iniezione soddisfino i requisiti della norma IEC 61280-4-1 indipendentemente dalla sorgente luminosa utilizzata (LED o laser).
In conclusione:
il test di perdita ottica sul campo non è così semplice come sembra e può essere influenzato da molte variabili, come la disparità della fibra, il tipo e la qualità dei cavi patch di riferimento utilizzati per il test e le condizioni di iniezione (OFL/avvolgimento su mandrino rispetto a flusso circolare).
I rigorosi requisiti di perdita ottica per le applicazioni ad alta velocità richiedono un metodo di test preciso per l'esame del collegamento sul campo. Gli esperti del settore raccomandano il metodo di test a flusso circolare per le sue accurate misurazioni di perdita ottica sia per le fibre multimodali convenzionali che per le fibre multimodali a banda stretta (BIMMF). Il metodo a flusso circolare
è anche il metodo di test specificato per le applicazioni Ethernet a 40G e 100G.
Autore:
Autore: Paul Kish, Direttore dei sistemi e degli standard presso Belden
Informazioni sull'autore:
Paul Kish, Direttore dei Sistemi e degli Standard presso Belden, è uno dei principali contributori allo sviluppo degli standard di cablaggio TIA, ISO e IEEE ed è anche membro del Comitato per le Informazioni Tecniche e i Metodi del BICSI.
