Misure di attenuazione nelle fibre ottiche

Misure su cavi a fibre ottiche
Requisiti di misura
Parametro
esempio
strumento
Potenza ottica
Output delle sorgenti,
livello di ricezione del
segnale
Power meter
Attenuazione o perdita Fibre, cavi, connettori
Power meter e source, o
Optical Loss Test Set
(OLTS)
retroriflessione o
Optical Return Loss
(ORL)
OTDR
Lunghezza d’onda
Analizzatore di spettro
ottico
Backscatter
attenuazione, lunghezza,
locazione dei guasti
OTDR
Locazione dei guasti
OTDR
Banda / dispersione
Bandwidth tester
Power Meter
 Il power meter può essere utilizzato per
misurare la potenza di una sorgente
 disponendo di una sorgente, si può misurare
l’attenuazione di un cavo (insertion loss)
 la maggior parte delle misure di potenza sono
nel range 10 dBm  - 40 dBm
 i sistemi analogici CATV (cable TV) o
DWDM (Dense Wavelength Division
Multiplexing) possono avere potenze sino a
30 dBm (1 Watt – laser classe 4)
 i power meter sono calibrati a 3 lunghezze
d’onda standard: 850 nm, 1300 nm, 1550 nm
 la tipica incertezza di misura é 5% (0.2 dB)
Le sorgenti
 Le sorgenti sono LED o Laser
 665 nm per fibre ottiche in plastica
 850 nm o 1300 nm per fibre multimodali
 1310 nm o 1550 nm per fibre monomodali
OTDR - Optical Time-Domain Reflectometer
 = 850, 1300 nm per multimodo
 =1300, 1550 nm per
monomodo
Dinamica monodirezionale:
multimodo  25 dB, 1310 nm,
1 s
monomodo  40 dB, 1550 nm,
20 s
monomodo  26 dB, 1550 nm,
1 s
Impieghi dell’OTDR
 Misure di attenuazione
 locazione di rotture, giunti e connettori
 fornisce display grafici sullo stato delle fibre
 i cavi possono essere misurati da un solo lato
Backscatter
 Una piccola quantità di luce é diffusa all’indietro verso la
sorgente dalla fibra stessa
 lo Scattering di Rayleigh è causato dalle disomogeneità della
matrice vetrosa della fibra e provoca una diffusione del segnale
in ogni direzione, anche all’indietro (retrodiffusione o
backscattering)
 giunti meccanici nel caso di vetro e aria e coppie di connettori
producono riflessioni maggiori verso la sorgente
 (riflessione di Fresnel) se un impulso luminoso incide
sulla superficie di separazione di due mezzi con indici di
rifrazione differenti, una frazione di energia viene riflessa
all’indietro (circa il 4% dell’energia incidente).
Backscatter
Potenza ottica
incidente
Retrodiffusione
Il segnale retrodiffuso è  1/1000
del segnale diffuso in tutte le direzioni
Diffusione
Scattering di Rayleigh
Scattering di Rayleigh: le disomogeneità intrinseche della fibra (di dimensioni molto
minori della lunghezza d’onda) inducono diffusione del segnale in tutte le direzioni,
anche all’indietro (retrodiffusione o backscattering).
n = 1.0
(aria)
~4%
n = 1.5
(nucleo)
 n  n2 

PR   1
 n1  n2 
2
Riflessione di Fresnel
Riflessione di Fresnel: se la luce incide sulla superficie di separazione di due mezzi con
indici di rifrazione diversi, parte dell’energia é riflessa ( 4% nel caso vetro aria,  14 dB).
Schema dell’OTDR
Elaborazione dati
DISPLAY
Sorgente laser
Accoppiatore
direzionale
Fibra da misurare
Ricevitore/fotodiodo
Pbackscatter  x   ρ  Δτ  P0  e  α x
Pricevuta  x   Pbackscatter  x   e  α x  ρ  Δτ  P0  e  2 α x

5  log10 Pricevuta  x    5  log10 ρ  Δτ  P0   10  log10 e  α x
 5  log10 ρ  Δτ  P0   AdB  x   K  x  α  10  log10 e 

Schema dell’OTDR
Diodo laser
Accoppiatore
direzionale
Connettore
OTDR
Generatore
impulsivo
Alla fibra
sotto test
Convertitore
A/D
fotorivelatore
Amplificatore
OTDR Display

dB/km
C
D
A
E
B
F
Distanza (km)
A RIFLESSIONE DI TESTA;
B L’ATTENUAZIONE E’ DATA DALLA PENDENZA DELLA CURVA;
C EVENTO RIFLESSIVO (GIUNTO MECCANICO)
D EVENTO NON RIFLESSIVO (GIUNTO A FUSIONE O CON ADATTATORE DI INDICE)
E RIFLESSIONE DI FINE FIBRA;
F RUMORE
OTDR – modalità di operazione
OTDR invia in fibra un impulso, misura il ritardo degli echi (al riguardo, un
connettore Ultra Physical Contact – UPC - ha un return loss di  50 dB, un
connettore Angled Physical Contact – APC- di  70 dB), e ne calcola la distanza X
X 
v T c T

2
2n
c  3 10 8 m/s

n indice di rifrazione (tipicamente 1.48 per fibre SM)
T tempo di ritardo

La potenza retrodiffusa dello scatter di Rayleigh dipende dalla lunghezza d’onda
(diminuisce come 1/4), dal tipo di fibra, e dalla durata dell’impulso)
Lunghezza d’onda
Attenuazione tipica
850 nm (MM 50 m )
2.7 dB/km
1300 nm (MM 62.5 m)
0.7 dB/km
1300 nm (MM 50 m )
0.5 dB/km
1310 nm
0.35 dB/km
1550 nm
0.22 dB/km
OTDR – range dinamico & range di misura
 Range dinamico è la differenza tra livello iniziale di backscatter e livello del
rumore (noise floor), dopo una media (averaging) di 3 minuti;
 si può specificare per rumore di picco o per rumore rms (root mean square);
 range di misura è la differenza tra livello iniziale di backscatter e livello a cui
l’attenuazione di giunti a fusione (tipica 0.5 dB) si può misurare accuratamente.
Backscattering iniziale da connettore
OTDR
Range di
misura
Giunto 0.5 dB
distanza
Range
dinamico
(picco)
Range
dinamico
(rms)
OTDR – range dinamico & range di misura
 Range dinamico e range di misura dipendono dalla durata dell’impulso;
 maggiore è la durata dell’impulso, minore è l’attenuazione di backscatter,
maggiore è il range dinamico;
 inoltre, poiché l’attenuazione di backscatter dipende anche dalla lunghezza
d’onda e dal tipo di fibra,
 la capacità di misura in distanza di OTDR dipende dalla durata
dell’impulso, dalla lunghezza d’onda e dal tipo di fibra
 chiaramente, la distanza massima di misura si ottiene dividendo il range
dinamico (in dB) per l’attenuazione della fibra (in dB/km);
 ad esempio, a 1550 nm si ha
 un range dinamico di 30 dB;
 l’attenuazione della fibra di 0.23 dB/km;
 pertanto, la massima distanza misurabile è 30/0.23 = 130.4 km.
OTDR – influenza della durata dell’impulso
 A parità di condizioni, la massima distanza misurabile aumenta (linearmente)
con la durata dell’impulso;
 però, maggiore è la durata dell’impulso, maggiore è lo spazio che
l’impulso “occupa” sulla fibra;
 un impulso di durata T, dal momento che incontra una riflessione, anche di
dimensione longitudinale infinitesima, perviene in ricezione nell’intervallo tt+T,
quindi la distanza relativa sulla fibra è
c  3 10 8 m/s

v  t  ΔT  - v  t c ΔT
n indice di rifrazione
ΔX 


2
2n
t tempo di ritardo a inizio riflessione
ΔT durata impulso
ad esempio,
 un impulso di 10 ns corrisponde a (31081010-9)/(21.48)  1 m;
un impulso di 1 s corrisponde a (3108110-6)/(21.48)  100 m.
OTDR – influenza della durata dell’impulso
Impulso 50 ns
Impulso 20 ns
Impulso 200 ns
OTDR – modalità media (averaging)
 Per misurare accuratamente l’attenuazione dei giunti, è
necessario mediare (averaging);
 l’operazione di media può essere definita in tre modi
 la media si traduce in ridotto rumore sulla traccia, ottenendo
così un posizionamento più accurato dei marker;
 più rumorosa è la traccia, più medie sono necessarie;
 l’ampiezza dell’impulso può anche essere aumentata per
ridurre il rumore (aumentando il rapporto segnale/rumore),
dipendendo però dalla spaziatura degli eventi riflessivi.
OTDR - Lunghezze d’onda di misura
 Lunghezze d’onda utilizzate
 850 – 1300 nm multimodali
1310 – 1550 nm monomodali
 Alle lunghezze d’onda maggiori:
 l’attenuazione è minore
 lo Scattering di Rayleigh è minore
 la sensibilità alle attenuazioni da curvatura (bending loss) è maggiore
 alle lunghezze d’onda minori:
 l’attenuazione è maggiore
 lo scattering di Rayleigh è maggiore
 la sensibilità alle attenuazioni da curvatura (bending loss) è minore
Tipi di OTDR
Full-size
(complesso,
costoso)
Mini-OTDR
(minori
prestazioni)
Fault Finder (semplice,
indica la distanza dal
guasto)
Cable Tracer Visuali e Fault Locator Visuali (VFL)
 Cable tracer è come una semplice
lampadina
 utilizza una sorgente LED o Laser per
inviare più luce nella fibra
 utile per testare la continuità della fibra
 o per verificare che è connessa la fibra
giusta
 con sorgenti molto luminose si può
trovare la rottura cercando una
luminosità attraverso il jacket
 la luce visibile percorre solo 3 5
km sulla fibra.
Fiber Identifier
 Piega la fibra per rivelare la
luce
 può essere utilizzato sulle
fibre “live” senza interrompere
il servizio
 può rivelare uno speciale
tono modulato inviato sulla
fibra
Microscopio
 Utilizzato per ispezionare
le facce “levigate” di fibre e
connettori
 particolarmente
durante i processi di
eliminazione della resina
epossidica
Attenuatori
 Simula l’attenuazione di
un lungo tratto di fibra
 attenuatori variabili
consentono di testare una
rete per verificare quanta
ulteriore attenuazione può
essere tollerata
 può utilizzare gap,
bending (curvatura) o
filtri ottici
Livelli di potenza ottica
Tipi di rete
Telecom
Lunghezza d’onda
(nm)
1330, 1550
Range di potenza (dBm)
+3  - 45
Telecom DWDM
1550
+20  - 30
Dati
665, 790, 850,
1300
1300, 1550
-10  - 30
CATV
+10  - 6
I rivelatori sono semiconduttori in silicio, germanio o arseniuro di gallio e indio.
Test di fibre ottiche
 Prima dell’installazione
 test di continuità con cable tracer o
VFL (Fault Locator Visuale)
 misurare l’attenuazione col metodo del
cut-back
Test per l’attenuazione dei connettori
Inserire il connettore
Questo test dà la perdita tipica di un tipo di connettore
Optical Return Loss (ORL) nei Connettori
 Una “coppia” di interfacce vetro aria per connettori non a
contatto fisico senza gel index-matching
 4% riflettanza – perdita di 0.3 dB, ORL 14 dB
 connettori PC (Physical Contact) possono avere una
riflettanza dell’1%, ovvero un ORL di 20 dB
 molto meno coi migliori connettori PC, 40 dB
 con connettori angolati sino a 60 dB
la riflettanza può essere un problema in sistemi monomodali
ad elevato bit rate.
Test Base per l’attenuazione dei cavi
 Misurare la potenza in uscita dalla fibra di lancio
 poi aggiungere il cavo da testare
 questo test utilizza solo un connettore – avvolgere il
cavo per testare l’altro lato
Fibra di
lancio
Splitter ottici
Splittano i segnali luminosi da una fibra in due fibre
Gli accoppiatori possono splittare o combinare
Si può anche splittare 1 a M o combinare M a 1
Accoppiatori MxN
Realizzazione degli accoppiatori
tensione
tensione
Avvolgimento delle
fibre
tensione
tensione
Fusione o rammollimento delle fibre
tensione
tensione
tapering delle fibre
Wavelength Division Multiplexer
 La luce entrante da sinistra contenente due lunghezze d’onda è
separata, in lunghezza d’onda, nelle due fibre sulla destra
 é possibile anche la combinazione dei due segnali
 richiede tecniche e apparecchiature speciali per essere testato
Amplificatori per fibre ottiche
 Amplificano i segnali senza
conversione in elettrico
 complessi da testare, richiedono
speciali apparecchiature.
Switch a fibre ottiche
Commuta agevolmente le lunghezze d’onda durante i test
di canali multipli
Datalink a fibre ottiche
 La figura mostra un link monodirezionale
 la maggior parte delle reti è bidirezionale (full duplex) con
due link che operano in direzioni opposte.
trasmettitore
Driver di
sorgente
LED o Laser
connettore
ricevitore
fotodiodo
cavi
Bit Error Rate
La potenza ricevuta deve essere entro il range operativo
 una potenza troppo bassa porta ad elevati BER
(insufficiente rapporto segnale /rumore)
 una potenza troppo alta satura il rivelatore portando
anch’essa ad elevati BER
 in tal caso si devono utilizzare attenuatori
Affidabilità (Reliability)
 Una volta installati, i sistemi in fibra ottica dovrebbero operare
per lungo tempo
 i cavi possono essere spezzati in modo accidentale
 contrassegnare i luoghi dove sono interrati i cavi
 interrare un nastro di “marcatura” sopra il cavo
 utilizzare jacket di colore opportuno (arancio o giallo) per i
cavi indoor
Incertezze
 Livelli assoluti di potenza: 5% o 0.2 dB
 attenuazione (Insertion loss): 0.5 dB o più
 OTDR: fino a qualche dB
 riflessione (Optical return loss): 1 dB o più
 sebbene i meter mostrino letture con centesimi di dB, queste
non significano nulla !
 ad esempio, una attenuazione di 2.13 dB potrebbe essere
rimisurata come 2.54 dB
Incertezze dell’OTDR
 Dead zone
 niente può essere misurato nei primi 100 metri, all’incirca
(la distanza esatta dipende dalla durata dell’impulso)
 risoluzione in distanza
 due eventi troppo vicini non possono essere risolti
 anche questo dipende dalla durata dell’impulso.
Errore nella misura della distanza nell’OTDR
 Velocità della luce nelle fibre
 può non essere quella che l’OTDR si aspetta, con
distorsione nella lettura delle distanze (s = vt/2 v = c/n);
 ad esempio, con G.652
  = 1310 nm n = 1,4670
  = 1550 nm n = 1,4675
  = 1650 nm
n = 1,4678
 L’OTDR misura lunghezze delle fibre che sono
normalmente 1%  2% maggiori delle lunghezze del cavo.
OTDR Ghost
Impulso iniziale
Picco riflessivo
(saturato)
Ghost alla lunghezza
doppia del cavo
700 m di cavo
Solo rumore
 Riflessioni secondarie appaiono al doppio della reale
lunghezza del cavo
 l’impiego di “gel index-matching” elimina i ghost