1

УНИВЕРЗИТЕТ “Св. КИРИЛ И МЕТОДИЈ” -

СКОПЈЕ

ФАКУЛТЕТ ЗА ЕЛЕКТРОТЕХНИКА И

ИНФОРМАЦИСКИ ТЕХНОЛОГИИ

- ДИПЛОМСКА РАБОТА -

Тема

Методи за мерење на поларизациска модална дисперзија

во оптички влакна

Ментор: Изработил:

д-р Марко Порјазоски Никола Анчевски 222/2009

Скопје, септември 2013

2

Содржина 1. Апстракт ............................................................................................................................................... 3

2. Впвед .................................................................................................................................................... 4

3. Ппларизација на светлина .................................................................................................................. 5

4. Ппларизациска мпдална дисперзија ................................................................................................. 9

4.1 Причини за ппјава на PMD ......................................................................................................... 9

4.2 Карактеристики на PMD ............................................................................................................ 10

4.3 Ппследици пд PMD ................................................................................................................... 12

5. Метпди за мереое на PMD .............................................................................................................. 16

5.1 PMD мпнитприраое базиранп на следеое на RF тпнпт ........................................................ 16

5.2 PMD мпнитприраое сп следеое на степенпт на ппларизација ........................................... 20

5.3 Интерферпметриски метпд за мереое на PMD вп пптички влакна ..................................... 26

5.4 Останати метпди за мереое на PMD за пасивни пптички влакна ........................................ 35

5.4.1 Техника сп фиксен анализатпр ......................................................................................... 35

5.4.2 Метпд сп евалуација на Стпкс параметарпт ................................................................... 38

5.4.3 SOP (State of Polarization) метпд ...................................................................................... 38

5.4.4 Сппредба на метпдите за мереое на PMD вп пасивни влакна .................................... 39

6. Практичнп мереое на PMD .............................................................................................................. 42

6.1 Мереое на I влакнп .................................................................................................................. 48

6.2 Мереое на II влакнп ................................................................................................................. 51

7. Заклучпк ............................................................................................................................................. 53

8. Кпристена литература ....................................................................................................................... 60

3

1. Апстракт

Темата на овој дипломски труд се методите за мерење на поларизациска модална

дисперзија во оптички влакна. Како позадина, ќе биде даден кус преглед и објаснување за

поларизација на светлина, а потоа и самата поларизациска дисперзија. Понатаму опишани

се две групи на методи: методи за мерење на поларизациска дисперзија во активна мрежа

и методи за мерење на поларизациска дисперзија на пасивни оптички влакна. Извршено е

и практично мерење со EXFO PMD анализатор во Лабораторијата за телекомуникации при

Факултетот за електротехника и информациски технологии во Скопје. На крај, даден е

заклучок за самата појава како и кратка дискусија за влијанието на PMD во оптичките

мрежи и начини за нејзино митигирање.

Клучни зборови: PMD, интерферометрија, поларизација, оптичко

влакно, дисперзија

4

2. Вовед

Темата која се обработува во овој дипломски труд се методите за тестирање и мерење

на поларизациска модална дисперзија. Поларизациската модална дисперзија, или скратено

PMD не секогаш била главен предмет на истражување и проучување. Иако е одамна

позната, дури во последниве неколку години нејзиното мерење станува приоритет.

Главната причина за тоа може да се побара во самиот опис и штетно дејствие на PMD.

Како што ќе објасниме и демонстрираме во овој труд, штетните ефекти на PMD се

манифестираат со поголем интезитет во долги оптички линкови и при големи битски

брзини. Постои тренд во современите оптички мрежи да се градат се подолги оптички

линкови, без регенератори се со цел да се намали цената на мрежата, како и да се подобрат

перформансите. Истовремено, брзините на трансмисија се зголемуваат. Поради ова, PMD

како штетна појава станува параметар кој мора да се земе во предвид кога се гради нова

оптичка мрежа или се надградува постоечка. Заради овие причини ја одбрав оваа

проблематика како тема на мојот дипломски труд. Во продолжение ќе се обидам да ја

објаснам појавата на PMD, нејзините причини за појавување како и нејзините

карактеристики. Методите кои се опишани во овој дипломски труд, како што ќе се види

подолу, се поделени во две групи. Првата група се методи за мониторирање на PMD во

активна мрежа. Иако сеуште не е толку актуелна, во иднина овој аспект на мерење ќе биде

доста важен. Втората група методи се методите кои и најчесто се применуваат. Тоа се

всушност методи за мерење на пасивни оптички влакна, т.е. влакна кои не се вклучени во

оптичка мрежа. Овие мерења се извршуваат секојдневно од страна на сервис провајдерите

и производителите на оптичка опрема (вклучително и на самите оптички кабли) заради

проверка дали влакното ги задоволува стандардите пропишани од страна на ITU. Исто

така, секој сервис провајдер кој гради нова оптичка инфраструктура или ја надградува

старата, мора да ги има информациите за PMD, бидејќи самиот дизајн на мрежата,

должина на линк и со колкава брзина може да се пренесува информацијата, директно

зависи од PMD параметрите. Во овој дипломски труд, исто така, е презентирано и едно

практично мерење на оптичко влакно за PMD. Мерењето е извршено во Лабараторијата за

телекомуникации при ФЕИТ. Со ова мерење ќе покажеме, прво, како изгледа еден тест

апарат за мерење на PMD, на кои работи треба да внимаваме за да добиеме точни

резултати, како и проверка дали она што сме го кажале како теорија се поклопува со

резултатите што ќе ги добиеме со ова мерење. На крај имаме мал осврт на ефектите што

ги има PMD во оптичките мрежи како и начини и предизвици за митигација на овие

ефекти.

5

3. Поларизација на светлина

Поларизацијата е карактеристика на бранови што можат да осцилираат со повеќе од

една ориентација. Електромагнетните бранови покажуваат поларизација. За разлика од

нив, звучни бранови во гас или течност немаат поларизација бидејќи медиумот вибрира

само во правецот по кој бранот патува. По дефиниција, поларизацијата на светлината се

опишува со специфицирање на ориентацијата на електричното поле на бранот во точка од

просторот за време на еден период на осцилација. Кога светлината патува низ слободен

простор, најчесто пропагира како трансверзален бран – поларизацијата е нормална на

правецот на движење на бранот. Во овој случај, електричното поле може да ротира во

една насока (линеарна поларизација), или може да ротира како што патува бранот (кружна

или елиптична поларизација). Во оптичкото влакно, поларизацијата на електромагнетното

поле е покомплицирана. Полињата освен трансверзалните, имаат и лонгитудинални

компоненти.

Светлината е електромагнетен бран и нејзината пропагација во кој било медиум може

да се опише и карактеризира со Максвеловите равенки.

Дополнително, важат и следниве релации:

Бидејќи зборуваме за оптички влакна направени од силика (SiO2), треба да се напомене

дека за силика важи Ј=0 и М=0. Имено, пропагацијата на светлината може да се опише со

специфицирање на еволуцијата на векторите на електричното и магнетно поле во простор

и време, кое се означува со E(r,t) и H(r,t). Понекогаш е позгодно да се работи со нивните

Фуриеви трансформации, и . За понатамошно изведување, треба да

дефинираме неколку претпоставки за силиконското оптичко влакно. Тие се следниве:

Локалност на одѕивот: P(r) за r = r1 зависи само од E(r1). Вредностите на E(r) за

r ≠ r1 немаат никакви ефекти на P(r1). Ова својство важи во добар степен за

6

силициумови влакна во 0.5-2 μm опсег на бранови должини кој е и од интерес за

оптичка комуникација.

Изотропност: Изотропен медиум е тој кај кого електромагнетните својства, како на

пример индексот на прекршување, се исти во сите насоки. Во ваков медиум, Е и P

имаат иста ориентација. Силиката е изотропен медиум, и совршено цилиндрично

влакно направено од силика е изотропно во трансверзалната рамнина.

Линеарност: За линеарен, изотропен медиум важи следнава релација:

∫

, каде се нарекува линеарна

сусцептибилност на медиумот. Ова ни кажува дека индуцираната диелектрична

поларизација се добива со конволуирање ( пати) на применетото електрично

поле врз медиумот со сусцептибилноста на медиумот. Ако со и ги означиме

Фуриевите трансформации на P и , оваа равенка (3.7) може да се запише на

следниов начин:

Треба да се напомне дека вредноста на P во момент t не зависи само од вредноста

на Е во тој момент t, туку и на сите вредности на Е до тој момент t. Ова значи дека

одговорот на медиумот на применетото електрично поле не е инстантен. Со други

зборови, зависи и од . Ова е потеклото на хроматската дисперзија. За

силиката ова својство за линеарност не е сосема точно, но можеме да го

апроксимираме.

Хомогеност: Хомогениот медиум ги има истите електромагнетни својства во сите

негови точки. Иако силиката е хомоген медиум, оптичкото влакно не е, бидејќи

индексите на прекршување во јадрото и обвивката се различни. Меѓутоа,

индивидуално, индексите на прекршување во јадрото и обвивката во step-index

влакната се исти, па во тие делови можеме да зборуваме за хомоген медиум.

Losslessness: Без загуба. Иако силиката има загуби, таа загуба е мала и може да се

занемари.

Индексот на прекршување на материјалот, n, е односот на брзината на светлината во

вакуум и во материјалот. Овој индекс е поврзан со сусцептибилноста на следниов начин:

Со овие претпоставки и тргнувајќи од Максвеловите равенки, може да се покаже дека

следниве бранови равенки важат за и .

7

Векторите на електричното и магнетното поле во јадрото, јадро и јадро, и во обвивката

обвивка и обвивка, мора да ги задоволуваат овие бранови равенки. Меѓутоа, решенијата на

овие равенки во јадрото и во обвивката не се независни; тие се поврзани преку граничните

услови на површината помеѓу јадрото и обвивката. Од ова произлегува дефиницијата за

fiber mode: секое решение на брановите равенки што ги задоволува граничните услови е

fiber mode. Ако претпоставиме дека правецот на пропагација на светлината е по z-оската и

ако индексите на прекршување, како и дијаметрите на јадрото и обвивката се независни од

z, во тој случај секој fiber mode ја има следнава форма на зависност од z-оската: ejβz

. β се

нарекува пропагациона константа на модот, и секој мод има различна пропагациона

константа. Таа ја одредува брзината со која енергијата на пулсот патува по влакното. Ако

има повеќе модови, енергијата ќе биде поделена помеѓу нив. Бидејќи сите модови имаат

различна брзина, ќе настане дисперзија и ширење на пулсот. Затоа влакната се прават да

подржуваат само еден мод кој е наречен фундаментален мод. Ваквите влакна се

нарекуваат single-mode влакна. За едно влакно да биде single-mode, треба да ја задоволува

следнава релација:

√

Во оваа релација, a е радиус на јадрото, n1 е индексот на прекршување на јадрото, n2 е

индексот на прекршување на обвивката, а λ е cutoff брановата должина за која сакаме тоа

влакно да работи во single-mode режим.

За секое λ, постојат две линеарно независни решенија на брановите равенки. Двете

решенија одговараат на фундаменталниот мод и ја имаат истата пропагациона константа.

Другите решенија постојат само за λ < λcutoff. Да претпоставиме дека електричното поле

(r, ) е запишано на следниов начин: (r, ) = , каде , , се

единечните вектори по x, y и z оските. Земаме дека правецот на пропагација (оската на

влакното) е z. Ги земаме во предвид решенијата на брановите равенки што кореспондираат

на фундаменталниот мод. Може да се покаже дека едно од овие две решенија има ,

додека , додека пак за другото , а . Бидејќи z е и правецот на

пропагација, Ez е наречена лонгитудинална компонента. Другата ненулта компонента, што

е Ex или Ey се нарекува трансверзална компонента.

Бидејќи електричното поле е вектор, за временски-променливо електрично поле,

интензитетот и правецот може да варираат во време. Временски-променливо електрично

поле е линеарно поларизирано ако правецот на векторот е константен, т.е. независен од

времето. Ако електричното поле на електромагнетниот бран нема компонента по правецот

на пропагација на бранот, електричното поле е трансверзално. За фундаменталниот мод на

single-mode влакно, интензитетот на лонгитудиналната компонента (Ez) е многу помал од

интензитетот на трансверзалните компоненти (Ex или Ey). Следува дека во пракса можеме

да претпоставиме дека електричното поле асоцирано со фундаменталниот мод е

трансверзално поле.

8

Со овие претпоставки, двете линеарно независни решенија на брановите равенки за

електричното поле се линеарно поларизирани по x и y оските. Бидејќи овие два правци се

нормални еден на друг, може да се каже дека двете решенија се ортогонално

поларизирани. Бидејќи брановите равенки се линеарни, секоја линеарна комбинација на

овие две линарно поларизирани полиња е исто така решение и следствено фундаментален

мод. Состојбата на поларизација (SOP) се однесува на дистрибуцијата на светлинска

енергија помеѓу двата поларизациски модови. Влакното сеуште е single-mode бидејќи овие

два мода всушност ја имаат истата состојба и својства, т.е. имаат иста пропагациска

константа. Ова важи само за идеално симетрично кружно влакно. Затоа, иако енергијата е

поделена помеѓу овие два мода, нема појава на ширење на пулсот бидејќи имаат иста

пропагациска константа. Ова се разбира е идеалниот случај. Во следното поглавје ќе

видиме дека во пракса не е така.

9

4. Поларизациска модална дисперзија

Поларизациската модална дисперзија (PMD – Polarization Mode Dispersion)

претставува голем проблем во поглед на перформансите во високо брзинските

реконфигурабилни оптички мрежи. PMD произлегува од фактот дека спектралната

компонента на оптичкиот сигнал пропагира преку две основни состојби на поларизација

(PSP – Principal States of Polarization) во рамките на оптичкото јадро кое не е совршено

кружно. Поради тоа, овие две спектрални копии пропагираат со различни брзини. PMD се

акумулира заради несовршената кружна симетрија на оптичкото влакно како и поради

различните компоненти кои може да ги има по должината на оптичкиот линк. Ова се

нарекува birefringence и претставува оптичка карактеристика на материјалот кој има

индекс на прекршување што зависи од поларизацијата и насоката на пропагација на

светлината која патува низ него. По својата природа, штетните PMD ефекти се

стохастични, временски променливи како и зависни од вибрации и температура.

Понатаму, овие PMD ефекти вклучуваат и компоненти од повисоки редови.

4.1 Причини за појава на PMD

Мономодните влакна подржуваат две ортогонални поларизации на оригиналниот

сигнал (фундаментален мод). Во идеално оптичко влакно овие два мода не се разликуваат

и имаат исти константи на пропагација поради совршената цилиндрична симетрија на

брановодот. Меѓутоа, реалните оптички влакна не се совршени и како резултат на тоа,

двете ортогонални поларизациски компоненти (движејќи се по PSPs) на оптичкиот сигнал

ќе патуваат со различна брзина и ќе пристигнат на крајот на влакното во различни

временски моменти. Овој феномен е наречен PMD.

Слика 4.1 Причини за асиметрија на пптичкптп влакнп

10

Како што е покажано на слика 4.1, главната причина за појава на PMD е

асиметријата на оптичкото влакно. Под асиметрија во овој случај подразбираме дека

јадрото на оптичкото влакно не е совршено кружно туку е овално (до некој степен).

Причините за оваа асиметрија можат да се поделат на две групи: интринзични и

екстринзични. Во интринзични спаѓа “вродената” асиметрија поради несовршеноста на

производниот процес. Оваа асиметрија е перманентна карактеристика на оптичкото

влакно. Екстринзичните се појавуваат заради надворешни сили како ракувањето со

оптичкото влакно и неговото каблирање. Интринзичните причини се релативно статични

во време, додека пак екстринзичните како, на пример, механичкиот стрес при движење на

оптичкото влакно се временски променливи што и доведува до динамичката природа на

PMD. Постојат многу извори на механички стрес кои влијаат на оптичкото влакно. Еден

извор кој е многу тежок за контролирање е наизменичното топлење и ладење на

оптичкото влакно во еден 24 часовен циклус (ден и ноќ) и при промена на годишните

времиња. Иако поголемиот број на оптички влакна се поставуваат длабоко во земја и

најчесто во кабли, сеуште страдаат од варијации во температурата и следствено од

механички стрес. Уште еден извор на механички стрес произлегува од постоењето на

извори на вибрации во близина на оптичкото влакно. На пример, многу оптички влакна се

поставуваат покрај железнички пруги и патишта заради полесно поставување и заштеда на

средства. Меѓутоа, возовите кои поминуваат предизвикуваат вибрации и допринесуваат

кон механичкиот стрес. Во случај на воздушно поставување на оптичките влакна,

ветриштата ќе предизвикаат нишање на влакната и со тоа допринесуваат кон PMD.

4.2 Карактеристики на PMD

Разликата во пропагациските константи на двете основни состојби на поларизација

(PSPs) е одговорна за постоењето на PMD. Таа може да се поврзе со разликата на

индексите на прекршување помеѓу двете ортогонални поларизациски оски со следнава

равенка:

⁄ ⁄ ⁄

каде и се ефективните индекси на прекршување на двете ортогонални поларизаци

состојби, а е диференцијалниот индекс на прекршување. Овој индекс е мерка за

асиметрија (или birefringence) во влакното, и неговата вредност обично се движи помеѓу

10-7

и 10-5

. Како апрокцимација од прв ред, оваа асиметрија предизвикува моќноста на

секој оптички пулс да се подели помеѓу двете PSPs на влакното и да патува со различни

брзини. Ова создава диференцијално групно доцнење (DGD – Differential Group Delay)

помеѓу двата поларизациски модови што резултира во ширење на пулсот и

интерсимболска интерференција (ИСИ), како што е покажано на слика 4.2 и слика 4.3.

11

Слика 4.2 Ппјава на дпцнеое меду двата ппларизациски мпдпви

Слика 4.3 Брза и сппра пска на прппагација

Бидејќи причината за PMD е различната брзина на двете состојби на поларизација

на сигналот кога тие се движат по оптичкото влакно (кое има мала birefringence), a

birefringence (асиметријата) се менува по должината на влакното, следува дека PMD е

статистички случајна вредност. Таа може да биде карактеризирана со DGD после одредена

должина на оптичкото влакно. Заради случајните варијации на надворешните влијанија по

должината на оптичкото влакно, PMD во долгите влакна се акумулира како random-walk

процес што води до квадратно-коренска зависност од должината на трансмисија. Затоа

PMD нема единствена вредност за дадена должина од оптичкото влакно, туку се опишува

со просечна DGD, a влакното има разни вредности на DGD дистрибуирани во време.

Веројатноста дека DGD на одредена секција (дел) од влакното ќе има одредена вредност ја

следи Максвеловата распределба (види слика 4.4). Веројатноста дека DGD = Δτ е дадена

со равенката (4.2.2):

12

⟨ ⟩ [

⟨ ⟩ ]

со средна вредност ⟨ ⟩. PMD обично се изразува во ps/km1/2

за големи должини на

влакното, додека пак типичните вредности на ⟨ ⟩ се движат помеѓу 0.1 и 10 ps/km1/2

.

Слика 4.4 Максвелпва распределба

Освен што варира во време, DGD исто така варира и во однос на брановите

должини. Ова се нарекува PMD од повисок ред. Оваа варијанса резултира во оптичка

дисперзија која е функција од опсегот на каналот како и од вредноста на DGD за

брановата должина. Во присуство на PMD од повисок ред, влезниот светлински пулс

може да се рашири и да стане деполаризиран, бидејќи различните фреквенции кои го

сочинуваат спектарот на пулсот ќе доживеат различни поларизации како што патуваат по

оптичкото влакно заради фреквенциско-зависната природа на DGD и PSPs.

4.3 Последици од PMD

На сликата 4.5 графички е претставено влијанието на PMD (од прв и повисок ред) врз

оптичкиот пулс.

Слика 4.5 PMD пд прв и ппвиспк ред

13

Оптичкиот пулс, и фотоните кои го сочинуваат, патуваат од предавателот (изворот), на

растојание = 0, по мономодното оптичко влакно. На некоја далечина L, врз пулсот веќе се

чувствува влијанието на PMD; двете состојби на поларизација се одделени во време

(DGD) и исто така раширени поради PMD од повисоките редови. Ако PMD е многу

изразено, после таа должина L, приемникот нема да може правилно да го декодира

оптичкиот пулс и ќе имаме појава на битски грешки. Ако битските грешки се

многубројни, во тој случај пренесената информација е корумпирана и не може да се

поврати. Во тој случај оптичкиот линк треба да се смета како нефункционален.

На долг оптички линк, освен PMD на самото влакно, може да има и други

дискретни компоненти (пр. изолатори, каплери, мултиплексери) кои се исто така

поларизациски зависни заради молекуларната асиметрија (анизотропија) на брановодниот

материјал. Иако PMD предизвикано од поларизациска зависност на една компонента може

и да се занемари, компоненти во каскада може да додадат големo PMD на еден долг линк.

Ова комбинирано PMD на ваков долг линк може да изнесува неколку десетици

пикосекунди, со што се деградира работата на оптичките системи кои работат со брзини ≥

10 Gbps. За системи кои работат пак со брзини ≥ 40 Gbps, овие вредности за PMD се

катастрофални и системот не може да функционира. На слика 4.6 е скицирана зависноста

на максималната должина на оптички линк при 40 Gbps NRZ сигнал во зависност од PMD

на влакното. Дополнително, на сликата има и график за истиот систем но со PMD од 1 ps

на сите оптички засилувачи по должината на линкот. Бидејќи се повеќе засилувачи, од

графикот се гледа дека PMD се акумулирало и како последица се намалува максималната

должина на оптичкиот линк.

Слика 4.6 Максимална дплжина на линк вп зависнпст пд PMD

14

PMD исто така претставува проблем во SCM (Subcarrier Multiplexing) преносните

системи, особено во милиметарско-брановите системи каде фреквенцијата на модулација

е доволно висока со што слабеењето на RF моќноста предизвикано од PMD ќе има силно

влијание врз неа. PMD и PDL (Polarization Dependent Loss – објаснето понатаму) имаат

големо и воедно штетно влијание врз преносот на аналогни и дигитални SCM сигнали. Во

принцип, преносот со DSB сигнали (double sideband) е подложен на хроматска дисперзија

поради релативната временска (фазна) поместеност што ќе настане помеѓу горните и

долните странични опсези (sidebands) како резултат на пропагациските брзини во

влакното кои се фреквенциско зависни. Заради овој факт, многу SCM системи користат

SSB (single sideband) сигнали со што стануваат имуни на хроматска дисперзија. Меѓутоа,

RF федингот поради PMD останува и понатаму проблем дури и за овие сигнали, бидејќи

релативната поларизациска состојба на носителот во однос на страничниот опсег

(sideband) се менува по текот на влакното. На пример, RF моќноста е комплетно

атенуирана во еден SCM систем кој работи на 40 Gbps, кога просечната DGD вредност е

само 5 ps, a моменталната DGD вредност е 12.5 ps и се наоѓа близу опашката на

Максвеловата DGD распределба. Штетните PMD ефекти во SCM системите можат да се

опишат во временски домен. Имено, светлината може да се разложи по двете ортогонални

PSPs, со тоа што едната оска патува побрзо од другата. Временското доцнење помеѓу

брзата и спората оска создава фазна разлика во соодветните сигнали од подносителите кај

приемникот. Оваа фазна разлика ќе предизвика деструктивна интерференција и може да

доведе до сериозно слабеење на RF моќноста што е функција од фреквенцијата на

подносителите и од DGD. Друго објаснение ја вклучува поларизациската состојба во

оптичко-фреквенцискиот домен. PMD-индуциран RF фединг се случува кога

поларизациската состојба на бранот на оптичкиот носител не соодветствува на

поларизациската состојба на подносителот, бидејќи PMD ќе предизвика SOP на носителот

и подносителот да се разидат, односно ќе имаат различна рата на менување, како што е

покажано на слика 4.7.

Слика 4.7 Прпмена на SOP на нпсителпт и ппднпсителпт

15

Постои уште еден штетен ефект предизвикан од поларизацијата во оптичките

влакна, PDL - Polarization Dependent Loss. PDL се изразува како однос помеѓу

максималната и минималната должина на трансмисија на логаритамска скала, кога

почетната поларизација кај предавателот е ротирана низ сите можни состојби. Поради

незанемарливата PDL кај компоненти по должината на оптичкиот линк (свичеви,

изолатори, каплери, филтери и циркулатори), кога оптичкиот пулс ќе помине низ овие

компоненти, се дели помеѓу двата поларизициски мода кои различно ја атенуираат својата

реплика на оптичкиот пулс. PDL има штетни влијаниа на оптичките линкови, како на

пример флуктуации на оптичката моќност што резултира во случајни варијации на OSNR

(Optical Signal-to-Noise Ratio) поради менувањето на поларизациската состојба во

влакното на сигналот при пропагација, и ограничени перформанси на PMD

компензаторите. Од друга страна, пак, постои PDG – Polarization Dependent Gain, кое доаѓа

од анизотропната добивка при сатурација во засилувачите и се појавува, следствено, во

оптички линкови кои имаат засилувачи. Изворот на PDG во EDFA засилувачите е PHB –

Polarization Hole Burning: сигналите со ортогонални состојби на поларизација може да

користат различни подмножества од јоните кои даваат добивка. PDG може случајно да го

деградира OSNR, со што ќе индуцира значајни флуктуации на BER во време. Иако PDG од

еден засилувач е мал и занемарлив, PDG ефектите од повеќе засилувачи во каскада на

оптичкиот линк може да предизвикаат флуктуации од неколку dB на приемниот Q-фактор.

Интеракцијата помеѓу PMD и PDL/PDG доведува до голема општа деградација на

системот, што е далеку поголема од тоа независно да ги собереме штетните ефекти. Кога

на оптичкиот линк со PMD постои и PDL, PSPs на оптичкото влакно нема да бидат веќе

ортогонални една на друга, распределбата на веројатност на DGD дегенерира од својата

Максвелова форма, и PDL-от што го гледаат WDM каналите може да постане

некорелиран.

16

5. Методи за мерење на PMD

Методите што ќе ги опишеме во продолжение може да се поделат во две групи.

Мониторирање со следење на RF тонот и мониторирање со следење на степенот на

поларизација се техники за следење на PMD во активна мрежа. Останатите, меѓу кои како

најважен е интерферометрискиот метод, спаѓаат во методи за мерење на PMD на оптички

влакна. Тоа подразбира пасивни оптички влакна кои не се пуштени во употреба.

Интерферометрискиот метод ќе го објасниме во најголеми детали.

5.1 PMD мониторирање базирано на следење на RF тонот

Една дадена оптичка фреквенциска компонента се дели на двата ортогонални PSPs и

секоја реплика патува по влакното со различна брзина што доведува до појава на фазна

разлика помеѓу двете реплики. Овој ефект преку деструктивна интерференција ја

намалува соодветната спектрална компонента во детектираниот RF спектар на моќност.

Следува дека RF моќноста е функција од PMD и може да се искористи за негово

мониторирање. Ако ја земеме во предвид фазната разлика помеѓу двата странични опсези

на RF сигналот и PMD ефектите заедно со chirp ефектите (chirped = почетната

фреквенција на пулсот се менува со време), ќе ја добиеме следнава равенка за

детектираната RF моќност на 2СО сигналот кај фотодетекторот:

[ ]

⁄

Во оваа равенка (5.1.1), e RF моќноста без PMD и CD (хроматска дисперзија) ефектите

и зависи само од загубата и добивката на сигналот; е односот на делење на моќноста

помеѓу двата PSPs, a e DGD помеѓу двата PSPs; е chirp параметар, кој дава мерка за

фазната варијација на модулираната светлина; е вкупната хроматска дисперзија;

е RF фреквенцијата; е брановата должина на носителот; и е брзина на светлината во

вакуум. Ако ја анализираме оваа равенка, можеме да заклучиме дека ослабнувањето на RF

моќноста може да се искористи за мерење на PMD, хроматската дисперзија може

значително да влијае на оваа моќност, што води до грешки при мерење за овој тип на

техники на мерење кои ја користат RF моќноста. На слика 5.1 е прикажана варијацијата на

RF моќноста како функција од DGD за различни фреквенции кога хроматската дисперзија

е константна. На пример, за RZ (return-to-zero) податоци може да се користи неговиот

силен RF clock тон за мониторирање на сигналот. Сепак, ако ја погледнеме претходната

равенка (5.1.1) за детектираната моќност во фотодетекторот, ќе видиме дека хроматската

дисперзија влијае врз моќноста на RF тонот, бидејќи дисперзијата ќе предизвика

временско задоцнување помеѓу високо и ниско-фревенциските оптички часовници

(clocks). После детекцијата на моќност, RF часовникот ќе ослабне кога овие два часовници

не се во фаза поради CD.

17

Слика 5.1 Варијација на RF мпќнпст вп зависнпст пд DGD

Поради ова, хроматската дисперзија предизвикува нејасностии и лоши резултати при

мерење на PMD. Едно решение за PMD мониторинг кој не е осетлив на хроматска

дисперзија е да користиме narrowband оптички филтер (за тесен опсег) кој ќе биде

поставен или на горниот или долниот оптички clock тон пред фотодетекторот (види слика

5.2). Вака само еден тон ќе биде детектиран и ефектите од хроматската дисперзија се

елиминирани. RF clock моќноста ќе биде само од еден оптички clock тон и од носителот.

Слика 5.2 Кпнцепт на CD-непсетлив RF фединг сп кпристеое на филтрираое

Бидејќи PMD од прв ред се уште предизвикува слабеење на моќноста и за 1СО сигнали,

оваа техника може да се користи за да се следи PMD. За 10 Gbps систем, овој тесен филтер

е центриран на горниот 10-GHz оптички clock тон и моќноста на 10-GHz RF clock се мери

за да се мониторира PMD. Како што е покажано на слика 5.3, моќноста на RF тонот дава

точни вредности за DGD и не е осетлива на хроматска дисперзија се до 640 ps/nm.

18

Слика 5.3 Мпќнпст на RF тпнпт вп зависнпст пд CD

Од друга страна, пак, clock тонот не се појавува кај приемникот за NRZ (non-return-to-zero)

податоци. За PMD мониторирање во овој случај се користи дисперзивен FBG (fiber Bragg

grating) за генерирање на потребниот clock тон. Друга техника која може да се употреби е

да се користи FBG филтер со вдлабнатина (U/V вдлабнатина во спектарот на некоја

фреквенција или опсег од фреквенции). Со овој филтер би се отстранил еден од

страничните опсези на оптичкиот clock тон и RF clock тонот може да се поврати од

осцилациите меѓу носителот и страничниот опсег од оптичкиот сигнал што останал.

Повторно, повратената моќност на RF clock-от зависи од релативната поларизациска

состојба на носителот спрема страничниот опсег на оптичкиот clock сигнал, што е пак

одредено од PMD на преносниот линк. Хроматската дисперзија влијае само на фазата на

RF тонот а не и на амплитудата. Затоа, повратената моќност на RF clock-от може да се

користи за мониторирање на PMD и не е осетлива на хроматска дисперзија. Занемарувајќи

ги ефектите на clock тонот, слабеењето на RF моќноста поради PMD, генерира длабнатина

во електричниот спектар после детекција. Поголем број од овие компоненти (dip

фреквенции кои ја сочинуваат таа вдлабнатина) се предложени за мониторирање на PMD

на линкот. Од равенката за детектирана моќност на 2СО сигнал, можеме да видиме дека,

ако DGD во системот има многу голема вредност, dip фреквенцијата може да се измери

доста едноставно и точно, со што лесно би се извела DGD вредноста од таа фреквенција

(би работеле во ниско-фреквентен режим кој е полесен за оперирање). За да се подобри

сензитивноста на мониторирањето, намерно се внесува DGD елемент се со цел да се

зголеми целокупната вредност на DGD во системот. На слика 5.4 е прикажано како може

ова да се реализира.

19

Слика 5.4 Шема за мереое на PMD сп ппмпш на RF мпќнпста

Во исто време, со оваа шема може да се измери и OSNR. Сигналот кој се следи се праќа на

оптички филтер, па потоа во поларизациски контролер (PC), и потоа на PM оптичко

влакно (polarization maintaining) кое има голема DGD вредност. За да го измериме PMD,

PC пред PM влакното прво се скремблира и менувањето на позицијата на вдлабнатината

на RF спектарот (минималната dip фреквенција и максималната dip фреквенција )

се мери со RF спектрален анализатор. Ако го сметаме влакното за пренос како една

должина на влакно (со DGD вредност од ) и PM влакното во модулот за мониторирање

како друга должина (со DGD вредност од ), максималната и минималната вкупна DGD

вредност ( и може да се изразат како:

| |

Бидејќи е пропорционално на , додека, пак, е пропорционално на

, DGD вредностите и може да бидат пресметани од овие две равенки. Каскада од

елементи со голем DGD ќе помогне да се помести длабнината во спектарот во ниско-

фреквентен појас дури и кога DGD на преносното оптичко влакно е ниско. Мониторирање

со ниско-фреквентни компоненти со поголема сензитивност е многу пожелно бидејќи не

само што ја елиминира потребата од високо-брзинска електроника, туку и овозможува

следење и на PMD од повисок ред. Понатаму, бидејќи се мери само менувањето на

позицијата на вдлабнатината на спектарот, а не апсолутната RF моќност, оваа шема за

мерење на PMD е стриктно зависна само од DGD на преносниот линк и не зависи од

20

битската брзина. Затоа не е потребно никакво претходно познавање на DGD вредностите и

моќноста на RF сигналот. На сликата 5.5 се прикажани експериментални резултати

добиени со оваа техника. Се гледа дека овој метод е доста робусен за различни нивоа на

OSNR.

Слика 5.5 Експериментални резултати дпбиени сп техниката сп RF мпќнпст

5.2 PMD мониторирање со следење на степенот на поларизација

Степенот на поларизација (DOP – Degree of Polarization) се дефинира како однос

помеѓу моќноста на делот од светлината кој е поларизиран и вкупната моќност на

светлината. Со мерење на DOP на приемниот светлински сигнал, можеме да го евалуираме

влијанието на PMD на сигналот. Користењето на DOP за мерење на PMD има многу

предности во однос на другите техники:

Нема потреба од high-speed уреди.

Едноставност.

Независно од битската брзина.

Нема влијание од други деградирачки ефекти како хроматска дисперзија и chirp

ефекти.

Механизмот на деградација на DOP на сигналот поради PMD е прикажано на слика 5.6.

Без PMD, оптичкиот сигнал е чисто поларизиран со еден SOP, како што е прикажано на

слика 5.6 (а). Со PMD, SOP на рабовите (SOP B и SOP C) и во средишната точка (SOP C)

21

на “1”-ците на NRZ сигналот се менуваат и се различни поради поместувањето на

пулсевите поради PMD како што е прикажано на слика 5.6(b).

Слика 5.6 Деградација на SOP

Намалениот DOP на сигналот одговара на вредноста на дисторзија на пулсот на сигналот

предизвикан од PMD. Слика 5.7 го покажува DOP како функција од DGD за 10 Gbps NRZ

сигнал модулиран од LiNbO3 Мах-Зендер (MZ) модулатор, кој не е осетлив на хроматска

дисперзија и chirp ефекти во оптичкото влакно.

Слика 5.7 DOP какп функција пд DGD

22

Вредно е да се напомене дека DOP е зависен од ширината на пулсот. Да земеме за

пример еден идеален 50% RZ пулс. Кога сигналот (пуштен при во однос на двата PSPs

на DGD елементот или на оптичкото влакно) поминува низ DGD елементот, “брзата” и

“спората” половина на пулсот патуваат со различни брзини и веќе не се преклопуваат.

Како што преклопувањето се намалува, репликите на сигналот по двете PSPs стануваат се

повеќе деполаризирани, и измерениот DOP се намалува. Ако сигналот искуси DGD

еднакво или поголемо од половина од бит времето, но помало од целокупното траење на

еден бит (за 10 Gbps, ова би било 50 ps), двете реплики на сигналот веќе не се поклопуваат

воопшто, и измерениот DOP е нула. Затоа за RZ сигнали постои ограничување во

мониторирањето при користење на DOP техниката. Кога DGD ќе ја достигне ширината на

пулсот (без разлика на бит ратата), измерениот DOP ќе ја достигне својата прва

минимална вредност. Од друга страна пак, NRZ сигналот не може да биде комплетно

деполаризиран, дури и кога ќе има поголемо DGD од траењето на еден бит. Поради

псевдо-случајната природа на податоците, минималната вредност на DOP е 0.5. Слика 5.8

ги прикажува теоретските резултати на минималниот DOP во однос на DGD (релативно

спрема битското време Tb) при варијација на ширината на пулсот на RZ сигнал.

Слика 5.8 DOP вп пднпс на DGD при прпмена на ширината на пулспт

Следствено на сето ова, техниките базирани на DOP може да страдаат од следниве

недостатоци: мал опсег на DGD вредности за мониторирање за RZ сигнали со кратки

пулсеви, и мала осетливост за NRZ сигнали како што е прикажано на слика 5.9. Како

додаток на сето ова, овие техники се подложни на PMD од повисок ред. На сликата 5.10,

максималниот DOP е 1 кога SOP на влезниот сигнал е поистоветен со PSP на влакното

23

(само за PMD од прв ред). Минималниот DOP, пак, зависи од битската брзина, форматот

на модулацијата итн. Кога е вклучено и PMD од повисок ред, се намалува максималната

вредност на DOP на сигналот кај приемникот (помало е од 1), што всушност ја намалува

осетливоста на мониторирањето.

Слика 5.9 Осетливпст на мереое за RZ и NRZ сигнали

Слика 5.10 Ппистпветенпст на SOP и PSPs

Би било многу пожелно да имаме уред за мониторирање на PMD за кој DOP може да се

измери за да се добие широк прозорец за мерење на DGD и да има широк динамички

опсег за RZ и NRZ сигнали истовремено. Предложено е парцијално оптичко филтрирање

за да се зголеми опсегот на DGD мониторирањето и/или динамичката осетливост/опсег на

DOP за DGD во DOP базираните уреди за мерење на DGD. Кај влакното што се

мониторира, се додава оптички филтер, центриран на оптичкиот спектар (“симетрично”)

или поместен од центарот на спектарот за фреквенцијата на бит ратата – на пример, за 10

GHz за 10 Gbps податочна брзина (“асиметрично”). Ова PMD мониторирање се базира на

24

мерење на DOP дел од оптичкиот спектар кој ќе помине низ филтерот – таканаречено

мерење на DOP на парцијален сигнален спектар. Оваа техника се применува на 10 Gbps

RZ со потиснат носител (CSRZ – Carrier Suppressed RZ) и алтернирачки chirped RZ

(ACRZ) сигнали за кои ширината на пулсот е половина од битското време и резултатите

покажуваат дека опсегот на мерење може да се зголеми од 50 ps на 70 ps за CSRZ, и од 70

ps на 100 ps за ACRZ. Исто така, опсегот на мерење на 25 – ps пулс кај 20 Gbps RZ

сигналите се зголемува од 26 на 45 ps. Со користење на асиметрично филтрирање во NRZ

системи, може да се дуплира динамичкиот опсег на DOP без намалување на опсегот на

мерење на DGD. Механизмот позади сето ова е следниот. Додаваме оптички филтер на

оптичкиот линк за мониторирање (tap-line) кој е поставен асиметрично или симетрично

како што е претходно објаснето. Го мериме DOP на делот од оптичкиот спектар што е

пропуштен од филтерот. Бидејќи множење во фреквенциски домен одговара на

конволуција во временски домен, теснопојасен оптички филтер (со широк одѕив во

временски домен) се користи за да се прошири пулсот во време преку конволуција.

Слика 5.11 Кпристеое на пптички филтер

Ефектот на овој филтер на 50% RZ сигнал во најлош можен случај (γ = 0.5) е прикажано

на слика 5.12. При стандардна конфигурација за мерење, кога DGD е поголемо или

еднакво на ширината на пулсот, а е помало од траењето на еден бит (пр. 12.5 ps за 40 Gbps

50% RZ сигнал), репликите на оптичкиот пулс по двете PSPs веќе не се поклопуваат т.е.

одговараат еден со друг и како резултат на тоа, сигналот е комплетно деполаризиран.

Вредноста за која сигналот ќе ја достигне оваа комплетна деполаризација е максималниот

опсег на DGD мерењето, и типично е еднакво на ширината на пулсот на сигналот

независно од битската брзина. Тесната преносна функција на филтерот во фреквенциски

домен значи дека има широк временски одѕив, и овој одѕив конволуиран со кратките

пулсови во временски домен резултираат во ширење на пулсевите на репликите на

сигналот. Овие проширени пулсеви сега може да се поклопуваат, каде што претходно не

25

би се преклопувале и со тоа се поместува напред кривата на минималниот DOP спрема

DGD, и се зголемува прозорецот за мерење на DGD.

Слика 5.13 Реппларизација сп пптички филтер

Објаснувањето во фреквенциски домен за оваа реполаризација е дадена на слика 5.13.

DGD на оптичкиот линк прави да SOP на фреквенциските компоненти на оптичкиот

спектар да ротираат во однос на централната оптичка фреквенција за

(во Stokes просторот), каде е фреквенцискиот офсет на дадена компонента од центарот

на оптичкиот спектар. Ова е уште познато како SOP walk-off ефект. Бидејќи кратките

оптички пулсеви во време имаат широк оптички спектар, ефектите на деполаризација се

поизразени за сигнали со кратка ширина на пулсевите. Теснопојасниот филтер го скратува

оптичкиот спектар, и со тоа ги намалува ефектите на деполаризација.

Слика 5.14 Сппредба на метпдите сп и без филтрираое

26

Сликата 5.14(а) ги прикажува минималните DOP во однос на DGD криви за 12.5-ps

ширина на пулс (50%), за 40 Gbps сигнал. Пред асиметричното парцијално филтрирање со

36 GHz Гаусов филтер од прв ред, опсегот на мерење е ограничен до 13 ps. После

филтрирањето, опсегот на мерење на DGD се зголемува на 25 ps, т.е. до полно

времетраење на бит. Сликата 5.14(b) ги прикажува резултатите од симулацијата за 40

Gbps NRZ систем после широкопојасно симетрично филтрирање (се користи во пракса за

отстранување на ефектите на ASE врз мерењето) и теснопојасно асиметрично

филтрирање. Без асиметрично филтрирање, динамичкиот опсег на DOP варира од 1 до 0.5.

Меѓутоа, после асиметрично филтрирање со оптичкиот филтер, опсегот на мониторирање

останува ист, но динамичкиот опсег на DOP скоро се дуплира. Ова ограничување на

опсегот на мерење на DGD го има и кај системите со кратка ширина на пулсот, CSRZ и

ACRZ системи. Меѓутоа, оптичкиот спектар за CSRZ и ACRZ сигналите се разликува од

тој на RZ сигналите и тука DOP зависи од оптичкиот спектар. Оваа техника на парцијално

оптичко филтрирање може да се примени за овие сигнали, но обликот, редот и ширината

на опсегот на овој филтер мора да биде оптимизирана за индивидуалниот модулациски

формат на податоците за да осигураме максимале опсег на DGD мониторирање и DGD

динамички опсег. Со оптимизација на параметрите на парцијалниот оптички филтер, за 10

Gbps 50% CSRZ и ACRZ сигнали, опсегот на мерење може да биде зголемен од 50 на 70

ps, и од 70 на 100 ps соодветно.

5.3 Интерферометриски метод за мерење на PMD во оптички влакна

Интерферометрискиот метод за мерење на PMD е тест метода која е одобрена од ITU-

T во G-650 спецификацијата. Многу производители на тест опрема всушност ја

имплементираат оваа метода која станува се попопуларна, пред се заради едноставноста

при производство, како и поради добрите резултати што ги дава, особено при работа на

терен каде се потребни брзи и прецизни мерења, како и мобилна опрема. Измерената

вредност со овој метод го претставува PMDRMS на голем опсег на бранови должини од

типични широкопојасни извори како LED, комбинација од супер-LED или ASE извор во

прозорците на 1310 nm, 1550 nm или кој било друг прозорец на пренос што е од интерес

на корисникот. PMD се одредува од интерферограм што ја содржи автокорелациската и

кроскорелациската функција на електромагнетно поле што доаѓа од едниот крај на

оптичкото влакно што се тестира, кога ќе се осветли од широкопојасен поларизиран извор

на светлина на другиот крај. Главната предност на овој метод е тоа што времето на

мерење е многу кратко и опремата за мерење може лесно да се употреби на терен.

Динамичноста и стабилноста на мерењето се обезбедени со добро познатата Фуриева

спектроскопска техника. Пред да ги видиме техничките детали за оваа техника, да

разгледаме прво како се добива интерферограм и улогата која Фуриевата трансформација

ја игра при анализа на оптичките сигнали.

27

Интерферометријата го користи својството на суперпозиција за да ги комбинира

брановите на тој начин да резултатот на таа комбинација ќе има некакво значајно својство

што би било дијагноза за оригиналните бранови. Кога два брана со иста фреквенција се

комбинираат, резултатот е одреден од нивната фазна разлика – брановите што се во фаза

ќе имаат конструктивна интерференција, а брановите што не се во фаза ќе имаат

деструктивна интерференција. Се употребува за електромагнетни и звучни бранови во

сите сфери на науката. На сликата 5.15 е прикажан еден интерферометар, и тоа со

Микаелсоновата конфигурација.

Слика 5.15 Интерферпметар

Надоаѓачкиот зрак на кохерентна светлина ќе биде поделен на два идентични зраци кај

парцијалното рефлектирачко огледало (на сликата означено како beam splitter). Секој од

овие два зраци поминува различен пат и се рекомбинира со другиот кај детекторот.

Патната разлика предизвикува разлика во фазите. Оваа фазна разлика ја креира шемата на

интерференција што е прикажана на слика 5.16 (три од многуте можни).

Слика 5.16 Шема на интерференција

28

Фазната разлика ни дава информација за се што можело да ја промени фазата на двата

сигнали како што се движеле по двете рути, бидејќи потекнуваат од еден исти зрак

светлина. Постојат различни реализации на интерферометри. На сликата 5.17 се

прикажани дел од нив.

Слика 5.17 Различни реализации на интерферпметри

Како што напоменавме, во интерферометрискиот метод се користи Фуриева

спектроскопија. На слика 5.18 е прикажан Фуриев спектрометар. Како што можеме да

забележиме, тој е во суштина Микаелсонов интерферометар, со таа разлика што едно од

огледалата е подвижно. Принципот на работа е следен. Зракот се дели кај парцијално-

рефлектирачкото огледало на два зрака. Едниот се одбива од фиксното огледало, а

другиот од огледалото што се движи. Ова огледало што се движи внесува временско

доцнење. Овие зраци интерферираат со што се овозможува да се измери временската

кохеренција на зракот за различни вредности на временско доцнење. Со мерење на

сигналот на многу различни дискретни позиции на подвижното огледало, спектарот може

да се конструира користејќи Фуриева трансформација на временската кохеренција на

светлината.

Слика 5.18 Фуриев Спектрпметар

29

Сето ова не е ништо друго, туку практична реализација на Винер-Хинчиновата теорема,

каде временската кохеренција всушност претставува автокорелација на сигналот. Како

што може да се забележи, ова е едноставен метод за добивање на спектарот на сигналот,

од кој потоа ќе ја извлечеме информацијата за PMD.

Еден генерички приказ на опрема за мерење со користење на интерферометрискиот

метод е прикажан на слика 5.19. Варијации на оваа поставеност се прикажани подолу.

Интерферометарот може да се наоѓа кај изворот или кај детекторот, може да биде

Микаелсонов или Мах-Зендер. Примери за ова се дадени на сликите 5.20 и 5.21.

Слика 5.19 Генерализирина шема на интерферпметрискипт метпд

Параметрите и ознаките кои се прикажани на сликата 5.19 се следниве:

v – оптичка фреквенција (λv = c)

τ – разлика во RTT доцнење помеѓу двете раце на интерферометарот

Ss (v) – оптички спектар, на влез на влакното што се тестира ≡ спектрална густина

на , спектарот на изворното електрично поле

Sо (v) – оптички спектар на излез од влакното (влез за анализаторот)

S (v) – оптички спектар на излез од анализаторот (влез во интерферометарот)

– влезен SOP (на влез од влакното што се тестира, единечен Стокс вектор)

30

(v) – излезен SOP (на излез од влакното што се тестира)

– оска на трансмисија на анализаторот

(v) ∙ – Стокс параметар кој ја дава проекцијата на (v) на оската на

трансмисија на анализаторот. Во овој параметар се наоѓа информацијата за PMD

P (τ) – оптичката моќност на излез од интерферометарот, како функција од

доцнењето τ

(τ) – τ зависен дел од P(τ) (“a.c.” дел)

Pо – константен дел од P(τ) (“d.c.” дел)

E (τ) – fringe анвелопа (fringe = еден од темните или светлите појаси во

интерференциската шема)

Ex (τ) – крос-корелациската анвелопа

E0 (τ) – автокорелациската анвелопа

Слика 5.20 Варијации на шемата за реализација на интерферпметрискипт метпд

31

Слика 5.21 Варијација на шемата за реализација на интерферпметрискипт метпд

Оптичката моќност на излезот од интерферометарот, P (τ), е еднаква на сумата на “a.c.” и

“d.c.” компонентите. Овие две компоненти се еднакви за τ = 0, така што “a.c.”

компонентата може да се пресмета. За идеален интерферометар, “a.c.” делот е парна

функција, чија десна половина е еднаква на косинусна Фуриева трансформација на

оптичкиот спектар, S (v), емитиран од анализаторот. За неидеални интерферометри,

потребно е да се направат некои корекции во зависност од конкретната имплементација.

Анвелопата на интерферограмот, E (τ), е апсолутната вредност на “a.c.” компонентата.

Изворот на светлина треба да е поларизиран и со широк спектар, како LED, множество од

супер LED-ови или ASE извор следен од поларизатор. Централната бранова должина на

изворот се преферира да е во O или C појасот. Типична вредност за линиската ширина на

изворот е 60 nm. Исто така, се бара формата на спектарот да ја следи Гаусовата крива.

Линиската ширина, Δλ, мора да биде позната за да може да се пресмета кохерентното

време, tc, кое се одредува од следнава равенка:

каде:

λ0 е централната бранова должина

Δλ е линиската ширина на изворот

c е брзината на светлината во вакуум

Процедурата за мерење е следна. Едниот крај на влакното што се тестира е каплиран за

поларизираниот светлински извор. Другиот крај е каплиран за излезната оптика. Ова

може да се постигне со стандардни конектори или сплајсување. Оптичката излезна

моќност на изворот се мести на референтна вредност. За да се добие силен контраст на

32

интерефенциската шема, оптичката моќност во двете раце на интерферометарот треба да

биде еднаква. ITU-T специфицира два типа на анализа: TINTY (традиционален) и GINTY

(генерален).

За TINTY, се прави првата аквизиција со движење на огледалото на едната рака на

интерферометарот и се мери интензитетот на сигналот. Се одзема вредноста најдена за τ =

0 од интерферограмот за да се добие (τ). Апсолутната вредност на (τ) е fringe

анвелопата, E (τ). Од добиениот fringe pattern за една состојба на поларизација, PMD

доцнењето може да се добие со пресметките кои се опишани подолу. Во случај на

недоволна каплираност на модовите или ниска вредност за PMD, се препорачува да се

повтори мерењето за различни SOP. Fringe анвелопите добиени со TINTY се комбинација

од крос-корелациската и автокорелациската функција. Треба да се користи алгоритам за да

се оддели делот што е од крос-корелациската функција.

Кај GINTY, анализаторот е сетиран на два ортогонални SOPs. После скенирањето

за двата интерферограми, се одзема “d.c.” компонентата од двата за да се добијат x (τ) и

y (τ), т.е. ортогонално генерираните fringes. Крос-корелациската и автокорелациската

fringe анвелопа, Ex (τ) и E0 (τ), се добиваат со следниве равенки:

| | | |

Слика 5.22 TINTY a), c) занемарливп каплирани мпдпви, b),d) силнп каплирани мпдпви

33

На сликите 5.22 и 5.23 се прикажани резултати од двата метода за крос-корелацијата

(претходно се дигнати на квадрат за полесна претстава на резултатите). Може да се

забележи дека кај GINTY го нема автокорелацискиот пик.

Слика 5.23 GINTY

Кај TINTY, кога имаме занемарливо каплирање на модови, одделувањето на единечните

добро дефинирани пикови од центарот всушност претставува наоѓање на DGD вредноста,

што е исто така и PMD вредноста. Следниве пресметки се погодни за случаен режим на

каплирање на модови за долги оптички влакна. Вредноста на PMDRMS се одредува од

вториот момент (RMS ширина) од крос-корелациската функција на детектираниот сигнал

(fringe анвелопата).

(√

)

каде:

е RMS ширина на крос-корелациската анвелопа.

Теоретски, PMDRMS се дефинира на следниов начин (според ITU-T препораката):

⟨ ⟩

⁄ (∫

)

⁄

34

каде v1 и v2 се оптички фреквенции и дефинираат опсег. За да важи оваа равенка (5.3.5),

овој опсег треба да изнесува 100 nm соодветно во бранова должина. Овие две равенки

(5.3.4) и (5.3.5) можат да се комбинираат со што се добива следнава:

⟨ ⟩

⟨

⟩

Овие пресметки имаат ограничување во поглед на тоа дека треба да постои идеално

каплирани модови (што значи и униформно диструбуирана birefringence оска), како и да е

задоволено PMD >> σ0 , каде σ0 е RMS ширината на авто-корелациската функција.

Со GINTY методот, овие ограничувања не важат. Прво се формираат крос-

корелациската и авто-корелациската анвелопа, и тоа усреднети и дигнати на квадрат.

∑

∑

N е бројот на I/O SOPs. Потоа ја пресметуваме RMS ширината на двете семплирани

анвелопи (како што се дадени во (5.3.6) и (5.3.7), квадрирани и усреднети). Математичките

дефиниции за RMS ширините се следниве:

∫ ⟨ ⟩

∫⟨ ⟩

∫ ⟨ ⟩

∫⟨ ⟩

И двата интеграла се интегрираат во некој опсег на вредности за τ (определени се).

PMDRMS вредноста што се добива е следнава:

[

]

⁄

Ако ја земеме во предвид теоретската равенка за пресметување на PMDRMS , ги добиваме

следниве две равенки (5.3.13 е под претпоставка за ергодични услови):

∫

∫

⟨ ⟩ ⟨∫

∫

⟩

35

5.4 Останати методи за мерење на PMD за пасивни оптички влакна

Освен интерферометрискиот метод, постојат уште некои методи опишани во ITU

препораките кои се користат или се референтни за мерење на PMD на пасивни влакна.

Разликата е во тоа што овие методи во продолжение (заедно со интерферометрискиот

метод) се препорачани и дизајнирани за мерење на PMD во пасивни влакна. Тоа значи

дека овие влакна не се дел од оптичка мрежа. Обично овие мерења се спроведуваат пред

да се вклучи влакното во употреба, или кај производителот, за да се провери дали

влакното е направено по ITU стандардите. Во овој дел накратко ќе ги опишеме следниве

тест методи: техниката со еваулација со Стокс параметарот, методот со степен на

поларизација и техниката со фиксен анализатор. Методот со мерење на степенот на

поларизација е објаснет во претходните поглавја, меѓутоа во овој дел акцентот е ставен на

примена врз пасивни влакна, a не мерење во активна мрежа.

5.4.1 Техника со фиксен анализатор

Овој тест метод ја опишува процедурата за мерење на поларизациска модална

дисперзија (PMD) во single-mode оптички влакна. Со оваа техника добиваме една

единствена вредност која го представува PMD на мерен опсег на бранови должини од

неколку стотина нанометри. Овој метод може да биде употребен и на кратки и долги

оптички влакна во граници од нула до големо каплирање на поларизациски модови. Во

некои случаеви, потребни се повторени мерења за да се достигне задоволителна

прецизност при користење на овој метод. Оваа процедура е ограничена на бранови

должини еднакви или поголеми од брановата должина за која оптичкото влакно е single-

mode. Типичната опрема која ни е потребна е прикажана на слика 5.24. На слика 5.25 а) и

б) се прикажани две варијации на оваа шема.

Слика 5.24 Шема за реализација

За овој метод потребни се следниве уреди:

- Широкопојасен поларизиран извор

- Поларизиран (варијабилен) OSA (Optical Spectrum Analyzer)

36

Потребно ни е одредено множество на бранови должини кои ќе ги добиеме со филтрирање

на изворот со монохроматор (слика 5.25 (а)) или со користење на спектралниот анализатор

како детектор (слика 5.24). Ова филтрирање не е потребно ако користиме тјунабилен ласер

како извор (слика 5.25 (б). Спектралната дистрибуција мора да биде теснопојасна за да се

избегне голема деполаризација на сигналот поради PMD во влакното што се тестира.

Слика 5.25 (а)

Слика 5.25 (б)

Поларизаторот е потребен само ако влезниот зрак не е веќе поларизиран. Со спектралниот

поларизатор го мериме излезниот сигнал за секоја бранова должина која сме ја одбрале.

За секоја бранова должина го снимаме излезниот сигнал. Нека излезната моќност ја

означиме со PA(λ), каде А означува присуство на анализаторот. Потоа го отстрануваме

анализаторот и го повторуваме мерењето. Оваа приемна моќност ќе ја означиме како

PTOT(λ). Оваа моќност може да се искористи за да се елиминира спектралната зависност на

компонентите на мерниот систем и загубите на влакното што се тестира. Типични

графици на односот:

37

се прикажани на слика 5.26.

Слика 5.26

Пресметувањето на PMD може да се направи на два начина. Првиот начин е со броење на

екстремите (локалните максимуми). R(λ) треба да се добие (пресмета) на еднакво

оддалечени интервали од бранови должини. Е е бројот на екстреми во прозорецот λ1 < λ <

λ2. Просечната PMD вредност се добива од следнава равенка:

⟨ ⟩

каде c е брзината на светлината во вакуум, k е mode-coupling фактор (k = 1 за занемарливо

каплирани модови, k = 0.82 за random каплирани модови).

Алтернативно, Фуриева трансформација во временски домен повторно ќе даде график, и

RMS DGD вредноста е одредена од стандардната девијација на Гаусовата крива (за влакна

со силно каплирани модови).

38

5.4.2 Метод со еваулација на Стокс параметарот

Методот со евалуација на Стокс параметарот е референтен метод за мерење на PMD.

Се мери промената на излезната состојба на поларизација со промена на брановата

должина. Оваа промена може да се карактеризира преку анализа со Џонсова матрица (JME

– Jones matrix eigenanalysis), или преку ротацијата на SOP векторот на Поинкарова сфера.

Се разбира, анализата на овој метод вклучува напредна математика во која нема да

навлегуваме. Накратко ќе биде опишан само принципот на пресметување.

На слика 5.27 е прикажана тест-апаратурата. Изворот треба да е тјунабилен на

подрачјето на бранови должини за кое сакаме да тестираме. Спектралната дистрибуција

треба да е теснопојасна за да светлината што излегува од изворот остане високо

поларизирана при мерењето. Трите познати состојби на поларизирана светлина му

овозможуваат на полариметарот да ја добие Џонсовата матрица (Jones matrix).

Вредностите во матрицата од парови на соседни бранови должини ја даваат DGD

вредноста. PMD вредноста потоа се пресметува со усреднување на добиените DGD

вредности преку сите бранови должини.

Слика 5.27 Шема на реализација

5.4.3 SOP (State of Polarization) метод

Овој метод ја мери траекторијата на излезниот Стокс вектор како функција од

фреквенција од еден влезен SOP. Анализата дава проценка на ротацискиот агол од секоја

фреквенција до следната. Слабост на овој метод е тоа што ако излезниот Стокс вектор се

поклопи со PSP, естимираниот DGD ќе биде значително помал од вистинскиот. Методот

се базира на фактот што кога оптичката фревенција на влезната светлина варира,

поларизациската состојба на излезот од влакното, претставена во Поинкарева сфера преку

Стокс параметрите, ротира околу оската поклопувајќи се со правецот на PSPs со брзина

зависна од PMD доцнењето: поголемо доцнење, побрза ротација. Така, мерејќи го

39

ротацискиот агол Δθ на референтната точка во Поинкареевата сфера кој одговара на

варијацијата на агловата фреквенција Δω на PMD, Δτ се добива со следнава равенка:

|

|

Доколку еден од влезните PSPs е екситиран, тогаш соодветниот SOP на излез од влакното

ќе остане непроменет по дефиниција и нема да се детектира ротација на Поинкареевата

сфера. Оваа техника ги дава директно DGDs помеѓу PSPs на влакното што се тестира како

функција од бранова должина или време. PMD се добива со усреднување во време или по

брановите должини. Шематски приказ на опрема која би ни била потребна е дадена на

слика 5.28.

Слика 5.28 Шема на реализација

5.4.4 Споредба на методите за мерење на PMD во пасивни влакна

Тука ќе дадеме еден осврт и споредба на методите за мерење на пасивни влакна. Во

овие споредби не е вклучен методот со состојби на поларизација. Дадени се

интерферометрискиот метод и методот со фиксен анализатор како методи кои се

употребуваат во индустријата, како и методот со евалуација со Стоксови параметри како

референтен метод препорачан од ITU. Во табела 5.4.1 се сумирани предностите.

Fixed Analyzer JME TINTY GINTY

Етаблиран на

пазарот

Етаблиран на

пазарот

Голем динамички

опсег > 45 dB

(користејќи рачен

извор)

Голем динамички

опсег: до 50 dB

(користејќи фиксен

извор)

Голем динамички

опсег: до 65 dB

(користејќи фиксен

извор)

Голем динамички

опсег: до 47 dB

(користејќи фиксен

извор)

Добра апсолутна

неопределеност на

резултатот

Добра апсолутна

неопределеност на

резултатот

Добра апсолутна

неопределеност на

резултатот но

постои систематска

грешка поради

отстранувањето на

Добра апсолутна

неопределеност на

резултатот

40

централниот пик на

интерферограмот

Min DGD опсег на

мерење доволен за

сите влакна

Min DGD опсег на

мерење доволен за

сите влакна

Min DGD опсег на

мерење доволен за

сите влакна

Min DGD опсег на

мерење доволен за

сите влакна

Можно е да се мери

низ повеќе EDFA

Можно е да се мери

низ повеќе EDFA

Можно е да се мери

низ повеќе EDFA

Многу брзо време на

мерење (од 5 sec)

Усреднување не е

потребно но треба

една аквизиција по

бранова должина

Многу брзо време на

мерење (од 5 sec)

Робусен инструмент

дизајниран за терен.

Мал и лесен.

Лесен за користење.

Нема потреба од

сетирање на

параметри.

Не е осетлив на

влезна поларизација

Не е осетлив на

влезна поларизација

кога се користат

поларизациски

скремблери

Не е осетлив на

каплирање на

модови

PMD од 2 ред се

мери директно

Табела 5.4.1 Преднпсти на метпдите

Во табела 5.4.2 се сумирани недостаците на овие методи.

Fixed Analyzer JME TINTY GINTY

Скапо решение за

теренско мерење

Нов

интерферометриски

метод

Лабараториско

решение, не е

докажано за на терен

ниту е згодно за

тамошна употреба

Не е погодно за

теренска употреба:

Ризик од

откажување на

делови поради

преместување

Не е погодно за

теренска употреба:

Ризик од

откажување на

делови поради

преместување –

Потребни се

поларизациски

скрамблери

Усреднување е

потребно, но само за

Долго време на

мерење.

Лимитиран

динамички опсег со

41

30 dB и повеќе

загуби

Усреднување е

потребно

преносен извор на

светлина

Не е едноставен за

користење: точниот

DGD опсег мора да

биде сетиран пред

мерење

Не е можно да се

мери преку EDFA

PMD од 2 ред не се

мери директно, туку

се пресметува

PMD од 2 ред не се

мери директно, туку

се пресметува

PMD од 2 ред не се

мери директно, туку

се пресметува

Максимален PMD

ограничен на 60 ps

Максимален PMD

ограничен на 50 ps

Осетлив на влезна

поларизација

Осетлив на влезна

поларизација

Осетлив на влезна

поларизација кога

поларизациски

скрамблери не се

присутни Табела 5.4.2 Недпстатпци на метпдите

Како додаток, во табелите 5.4.3,5.4.4 и 5.4.5, имаме споредба меѓу TINTY и FA (Fixed

Analyzer) методите во пракса. Овие мерење се извршени на терен, на различни

конфигурации на линкот при исти услови на аквизиција.

Должина TINTY FA Разлика

100 км 0.77 ps 0.85 ps 10% Табела 5.4.3 Мереое на пптички влакна ппставени ппкрај автппат

Должина TINTY FA Разлика

69 км 0.282 ps 0.282 ps 1%

98 км 0.519 ps 0.479 ps 8% Табела 5.4.4 Мереое на нпвп ппставени пптички влакна (>2000 гпдина)

Должина TINTY FA Разлика

16 км 7.26 ps 6.16 ps 16%

32 км 8.37 ps 7 ps 16% Табела 5.4.5 Мереое на стари пптички влакна (<1993 гпдина)

42

6. Практично мерење на PMD

Во овој дел ќе демонстрираме мерење на PMD со помош на FTB-5500B PMD анализаторот

производен од EXFO. EXFO е канадска компанија чија главна дејност е тестирање и

оптимизирање на телекомуникациски мрежи со нудење на многубројни производи и

софтверски решенија, претежно од аспект на мерење и мониторирање на оптички,

мобилни како и генерално сите жичани и безжични мрежи. Уредот кој го имавме на

располагање е FTB-5500B. Тоа е PMD анализатор кој го мери PMD со признaената ITU-T

интерферометриска метода. FTB-5500B го усреднува PMD преку сите бранови должини

без филтрирање, оставајќи ја целата моќност на изворот за PMD мерењето. Треба да се

забележи дека FTB-5500B е само тест модул. За да може да се користи, потребен е

всушност FTB-500 уредот кој е прикажан на слика 6.1.

Слика 6.1 FTB-500

Како што може да се забележи од сликата, може да се вметнат различни тест модули.

Понудени се OSNR тест модул, модул за мерење на хроматска дисперзија, како и модулот

што ние ќе го користиме. Откако ќе се вметне модулот, се стартува единицата за мерење,

FTB-500. Таа во себе го има Windows оперативниот систем со што е доста user friendly. Се

43

стартува Тoolbox апликацијата, се бира модулот, и соодветно се појавуваат сите

апликации асоцирани со тој модул. Изгледот на FTB-500 Toolbox е прикажан на слика 6.2.

Слика 6.2 Toolbox

За потребите на ова мерење, направивме еден оптички линк, врз кој извршивме повеќе

мерења. Исто така, мерев уште едно пократко оптичко влакно, за кое рачно применував

механички стрес (со свивање) со цел да видам како тоа влијае на PMD. Оптичкото влакно

што го мерев е произведено од EMTELLE (product code 7590) и е всушност кабел со 4

оптички влакна во него, со должина од 2000 метри. Конкретно, опичкиот кабел е со ознака

4fu SM G652D. Оптичките влакна се single mode, и при мерењето беа во котур. Ова е

важно, бидејќи иако радиусот на свивање не е голем (во дозволени граници), поради

осетливоста на PMD можно е да има некои многу мали варијации во однос на тоа ако сме

го мереле оптичкото влакно исправено. Исто така, од ознаката може да се види дека овој

оптички кабел е направен според препоракaта на ITU-T-G652D. Параметрите кои треба да

ги задоволува оптичкото влакно според оваа препорака се прикажани на слика 6.3. Како

што може да се забележи, во поглед на PMD, во препораката не стои конкретна вредност,

од таа причина што PMD е статистичка појава. Во табелата се наведени два параметра, М

и Q. M означува колку сегменти од ова влакно може да се вклучат во еден линк, а Q е

44

веројатноста PMD вредноста на овие конкатенирани влакна да ја преминe таа горна

граница за PMD која е исто така дадена во табелата.

Слика 6.3 ITU-T преппрака

За да направиме подолг линк, се со цел подетално да го видиме ефектот на PMD, од овој

кабел со 4 оптички влакна од по 2000 метри, сплајсував 2 влакна за да добијам едно

оптичко влакно од 4000 метри. Откако ги соголив двата краја на двете влакна и ги

избришав со посебна течност против нечистотии, го сплајсував едниот крај на едното

влакно со крајот на другото влакно. На преостанатите два краја (еден крај за секое

влакно), сплајсував конектори. Сплајсерот исто така покажува естимирани загуби при

сплајсување. Овие се прикажани во табела 6.1. Откако го направив линкот, треба да се

провери дали е функционален. Тоа го проверив со OTDR. Сплајсувањето беше успешно и

немаше прекини во оптичкиот линк. OTDR покажа вкупни загуби од 1.35 dB, што е

прифатливо.

45

Сплајс меѓу двете влакна 0.05 dB

Конектор 1 0.05 dB

Конектор 2 0.04 dB

Табела 6.1 Загуби

Следно, го поврзав почетокот на оптичкото влакно на изворот, а крајот на тест

модулот. Изворот што го користев е FLS-5834A, исто така произведен од EXFO. Тоа е

високо-моќен супер LED извор, широкопојасен со висок степен на поларизација.

Централната бранова должина е 1580 ± 20 nm, а излезната моќност е 7 dBm.

Слика 6.4 Изглед на апликацијата

Откако е се поврзано, се вклучуваат уредите. Ја вклучив апликацијата за PMD

анализа. Прозорецот на програмата е прикажан на слика 4. Како што може да се забележи,

главната програма има 3 таба: Parameters, Results и Tools. Во првиот таб, Parameters, кој е

46

и отворен на сликата 6.4, се подесуваат сите параметри кои се релевантни за мерењето.

Тие се поделени во 3 групи и тоа: параметри за самото мерење, параметри за влакното и

параметри за именувањето на мерните резултати (преку именување на влакното). Од

страната се забележуваат неколку копчиња како Storage, Setup и слично. Самите нивни

имиња ни кажуваат што прават со што се потврдува фактот дека ова е доста едноставна

програма за користење.

Во делот за параметри за влакното, ја пишуваме должината на линкот. Потоа

бираме дали се работи за комуникациско влакно или влакно за одржување на

поларизацијата. Најпосле го одбираме опсегот на работа (О, C и L појас).

Кај делот за мерните параметри се сетира дали да се користи модот со повеќе

мерења (и колку мерења) како и тоа дали да се усреднуваат мерењата (и колку

индивидуални едно по друго мерења да направи уредот). Пример, го користиме модот со

повеќе мерења и го сетираме на М=2. Бројот на инстантни мерења го сетираме на N=10.

Уредот ќе направи MxN = 20 мерења, и ќе прикаже 2 резултати, секој усреднет од тие 10

мерења. При овој мод, уредот ги усреднува интерферометриските анвелопи за неколку

поларизациски состојби се со цел да добиеме попрецизни мерења.

Слика 6.5 Изглед на табпт за резултати

Резултатите се гледаат на следниот таб, Results. Тој е прикажан на слика 6.5. Како

што може да се забележи на сликата, имаме цртеж како и табеларен приказ на резултатот.

На цртежот е исцртан интензитетот на сигналот во проценти во функција од доцнењето.

Тоа претставува автокорелација на сигналот. Се разбира, има додатни опции за

47

манипулирање со цртежот, како на пример зумирање, движење лево, десно итн. Под

цртежот се наоѓа информацијата за PMD. Тука ја има вредноста за PMD, PMD

коефициентот, PMD и PMD коефициентот од втор ред како и основните поставки за

изворот и влакното кои биле одбрани: должината на влакнот и брановата должина на

изворот. Треба да се напомене дека во долниот дел на програмата има статус бар за

моќноста на изворот. За да работи, треба да биде во зелената зона. Тоа значи дека изворот

зрачи со доволна моќност за да може да се изврши мерењето. Најпосле, на цртежот во тој

конкретен пример, има ознака PASS со зелена боја. Тоа произлегува при сетирањето на

мерењето. Имено, се мести одреден праг за PMD вредност во табот Parameters и ако при

мерењето не се надмине тој праг, мерењето ќе се означи како Pass, или може уште да се

каже и дека влакното има преодна оценка. Ако го надмине прагот, ќе се појави FAIL со

црвена боја. Ова е особено корисно при тестирање на многу влакна, бидејќи ознаките за

PASS и FAIL стојат и во запамтените резултати.

Слика 6.6 Изглед на табпт за пбрабптка на резултати

Откако се извршени мерењата, во табот Tools може да се види статистиката од

мерењето за едно или повеќе влакна. Изгледот на овој таб и информациите кои се

достапни се покажани на слика 6.6. Тука се содржат средната PMD вредност,

максималната и минималната PMD вредност како и стандардната девијација и PMD

коефициентот. Бидејќи за едно влакно може да има повеќе мерења, можеме да одбереме

48

кои мерења ќе влегуваат во статистиката за тоа влакно со штиклирање на секое мерење

посебно.

6.1 Мерење на I влакно

Откако направив неколку пробни мерења, уредот беше сетиран да го измери влакното

10 пати (секое со по 10 индивидуални мерења). Резултатите од овие мерења (табела 6.2),

како и графикот за интензитетот на сигналот во однос на доцнењето за последното 10-то

мерење се прикажани во продолжение (слика 6.7).

Број на

мерење

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 PMD delay

[ps]

-0.011

-0.011

-0.011

-0.011

-0.011

-0.011

-0.011

-0.011

-0.011

-0.011

PMD

коефициент

[ps/km1/2]

-0.0053

-0.0054

-0.0055

-0.0055

-0.0056

-0.0056

-0.0056

-0.0056

-0.0057

-0.0057

PMD delay

од втор ред

[ps/nm]

0.0000

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

0.0001

PMD

коефициент

[ps/nm*km]

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000

0.0000 Табела 6.2

Слика 6.7

Како што можеме да видиме, сите мерења ја покажуваат истата вредност од -0,011

ps/km1/2

, што е и средна вредност. Интервалот помеѓу овие мерења беше сетиран на 3

секунди. Може да се забележи дека има промени во PMD коефициентот што се користи за

пресметка. Тоа произлегува од фактот што изворот на светлина не е совршено идеален и е

променлив, па затоа мора динамички да се менува и коефициентот за пресметка. Што се

однесува пак до PMD од втор ред, гледаме дека освен во првата серија мерења, секаде

изнесува 0.0001 ps/nm. Малата вредност за PMD од втор ред произлегува од малата

49

вредност за DGD. Самата пресметка и дефиниција за PMD од втор ред ја вклучува во себе

и вредноста за DGD.

Заради тоа што PMD има статистичка природа и поради фактот што зависи од

доста фактори како температура, стрес на влакното и слично, извршивме уште неколку

мерења под различни услови. Прво што направив е да го измерам оптичкото влакно при

применет механички стрес - свивање. Свиткувањето беше на едно место со радиус од 1

cm. Свивањето беше направено рачно. Резултатите се претставени во табела 6.3.

Број на мерење 1 2 3

PMD [ps]

0.015

0.015

0.015 PMD коефициент

[ps/km1/2]

0.075

0.075

0.074 PMD од втор ред

[ps/nm]

0.0001

0.0001

0.0001 PMD коефициент

[ps/nm*km]

0.0000

0.0000

0.0000 Табела 6.3

Овде како што гледаме, PMD вредноста изнесува 0,015 ps/km1/2

. Ова е поголема вредност

од таа каде влакното не беше свиено. Една забелешка во врска со знакот пред PMD

доцнењето. Во овој пример имавме позитивна вредност, додека во другиот беше

негативна. Тоа не треба да предизвка забуна бидејќи доцнењето е релативно и затоа може

да го има било кој знак. PMD од втор ред ја задржува својата вредност. Графикот за

интензитетот на сигналот во однос на доцнењето е прикажан на слика 6.8.

Слика 6.8

Следен експеримент е ако имаме повеќе свивања, но со помал интензитет. Ова во

пракса е и многу пореално сценарио, бидејќи свивање со радиус од 1 cm во најголем број

од случаите може да се случи само со човечка намера. Имено, следниве резултати се

добиени со 3 свивања со 4 cm радиус на свивање. Резултатите се прикажани во табела 6.4.

50

Број на мерење 1 2 PMD [ps] -0.012 -0.005 PMD коефициент [ps/km1/2] -0.060 -0.027 PMD од втор ред [ps/nm] 0.0001 0.0000 PMD коефициент [ps/nm*km] 0.0000 0.0000 Табела 6.4

Во овој случај веќе добиваме променливи резултати. PMD вредностите во првото

мерење и во второто се разликуваат, иако второто мерење беше направено само 3 секунди

подоцна од првото. Со ова се потврдува статистичката природа на PMD. Исто така, овие

резултати се разликуваат од претходните.

Следното мерење беше направено во присуство на атенуатор. Имено, беше

приклучен атенуатор во линкот кој внесуваше 2 dB слабеење. Целта ми беше да видам

дали моќноста на сигналот што се мери влијае на PMD вредноста. Во табелите 6.5 и 6.6

се прикажани двете мерења (секое се состои од 2), и тоа: првото без атенуатор, а второто

со атенуатор.

Број на мерење 1 2 PMD [ps] 0.003 0.002 PMD коефициент [ps/km1/2] 0.0017 0.0012 PMD од втор ред [ps/nm] 0.0000 0.0000 PMD коефициент [ps/nm*km] 0.0000 0.0000 Табела 6.5 Мереое без атенуатпр

Број на мерење 1 2 PMD [ps] 0.002 0.002 PMD коефициент [ps/km1/2] 0.0008 0.0008 PMD од втор ред [ps/nm] 0.0000 0.0000 PMD коефициент [ps/nm*km] 0.0000 0.0000 Табела 6.6 Мереое сп вклучен атенуатпр

Резултатите покажуваат дека атенуаторот не игра никаква улога: вредностите се

исти за двата случаи.

За да се демонстрира влијанието на температурата, оптичкото влакно беше

измерено без клима уред во просторијата при повисоки надворешни температури (друг

ден). Поради немањето инструмент за прецизно мерење на температурата, таа

информација не е достапна, но според метеоролошките извештаи, температурната разлика

беше минимум 4 степени целзиусови. При истата температура, измерено е влакното и при

свивање со радиус од 2 cm. Резултатите без свивање се прикажани во табела 6.7, додека

пак резултатите со свивање се прикажани во табела 6.8. Иако ова е релативно мала

температурна разлика, доволна е за да го демонстрираме влијанието на температурата врз

PMD.

51

Број на мерење 1 2 PMD [ps] 0.0010 0.009 PMD коефициент [ps/km1/2] 0.0049 0.0046 PMD од втор ред [ps/nm] 0.0000 0.0000 PMD коефициент [ps/nm*km] 0.0000 0.0000 Табела 6.7 Мереое без свиваое

Број на мерење 1 2 PMD [ps] 0.006 0.005 PMD коефициент [ps/km1/2] 0.0030 0.0026 PMD од втор ред [ps/nm] 0.0000 0.0000 PMD коефициент [ps/nm*km] 0.0000 0.0000 Табела 6.8 Мереое сп свиваое сп радиус пд 2 цм

6.2 Мерење на II влакно

На располагање имав уште едно оптичко влакно со должина од 20 метри. Првото мерење

беше направено под услови на безброј свивања и стрес врз влакното. Резултатите од ова

мерење (2 пати по 10 мерења) се прикажани во табела 6.9, додека графикот е прикажан на

слика 6.9. Самото ова ни кажува дека дури и на кратко влакно како ова, доколку

примениме доволно механички стрес, PMD ќе се манифестира доста видливо.

Број на мерење 1 2 PMD [ps] 0.044 0.049 PMD коефициент [ps/km1/2] 0.3088 0.3470 PMD од втор ред [ps/nm] 0.0009 0.0011 PMD коефициент [ps/nm*km] 0.0425 0.0537 Табела 6.9

Слика 6.9

Откако го исправив влакното, го измерив и добив пореални резултати. Тие се

прикажани во табела 6.10 и слика 6.10. Овие два случаи ја демонстрираат важноста на

правилно мерење. Без разлика колку добра опрема имаме, ако не постапуваме правилно со

оптичкото влакно, ќе добиеме доста нереални резултати што можат да ни влијаат врз

понатамошни одлкуки, како на пример, колкава битска брзина може да подржи тоа

52

влакно. Заклучокот е дека оптичкото влакно мора да биде исправено (може и во котур) без

поголеми свивања. Понатаму, конекторите на тест апаратот и на оптичкото влакно не

треба да имаат нечистотии. Што се однесува до овие две влакна, ако ја погледнеме слика

6.3 и резултатите што ги добивме, ќе видиме дека во сите случаи, овие две влакна ги

задоволуваат ITU-T стандардите. Доколку овие влакна треба да ги употребиме во оптичка

мрежа, тие би добиле преодна оценка.

Број на мерење 1 2 PMD [ps] 0.006 0.006 PMD коефициент [ps/km1/2] 0.0408 0.0405 PMD од втор ред [ps/nm] 0.0000 0.0000 PMD коефициент [ps/nm*km] 0.0007 0.0007 Табела 6.10

Слика 6.10

53

7. Заклучок

Конкурентноста на пазарот ги принудува сервис провајдерите постојано да ја

надградуваат и одржуваат својата мрежна инфраструктура се со цел да овозможат

поголема брзина, како и апликации со подобар квалитет и нови сервиси за корисниците.

Ова бара верифицирање и осигурување дека постоечката оптичка мрежна инфраструктура

и опрема ги задоволува стандардите и работи надежно. Поради драстично зголемените

брзини и имплементацијата на DWDM системи, се појавува сериозна потреба за

мониторирање и мерење на оптички влакна од релативно “нови” појави како PMD. Иако

отсекогаш бил присутен, PMD како штетна појава се манифестира во последниве неколку

години како што одиме со се поголеми брзини на проток. PMD тестирањето на влакна,

како и негово следење во активна мрежа станува приоритет во модерните оптички мрежи,

но е и параметар кој е многу тежок за тестирање и мерење, поради осетливоста на голем

број ограничувачки фактори од околината.

Слика 7.1 Брза и сппра пска на прппагација

PMD е предизвикан од различните времиња на пристигнување на различно

поларизираните компоненти на влезниот светлински импулс. Овој светлински пулс може

да биде разложен на пар ортогонални поларизациски модови. Овие поларизациски модови

пропагираат со различни брзини по брза и спора оска во влакното предизвикано од

birefringence на влакното. Главна причина за birefringence во влакното е несовршената

концентричност на влакното, како и надворешен стрес. Birefringence е карактеристика на

влакното каде ефективниот индекс на прекршување варира со поларизациската состојба

на влезната светлина. Временската разлика во пристигнувањето на двата принципиелни

состојби на поларизација кај приемникот се нарекува DGD (Differential Group Delay).

Светлински пулс, трансмитиран преку “униформно”, високо birefringent (HiBi) или

поларизациско компензирачко влакно, може да се дефинира како разложување на пулсот

во 2 ортогонални пулсови (слика 7.1) кои патуваат со различна, но константна брзина.

54

Слика 7.2 Различни спстпјби на ппларизација вп пптичкптп влакнп

Меѓутоа, во телекомуникациските оптички влакна, нивото на birefringence и

принципиелните оски не се униформни по должината на целиот линк, и може да се смета

дека линкот претставува група од HiBi влакна кои се случајно каплирани заедно. Како

последица, постои поларизациско каплирање на модови помеѓу брзиот и спориот мод

секој пат кога ориентацијата на принципиелните состојби на поларизација се менуваат.

Ова се нарекува силно каплирање на модови. Тоа е прикажано на слика 7.2.

Брзината на светлината во влакна со силно каплирани модови зависи од влезната

состојба на поларизација, но исто така и од начинот на кој поларизираната светлина

ротира во зависност од брановата должина: состојба на поларизација (SOP). Исто така, и

доцнењето помеѓу брзата и спората оска е зависно од брановата должина. Функцијата на

DGD во однос на брановата должина постојано се менува (слика 7.3). Најголемиот фактор

кој влијае на промените во оваа функција е температурата. Само неколку степени промена

на температурата е доволно да влијае на податоците кои се испраќаат. Исто така, секоја

човечка интервенција на линкот, како на пример физичко преместување, ќе го има истиот

ефект.

Слика 7.3 Варијација на PMD пп бранпва дплжина

55

Бидејќи PMD зависи од случајната birefringence на оптичкото влакно, тоа не може да биде

карактеризирано директно: моментните DGD вредности не можат да се искористат

бидејќи немаат вредност која може да се репродуцира. Тие флуктуираат случајно околу

некоја просечна вредност, опишувајќи Максвелова крива, како што е прикажано на слика

7.4. Еден параметар кој се мери и е општо прифатен за карактеризација на PMD е

просечниот DGD за некој опсег на бранови должини. Просечниот DGD е ефикасната

вредност на густината на веројатност на DGD на целиот оптички линк, и се нарекува PMD

доцнење и се изразува во пикосекунди [ps]. Просечниот DGD скалира како квадратен

корен од должината на влакното. За да се дуплира просечниот DGD, должината на

влакното мора да се зголеми за фактор 4. За да биде 3 пати поголем, должината на

влакното мора да се зголеми за фактор 9.

Слика 7.4 Максвелпва распределба на DGD

Поларизациската модална дисперзија се дефинира со 4 параметри:

- PMD доцнење

- PMD коефициент

- PMD од втор ред

- Коефициент за PMD од втор ред

PMD од втор ред го дава доцнењето создадено од варијацијата на PMD поврзана со

брановата должина, и затоа е од посебен интерес за DWDM системите бидејќи ја

покажува зависноста на PMD доцнењето од брановата должина.

Резиме на причините за појава на PMD е дадено во продолжение.

Дефекти при производство

- Јадрото на влакното не е совршено кружно по својата должина

- Јадрото на влакното не е совршено концетрично со обвивката

- Влакното може да се свитка или превитка на некои места по должината

56

Ограничувањата поради PMD се зголемуваат со

- Бит ратата по канал

- Должината на влакното (број на секции – делови)

- Број на канали (се зголемува можноста за изгубен канал)

PMD се намалува со

- Подобра контрола на производство (геометрија на влакното)

- PMD компензирачки модули

PMD претставува поголем проблем за старите G.652 влакна (<1996) отколку за

поновите G.652, G.653 и G.655 влакна.

Просечниот DGD предизвикува трансмитираниот пулс да се рашири кога патува по

влакното, создавајќи дисторзија и зголемувајќи го BER (bit-error-rate) на системот.

Последица на ова е ограничување на дострелот на трансмисија за дадена битска брзина.

Ако максималното PMD доцнење е познато, дозволената трансмисиска должина за дадена

битска брзина може да биде одредена. Статистичкиот карактер на PMD е земен во

предвид кога се дефинира максималното дозволено PMD доцнење. Како референца се

земаат следниве вредности: PMD доцнењето не треба да надминува 10% од битскиот

период на системот со максимални загуби од 1 dB при работа во 1550 nm подрачјето, со

NRZ кодирање.

Пример: ако имаме трансмисиска брзина од 10 Gb/s, битскиот период е 100 ps,

теоретскиот максимум на PMD доцнењето може да биде одреден:

Δτ = 0.1*100 ps = 10 ps

Во пракса, некои системи можат да толерираат и до 13-14 ps, во зависност од кодната

структура.

На слика 7.5 подолу се прикажани дозволените PMD доцнења за различни трансмисиски

брзини. Овие PMD ограничувања се користат за да се одреди максималната должина на

оптичкиот линк. На слика 7.6 е прикажан PMD коефициентот како функција од должината

на влакното за дадена трансмисиска брзина.

Слика 7.5 Дпзвплени PMD дпцнеоа за различни битски брзини

57

Слика 7.6 Максимална вреднпст на дплжина на трансмисија

Од сликата се гледа дека за фиксен PMD коефициент, максималната должина на

оптичкиот линк се намалува.

PMD тестирањето станува задолжително кога брзината на трансмисија (битската

брзина) по канал расте или со зголемување на физичката далечина (должина на линкот).

Во пракса, мерења треба да се извршат ако битската брзина е 10 Gb/s и повеќе. Меѓутоа, за

влакна постари од 1996, или за некои апликации како аналогна кабелска телевизија, и

помали битски брзини на пренос ќе бидат подложни на PMD.

Како резиме, мерење и тестирање за PMD ќе биде потребно во следниве случаеви:

Квалификација при изработка на влакното

Квалификација при изработка на кабелот

Инсталација на нова оптичка мрежа, 10 Gb/s и повеќе

Инсталација на backbone мрежа (големи должини) за 2.4 Gb/s и повеќе

Надградба на постојани оптички мрежи за 10 Gb/s и повеќе

Произведувачите на оптичките кабли ги специфицираат своите влакна со максимум 0.5

ps/km1/2

, според ITU-T препораките. Меѓутоа, влакната кои денес се произведуваат се

најчесто подобри и од 0.2 ps/km1/2

. Тоа успеав да го потврдам и со влакната кои ги имав на

располагање за време на практичните мерења. Заклучокот е дека нашите влакна ги

задоволуваат ITU-T препораките. Бидејќи PMD е статистичка појава, се препорачува да се

извршат различни мерења во различни временски интервали за да се забележи

флуктуацијата на DGD на подолг рок. Затоа практичните мерења беа извршени во

58

различни денови и добив различни резултати, иако сите вредности се движеа во истиот

опсег. Ако PMD мерењето даде повисока вредност од дозволениот лимит за дадена битска

брзина, влакното се класифицира како “осетливо” за таа брзина на пренос. Ако добие

“passing” оценка, не може да се класифицира како “неосетлив” на PMD. Наместо тоа,

треба да го означиме како “соодветен” за таа брзина на пренос.

PMD е очигледно лимитирачки фактор за која било мрежна апликација, сеедно дали ја

ограничува должината на оптичкиот линк или брзината на трансмисија. Постојат неколку

решенија со кои се бориме против PMD. Поради статистичката природа на PMD и

неговата варијација во време и по бранова должина тешко е да се најде совршено

решение. Поради стохастичката природа на PMD, редуцирајќи го неговиот ефект не значи

дека комплетно сме ја елиминирале појавата, туку само сме ја намалиле веројатноста на

испад поради PMD: овој процес се нарекува митигација на PMD. Постојат неколку

техники за компензирање на PMD. Тие можат да се класифицираат во две главни

категории:

Електрично PMD компензирање

Оптичко PMD компензирање

Слика 7.7 Оптичкп PMD кпмпензираое

Електричната компензација на PMD вклучува еквализација на електричниот сигнал после

фотодиодата. Оваа еквализација може да биде имплементирана на многу начини:

трансверзален филтер, нелинеарен еквализатор за одлука со повратна врска, детекција на

фазен диверзитет итн. Шемите за електрична компензација се генерално робусни и го

подобруваат сигналот во однос на сите трансмисиски штетни влијанија. Од друга страна,

пак, тие послабо се однесуваат во однос на оптичките компензатори и исто така бараат

брза електроника за подобри перформанси. Оптичката PMD компензација е насочена кон

намалување на целокупното штетно PMD влијание предизвикано од оптичкото влакно и

компензаторот. Блок дијаграмот на една генерална оптичка PMD компензирачка шема е

прикажан на слика 7.7. Има адаптивен counter –елемент, повратен сигнал и контролен

алгоритам. Адаптивниот counter-елемент е јадрото на секој PMD компензатор. Тој мора да

биде способен да се бори против влијанијата на PMD и да биде тјунабилен. Повратниот

59

сигнал е потребен за да обезбеди PMD информации за контролниот алгоритам на

компензаторот.

Како резиме, штетните PMD ефекти се стохастични, временски променливи,

зависни од температура, и се влошуваат како што расте битската брзина. Инстантниот

PMD од прв ред следи Максвелова распределба на веројатност, секогаш со конечна

веројатност за испад на мрежата, и може взаемно да дејствува со други штетни влијанија

поврзани со поларизацијата како PDL и PDG. Реконфигурабилните оптички мрежи може

да го сменат патот на сигналот и акумулацијата на овие ефекти, додека одржување и

надградба на оптичките влакна може да ги митигираат ефектите на PMD. Бидејќи PMD

варира на временска скала од милисекунди, потребно е real-time мониторирање за

динамичко подесување на компензатор или за мрежна контрола и менаџмент. Методите

кои ги опишавме за активно мониторирање на мрежа се индустриски стандард. Тие имаат

свои предности и недостатоци. Секако, истражувањата одат понатаму во изнаоѓање нови

методи или надградба на старите. Се разбира, пред вклучувањето на мрежата, секогаш е

потребно и тестирање на самите оптички влакна. Како што објаснивме, тоа најчесто се

прави кај производителот за да се провери дали оптичкото влакно ги задоволува

стандардите. Постојат различни методи за тестирање. Уредот кој го имавме на

располагање го користеше интерферометрискиот метод. Тој се покажа како доста

едноставен, и резултатите што ги даде беа лесни за интерпретирање. Резултатите што ги

добивме се поклопуваа со теоретски очекуваните опсези на вредности. Можеме да

заклучиме дека влакната кои ни беа на располагање се спремни за употреба во која било

оптичка мрежа, барем во однос на PMD ограничувањата.

60

8. Користена литература

[1] Rajiv Ramaswami, Kumar N. Sivarajan, Galen H. Sasaki “Optical Networks”, Morgan

Kaufman, 2010

[2] Calvin C. K. Chan, “Optical Performance Monitoring”, Elsevier, 2010

[3] Gregory Lietaert, “Testing Polarization Mode Dispersion in the Field”, JDSU

[4] Raymond A. Serway, John W. Jewett, “Physics for Scientists and Engineers”, Brooks/Cole

2012

[5] “FTB-5500B User Guide”, EXFO

[6] “Recommendation ITU-T G.652”

[7] “Recommendation ITU-T G.650.2”