Измерения длины биений оптических волокон при

ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Измерения длины биений оптических
волокон при зондировании импульсами
увеличенной длительности
Бурдин В. А., ПГУТИ, г. Самара
некоторого перепада уровней мощности сигнала ∆ требуется отно
шение сигнал/помеха, определяемое из соотношения
⎡1 + SNR ⎤
∆ = 5lg ⎢
⎥,
⎣1 − SNR ⎦
С внедрением волоконно
оптических систем передачи (ВОСП),
работающих со скоростью 10 Гбит/с и выше, крайне актуальной
для строительства и реконструкции волоконно
оптических линий пе
редачи становится задача локализации на регенерационных участ
ках (РУ) места с повышенными значениями поляризационной модо
вой дисперсии (ПМД) [1
8]. Для этой цели используются поляриза
ционные оптические рефлектометры обратного рассеяния, работа
ющие во временной области, — POTDR [8]. Измерения ПМД мето
дом обратного рассеяния базируются на определении изменений
плоскости поляризации (State Of Polarization — SOP) оптического из
лучения вдоль исследуемого ОВ по результатам измерений длины
биений и длины корреляции и, фактически, сводятся к измерениям
распределения длины биений оптического волокна (ОВ) вдоль ли
нии [8]. В работах [9
11] была теоретически и экспериментально
обоснована возможность измерений длины биений методом обрат
ного рассеяния при использовании зондирующих импульсов увели
ченной длительности. Но можно ли, увеличивая длительность зонди
рующего импульса, увеличить динамический диапазон измерений
длины биений ОВ? Анализ известных аналитических решений [8,
12
17], описывающих изменения на ближнем конце оптического из
лучения релеевского рассеяния, распространяющегося в обратном
направлении, для зондирующего импульса конечной длительности
T0, однозначного ответа не дает. Действительно, воспользовавшись
выводами [17], мощность линейно поляризованной составляющей
сигнала, рассеянного в однородном ОВ на расстоянии z от ближне
го конца линии, в общем виде можно записать, как:
PP ( z) = PS 0 ⋅ exp (−2α ⋅ z )⋅ ⎡⎣1 + Q ⋅ cos (2 ⋅ z / L B)⎤⎦,
(1)
где PS0 — суммарная мощность потока, рассеянного на ближнем
конце и распространяющегося в обратном направлении; Q—пара
метр, определяемый в зависимости от характеристик ОВ, поляриза
тора и зондирующего импульса, значения которого лежат в преде
лах от 1 до +1; α — коэффициент затухания ОВ; LB — длина бие
ний ОВ.
Как следует из (1), сигнал обратного рассеяния содержит пере
менную составляющую. Для измерений длины биений необходимо
выделить эту переменную составляющую. Динамический диапазон
для измерений длины биений растет с увеличением амплитуды коле
баний, которая прямо пропорциональна произведению A = PS0 •Q.
Но при этом, если суммарная мощность PS0 растет с увеличением
длительности зондирующего импульса, то параметр Q уменьшает
ся. Попробуем оценить требуемый для измерений длины биений ОВ
динамический диапазон и ответить на поставленный вопрос.
Известно [18], что для измерений методом обратного рассеяния
Спецвыпуск T
Comm, июнь 2009
(2)
где ∆ — изменение уровня оптической мощности, которое необхо
димо измерить, дБм; SNR — необходимое для измерений этой вели
чины значение отношения сигнал/помеха в точке измерений, дБм.
Принимая этот перепад равным выраженному в децибелах раз
маху колебаний ∆ = 2Α, из (2) определим необходимое для выде
ления переменной составляющей отношение сигнал/помеха в за
висимости от ∆, а требуемый для измерений длины биений динами
ческий диапазон DLB по формуле:
DLB = D − SNR,
(3)
где D—динамический диапазон измерений потерь оптической мощ
ности оптическим рефлектометром при заданной длительности зон
дирующего импульса.
Величина ∆ определялась экспериментально следующим обра
зом. Для измерений использовали простейшую схему POTDR, со
гласно которой ОВ подключалось к входу прибора через поляриза
тор [8, 12]. Для измерений характеристики обратного рассеяния
использовали оптический рефлектометр HP E600A c модулем
E416A. Измерения производились при длительностях зондирующих
импульсов 10 нс, 30 нс, 100 нс, 300 нс, 1 мкс, 3 мкс и 10 мкс, — в
двух направлениях. Данные измерений характеристик обратного
рассеяния записывались в формате ASCII, а затем обрабатывались
с использованием разработанного программного обеспечения.
Оценки среднего значения длины биений по нормализованным ха
рактеристикам обратного рассеяния ОВ определялись подробно
описанным в литературе методом LCR (Level Crossing Rate), основан
ным на подсчете числа пересечений характеристики с линией за
данного уровня [8, 14
16]. Нормализованную характеристику по
лучали путем обработки результатов измерений характеристик об
ратного рассеяния на основе специально разработанного для этих
целей алгоритма. Примеры характеристики обратного рассеяния
ОВ, одного из ее участков в увеличенном масштабе, нормализован
ная характеристика и ее фрагмента в увеличенном масштабе при
ведены на рис.1
4. Также на рис. 4 показано, как определялось ло
кальное значение ∆.
В качестве примера приведены данные линии, составленной из
трех последовательно соединенных методом сварки длин одномо
дового ступенчатого ОВ с типичными для таких волокон характери
стиками, протяженностью 3,4 км, 0,580 км и 1,7 км, соответствен
но. При длительности зондирующего импульса 10 нс среднее значе
ние длины биений исследуемого участка ОВ около 32,3 м, а при
длительности 10 мкс — 37,1 м. Расхождение между этими оценками
менее 15%, что для исследуемой величины приемлемо.
Полученные в результате расчетов оценки отношения сиг
175
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
Рис. 4
Таблица 1
нал/помеха и запаса по затуханию, который определяет рабочий
диапазон рефлектометра, сведены в табл.1. Для сравнения приведе
ны и приближенные оценки расстояний, в пределах которых могут
быть осуществлены измерения длины биений стандартного оптичес
кого ступенчатого ОВ со средним значением километрического за
тухания — 0,22 дБ/км. Здесь, запас по затуханию — это разность
между значением динамического диапазона и требуемым отноше
нием сигнал/помеха для заданной длительности зондирующего им
пульса. Как видим рабочий диапазон и, соответственно, протяжен
ность участков линии, в пределах которых допустимы измерения
длины биений, увеличиваются при увеличении длительности зонди
рующего импульса.
Как видим, для стандартных одномодовых ступенчатых ОВ зон
дирование импульсами большей длительности — до 10 мкс, — поз
воляет увеличить рабочий диапазон и, соответственно, длину участ
ка, в пределах которого могут быть выполнены измерения длины би
ений ОВ. Следует отметить, что результаты получены при использо
вании простейшей схемы — включении поляризатора на выходе
обычного оптического рефлектометра. Можно ожидать, что приме
нение специальных узкополосных лазеров и оптимизированных
176
схем приема позволит существенно улучшить характеристики. Вме
сте с тем, следует отметить, что полученные результаты не позволя
ют еще делать однозначные выводы. Значения исследуемого пара
метра существенно зависят от свойств волокон. Это требует выпол
нения большого объема исследований для волокон различного типа
с существенно отличающимися оценками длины биений. Получен
ные данные позволяют лишь определить общую тенденцию измене
ний динамического диапазона с увеличением длительности зонди
рующего импульса и достаточно грубо оценить его для ограниченно
го класса ОВ.
Литература
1. Optical fiber telecommunication. IVA. Components// Edited by I. P.
Kaminow, T. Li// Academic press, Elsevier science, 2002. — 876 p.
2. Optical fiber telecommunication. IVB. Systems and impairments// Edited
by I. P. Kaminow, T. Li// Academic press, Elsevier science, 2002. — 1022 p.
3. Бродский М., Бородицкий М., Магилл П., Фриго Н. Дж., Тур М. Шар
нирно
секционная модель ПМД. — Lightwave Russian Edition, №1, 2005. —
С. 24
28.
Спецвыпуск T
Comm, июнь 2009
ТЕХНОЛОГИИ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЩЕСТВА
4. Brodsky M., Magill P. D., Frigo N. J. Polarization Mode Dispersion of
Installed Recent Vintage Fiber as a Parametric Function of Temperature.
IEEE
Photon. Technol. Lett. — 2004, vol. 16 (1), pp. 209
211.
5. Magill P.D., Brodsky M. PMD of Installed Fiber — an Overview. — Proc.
LEOS PMD Summer Topical Meeting, 2003, pp. 7
8, Paper MB2.2.
6. Allen Ch., Kondamuri P. K., Richards D. L., Hague D.C. Measured tempo
ral and spectral PMD characteristics and their implications for network
level miti
gation approaches. — J. Lightwave Technol., vol. 21 (1), 2003. — pp. 79
86.
7. Kondamuri P., Allen Ch. PMD Characterization of Installed Fiber: Final
Report. — Technical Report, ITTC
FY2004
TR
33750
01, June 2004. — 21 p.
8. Galtarossa A., Menyuk C.R. Polarization mode dispersion. — Springer,
2005. — 296 c.
9. Бурдин А.В., Бурдин В.А. Рефлектометрический способ измерений
параметров ПМД оптических волокон с использованием зондирующих им
пульсов увеличенной длительности//Фотон
Экспресс, 2006. — № 6 (54).
— С. 72
77.
10. Андреев В.А., Бурдин В.А., Бурдин А.В. Проблемы и методы лока
лизации участков ВОЛП с повышенной поляризационной модовой диспер
сией//Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2008. —
№ 3(11). — С.131
139.
11. Бурдин В.А., Бурдинт А.В., Дашков М.В., Ромодин А.В. Динамичес
кий диапазон оптического рефлектометра при измерении длины биений оп
тических волокон импульсами увеличенной длительности//Фотон
Экс
пресс, 2008. — № 5
6 (69
70).
Спецвыпуск T
Comm, июнь 2009
12. Galtarossa A., Palmieri L., Schiano M., Tambosso T. Single
end polar
ization mode dispersion measurement using backcreflected spectra through a lin
ear polarizer. — J. of Lightwave Technol., vol. 17, no.10, 1999, pp. 1835
1842.
13. Huttner B., Gisin B., Gisin N. Distributed PMD measurement with a polar
ization
OTDR in optical fibers. — J. of Lightwave Technol., vol.17, 1999, pp.
1843
1848.
14. Wuilpart M., Van Malderen J. Method for characterizing an optical fibre
link. — Патент WO 2005/041449, 2004.
15. Wuilpart M., Ravet G., Megret P., Blondel M. Polarization mode disper
sion mapping in optical fibers with a polarization
OTDR. — IEEE Photonics tech
nology letters, vol.14, No12, 2002, pp. 1716
1718.
16. Wuilpart M., Rogers A. J., Defosse Y., Megret P., Blondel M.
Measurement of the spatial distribution of birefrigence in optical fibers. — IEEE
Photonics Technology Letters, vol.13, No18, 2000, pp. 836
838.
17. Jasenek J. The use of Polarization Optical Time
Domain Reflectometry for
the birefringence distribution measurement along the SM optical fiber. — 12th
International Scientific Conference "Radioelectronics 2002" : Bratislava, Slovak
Republic, 14
16 Мay, 2002. — pp. 234
238.
18. Anderson D. R., Johnson L., Bell F. G. Troubleshooting optical
fiber net
works. Understanding and using your optical time
domain reflectometer. —
Elseiver Academic press, 2004. — 437 p.
19. Описание оптического рефлектометра HP600A. Руководство поль
зователя.
177