Mérések száloptikai rendszerekben - átviteli módszer.

Ez a cikk egy tudásgyűjtemény a telepítő számára, akinek az a feladata, hogy ellenőrizze az optikai szálak telepítésének helyességét. A cikk részletesen ismerteti az átviteli mérés gondolatával és eljárásaival kapcsolatos valamennyi szempontot, pl. egy teljesítménymérő (OPM - Optikai teljesítménymérő) és egy fényforrás (LS - Light Source) vagy egy veszteséget mérő tesztkészlet (OLTS - Optical Loss Test Set) segítségével.

A PN-ISO/IEC 14763-3 és PN-EN 61280-4-2 szabványokban meghatározott mérési módszerek közül megkülönböztethetjük az úgynevezett alap- és kiterjesztett vizsgálatokhoz kapcsolódó módszereket. Az alapvizsgálatok (az úgynevezett „Tier 1”) lehetővé teszik annak megállapítását, hogy egy elkészült csatorna vagy rögzített kapcsolat megfelel-e egy adott alkalmazás (pl. az Ethernet-alkalmazások egyike) követelményeinek, és a hálózat esetleges tanúsítását. A kiterjesztett teszteket („Tier 2”) általában az alapteszt kiegészítéseként használják, vagy olyan helyzetekben, amikor az alapteszt negatív eredményt ad, és ellenőrizni kell a helyzet pontos okát.

A fent említett, a paramétereket, módszereket és mérési eljárásokat meghatározó szabványok közvetlenül kapcsolódnak az ISO/IEC 11801 és az EN 50173 strukturált kábelezési szabványokhoz. Az ilyen hálózatokat megvalósító és a tanúsítást végző telepítőknek szigorúan be kell tartaniuk a szabványokban meghatározott szabályokat, és olyan berendezéseket kell használniuk, amelyek lehetővé teszik az ilyen vizsgálatok elvégzését és a vonatkozó tanúsítványok kiadását. A gyakorlatban a jóváhagyott berendezéseket a strukturált kábelezés gyártójának garanciális feltételei határozzák meg.

Van azonban egy olyan terület, ahol a telepítéseket nem a strukturált kábelezési szabványok szerint végzik, és ahol nem várható költséges tanúsítás. Ilyen helyzetekben azonban a befektetők gyakran elvárnak egy olyan dokumentumot, amely igazolja, hogy a telepítést megfelelően végezték el, és az aktív berendezések csatlakoztatásakor működni fog. Gyakran a telepítő azt is igazolni szeretné, hogy a telepítés paraméterei, például a csillapítás, lehetővé teszik a telepítést bizonyos alkalmazásokhoz. Hogyan kell eljárni ekkor? Milyen mérőberendezéseket kell használni? Milyen szabványokra kell hivatkozni? Hogyan kell helyesen elvégezni a mérési eljárást?

A módszerek felosztása az első bekezdésben említett alaptesztekre és a kiterjesztett tesztekre minden bizonnyal olyasmi, amit minden telepítőnek be kellene vezetnie a munkája során.

Az alapvizsgálat olyan vizsgálat, amelyben elsősorban a csatorna csillapítását mérik. Az ilyen mérés, amelyet átviteli mérésnek vagy átviteli módszernek neveznek, stabil fényforrást és optikai teljesítménymérőt használ. Dióhéjban, ezek az eszközök egy optikai szálas összeköttetés két végére csatlakoztatva lehetővé teszik az összeköttetés által okozott csillapítás mérését. A csillapítás („beszúrási veszteség”) a legfontosabb paraméter, amelyet figyelembe kell venni az optikai szálak telepítésének ellenőrzésekor. Általában itt érnek véget az olcsó és népszerű fényforrások és optikai teljesítménymérők képességei. A hálózati tanúsításhoz tervezett nagyon drága készülékek ezen felül lehetővé teszik az olyan paraméterek mérését is, mint a kapcsolat terjedési késleltetése, a kapcsolat hossza és a kapcsolat folytonossága. Fontos, hogy lehetővé teszik az eredmények és a kiválasztott feltételezések vagy szabványok közötti megfelelés értékelését, valamint a mérési jelentés elkészítését is. Ennek a lehetőségnek a hiánya az olcsó műszerek és fényforrások esetében arra készteti a telepítőket, hogy figyelmüket a kiterjesztett vizsgálatokat lehetővé tevő eszközök, leggyakrabban az OTDR-reflektométerek felé fordítsák.

A PN-EN 61280-4-2 vagy az ISO/IEC 14763-3:2014 szabványnak megfelelő fényforrással és optikai teljesítménymérővel végzett mérés az elsődleges eszköz az optikai szálas összeköttetés helyességének ellenőrzésére. Ez képezheti az alkalmazásspecifikus hálózati tanúsítás alapját is.

Az átviteli mérési módszer lényege egyszerű. Az egyik oldalra egy ismert teljesítményű fényforrást, a másik oldalra pedig egy optikai teljesítménymérőt csatlakoztatunk. Az eszközök összekapcsolásakor teszt patchcordokat használunk.

A jelet az optikai szálba injektáló fényforrás teljesítményének ismeretében és a teljesítmény optikai teljesítménymérőn történő leolvasásával meg tudjuk határozni, hogy a forrás teljesítményének mekkora része csapódott ki, vagy más szóval, hogy mekkora a létrejött kapcsolat csillapítása. A legtöbb elérhető fényforrás -5 dBm-es teljesítményt állít elő. Amikor például -8 dBm-t olvasunk le a másik végén csatlakoztatott teljesítménymérőn, ez azt jelenti, hogy a mért vonal csillapítása 3 dB.

A mérés elvégzése a fentiek szerint, a mérőrendszer úgynevezett nullázási eljárásának elvégzése nélkül azonban nagyon nagy bizonytalansággal jár, és nem tekinthető megbízható mérésnek. A mérési bizonytalanság több dologra vezethető vissza. A legfontosabbak közé tartoznak:

A mérési bizonytalanság csökkentése érdekében a PN-EN 61280-4-2 és az ISO/IEC 14763-3:2014 mérési szabványok előírják a rendszer nullázásának nevezett eljárást, amelyet mérőrendszer-kalibrálásnak vagy referenciamérésnek is neveznek (egy másik értékhez viszonyítva végzik). A rendszer nullázásának 3 módszere van: az 1 patchcord módszer, a 2 patchcord módszer és a 3 patchcord módszer. Mindegyik ugyanazt jelenti - a fényforrás és a teljesítménymérő összekapcsolása egy vagy több mérő patchcorddal, majd a kapott teljesítmény tárolása referenciaértékként a következő méréshez, amely már a tényleges mérés lesz a gyártott vonalon. A "rendszer nullázása" elnevezés azzal a ténnyel függ össze, hogy általában az eszközök mérő patchcorddal/ patchcordokkal való csatlakoztatása után a felhasználó megnyomja a mérőeszközön a "REF" vagy hasonló gombot, aminek a vége az aktuálisan leolvasott teljesítmény tárolása a készülék memóriájában és a 0 dB érték megjelenítése a mérőeszköz képernyőjén. Innentől kezdve bármi, ami a készülékek közé pluszban csatlakozik (különösen a mért vonal, amit mérni akarunk), további csillapítást fog generálni, ami közvetlenül a műszer képernyőjén fog megjelenni. Az alábbiakban a három módszer mindegyikével történő nullázási ötletet vázoljuk fel.

A rendszer nullázása után a berendezéseket ki kell húzni, majd csatlakoztatni kell a patchcordokhoz, hogy meg lehessen mérni a megvalósult vonal által okozott csillapítást. Ennek során ne húzza ki a patchcordot a fényforrásból, mivel a dugó csatlakoztatása és kihúzása ezen a ponton minden alkalommal kissé eltérő csillapítási értékeket generál.

Tekintsük a jegyzet elején említett példát, amelyben a mért vonal csillapítása az áramkör nullázása nélkül 3 dB volt. Tegyük fel, hogy most ugyanazt a vonalat mérjük, de a mérést megelőzően az áramkör nullázásával a második patchcord módszerrel. Egy -5 dBm állítólagos teljesítményű forrást csatlakoztatunk a mérőhöz két patchcord és egy adapter segítségével, és a mérőműszeren -6 dBm teljesítményjelzést kapunk. Ebből következik, hogy a mérő patchcordok 1 dB csillapítással járulnak hozzá. Valójában nem tudjuk pontosan, hogy maguk a patchcordok mennyit csillapítanak, mert még mindig nem lehetünk biztosak a forrás bejelentett teljesítményében (ha a forrás -5,2 dBm jelet generálna, a patchcordok csillapítása 0,8 dB lenne), de ez most nem fontos. Ami fontos, az a mérés, amit a második lépésben végzünk - a mérőműszerben tárolt teljesítményértékhez viszonyítva (ebben az esetben -6 dBm). A REF gomb megnyomásával nullázzuk az áramkört. Az áramkör nullázása után csatlakoztatjuk a berendezést a mérendő vezetékhez, és a mérő képernyőjén -2 dB értéket kapunk. Ez a vonal csillapításának mért értéke a fent leírt mérési bizonytalanságok nélkül.

A mérőrendszer nullázásának mindhárom módszere - a különböző számú patchcordok használata miatt - végső soron kissé eltérő mérési eredményt ad a referenciateljesítmény meghatározásakor. Tehát melyiket válassza? Az intuíció általában a két patchcordos módszert javasolja, mivel a végső mérésnél ennyit használunk. Kiderült azonban, hogy ez a módszer kevésbé pontos, mint az egy patchcordos módszer, és az áramkör nullázása során lehetőség szerint az egy patchcordot kell használni.

Mivel két patchcord szükséges a fényforrás és az optikai teljesítménymérő összekapcsolásához a mérendő vezetékkel, a referenciateljesítmény megállapításának (a mérőrendszer kalibrálásának) legpraktikusabb módszere a 2 mérési patchcord (más néven referencia patchcord, teszt patchcord vagy TRC (Test Reference Cords)) használata. Kiderült azonban, hogy a legpontosabb módszer az 1 patchcordot használó kalibrációs módszer, és a mérési szabványok is ezt ajánlják a legmegfelelőbbnek: ISO/IEC 14763-3 és EN 61280-4-2, a nagy üzemeltetők által használt vállalati szabványok, valamint a strukturált kábelezési rendszerek gyártóinak utasításai.

Az alábbi ábra a referenciateljesítmény beállításának mindhárom módszeréhez tartozó mérési tartományt mutatja. Úgy tűnik, hogy az 1 patchcord módszer valójában a teljes vonal mérését lehetővé teszi: az elejétől a végéig, beleértve a kezdő- és végcsatlakozókat is. A 2 patchcord módszer egy csatlakozó csillapításával csökkenti a mérési tartományt (ez azért van, mert a referenciafolyamat során 1 csatlakozó csillapítását veszik figyelembe - lásd az előző Heti Hírmondó), míg a 3 patchcord módszerrel végzett mérés eredménye a 2 csatlakozó csillapítását kihagyja. Megjegyzendő, hogy a következő ábra, bár a szabványok által általánosan elfogadott, némi egyszerűsítést nyújt, mivel a csatlakozó (vagy csatlakozók) csillapítása a referencia létrehozása során (azaz a két referencia dugó csatlakoztatása) nem azonos a csatlakozó (vagy csatlakozók) csillapításával a mért vonalon (azaz a referencia dugasz csatlakoztatása a szabványokhoz).

Ezen a ponton érdemes megemlíteni magukat a referencia patchcordokat. A fent említett szabványok ajánlásai szerint a "csúcsminőségű" patchcordokat kell használni, amelyeknél a csatlakozó csillapítása nem haladja meg a 0,2 dB-t (0,15 dB-es érték is megtalálható). Ennek oka, hogy a mérés során a mért vonal kezdő- és végcsatlakozói a fent említett referencia patchcordok érintkezőit tartalmazzák (referenciacsatlakozó - szabványos csatlakozócsatlakozás). Ezért a patchcord csatlakozóknak a lehető legkisebb mérési bizonytalanságot kell bevinniük. Valójában a vonal üzemeltetése során ezeket a csatlakozókat szabványos patchcord-csatlakozókkal helyettesítik - pl. aktív berendezések csatlakoztatásakor vagy az elosztókeretek átvezetésekor. Következésképpen minél kisebb és minél kiszámíthatóbb/ismételhetőbb a referenciacsatlakozók csillapítása, annál pontosabb a mérés.

A hálózati hitelesítéshez használt mérőeszközök gyártói az ilyen "speciális" patchcordokat az általánosan kapható patchcordok árának többszöröséért kínálják. Ezek a patchcordok a jó átviteli teljesítmény mellett általában olyan fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek (pl. megerősített kialakítás), amelyek lehetővé teszik, hogy hosszabb ideig használhatók legyenek, miközben kisebb a veszélye a tulajdonságaik romlásának. Míg a hálózati tanúsításhoz az ilyen típusú patchcordok használata ésszerű, sőt, akár szükségszerű is lehet (a mérőkészletek nem fogadnak el a gyártó által ajánlott patchcordoktól eltérőeket), addig a tanúsítás nélküli vonalcsillapítási mérések során szabványos, azaz TRC-ként nem azonosított patchcordokat is használhatnak. Fontos, hogy az ilyen patchcordokat a PN-EN 61300-3-34 szabvány szerinti min. B osztályban gyártják. Ez azt jelenti, hogy a csatlakozó átlagos csillapítása nem haladja meg a 0,12 dB-t, és legfeljebb 0,25 dB lehet. Végső soron tehát az ilyen csatlakozó használatával járó mérési bizonytalanság nem lesz lényegesen nagyobb, mint egy valódi referenciacsatlakozóé. Természetesen azonban ezeket a patchkordokat rendszeresen újakra kell cserélni és rendszeresen tisztítani. A mérési patchcord hossza nem lehet kevesebb, mint 2 m. A rövidebb patchcordok használata magában hordozza a teljesítményreferencia megállapításakor elkövetett hiba kockázatát - a teljesítményreferencia kissé magasabb lehet, mint kellene, és ez a mérés végeredményének torzulásához vezet a teszter kárára.

Visszatérve a referenciateljesítmény megállapításának három módszerére, már tudjuk, hogy az egy patchcord módszer a legjobb, mivel a többi módszer növeli a mérési bizonytalanságot a referenciateljesítmény csökkentésével, mivel egy vagy két referenciacsatlakozás csillapítását is figyelembe veszi. A két patchcord módszert akkor kell alkalmazni, ha az optikai teljesítménymérő csatlakozója nem kompatibilis a kapcsoló csatlakozójával (pl. ha a mérő SC csatlakozókkal, a kapcsoló pedig LC adapterekkel van felszerelve). Ekkor az 1 patchcord módszer nem kivitelezhető, és két mérési patchcordot (pl. SC-LC) és egy központosító adaptert (pl. LC-LC) kell használni. A három patchcord módszer akkor használható, ha a mérendő vezeték csatlakozókkal van lezárva. Mivel azonban ez a módszer kizárja a kezdő- és végcsatlakozók csillapítását a mérésből (lásd a fenti ábrát), csak akkor van értelme használni, ha ez a csillapítás az egész vezeték csillapításának jelentéktelen részét képezi.

A fényforrás és optikai teljesítménymérő segítségével történő optikai létesítmény megfelelőségének ellenőrzése során a teljes optikai útvonal csillapítására vonatkozóan egyetlen számértéket állítanak elő, és azt összehasonlítják a várható értékkel. Hálózati tanúsítás esetén az elvárt érték az adott alkalmazásra jellemző, amelyhez a kapcsolatot tanúsítják - például egy 10GBASE-LR alkalmazás, azaz 10 Gbit/s-os Ethernet-kapcsolat egymódusú szálon történő hálózati tanúsítása esetén a szálcsatorna maximális csillapítása 6,2 dB lehet 1310 nm-es hullámhossz esetén. Más alkalmazásokra vonatkozó csillapítási értékek az adott szabványt leíró dokumentumokban vagy az ISO/IEC 11801, EN 50173 strukturált kábelezési szabványokban találhatók. Ha a mért kapcsolat nem képezi a tanúsítás tárgyát, a maximális csillapítási értéket az optikai szálvezetéket alkotó összes elem elméleti maximális csillapítási értékeinek összeadásával kell kiszámítani.

Egy adott vonal közelítő tipikus csillapításának kiszámításával kapcsolatos probléma abból adódik, hogy nincsenek egyértelműen meghatározott csillapítási szabványok az egyes eseményekhez, például az illesztésekhez és a csatlakozókhoz. Kiderülhet, hogy az egyik kritérium szerint egy 2 csatlakozóból, 2 illesztésből és 500 méter szálból álló vonalnak legfeljebb 2,3 dB, egy másik szerint 1,5 dB, egy harmadik szerint pedig 0,82 dB csillapítással kell rendelkeznie! Ezek az eltérő értékek különböző dokumentumokra vezethetők vissza: a strukturált kábelezésre vonatkozó szabványok, a nagy üzemeltetők vállalati szabványai, nemzetközi ajánlások, az optikai szálak csatlakozóinak csillapítási osztályait meghatározó gyártói szabványok, termékadatlapok és szájról szájra terjedő információk, amelyek egy idő után egyfajta leírhatatlan ipari szabványokká válnak.

Ezért alapvető fontosságú, hogy az átviteli mérést végző személy a referenciateljesítmény mérésének és megállapításának helyes eljárásán túlmenően tudja, hogyan kell szigorúan meghatározni az eredmény értékelésének kritériumait - hogy annak meghatározása, hogy a telepítés helyesen történt-e vagy sem, ne legyen értelmezés tárgya.

Az alábbiakban összefoglaljuk az egymódusú optikai szál maximális csillapításának kiszámításakor elemzendő optikai útvonal elemeit. Mindegyikhez megadjuk a különböző kritériumok alkalmazásából eredő elfogadható csillapítási értékeket, és megadunk egy olyan értéket, amely véleményünk szerint megfelelő lesz az optikai szálas összeköttetések túlnyomó többségének elemzésére.

Látható tehát, hogy egy adott kapcsolat maximális csillapításának becslésekor az alkalmazott kritériumtól függően nagyon eltérő eredményeket kaphatunk, ami azt eredményezheti, hogy a mérési eredmény az egyik esetben helyes, a másik esetben pedig helytelen. Figyelembe véve egy optikai szálas létesítmény helyesen kivitelezett elemeinek valós csillapítását, célszerűbb szigorúbb feltételezéseket tenni. A valóságban a mért értékek az esetek túlnyomó többségében amúgy is jelentősen alacsonyabbak lesznek. Összefoglalva, a számításokhoz az egyes események csillapításának javasolt értékei a következők:

Az egymódusú optikai szálakra épülő optikai szálakra épülő optikai berendezés helyességének ellenőrzése során 1310 nm-es és 1550 nm-es méréseket kell végezni. Még ha csak 1310 nm-es SFP-betétek működnek is ebben a hálózatban, akkor is biztosnak kell lennünk abban, hogy azok pl. 1310 nm/1550 nm-es WDM-betétekre történő cseréje esetén a hálózat megfelelően fog működni.

A két hullámhosszon végzett mérések kissé eltérő eredményeket adhatnak, és rávilágíthatnak olyan problémákra a berendezésben, amelyeket nem vennének észre, ha csak egy mérést végeznének. Az első tényező, amely hozzájárul az eredmények közötti különbséghez, a szál egységnyi csillapításának eltérő értéke a különböző hullámhosszúságok esetében. Ez azonban rövid távolságok esetén lényegtelen - csak 1000 m-nél nagyobb távolságok esetén haladhatja meg a különbség a 0,1 dB-t, és további 1000 m esetén lineárisan további 0,1 dB-lel kell növekednie. Rövidebb kapcsolatok esetén a mérési eredményeknek hasonlónak kell lenniük, az 1550 nm-es hullámhossz esetében valamivel kisebb csillapítással.

Amikor az 1550 nm-en végzett mérés rosszabb eredményt ad, az valószínűleg arra utal, hogy a szálban valahol az útvonal mentén makrohajlat van. Ez gyakran a kapcsolóban lévő hajlás, amely a VFL vizuális hibakeresővel könnyen megtalálható. A hajlat helyén egyértelmű fényszivárgás figyelhető meg. Előfordulhat azonban, hogy a szálhajlat magának egy kábelhajlatnak a következménye lehet valahol az útvonal mentén. Ilyen helyzetben az átviteli módszer nem ad választ a sérülés pontos helyére. Reflektométerrel történő ellenőrzésre van szükség.

Ellenkező esetben - ha az 1310 nm-es mérés rosszabb eredményt ad (és a különbség nagyobb, mint a szál csillapítása miatt), akkor ez valószínűleg a szál, pontosabban a szálmagok elhelyezésével kapcsolatos problémára utal. Ez általában valahol a csatlakozó(k)nál jelent problémát, de lehet, hogy egy rosszul elkészített hegesztésről is van szó. Természetesen további reflektométeres diagnosztika nélkül a lehetséges hiba lokalizálása csak próbálgatással és tévedéssel lehetséges.

Érdemes megfontolni, hogy az 1550 nm-es hullámhossz miért hangsúlyozza a szálak elhajlását, az 1310 nm-es pedig miért emeli ki a rosszabb szálkapcsolatokat. Ennek meghatározásához meg kell vizsgálni az optikai szál szerkezetét, és be kell vezetnünk a szál MFD (Mode Field Diameter) meghatározását.

Egy tipikus optikai szál szerkezete egy magból és egy azt körülvevő köpenyből áll. Ezek eltérő törésmutatóval rendelkeznek (a mag valamivel nagyobb), így a magba megfelelő szögben bevezetett fény teljesen visszaverődik, és az adótól a vevőig terjed. A mag fizikai átmérője természetesen állandó, és lehet például 8,2 μm, függetlenül attól, hogy milyen hullámhosszon halad. A fényhullámok azonban nem csak a magban terjednek. Egy részük a köpenyben is terjed, és a magnak és a köpenynek a fényhullámok terjedéséért felelős területe a fent említett MFD, amelyet effektív magterületnek is neveznek. Az MFD átmérőjét a szálgyártók a szál alapvető paramétereként adják meg. A mag fizikai átmérője másodlagos jelentőségű. Az ITU-T G.652.D ajánlásnak megfelelő Corning SMF-28e+ szál MFD értéke például 9,2 μm 1310 nm-en és 10,4 μm 1550 nm-en.

Az a tény, hogy az MFD különböző hullámhosszok esetén változik, befolyásolhatja a méréseket a fent leírtak szerint. Az 1550 nm-nél a nagyobb átmérő azt jelenti, hogy a jel ezen a hullámhosszon közelebb fut a köpeny határához. A szál minimális hajlítási sugarának túllépése ezért nagyobb csillapítást eredményez ezen a hullámhosszon, mivel a jel egy része gyorsabban "kikerül" a köpenyből. Ezzel szemben az 1310 nm-es hullámhossz esetében a kisebb MFD-terület azt jelenti, hogy érzékenyebb lesz a magok egymáshoz viszonyított elmozdulására.