Сертификация ВОЛС: измерение оптических потерь

Сертификация волоконно-оптических кабельных систем проводится комплектами для тестирования оптических потерь OLTS (их еще называют - оптические тестеры). Это двухмодульные приборы: на одном конце сегмента размещается квалифицированный источник излучения, на другом – квалифицированный измеритель. При тестировании определяется величина оптических потерь в сегменте, а также (в продвинутых устройствах) его длина. Тестирование охватывает пассивную кабельную среду передачи (активное оборудование в этот момент к системе не подключено), и полученные результаты характеризуют только саму кабельную систему. 

В стандартах такой тип сертификации называется Tier 1 (класс 1). Телекоммуникационные стандарты и подавляющее большинство фирменных производителей оптических компонентов и кабелей обязывают проводить тестирование Tier 1 для постановки готовых систем на гарантию. 

Рис. 1. Принципиальная конфигурация сертификационного тестирования ВОЛС 

Большинство современных сертификационных тестеров для оптики выполняет измерения одновременно в двух оптических сегментах, во встречных направлениях.

Это позволяет решить сразу несколько задач: 

1) За один сеанс измерения тестируется пара волокон 

Основная масса современных систем – дуплексные, измерение сразу по двум волокнам ускоряет работу. То, что измерения проходят во встречных направлениях, проблемы не представляет – в среднем сегменты дают разброс по характеристикам в зависимости от направления менее 0.1 дБ. Если волокно успешно прошло сертификационный тест в одну сторону, оно практически наверняка пройдет так же успешно тест во встречном направлении, поэтому стандарты разрешают ограничиться измерением каждого волокна в одну сторону.

2) Измеряется длина сегментов 

Одновременно с измерением оптических потерь сертификационный тестер определяет длину сегмента как среднее арифметическое между двумя волокнами. В отличие от оптических рефлектометров сертификационные тестеры не имеют фотоприемников на передающих портах и не могут фиксировать отраженные назад сигналы, чтобы определить длину каждого волокна в отдельности. Но при измерении двух волокон можно засечь время прохождения сигнала от основного модуля к удаленному по волокну 1 и обратно от удаленного к основному по волокну 2, после чего через скорость излучения в кварцевом световоде рассчитать среднюю длину. 

Рис. 2. Конфигурация сертификационного тестирования дуплексной ВОЛС 

Так, если полное время прохождения сигнала «туда-обратно» составило 2000 нс, длина сегмента в метрах приближенно рассчитывается как: 

3) Все результаты тестирования сохраняются на основном модуле 

Результаты измерения, полученные основным модулем на волокне 2, сохраняются в его памяти напрямую. Результаты, полученные удаленным модулем для волокна 1, по волокну 2 передаются на основной по внутреннему протоколу передачи, используемому производителем оптического тестера, и сохраняются на том же носителе памяти. 

Получение эталона 

 Перед тем, как начать сертификацию, необходимо установить эталонное значение, соединив модули прибора при помощи одной или нескольких коротких перемычек. Процедура позволяет согласовать шкалы обоих модулей прибора между собой и задать точку отсчета для измерения оптических потерь. 

Существует 3 основных метода установки эталонного значения: метод одной, двух и трех перемычек, при этом только первый из них рекомендуется к применению как наиболее строгий и достоверный. В стандартах тестирования эти методы фигурируют под разными буквенными обозначениями, поскольку их разрабатывали разные стандартизационные подкомитеты (см. таблицу). 

Во избежание путаницы далее методы именуются по количеству используемых перемычек, а не по буквенным обозначениям. 

Метод одной эталонной перемычки 

Для установки эталона используется одна перемычка между передающим портом Tx и принимающим портом Rx. Замеренные при этом оптические потери выставляются на ноль, т. е. характеристики перемычки, использованной при получении эталона, фактически будут исключены из результатов последующего измерения. 

Рис. 3. Принципиальная схема получения эталонного значения 

После получения эталона тестовый шнур 1 отключается от принимающего порта измерителя Rx и подключается к тестируемому сегменту, как было показано на рис. 1 выше. С другого конца добавляется тестовый шнур 2, в получении эталона не участвовавший. 

Важно! 

После получения эталонного значения размыкать соединение с передающим портом Tx нельзя, поскольку это неизбежно исказит результаты. Даже если сразу же подключить разъем обратно, достоверными результаты уже не будут. Чтобы измерения были точными, эталон придется установить заново. Подключение к принимающему порту Rx размыкать можно, поскольку в нем стоит собирающая линза.

В стандарте между получением эталона и выполнением измерения предусмотрен еще один этап, когда выполняется измерение на тестовых шнурах 1 и 2, подключенных друг к другу накоротко через проходной адаптер. 

Рис. 4. Промежуточное измерение на тестовых шнурах 1 и 2 

Результаты этого измерения нигде не сохраняются. Оно нужно только для того, чтобы убедиться, что второй шнур не «битый» и его можно использовать при измерениях. Обычно такой тест проводится однократно сразу после установки эталона, а при последующих измерениях уже не выполняется. 

В дуплексной конфигурации установка эталона выглядит несколько сложнее. Если соединить порты основного и удаленного модуля одним дуплексным шнуром, то затем для подключения к тестируемому сегменту придется разомкнуть соединение с одним из передающих портов Tx. Но тогда эталон на этом волокне станет недействительным, что неприемлемо. Поэтому в установке эталонного значения участвуют два волокна от разных дуплексных шнуров, как показано на рис. 5. 

Рис. 5. Получение эталонного значения и выполнение измерения с помощью дуплексных шнуров по методу одной эталонной перемычки

После получения эталона размыкаются соединения только с принимающими портами Rx. По факту в результатах отражаются характеристики не только тестируемого сегмента (на рисунке показан красным), но и добавившегося волокна от второй перемычки на дальнем конце. Стандарт идет на это намеренно, справедливо полагая, что если избыточная конфигурация впишется в допустимые пределы, то тем более в них уложится тестируемый сегмент. Важно, что в результатах отражены параметры всех точек подключения к тестируемому сегменту – все коннекторные соединения на обоих волокнах, на обоих концах.

То, что при этом «прихватывается» несколько лишних метров шнура, совершенно некритично. За основные потери ответственны именно соединения, а не метраж кабеля. 

Так, стандарт TIA допускает потери до 0.75 дБ на коннекторном соединении. Этот предел впервые был задан практически 20 лет назад, его давно предлагают сделать более строгим, но в действующих версиях стандарта TIA пока осталось прежнее значение. Учитывая, что наибольший погонный коэффициент затухания по длине кабеля составляет 3.5 дБ/км, каждый лишний метр внесет максимум 0.0035 дБ дополнительных потерь. Как правило, при тестировании используются перемычки длиной 2 м, что суммарно вносит максимум 0.007 дБ – это на два порядка меньше, чем коннекторное соединение, поэтому эффект дополнительного метража от шнура пренебрежимо мал.

Другие методы получения эталона вместо того, чтобы учитывать в результатах тестирования лишние элементы, наоборот, недоучитывают критически важные составляющие сегмента: либо одно, либо даже два концевых коннекторных соединения. 

Метод двух эталонных перемычек 

В этом методе эталонное значение снимается при наличии 2 перемычек между каждыми источником и приемником. Они соединены через проходной адаптер, что фактически приводит к тому, что это соединение будет недоучтено в последующих измерениях. Можно сказать, что будущие тесты покажут потери на 0.75 дБ лучше, чем сегмент того заслуживает.

Рис. 6. Получение эталонного значения и выполнение измерения с помощью дуплексных шнуров по методу двух эталонных перемычек 

Такая «оптимистичность» метода приводит к тому, что результаты не отражают действительность. Требовательные приложения, для которых расхождение в 0.75 дБ критично, могут отказаться работать. По этой причине метод применять не следует.

Единственная причина, по которой он не запрещен окончательно – ситуация, когда оптические порты в тестере по конструкции не совпадают с портами в тестируемой системе. Например, тестер имеет порты SC, в то время как кабельная система выполнена на коннекторах LC. В этом случае, если производитель тестирующего оборудования не придумал обходных вариантов (например, сменные адаптеры на приборе для подключения коннекторов разного типа), придется применять гибридные тестовые шнуры, у которых на одном конце коннекторы SC для подключения к прибору, а на другом конце – коннекторы LC для подключения к системе. Получение эталона по конфигурации, показанной на рис. 6, тогда становится неизбежным. 

Однако даже такая ситуация – не оправдание для применения метода двух эталонных перемычек «в лоб». Следует применять модифицированные варианты теста. Их два: 

1). Допустимые пределы оптических потерь вручную уменьшаются на те же 0.75 дБ, которые были «выкрадены» при получении эталона. Большинство тестеров позволяют создавать свои тесты либо указывать в настройках количество коннекторных соединений. Обычно их два – на одном и на другом конце тестируемого сегмента. Но в модифицированном варианте следует указать на один меньше, и тогда пределы тестирования станут строже на 0.75 дБ. 

либо 

2). Добавить к тестируемому сегменту третью перемычку в качестве компенсации, принудительно вернув недоучитываемое соединение. Конфигурация такого теста показана на рис. 7. Добавляемая перемычка может быть очень короткой – ее главная задача в том, чтобы вернуть коннекторное соединение, а метраж при этом не важен. 

Рис. 7. Модификация метода: добавление к сегменту третьей перемычки при тестировании 

Оба варианта модификации неидеальны, поскольку при получении эталона недоучитывается одно какое-то соединение, а в качестве компенсации вводится другое или меняется значение предела. Далеко не факт, что коннекторные соединения одинаковы по величине потерь или составляют именно 0.75 дБ. Это существенно уменьшает ценность результатов, полученных таким способом.

Метод не запрещен, но не рекомендован к применению, за исключением случаев, когда он – единственный возможный технически. Более правильный подход в этом случае – применение оптических тестеров со сменными адаптерами на портах для подключения коннекторов разного типа, но такое решение существует не у всех производителей приборов.

Метод трех эталонных перемычек 

В этом методе эталонное значение снимается при наличии 3 перемычек между каждыми источником и приемником. Шнуры соединены через 2 проходных адаптера. В дальнейшем вместо третьей эталонной перемычки подключается тестируемый сегмент.

В результатах измерения не фигурируют оба коннекторных соединения – будут отражены характеристики только кабеля, без концевых заделок. Разница с тем, что показал бы тест по методу одной перемычки, может составить до 1.5 дБ. Строго говоря, результаты будут лучше, чем следовало бы, еще и на длину третьей перемычки, но, как уже было показано ранее, этим эффектом можно пренебречь, поскольку он на два порядка меньше, чем потери, вносимые коннекторными соединениями.  

Рис. 8. Получение эталонного значения и выполнение измерения с помощью дуплексных шнуров по методу трех эталонных перемычек 

Требования к тестовым шнурам 

Для получения достоверных результатов тестовые шнуры должны быть очень высокого качества. Применять для сертификационного тестирования шнуры, заделанные вручную, категорически нельзя. Но подойдет не всякий заводской шнур. Перемычки с обычной полировкой PC – наиболее распространенные и доступные по цене на рынке – недостаточно хороши для использования в качестве тестовых. Большинство производителей тестеров и оптических компонентов рекомендуют использовать для сертификации шнуры с полировкой UPC. Более подробно о видах полировки коннекторов можно прочесть в статье «Как выбирать пассивные оптические компоненты», раздел «Типы полировки». 

Кроме того, в многомодовых системах для точных измерений необходимо обеспечить равномерное заполнение ядра модами по всему поперечному сечению, а также убрать моды высокого порядка, которые приводят к получению неоправданно высоких значений потерь. Причина в том, что моды высокого порядка затухают в кабеле на расстоянии порядка 5-7-10 м от источника Tx. При получении эталона длина тестовых шнуров меньше этой величины, моды высокого порядка достигают приемника Rx и создают впечатление, что потери в эталонных перемычках малы. Однако при подключении тестируемого сегмента эти моды затухнут уже на первых метрах кабеля, тогда на выходе показания оптических потерь окажутся завышенными.  

Раньше для избавления от мод высокого порядка использовались катушки-оправки (mandrel) определенного диаметра. На них наматывалось по 5 витков тестовых шнуров – катушки ставились на волокна, ведущие от передающего порта Tx.

Однако сейчас доступна более продвинутая технология Encircled Flux, впервые предложенная в 2009 г. и уже хорошо проработанная. Шнуры специальной конструкции обеспечивают получение на выходе из шнура симметричного пучка излучения с хорошо предсказуемым, выверенным распределением оптической мощности по сечению ядра. 

На данный момент не все производители оптических компонентов требуют применять тестовые шнуры Encircled Flux для сертификации многомодовых систем. Этот вариант можно считать альтернативой использованию катушек-оправок. Строго говоря, и применение катушек – рекомендация, а не обязательное требование стандартов. Но поскольку их применение улучшает результаты и позволяет добиться более высокой точности при измерениях, большинство профессиональных монтажных компаний, занятых монтажом волоконной оптики, применяет это решение с момента его появления на рынке.

Бюджет затухания волоконно-оптической линии

Совокупные оптические потери в линии складываются из трех составляющих: потери на коннекторных соединениях, потери в оптических муфтах и потери на метраже кабеля. Зная конфигурацию сегмента, можно рассчитать максимально допустимые стандартами TIA/EIA-568-C.3 и ISO/IEC 11801:2002 оптические потери в нем. 

Так, например, для многомодового сегмента длиной 100 м, в котором присутствует 2 коннекторных соединения и 2 муфты (см. рис. 9), совокупные потери составят 2.45 дБ на длине волны 850 нм и 2.25 дБ на длине волны 1300 нм.  

Рис. 9. Типичная конфигурация оптического сегмента 

Большинство современных сертификационных тестеров при измерении длины тестируемого сегмента вычитают длину шнуров из полученного результата и показывают расстояние между коннекторными соединениями. В примере выше при длине тестовых шнуров по 2 м приборы показали бы длину сегмента 96 м. 

Стандарты TIA/EIA-568-C.3 и ISO/IEC 11801:2002 используют следующие значения для расчетов: 

Все полученные по уравнению значения – расчетные, максимально допустимые потери в сегменте данной конфигурации. Фактическое значение потерь в сегменте сертификационный тестер определяет по результатам прямых измерений, затем сопоставляет его с расчетным.

В памяти прибора указаны все коэффициенты и значения, внесенные в таблицу; количество коннекторных и муфтовых соединений, а также длину тестовых шнуров в настройках должен указать пользователь; совокупную длину сегмента прибор измеряет сам. Эти данные позволяют прибору выполнить расчет по уравнению бюджета затухания ВОЛС и проверить, укладываются фактические потери в максимально допустимые рамки или нет. Если укладываются, прибор выдаст положительный результат PASS (сертификация пройдена), если нет – отрицательный результат FAIL (сертификация не пройдена).

Уравнение бюджета можно использовать для расчета с двумя разными целями: 

1. Рассчитать максимально допустимые стандартами оптические потери для сегмента имеющейся конфигурации; 
2. Подобрать конфигурацию, которая даст расчетные потери не более определенной величины – к примеру, вписаться в 5.6 дБ, поскольку именно эта величина указана как максимально допустимая в документации на активное оборудование, и вместо изначально запланированных четырех муфт использовать только две или закупить оптические компоненты улучшенного качества.

Производители оптических компонентов, а также более строгие стандарты, выпущенные в последнее время и разрабатываемые сейчас, могут предъявлять более строгие требования к потерям, чем приведено в таблице выше. Особенно жесткие рамки накладываются на совокупные потери при проектировании кабельных систем для центров обработки данных. Специально для ЦОД разрабатываются компоненты с уменьшенными потерями – к примеру, вместо 0.75 дБ на коннекторном соединении обеспечиваются потери не более 0.25 дБ или 0.15 дБ. При проектировании кабельных систем для требовательных приложений может оказаться важной каждая десятая доля децибела.

Так, стандарты ISO/IEC 11801:2010 и IEC 14763-3 считают, что на коннекторном соединении допустимо терять не 0.75 дБ, а максимум 0.3 дБ в многомодовых системах и максимум 0.5 дБ в одномодовых. В этом случае для сегмента длиной 100 м, показанного на рис. 9, максимально допустимые потери в многомоде составят 1.55 дБ на длине волны 850 нм, 1.35 дБ на длине волны 1300 нм, в одномоде внутреннего применения – 1.7 дБ на длинах волн 1310 нм и 1550 нм, в одномоде уличного применения – 1.65 дБ на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. 

Выводы

При выполнении сертификационных измерений ВОЛС критически важно соблюдать правила получения эталона и тестовые процедуры при измерении оптических потерь, предусмотренные производителем тестера. Нарушение требований по подключению тестовых перемычек, использование шнуров ненадлежащего качества и элементарная грязь на разъемных соединениях способны вносить дополнительные потери 0.5 дБ и более. Значение имеет даже время, которое прошло после включения сертификационного тестера для оптики: к тестированию можно приступать только через 10-15 минут после включения, чтобы источники прибора вышли на стабильный режим излучения. Все эти требования приводятся в инструкциях к измерительному оборудованию, их надо соблюдать. 

Примеры оборудования

Рефлектометры оптические

Аппараты для сварки оптоволокна, аппараты для сварки оптических волокон

Скалыватели оптического волокна

Измерители оптической мощности

Оптические тестеры

Источники оптического излучения

Оптические наборы для тестирования ВОЛС

Приспособления для чистки оптических коннекторов, портов патч-панели, измерительного и сварочного оборудования

Аксессуары для ВОЛС

Детекторы излучения, аттенюаторы, идентификаторы активности волокна

Определители обрывов оптического волокна (VFL / VLS)

Стрипперы оптические