Оптические возвратные потери (ORL) и обратное отражение

Optical Line Protection — устройство резервирования ВОЛС
12 ноября 2020

Введение

При распространении оптического сигнала по волокну, часть его отражается назад. На это влияют такие факторы, как количество неоднородностей в волокне, качество коннекторов в линии связи. Обратное отражение или возвратные потери — отношение мощности отраженного оптического сигнала на участке линии связи к мощности сигнала на входе.

С научной точки зрения, оптические возвратные потери (ORL) являются противоположностью по отношению к обратному отражению и имеют противоположный знак, например, значение отражающей способности -50 дБ соответствует 50 дБ возвратных потерь. Тем не менее, существует множество противоречащих друг другу случаев использования этих и связанных с ними терминов, т.к. нет четкого представления о том, что есть что, поэтому лучше всегда рассматривать эти понятия в контексте.

ORL1

Рис. 1. Отражение части сигнала

Наше определение возвратных потерь — накопленный процент мощности, отраженной обратно, по отношению к мощности, переданной в прямом направлении в одной точке, как правило, на приборе для тестирования ORL. Обычно это неполная сумма всех отдельных отражений из-за затухания в обоих направлениях вдоль светового тракта.

Например, если в точке, расположенной где-то вдоль волоконной линии связи, обратное отражение составляет -20 дБ, а затухание в волокне в этой точке 10 дБ, то показатель возвратных потерь будет равен -40 дБ (обратное отражение + 2Х затухание).

Обратное отражение в конкретной точке и измеренные возвратные потери могут быть схожими, если между точкой потерь и ORL-измерителем происходят незначительные потери, а также если эта точка является доминирующим источником отраженного света.

Взаимосвязь между ORL и эффективностью системы

Проблемы, связанные с отражениями в системе, могут быть довольно неочевидными, так как при измерении уровней мощности и потерь значения могут оставаться в пределах нормы, но при передаче данных будут возникать ошибки или деградация сигнала.

Чувствительность к отражению варьируется от устройства к устройству. Таким образом, в случае плохой или средней эффективности ORL, обычная замена передающего оборудования может исправить проблему.

Это также дает представление о том, что связь между ORL и производительностью системы может быть нечеткой. Нужно проверять оптический бюджет линии и проводить измерения при помощи BERT (Bit Error Rate Test).

Единицы измерения

По умолчанию, приборы для тестирования показывают отрицательное значение ORL в [дБ] . Возвратные потери при значении 0 дБ означают идеальную отражающую способность системы. Большое отрицательное число подразумевает малую отражающую способность.

Формула Френеля является основной при изучении процессов в оптическом волокне. Для простого отражения, когда угол падения является нормальным, она выглядит так:

 

Формула Френеля

Рис. 2.Формула Френеля

где n1 –  коэффициент преломления воздуха = 1.00029 (при нормальных условиях), ­­

а n2 ­­– коэффициент преломления сердцевины волокна = 1.476 (для большинства волокон).

Почему так происходит?

  • Собственное рассеяние материала (так называемое “рэлеевское рассеяние”) приводит к возникновению явления обратного отражения. Из-за обратного рассеяния возникает внутреннее отражение, которое зависит от длины (игнорируются конечные отражения), как показано в таблице ниже.
  • Изменение коэффициента преломления материала, через который проходит свет. Как правило — это “стекло/воздух”, при этом возникает около 14.3 дБ обратного отражения, например, от неточно совмещенных коннекторов с полировкой PC или UPC.

Наиболее распространенным примером перехода “стекло/воздух” является коннектор. В случае соединения двух плоско-полированных коннекторов, мы имеем два перехода “стекло/воздух” c небольшим воздушным зазором, что приводит к двукратному отражению (около 11 дБ). В системах с повышенной плотностью сопряжения коннекторов возвратные потери могут составлять около 6 дБ, что вполне достаточно для того, чтобы нарушить передачу простого аналогового сигнала 1 МГц, выдаваемого трансмиттером.

Качество соединения волокон зависит от метода сварки, так как при сварке возникают незначительные уровни отражения. Механическое соединение волокон может привести к высоким уровням отражения, в зависимости от точности соединения и используемого метода. Это одна из многих причин, по которой сварка оптического волокна является предпочтительным методом соединения двух волокон.

Внутреннее отражение волокна

Значения внутреннего обратного отражения волокна, которое обусловлено Рэлеевским рассеянием, представлены в таблице:

Длина участка Возвратные потери
1 м 70 дБ
10 м 60 дБ
100 м 50 дБ
1 км 40 дБ
32 дБ

Представленные выше значения соответствуют чувствительности стандартного тестового стенда для проверки на обратные потери в зависимости от длины подключенного оптоволокна. Например, при использовании измерителя обратных потерь до -70 дБ необходимо использовать волокно не менее 1 или не менее 10 метров, если прибор имеет функцию “нулевого смещения”. Другая проблема при использовании измерителей высокой чувствительности заключается в том, что низкие уровни рассеянного окружающего света могут проникать в прибор и создавать ложные значения.

Факторы, влияющие на ORL

Применение одномодовых волокон традиционно связано с чувствительностью к ORL, т.к. для передачи данных используются лазеры, поддерживающие высокую скорость передачи данных и рассчитаны на большие расстояния с небольшим оптическим бюджетом.

С другой стороны, при применении многомодовых волокон раньше использовались светодиодные источники (которые не чувствительны к обратным потерям), но они обладают низкой скоростью передачи данных и, как правило, работают на относительно коротких дистанциях. В последние годы многомодовые системы перешли на VCSEL лазеры с высокой скоростью передачи данных и влияние ORL тоже стало ощутимым.

Рис. 3. Потенциальные источники обратных потерь

В целом, общие причины возникновения отражений в обоих типах оптоволокна похожи, однако значения ORL различны.

В коннекторах величина ORL сильно зависит от загрязнения, которое в таком случае будет препятствовать качественному соединению. При этом оптические потери все равно будут малы. Коннекторы UPC (синего цвета) имеют очень нестабильные значения оптических возвратных потерь. Именно по этой причине на участках, где важен каждый милливатт оптического бюджета, отдают предпочтение разъемам APC (зеленого цвета).

Влияние на производительность системы

  • Увеличиваются шумы приемника из-за отражений, скачкообразно движущихся вдоль линии передачи, а затем попадающих в приемник;
  • Увеличиваются шумы в мощности и длине волны передатчика из-за отражений, вызывающих нежелательные резонансы в лазере;
  • Что касается нестабильных лазеров, эффекты обратного отражения могут значительно влиять на поляризацию. Поэтому для корректного функционирования линии передачи может понадобиться регулятор поляризации.
  • DFB лазеры особенно чувствительны к отражениям и величина ORL должна быть менее -50 дБ.
  • Отражения, вызванные собственным рассеянием материала, могут носить иной характер, чем отражения, вызванные событием в точке. Точечное отражение вызовет импульс отраженного света, в то время как обратно рассеянный свет это всего лишь распределенное отражение очень низкого уровня.

Как протестировать ORL

Удобно измерять возвратные потери с помощью оптического измерителя возвратных потерь (ORL-измеритель, рефлектометр обратного отражения или OCWR).

Обратные отражения отдельных компонентов ВОЛС могут быть измерены рефлектометром, однако он имеет ограниченную точность, и в некоторых ситуациях обратные отражения могут привести к насыщению встроенного усилителя прибора, делая измерения невозможными. Поэтому измерители возвратных потерь обычно используются для проверочных работ.

рефлектометр обратного отражения

Рис. 4. Рефлектометр обратного отражения

Некоторые ORL-измерители быть автоматизированы для работы в паре и замерять обратные потери на обоих концах системы, одновременно выполняя измерение затухания, что позволяет проводить полный анализ без дополнительных усилий.

Более функциональные модели ORL-измерителей имеют пару дополнительных функций, которые бывают очень полезны:

  • Способность “обнулить” остаточный уровень ORL, что увеличивает диапазон результатов линейных измерений примерно на 14 дБ. Например, если остаточный уровень в системе составляет 50 дБ, то если его “обнулить”, то прибор может снимать показания до -60 дБ. Кроме того, повышается точность линейных измерений в диапазоне от 46 до 50 дБ.
  • Возможность применения компенсации смещения к измерению. Например, система имеет потерю 0,5 дБ на соединениях и т.д. Это приведет к смещению показаний на 1 дБ, поэтому пользователь может применить смещение обратно на 1 дБ, чтобы исправить это.

Проблемы измерения обратных потерь на коннекторах обычно зависят от типа полировки. Коннектор с полировкой UPC со значением около -40 дБ гораздо проще измерять, чем APC, который обычно имеет гораздо более низкий уровень.

Плотный сердечник (стержень диаметром около 5 мм) может быть очень полезным аксессуаром для тестирования ORL. Используется для создания временных дополнительных потерь/изоляции, чтобы определить, откуда идет отражение.

Проверка наличия возвратных потерь

Человек, который использует ORL-измеритель, может столкнуться со следующими проблемами при измерении ORL:

  • Значения возвратных потерь, как правило, имеют низкий уровень достоверности, поэтому процесс измерения должен быть как можно более простым и надежным, чтобы можно было полагаться, по крайней мере, на отображаемое число.
  • Необходимо знать, какой участок исследуется на возвратные потери, общий – от -20 до -30 дБ, или короткое звено между изолятором и лазером, для общего уровня -50 дБ, так как их влияние на систему различно.
  • Необходимо точно понять, чем именно вызваны эффекты отражения: коннекторами, сваркой и т.д., а также установить внутренние уровни отражения, вызванные Рэлеевским рассеянием.
  • Нужно уметь изолировать участки соединения (например потери на изгибах с помощью обмотки), а также делать оконцовку с низким уровнем отражения. Это помогает в проведении измерений и выяснении того, в какой секции возникает проблема.

Решения для уменьшения обратных отражений

Для уменьшения обратных отражений:

  • Нужно убрать источник отражений с помощью коннекторов с низким уровнем отражения (предпочтительно полировка APC) и сварных соединений;
  • Использовать приемник с детектором с низким уровнем отражения;
  • Установить изоляторы, однако в настоящее время существуют недорогие передатчики со встроенными изоляторами, из-за чего оставшиеся компоненты системы требуют меньшего внимания.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *