Целиком или по кусочкам?

Процесс изготовления оптического кабеля оказывает заметное влияние на оптические параметры волоконного световода. Для ответа на вопрос о его характере — положительный он или отрицательный, компания J-Fiber провела специальное исследование. Его результаты продемонстрировали, что характеристики волокна в определенной степени улучшаются и требуемая скорость передачи 10 Гбит/с обеспечивается при протяженности тракта даже свыше 300 м.

Изготовителей и пользователей стандартных многомодовых световодов вот уже несколько десятилетий волнует вопрос о передаточных характеристиках этого типа волокна, например о ширине полосы пропускания в спектральных диапазонах 850/1300 нм. Изготовление многомодового волокна Категории ОМ3 требует специальной технологии и измерения параметра дифференцированной задержки (Differential Mode Delay, DMD) на длине волны 850 нм. Кроме того, изготовители всегда хотели знать следующее:

• насколько сильно процесс изготовления кабеля влияет на максимальную длину тракта?
• оказывает ли влияние конструкция кабеля на максимальную длину тракта? Если да, то каким образом?
• если отрезок кабеля разделить на несколько отдельных строительных длин, то каковы будут характеристики каждой из них?
• какова степень корреляции между измеренными величинами максимальной протяженности тракта и результатами для вероятности ошибки при передаче по нему цифрового сигнала?

ПРОТЯЖЕННОСТЬ МНОГОМОДОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ТРАКТА

Параметры исследуемых оптических волокон Категории ОМ3 подробно описаны в стандарте IEC 60793-2-10. Согласно этому нормативному документу, световод данной категории обеспечивает передачу информационного потока со скоростью 10 Гбит/с на расстояние до 300 м при длине волны оптической несущей 850 нм. Необходимое условие состоит в том, что нормированное значение дифференциальной модовой задержки находится в пределах одного из четырех заданных шаблонов (Templates) и, кроме того, одной из шести интервальных масок (Interval Mask). Таким образом в общем случае гарантируется передача 10-гигабитных сигналов на требуемое расстояние. Это достигается за счет масштабирования эффективной модовой ширины полосы пропускания (Effective Modal Bandwith, EMB) с преобразованием в частотную область фактической величины параметра DMD во временной области.

Для исследования были выбраны кабели двух широко распространенных типов, которые применяются на уровне магистральных подсистем, для организации межэтажных переходов или соединения зданий.

В основу конструкции кабелей типов А и В положено волокно в плотном буфере. Этот весьма популярный в США вариант содержит центральный силовой элемент, вокруг которого по спирали расположено до 144 отдельных оптических волокон. Световоды имеют индивидуальную цветовую кодировку и вторичное защитное покрытие диаметром 900 мкм. Сердечник кабеля окружен оплеткой из арамидных нитей и оболочкой из негорючего пластика. Кабели типов А и В, исследованные в процессе проведения экспериментов, содержали по шесть световодов. С метрологической точки зрения оба типа кабеля одинаковы, поэтому в дальнейшем они обозначаются как TB (Tight Buffer).

Наиболее известный в Европе третий тип исследованного кабеля, обозначенный буквой С, имеет модульную конструкцию и содержит от двух до 24 отдельных световодов с окрашенной оболочкой, помещенных в трубчатый модуль с гелевым заполнением. Силовую основу кабеля образует оплетка из стеклопластиковых нитей, оболочка выполнена из самозатухающего безгалогенного малодымного компаунда. Кабель, изучавшийся во время тестирования, содержал шесть волокон, имеющих довольно большой разброс длин. В тексте данный тип кабеля обозначался как LT (Loose Tube).

Перед началом экспериментов фиксировались некоторые нормируемые стандартом параметры волокна, затем для сравнения эти же параметры измерялись после завершения процесса каблирования. Величина коэффициента затухания на различных длинах волн фиксировалась с привлечением метода обрыва. Для всех волокон кабелей на длине волны 850 нм среднее значение составило примерно 0,1 дБ/км (см. Рисунок 1).

Для кабеля, волокна которого имели плотное вторичное защитное покрытие, на длине волны 850 нм измерялся коэффициент широкополосности при полномодовом возбуждении OFL (иначе говоря, возбуждение с переполнением, см. Рисунок 2).

Кабель изготавливался по технологии, применяемой компанией Leоni Fiber Optics из г. Рот. Анализ экспериментальных данных показал примерно 10-процентное увеличение ширины полосы пропускания за счет эффективного подавления мод высоких порядков на макро- и микроизгибах. На основании данных Рисунка 3 можно заключить, что это увеличение носит статистически устойчивый характер.

Измерения параметра DMD для световодов Категории ОМ3 и кабеля на их основе осуществлялись на специальном оборудовании с высокой разрешающей способностью. Полученные результаты привлекались для расчетов предельной длины тракта. На приемной стороне экспериментальной установки вместо традиционного полупроводникового детектора использовалась так называемая streak-камера, применение которой позволяет добиться высокой чувствительности в сочетании с высокой разрешающей способностью во временной области. При помощи такого приемника удается напрямую измерять характеристики пропускной способности волокон с предусмотренной стандартом длиной 300 м.

Определение максимальной длины тракта осуществлялось для обычных волокон и готового кабеля. Затем результаты измерений сравнивались между собой. При сопоставлении фактических величин для кабелей А и В привлекался использованный ранее принцип. Как следует из Рисунка 4, для кабелей LT с модульной конструкцией предельная длина тракта практически не изменилась, тогда как для кабелей ТВ с волокнами в плотном буфере она увеличилась приблизительно на 10% (см. Рисунок 5).

Кабель С модульной конструкции, изготовленный компанией Optical Cable, и кабели А/В с волокнами в плотном буфере разрезались на отдельные строительные длины по 300 м, для которых измерялись величины DMD с последующим их усреднением. Увеличенный разброс длин, выявленный в процессе исследований волокон, применявшихся при изготовлении кабеля С, имел место и для строительных длин. Во всех случаях для обеих конструкций кабелей (см. Рисунки 6 и 7) усредненные максимальные длины трактов превышали исходные значения данного параметра для волокон.

Измерения строительных длин готовых кабелей выявили заметное увеличение максимально допустимой протяженности тракта. Для определения влияния макроизгибов, возникающих на волокнах при изготовлении кабеля, в строительных длинах целенаправленно создавался искусственный изгиб: кабель наматывался на стержень диаметром 10, 7,4 и 5 см, после чего оценивался параметр максимальной протяженности тракта (см. Рисунок 8).

Вероятность ошибки определялась посредством серийного измерительного оборудования лаборатории оптической электроники университета г. Ульма (Д. Михальчик и М. Штах). Оно позволяет производить измерение информационных потоков, имеющих скорость передачи до 12,5 Гбит/с. Экспериментальная установка включала в себя лазер VCSEL с центральной длиной волны излучаемого света 850 нм и переменный аттенюатор для получения определенной величины отношения сигнала к шуму. Генератор сигнала формировал квазислучайную последовательность импульсов с периодом повторения 27—1 бит. Измерения осуществлялись на кабеле С модульной конструкции длиной 2200 м. На Рисунке 9 изображены типичные результаты, полученные в процессе работы с одним из волокон. Вероятность битовой ошибки BER как функция мощности сигнала представлена вместе с опорными значениями (back-to-back), причем счетчик ошибки был настроен на значение вероятности 10-12. На Рисунке 10 приведена глаз-диаграмма сигнала на выходе системы.

По кабелю длиной 2200 м при отношении сигнала к шуму 3 дБ можно с удовлетворительным качеством передавать информационный поток со скоростью 1,5 Гбит/с. Применение линейной интерполяции позволяет сделать вывод о возможности передачи цифрового сигнала со скоростью 10-11 Гбит/с по тракту длиной 300 м, что во многом согласуется с данными, полученными при измерении DMD. Результаты экспериментального исследования наглядно свидетельствуют о том, что процесс каблирования волокон серии Optigrade положительно сказывается на максимально достижимой протяженности тракта, причем на степень такого влияния определенное воздействие оказывает конструкция кабеля. Результаты измерений вероятности возникновения битовой ошибки BER демонстрируют хорошую степень соответствия с измерениями DMD. Эксперименты подтвердили возможность передачи с требуемым качеством информационных потоков со скоростью передачи 10 Гбит/с.