Pomiary w instalacjach światłowodowych - metoda transmisyjna.

Niniejszy artykuł stanowi kompendium wiedzy dla instalatora, który stoi przed zadaniem weryfikacji poprawności wykonania instalacji światłowodowej. Artykuł szczegółowo opisuje wszystkie aspekty związane z ideą oraz procedurami pomiaru metodą transmisyjną, tj. z wykorzystaniem miernika mocy (OPM - Optical Power Meter) oraz źródła światła (LS - Light Source) lub zestawu pomiarowego do pomiaru tłumienia (OLTS - Optical Loss Test Set).

Spis treści:

Wśród metod pomiaru definiowanych przez normy PN-ISO/IEC 14763-3 oraz PN-EN 61280-4-2 wyróżnić można te związane z tzw. testami podstawowymi oraz rozszerzonymi. Testy podstawowe (tzw. „Tier 1”) pozwalają na określenie zgodności wykonanego kanału lub łącza stałego z wymaganiami danej aplikacji (np. jednej z aplikacji Ethernet) oraz ewentualną certyfikację sieci. Testy rozszerzone („Tier 2”) stosowane są zwykle jako uzupełnienie testu podstawowego lub w sytuacji, gdy test podstawowy daje negatywny wynik i konieczna jest dokładna weryfikacja przyczyny tej sytuacji.

Wymienione wyżej normy definiujące parametry, metody oraz procedury pomiarowe związane są bezpośrednio z normami okablowania strukturalnego ISO/IEC 11801 oraz EN 50173. Instalatorzy realizujący takie sieci oraz wykonujący ich certyfikację powinni stosować się ściśle do określonych w normach reguł oraz używać sprzętu umożliwiającego przeprowadzenie takich testów i wydanie stosowanego certyfikatu. W praktyce dopuszczone do zastosowania urządzenia zdefiniowane są w warunkach gwarancji producenta okablowania strukturalnego.

Istnieje jednak obszar instalacji, które nie są realizowane w odniesieniu do norm okablowania strukturalnego, oraz co do których, nie oczekuje się przeprowadzenia kosztownej certyfikacji. Jednak, w takich sytuacjach, inwestorzy często oczekują dokumentu potwierdzającego, że instalacja wykonana została poprawnie i będzie działać w momencie podłączenia do niej sprzętu aktywnego. Często również instalator chce zweryfikować czy parametry wykonanej instalacji, takie jak choćby jej tłumienie, pozwolą na jej wykorzystanie do konkretnych zastosowań. Jak wówczas postąpić? Z jakich urządzeń pomiarowych skorzystać? Do jakich norm się odnieść? Jak prawidłowo przeprowadzić procedurę pomiaru?

Podział metod na wymienione w pierwszym akapicie testy podstawowe oraz testy rozszerzone jest z pewnością tym, co każdy instalator powinien wdrożyć do swojej pracy.

Test podstawowy to test, w którym mierzone jest przede wszystkim tłumienie wykonanego kanału. Pomiar taki, nazywany pomiarem transmisyjnym lub metodą transmisyjną, wykorzystuje stabilne źródło światła oraz miernik mocy optycznej. W dużym skrócie, urządzenia te, podpięte do dwóch końców łącza światłowodowego, pozwalają na zmierzenie wnoszonego przez niego tłumienia. Tłumienie (straty wtrąceniowe) to bezwzględnie najbardziej istotny parametr, jaki należy wziąć pod uwagę weryfikując instalację światłowodową. W tym miejscu z reguły kończą się możliwości tanich i popularnych źródeł światła oraz mierników mocy optycznej. Bardzo drogie zestawy przeznaczone do certyfikacji sieci pozwalają dodatkowo na pomiar takich parametrów, jak: opóźnienie propagacji łącza, długość łącza oraz ciągłości łącza. Co niezwykle istotne, pozwalają one również na ocenę zgodności wyników z wybranymi założeniami lub normami oraz sporządzenie raportu pomiarowego. Brak takiej możliwości w przypadku tanich mierników i źródeł światła powoduje zwrócenie uwagi instalatorów na urządzenia umożliwiające przeprowadzenie testów rozszerzonych, najczęściej reflektometry OTDR.

Pomiar z wykorzystaniem źródła światła oraz miernika mocy optycznej zgodny z PN-EN 61280-4-2 lub ISO/IEC 14763-3:2014 jest podstawowym sposobem weryfikacji poprawności wykonania łącza światłowodowego. Może stanowić również podstawę do certyfikacji sieci w odniesieniu do konkretnych aplikacji.

Idea pomiaru metodą transmisyjną jest prosta. Do wykonanego połączenia światłowodowego, zakończonego z reguły obustronnie w przełącznicach lub puszkach, podłączamy z jednej strony źródło światła o znanej mocy, a z drugiej miernik mocy optycznej. Przy podpinaniu urządzeń wykorzystujemy patchcordy testowe.

Znając moc źródła światła, które wprowadza sygnał do światłowodu i odczytując moc na mierniku mocy optycznej, jesteśmy w stanie stwierdzić, jaka część źródłowej mocy uległa wytrąceniu lub inaczej mówiąc, jakie jest tłumienie wykonanego połączenia. Większość dostępnych źródeł światła generuje moc na poziomie -5 dBm. W przypadku, gdy na podłączonym z drugiej strony mierniku mocy odczytamy na przykład wartość -8 dBm, będzie to oznaczać, że tłumienie mierzonej linii wynosi 3 dB.

Wykonanie pomiaru jak wyżej, bez przeprowadzenia procedury tzw. zerowania układu pomiarowego, jest jednak obarczone bardzo dużą niepewnością i nie może być traktowane jako wiarygodny pomiar. Niepewność pomiaru wynika z kilku kwestii. Do najważniejszych zaliczyć można:

Aby zmniejszyć niepewność pomiaru, normy pomiarowe PN-EN 61280-4-2 oraz ISO/IEC 14763-3:2014 nakazują wykonanie procedury tzw. zerowania układu, zwanej również kalibracją układu pomiarowego lub pomiarem referencyjnym (wykonywanym w odniesieniu do innej wartości). Istnieją 3 metody zerowania układu: metoda 1 patchcordu, metoda 2 patchcordów oraz metoda 3 patchcordów. Wszystkie polegają na tym samym – połączeniu źródła światła oraz miernika mocy patchcordem lub patchordami pomiarowymi, a następnie zapisaniu uzyskanej mocy jako wartości odniesienia do kolejnego pomiaru, który będzie już właściwym pomiarem na wykonanej linii. Nazwa „zerowanie układu” związana jest z tym, że z reguły po połączeniu urządzeń patchcordem/patchcordami pomiarowymi, użytkownik wciska na mierniku przycisk „REF” lub podobny, co kończy się zapisaniem aktualnie odczytywanej mocy w pamięci urządzenia oraz wyświetleniu na ekranie miernika wartości 0 dB. Od tej pory wszystko co zostanie wpięte dodatkowo pomiędzy urządzenia (w szczególności wykonana linia, którą chcemy mierzyć), wygeneruje dodatkowe tłumienie, które wprost zostanie wyświetlone na ekranie miernika. Idea zerowania układu każdą z trzech metod przedstawiona została poniżej.

Po wyzerowaniu układu, należy rozpiąć urządzenia, a następnie podłączyć do przełącznic w celu zmierzenia tłumienia wnoszonego przez wykonaną linię. Nie należy przy tym odpinać patchcordu od źródła światła, ponieważ podłączenie i rozłączanie wtyku w tym miejscu generuje każdorazowo nieco inne wartości tłumienia.

Rozważmy przykład z początku notki, w którym tłumienie zmierzonej linii bez zerowania układu wyniosło 3 dB. Załóżmy, że tę samą linię mierzymy teraz, ale poprzedzając pomiar zerowaniem układu z wykorzystaniem metody dwóch patchcordów. Łączymy źródło o deklarowanej mocy -5 dBm z miernikiem za pomocą dwóch patchcordów i adaptera, i otrzymujemy na mierniku wskazanie mocy -6 dBm. Wynika z tego, że patchcordy pomiarowe wnoszą tłumienie na poziomie 1 dB. Tak naprawdę nie do końca wiemy ile tłumią same patchcordy, ponieważ nadal nie możemy być pewni co do deklarowanej mocy źródła (jeśli źródło generowałoby sygnał -5,2 dBm, tłumienie patchcordów to 0,8 dB). Niemniej jednak nie ma to w tym momencie znaczenia. Istotnym jest pomiar, który wykonujemy w drugim kroku, w referencji do zapisywanej do miernika wartości mocy (w tym przypadku -6 dBm). Zerujemy układ poprzez wciśnięcie przycisku REF. Po zerowaniu układu podłączamy urządzenia do mierzonej linii i na ekranie miernika uzyskujemy wartość -2 dB. Zmierzona wartość tłumienia linii pozbawiona jest niepewności pomiarowych opisanych powyżej.

Każda z trzech metod zerowania układu pomiarowego, z racji wykorzystania różnej liczby patchcordów, przy ustalaniu mocy odniesienia generować będzie ostatecznie nieco inny wynik pomiaru. Którą więc należy wybrać? Intuicja podpowiada tu z reguły metodę dwóch patchcordów, ponieważ tylu używamy właśnie w końcowym pomiarze. Okazuje się jednak, że metoda ta jest mniej dokładna niż metoda jednego patchcordu i to właśnie jeden patchcord powinien być wykorzystywany przy zerowaniu układu zawsze, gdy jest to możliwe.

W związku z tym, że do podłączenia źródła światła oraz miernika mocy optycznej do mierzonej linii konieczne jest użycie dwóch patchcordów, najbardziej intuicyjną metodą ustanawiania mocy referencyjnej (kalibracji układu pomiarowego) jest ta wykorzystująca dwa patchcordy pomiarowe (nazywane inaczej patchcordami referencyjnymi, testowymi lub TRC – z angielskiego Test Reference Cords). Okazuje się jednak, że metodą najdokładniejszą jest metoda kalibracji z użyciem jednego patchcordu. To ona jest zalecana jako najwłaściwsza zgodnie z normami pomiarowymi ISO/IEC 14763-3 oraz PN-EN 61280-4-2, normami zakładowymi stosowanymi przez dużych operatorów, jak również instrukcjami producentów systemów okablowania strukturalnego.

Na poniższym rysunku przedstawiono zakres pomiaru dla każdej z trzech metod ustawiania mocy referencyjnej. Okazuje się, że metoda jednego patchcordu pozwala w istocie na pomiar całej mierzonej linii, od jej początku do końca z uwzględnieniem złącza początkowego i końcowego. Metoda dwóch patchcordów pomniejsza zakres pomiaru o tłumienie jednego złącza (jest to związane z tym, że tłumienie jednego złącza wzięte jest pod uwagę w procesie referencji), natomiast wynik pomiaru wykorzystującego referencję metodą trzech patchcordów, pomija tłumienie dwóch złączy. Warto zaznaczyć tutaj, że poniższy rysunek, choć ogólnie przyjęty przez normy, zawiera pewne uproszczenie, ponieważ tłumienie złącza (lub złączy) podczas ustanawiania referencji (czyli połączenie dwóch wtyków referencyjnych) nie jest takie samo jak tłumienie złącza (lub złączy) w mierzonej linii (czyli połączenie wtyku referencyjnego ze standardowymi).

W tym miejscu warto dwa słowa poświęcić samym patchcordom referencyjnym. Wedle zaleceń ww. norm stosować należy "najwyższej jakości" patchcordy, dla których tłumienie złącza nie przekracza 0,2 dB (spotkać można również wartość 0,15 dB). Bierze się to z tego, że podczas pomiaru, złącza początkowe i końcowe mierzonej linii zawierają w sobie wtyki ww. patchcordów referencyjnych (połączenie złącze referencyjne – złącze standardowe). W związku z tym, złącza patchcordowe powinny nakładać na pomiar jak najmniejszą niepewność pomiaru. W rzeczywistości, podczas eksploatacji linii, wtyki te zostaną zastąpione wtykami standardowych patchcordów – np. przy podłączaniu sprzętu aktywnego czy crossowaniu przełącznic. Wobec tego, im mniejsze i bardziej przewidywalne lub powtarzalne tłumienie złączy referencyjnych, tym dokładniejszy jest pomiar.

Producenci urządzeń pomiarowych przeznaczonych do certyfikacji sieci oferują tego typu "specjalne" patchcordy w cenie kilkudziesięciokrotnie przekraczającej ceny ogólnie dostępnych patchcordów. Patchcordy te, oprócz dobrych parametrów transmisyjnych posiadają z reguły fizyczne właściwości (np. wzmocnioną konstrukcję) pozwalające na stosowanie ich przez dłuższy czas z mniejszym ryzykiem pogorszenia się ich parametrów. O ile w przypadku certyfikacji sieci, stosowanie tego typu patchcordów ma sens, a nawet bywa koniecznością (zestawy pomiarowe mogą nie akceptować patchcordów innych niż zalecane przez producenta), o tyle pomiary tłumienia linii bez certyfikacji mogą uwzględniać stosowanie patchcordów standardowych, tj. nie opisanych jako TRC. Ważne, aby patchcordy takie były wyprodukowane w klasie min. B, zgodną z normą PN-EN 61300-3-34 (IEC 61753-1). Oznacza to średnie tłumienie złączy nie większe niż 0,12 dB, a maksymalne nie większe niż 0,25 dB. Ostatecznie więc, niepewność pomiaru związana z zastosowaniem takiego złącza nie będzie znacząco większa niż w przypadku prawdziwego złącza referencyjnego. Z pewnością jednak, patchcordy te należy okresowo wymieniać na nowe oraz regularnie czyścić. Długość patchcordu pomiarowego powinna wynosić nie mniej niż 2 m. Stosowanie krótszych patchcordów wiąże się z ryzykiem wystąpienia błędu podczas ustanawiania referencyjnej wartości mocy – może ona być nieco wyższa niż powinna, a to zaowocuje przekłamaniem ostatecznego wyniku pomiaru na niekorzyść osoby mierzącej.

Wracając do trzech metod ustanawiania mocy referencyjnej, wiemy już, że metoda jednego patchcordu jest tą najlepszą, ponieważ pozostałe metody zwiększają niepewność pomiaru poprzez zmniejszenie mocy odniesienia w związku z zawarciem w niej tłumienia jednego lub dwóch połączeń referencyjnych. Metodę dwóch patchcordów stosować należy w sytuacji, gdy złącze miernika mocy optycznej nie jest zgodne ze złączem w przełącznicy (np. gdy miernik wyposażony jest w złącze SC, a przełącznica w adaptery LC). Wówczas metoda jednego patchcordu jest niemożliwa do przeprowadzenia i konieczne jest zastosowanie dwóch patchcordów pomiarowych (np. SC-LC) i adaptera centrującego (np. LC-LC). Metoda trzech patchcordów przewidziana jest dla sytuacji, gdy mierzona linia zakończona jest wtykami. Ze względu na to, że metoda ta wyłącza z pomiaru tłumienie złącza początkowego i końcowego (patrz powyższy rysunek), jej stosowanie ma sens tylko wtedy, gdy tłumienie to stanowi nieistotną część tłumienia całej linii.

Weryfikacja poprawności wykonania instalacji światłowodowej za pomocą źródła światła i miernika mocy optycznej polega na wygenerowaniu zaledwie jednej wartości liczbowej określającej tłumienie całego toru światłowodowego i zestawieniu jej z wartością oczekiwaną. W przypadku certyfikacji sieci, wartość oczekiwana jest charakterystyczna dla aplikacji, dla której certyfikowane jest łącze – na przykład w przypadku certyfikacji sieci dla aplikacji 10GBASE-LR, czyli połączenia Ethernet 10 Gbit/s na włóknie jednomodowym, maksymalne tłumienie kanału światłowodowego wynieść może 6,2 dB dla długości fali 1310 nm. Wartości tłumienia dla innych aplikacji znaleźć można w dokumentach opisujących konkretny standard lub w normach okablowania strukturalnego ISO/IEC 11801, EN 50173. W przypadku, gdy mierzone połączenie nie jest przedmiotem certyfikacji, maksymalną wartość tłumienia wylicza się poprzez zsumowanie teoretycznych, maksymalnych wartości tłumienia wszystkich elementów wchodzących w skład toru światłowodowego.

Problem z wyliczeniem przybliżonego, typowego tłumienia danej linii wynika z braku jednoznacznie określonych norm tłumienia poszczególnych zdarzeń, takich jak spawy oraz złącza. Może się okazać, że wedle jednego kryterium linia składająca się z dwóch złączy, dwóch spawów oraz 500 metrów włókna powinna tłumić nie więcej niż 2,3 dB, wedle innego kryterium 1,5 dB, a wedle jeszcze innego 0,82 dB! Tak rozbieżne wartości mają swoje źródło w różnych dokumentach: normach okablowania strukturalnego, normach zakładowych dużych operatorów, międzynarodowych rekomendacjach, normach producenckich określających klasy tłumienia złączy światłowodowych, kartach katalogowych produktów oraz przekazywanym z ust do ust obiegowym informacjom, które stają się po pewnym czasie swego rodzaju nieopisanym standardem branży.

Kluczowe jest więc, aby osoba wykonująca pomiar metodą transmisyjną, oprócz prawidłowej procedury pomiaru i ustanawiania mocy referencyjnej, umiała ściśle określić kryteria oceny jego wyniku – tak, aby określenie tego czy instalacja została zrobiona poprawnie, czy nie, nie było przedmiotem jakiejkolwiek interpretacji.

Poniżej zestawiono elementy toru optycznego, które poddać należy analizie podczas wyliczania maksymalnego tłumienia jednomodowej linii światłowodowej. Dla każdego z nich podano możliwe do przyjęcia wartości tłumienia wynikające z zastosowania różnych kryteriów oraz wskazano wartość, która w naszym odczuciu będzie właściwa do analizowania zdecydowanej większości połączeń światłowodowych.

Widać więc, że w zależności od przyjętego kryterium, szacując maksymalne tłumienie danego połączenia otrzymać możemy bardzo różniące się od siebie wyniki, co w konsekwencji może owocować tym, że wynik pomiaru będzie poprawny dla jednego z kryteriów, a niepoprawny dla drugiego. Biorąc pod uwagę realne tłumienia poprawnie wykonanych elementów instalacji światłowodowych, bardziej zasadne będzie przyjmowanie bardziej restrykcyjnych założeń. W rzeczywistości mierzone wartości w zdecydowanej większości przypadków będą i tak znacząco niższe. Reasumując, proponowane wartości tłumienia poszczególnych zdarzeń, jakie wziąć należy do wyliczeń, to:

Weryfikacja poprawności wykonania instalacji światłowodowej zbudowanej w oparciu o światłowody z włóknami jednomodowymi powinna obejmować pomiar na długości fali 1310 nm oraz 1550 nm. Nawet jeśli w sieci tej funkcjonować mają wyłącznie wkładki SFP 1310 nm, powinniśmy mieć pewność, że w razie ich zmiany np. na wkładki WDM 1310 nm/1550 nm sieć będzie działać prawidłowo.

Pomiary dla obu długości fali mogą dać nieco różne wyniki i uwydatnić pewne problemy w instalacji, które nie zostałyby zauważone w przypadku wykonania wyłącznie jednego pomiaru. Pierwszym czynnikiem wpływającym na różnicę w wyniku jest różna wartość tłumienia jednostkowego włókna dla różnych długości fali. Nie ma to jednak znaczenia dla krótkich odcinków. Dopiero dla odcinków powyżej 1000 m różnica ta przekraczać może 0,1 dB i powinna się zwiększać liniowo mniej więcej o kolejne 0,1 dB dla kolejnych 1000 m. Dla krótszych połączeń, wyniki pomiaru powinny być zbliżone z delikatnie mniejszym tłumieniem dla długości fali 1550 nm.

W przypadku, gdy pomiar dla długości fali 1550 nm daje gorszy wynik, oznacza to, najprawdopodobniej, makrozgięcie włókna gdzieś na trasie. Często jest to zgięcie w przełącznicy – takie łatwo odszukać wizualnym lokalizatorem uszkodzeń VFL. W miejscu zgięcia zaobserwujemy wyraźny wyciek światła. Może się jednak okazać, że zgięcie włókna jest konsekwencją zgięcia kabla gdzieś na trasie. W takiej sytuacji metoda transmisyjna nie da odpowiedzi na temat dokładnej lokalizacji uszkodzenia. Konieczna jest weryfikacja za pomocą reflektometru.

W przypadku przeciwnym, to znaczy gdy pomiar dla 1310 nm daje gorszy rezultat (i różnica jest większa niż wynika to z tłumienia włókna światłowodowego), oznacza to najprawdopodobniej problem z pozycjonowaniem włókien, a dokładniej rdzeni włókien. Z reguły będzie to problem gdzieś na złączu (złączach), ale może to być również kwestia źle wykonanego spawu. Oczywiście, bez dodatkowej diagnostyki za pomocą reflektometru, ewentualna lokalizacja usterki może odbywać się wyłącznie metodą prób i błędów.

Warto zastanowić się nad tym, dlaczego długość fali 1550 nm uwydatni zgięcia włókna, a 1310 nm uwydatni gorsze połączenia włókien. Aby to określić konieczne jest zapoznanie się z budową włókna światłowodowego i wprowadzenie definicji MFD włókna (ang. Mode Field Diamemeter), czyli średnicy pola modu.

Struktura typowego włókna światłowodowego obejmuje rdzeń oraz otaczający go płaszcz. Posiadają one różne współczynniki załamania światła (rdzeń nieco większy), dzięki czemu światło wprowadzone do rdzenia pod odpowiednim kątem ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu i propaguje od nadajnika do odbiornika. Fizyczna średnica rdzenia jest oczywiście stała i wynosić może np. 8,2 μm, niezależnie od długości fali, którą przenosi. Fale świetlne nie propagują jednak wyłącznie w rdzeniu. Część z nich przenoszona jest również w płaszczu, a obszar rdzenia i płaszcza, który odpowiada za propagację fali świetlnych to wspomniana wcześniej MFD, nazywana również efektywną powierzchnią rdzenia. To właśnie średnica MFD podawana jest przez producentów włókien jako podstawowy parametr włókna. Fizyczna średnica rdzenia ma znaczenie drugorzędne. Przykładowa wartość MFD dla włókna Corning SMF-28e+ zgodnego z rekomendacją ITU-T G.652.D, to 9,2 μm dla długości fali 1310 nm oraz 10,4 μm dla długości fali 1550 nm.

Fakt, że MFD jest różna dla różnych długości fali może wpływać na pomiary w sposób w jaki opisano powyżej. Większa średnica dla 1550 nm oznacza, że sygnał dla tej długości fali biegnie bliżej granicy płaszcza. Przekroczenie minimalnego promienia gięcia włókna będzie owocowało większym tłumieniem dla tej długości fali, ponieważ część sygnału szybciej "ucieknie" z płaszcza. Z kolei mniejszy obszar MFD dla 1310 nm oznacza, że będzie on bardziej wrażliwy na przesunięcie rdzeni względem siebie.