CWDM szűrő átviteli jellemzőinek mérése Összeállította: Békefi Ádám MSc hallgató Mészáros István tanszéki mérnök 1
üvegszálon keresztül átvihető információ mennyiség növelésének egyik lehetséges módja, hogy több, eltérő hullámhosszú, eltérő modulációs tartalommal bíró optikai jel kerül átvitelre egyetlen optikai szálon. Ez az eljárás a hullámhossz-osztású multiplexálás, azaz Wavelength Division Multiplexing, röviden WDM. A jelenleg alkalmazott WDM rendszereknek két fő típusa különböztethető meg, a CWDM és a DWDM technológián alapuló megoldás. A CWDM a Coarse, azaz ritka osztású WDM, amely az 1271 és 1611 nm közötti hullámhossz-tartományban üzemel 20 nm csatornatávolsággal. Ez az intervallum csak speciális optikai szálak, például a Corning SMF-28e esetében használható ki teljes mértékben, mivel a hagyományos szálak csillapítása az úgynevezett vízgyök miatt az 1400 nm-es hullámhossz környezetében lokális maximumot mutat. Az 1470 nm alatti tartomány így a második átviteli ablak kivételével használhatatlanná válik, és az elérhető csatornák száma 18 helyett mindössze 8 lesz. A CWDM rendszerek további hátránya, hogy az átvitt jelek erősítését nem teszik lehetővé. Az EDFA-k ugyanis csak a C-sáv, tehát az 1530 és 1565 nm közötti tartomány, míg a Raman-erősítők csak az L- sáv, vagyis az 1565 és 1625 nm közötti tartomány erősítésére képesek, ezek közül pedig egyik sem fedi le a CWDM teljes sávszélességét. Az ily módon korlátozódó használhatóságot ellensúlyozza, hogy a nagy csatornatávolságnak köszönhetően nincs szükség nagy hullámhossz-pontosságú, hűtött lézeradók alkalmazására, mindez olcsó elemekből felépíthető hálózat kialakítását teszi lehetővé. ITU-T hullámsávok 1260 1360 nm O-sáv (Original) 1360 1460 nm E-sáv (Extended) 1460 1530 nm S-sáv (Short wavelenght) 1530 1565 nm C-sáv (Conventional) 1565 1625 nm L-sáv (Long wavelenght) 1625 1675 nm U-sáv (Ultra-long wavelenght) 2
A WDM rendszerekben a különböző hullámhosszú jelek egyesítésére multiplexert, szétválasztásukra pedig demultiplexert használnak. A gyakorlatban ezt a két feladatot ugyanaz az eszköz képes ellátni. Fizikai megvalósításuk szempontjából a multiplexer/demultiplexer szűrőknek három típusa különíthető el, a diffrakciós rács, a tömbös hullámvezető rács és a Bragg-rács segítségével megvalósított szűrő. A diffrakciós rácson alapuló megoldás lényege, hogy a rács felületén bekövetkező reflektálódás reflexiós szöge arányos a hullámhosszal. Ezáltal az eltérő hullámhosszú optikai jelek különböző szálakba való becsatolása a bemeneti és a kimeneti szálvégek alkalmas elhelyezésével megoldható. Ebből következik, hogy a beiktatási csillapítás nem függ a hullámhosszak számától, értéke tipikusan 3 db alatti, viszont a szomszédos csatornák közötti áthallás 30 db-nél nagyobb lesz. Az eszköz minősége szempontjából kritikus a szálak megfelelő pontosságú pozícionálása, ami a technológiát drágává teszi. A tömbös hullámvezető rács, vagy Arrayed Waveguide Grating (AWG) esetében a bejövő optikai jel egy rendezőn keresztül planár technikával megvalósított, eltérő optikai úthosszal rendelkező hullámvezetőkbe jut. Az eltérő optikai úthosszak hatására hullámhosszfüggő szögeltolás jelentkezik a kimeneti rendezőben. Az úthosszak közötti különbséget úgy kell megválasztani, hogy a második rendezőben jelentkező interferencia hatására minden hullámhossz intenzitás-eloszlása a hozzá tartozó kimeneti szálvég helyén legyen a legnagyobb. Az AWG-k beiktatási csillapítása a csatornák számától függetlenül nem haladja meg az 5 db-t, a szomszédos csatornák közötti áthallás értéke 30 és 40 db közötti. Bragg-rács előállításakor a szál törésmutatóját periodikusan megváltoztatják. Ez megvalósítható UV-technológiával, ilyenkor a germániummal adalékolt magot egy rácsmintán keresztül UV-fénnyel világítják meg, a törésmutató-változás ennek hatására áll elő. Az eszköz a bemenetére érkező hullámhosszak közül egyet reflektál, a többi optikai jelet minimális csillapítással továbbengedi. Az a jel fog reflektálódni, amely hullámhosszának fele megegyezik a d rácsállandóval. A reflektált sáv szélessége a rácselemek számának, azaz a Bragg-rács hosszának növelésével csökkenthető. A visszavert optikai jel kicsatolása a szálból cirkulátor segítségével lehetséges. Az eszközre a néhány tized db értékű beiktatási csillapítás és 30 db-nél jobb szomszédos csatornák közti áthallás jellemző. 3
A szűrő-karakterisztika felvétele A rézalapú hálózatokon alkalmazott szűrőkhöz hasonlóan a WDM rendszerek hullámhosszmultiplexereinek három legfontosabb paramétere a sávszélesség, a sávközépi hullámhossz és a beiktatási csillapítás. E három érték közül a sávközépi hullámhosszt és a sávszélességet az ITU-T G.694.2 szabvány rögzíti. A rendelkezésre álló multiplexer az 53-as, 55-ös, 57-es és 59-es csatornát képes kezelni, ennek megfelelően a sávközépi hullámhosszak várható értéke rendre 1531 nm, 1551 nm, 1571 nm és 1591 nm, míg a sávszélességé 20 nm. A beiktatási csillapítás várható értékét a multiplexer gyártástechnológiája határozza meg. Első lépésben az optikai spektrumanalizátor beállításait kell illeszteni az optikai adó jellemzőihez. Mivel az adó stabilizált fényforrással rendelkezik, nincs szükség több mérés elvégzésére, és a kapott eredmények átlagolására. A műszer a teljes dinamikatartományt skálázási zónákra osztja, és a spektrumot ezeken belül külön-külön vizsgálja meg. A leggyorsabb munka érdekében a dinamikatartományt így a legkisebb olyan értékre kell beállítani, ami helyes eredményt ad. A spektrumanalizátor DWDM jelek vizsgálatára készült, ennek megfelelően a hullámhossz-tartománybeli spektrális felbontása nem konstans. A legnagyobb érték a vizsgált tartományon belül B res =0,078 nm. A fényforrás spektrális teljesítménysűrűsége nem változtatható, ez a gyártó által mellékelt mérési jegyzőkönyv szerint p= -12 dbm/nm, azaz p=0,06137 mw/nm. A felbontási sávszélességre jutó teljesítmény ez alapján: P = ρ B res = 0,00478 mw P db = 23,19 db Ekkora az a maximális teljesítmény, amelyet a fényforrás és a spektrumanalizátor közvetlen összekapcsolásakor a műszer jelezhet. A felkínált dinamikatartomány-értékek közül ennek leginkább a 2/ 73 dbm felel meg. A beállítás elvégzése után kell felvenni az adó kimeneti spektrumát, ami referenciaként szolgált a karakterisztikák felvételekor. Az 1530 nm-es csatorna alsó határhullámhossza környezetében a kimenő teljesítmény még nem éri el a maximális értéket, illetve a spektrális teljesítmény-eloszlás nem tökéletesen egyenletes. Mindezt a 4
multiplexer vizsgálata során figyelembe kell venni. A következő lépésként kell meghatározni az egyes csatornákat jellemző szűrőkarakterisztikákat. Ennek során a mérendő eszközt demultiplexer irányban kell csatlakoztatni: Az áthallás vizsgálata a szomszédos csatornák között A WDM rendszerek használata esetén bár jelentősen megnő az optikai szál adatátviteli kapacitása, és ezáltal javul a hálózat használhatósága, elvész az egyhullámhosszú hálózatoknál tapasztalható teljes áthallásmentesség. A jelek szétválasztásához használt demultiplexer karakterisztikájának meredeksége ugyanis nem végtelenül nagy, ezáltal a vételi oldalon nem lehetséges a párhuzamosan haladó, eltérő modulációs tartalmakat továbbító optikai jelek tökéletes elkülönítése. Bármely csatornából a szomszédos csatornákba átjutó teljesítmény csökkenteni fogja az azokban mérhető optikai jelzaj viszonyt, ezért a tervezett hálózat aktív elemeinek kiválasztása előtt célszerű megismerni az alkalmazott demultiplexer kimenetei között jelentkező áthallás mértékét. A szomszédos csatornák karakterisztikáinak keresztezési pontja egy ideális eszköz esetében pontosan a két sávközépi hullámhossz számtani közepével esik egybe. A keresztezési hullámhosszak várható értéke így rendre 1540 nm, 1560 nm és 1580 nm. Ezúttal a Compare panelen két-két szomszédos karakterisztikát kell megjeleníteni, és a marker segítségével megkeresni a keresztezési pontjaikat. Az itt mérhető teljesítményeket kivonva az ugyanezeken a pontokon mért adóteljesítményből, előállt az egyes karakterisztikák csillapítása a keresztezési hullámhosszakon. A multiplexer és a demultiplexer irány összehasonlítása Monomódusú optikai szálak használatakor ugyanaz a felépítésű eszköz használható multiplexerként és demultiplexerként a WDM rendszerekben. Ideális építőelemek esetében a multiplexer és a demultiplexer irányban valamennyi hullámhosszon azonos csillapításértékek várhatók. A multiplexer irány karakterisztikáinak felvételekor az alábbi mérési összeállítást kell megvalósítani: 5
Mérési feladatok: 1. Vegye fel a szűrő demultiplexer irányú karakterisztikáját, és ez alapján határozza meg sávszélességét, illetve csillapítását! A mérést a demultiplexer mindegyik kimenetére ismételje meg! Van eltérés a szabványban előírt jellemzőktől? Elegendőek a mért sávszélességek? Van a csatornák között hibás karakterisztikájú? Válaszait indokolja! 2. Mérje meg a szomszédos csatornák közötti áthallást valamennyi csatornapár esetében! Van összefüggés az előző mérési pont eredményei és az áthallásértékek között? Mi ennek az oka? 3. Vegye fel a szűrő multiplexer irányú átviteli karakterisztikáit, és hasonlítsa össze azokat a demultiplexer irányban mért görbékkel! Van-e különbség a két irányban jelentkező átviteli karakterisztikák között? Ha igen, miért? 4. Jegyzőkönyvezze a mérést. A mérés menete: 1. Tisztítsa meg az alkalmazott optikai szálak végeit, hogy a patchkábelek a lehető legkisebb járulékos csillapítást okozzák! 2. Csatlakoztassa a patchkábelek FC/PC csatlakozóit a szélessávú fényforráshoz, illetve az optikai spektrumanalizátorhoz! 3. A patchkábelek másik végeit kapcsolja egymáshoz egy toldó segítségével! 4. Kapcsolja be a műszereket! A fényforrást a kulcs állásba fordításával, majd az gomb megnyomásával aktivizálhatja. Az univerzális teszt rendszeren indítsa el a programot, majd válassza ki a spektrumanalizátor modult! Jelenítse meg az eszköz szoftveres kezelőszerveit a gomb segítségével! A kapcsolót állítsa Custom állásba, a sávhatárok értékét válassza 1510 és 1610 nm-re, a Power Range tárcsa 2/-73 dbm állásban legyen! Elegendő-e ez a dinamikatartomány, ha az adó spektrális teljesítménysűrűsége 12,12 db/nm, a spektrumanalizátor felbontási sávszélessége pedig a vizsgált tartományban legfeljebb 0,078 nm? 5. Az gombbal térjen vissza a főmenübe! Válassza ki a fület, és indítsa el a mérést 6
a használhat. gombbal! Ezáltal veszi fel az adó kimeneti spektrumát, amelyet referenciaként 6. Csatlakoztassa most a mérendő eszközt a műszerekhez, majd váltson a fülre a spektrumanalizátor főmenüjében! Indítsa el a mérést a gombbal! 7. A fülön jelölje be az jelölőnégyzeteket! Most az adó kimeneti spektruma és a szűrő egyik kimenetén megjelenő spektrum látható egyszerre a képernyőn. A szűrő karakterisztikája a két görbe közti különbség, melyet a delta-marker segítségével tetszőleges hullámhosszakon megmérhet. Jegyezze fel a sávhatárok, valamint a sávközépi frekvencia értékét, és rögzítse a megjelenő spektrumképeket az univerzális teszt rendszerre telepített képernyő-fényképező program segítségével! A program a műszerről a + + billentyűk egyidejű lenyomásával indítható. 8. Ismételje meg a 6. és a 7. lépéseket a többi csatornára! 9. A fentiekhez teljesen hasonló módon vegye fel a és a fülön két szomszédos csatorna jelét! A fülön keresse meg a két karakterisztika keresztezési pontját, és az itt mért jellemzőkből határozza meg az áthallás értékét! 10. Ismételje meg a 9. lépést a többi csatornapárra! 11. A fentiekhez teljesen hasonló módon vegye fel a és a fülön egy adott csatorna multiplexer és demultiplexer irányú karkterisztikáját, és hasonlítsa össze azokat! 12. Ismételje meg a 11. lépést a többi csatornára! 7