Що таке волоконно-оптичний атенюатор?

 

 

A волоконно-оптичний атенюаторце пасивний пристрій, розроблений для навмисного зниження рівня потужності оптичного сигналу, що поширюється через оптоволокно. На відміну від підсилювачів, які підсилюють сигнали, атенюатори вносять контрольовані втрати-, які вимірюються в децибелах (дБ)-на шляху передачі. Основна фізика включає механізми поглинання, розсіювання або зміщення, які розсіюють фотонну енергію передбачуваним, відкаліброваним способом. Ці компоненти знаходять свою основну користь в інфраструктурі одномодового-волокна, де високо-потужні лазерні джерела регулярно генерують вихідні рівні, здатні наситити або пошкодити чутливу схему фотодетектора.

Проблема, про яку ніхто не говорить: занадто багато світла

Ось щось, що застає людей зненацька. Ви витрачаєте тисячі на проектування оптоволоконної мережі з мінімальними втратами, зациклюючись на якості з’єднання та чистоті з’єднувача-, а потім сигнал виявляється надто сильним.

Перевантаження приймача - реальне явище. Коли оптична потужність перевищує робочий поріг фотодіода, детектор насичується. Кліпси підсилювача. Підвищення частоти бітових помилок. В аналогових системах, таких як дистрибуція кабельного телебачення, з’являються продукти спотворення, які помітно погіршують якість зображення. Іронія не втрачена для польових техніків, які провели кар’єру, борючись із загасанням, а потім виявили, що тепер їм потрібно додати трохи.

Робочий діапазон приймача лежить між двома межами: чутливість на нижньому рівні (де шум обганяє сигнал) і перевантаження на високому кінці (де насиченість спотворює дані). Більшість таблиць даних чітко вказують ці обмеження-щось на зразок від -30 дБм до -15 дБм для чутливості та перевантаження відповідно. Пропустіть або межу, і продуктивність танків.

Як вони насправді працюють

Механізми відрізняються більше, ніж ви очікували.

• Атенюатори-втрат на зазорвикористовувати навмисно повітряний простір між торцями волокна. Світло, що виходить із вхідного волокна, поширюється, коли воно перетинає щілину; лише частина з’єднується з приймальним ядром. Проста фізика. Чим ширший проміжок, тим вище ослаблення-, хоча такий підхід викликає проблеми з відбиттям, які є надзвичайно важливими в певних програмах.
• Легированное волокноє кращим рішенням у більшості комерційних фіксованих атенюаторів. Виробники вводять іони металу в короткий сегмент волокна, створюючи поглинання, яке перетворює оптичну енергію на тепло. Величина ослаблення залишається надзвичайно стабільною при коливаннях температури та не викликає проблем із зворотним-відбиттям. Ви знайдете їх всередині тих компактних атенюаторів типу штекер---від штекерів, які повсюдно встановлюють патч-панелі.
• Фільтри нейтральної щільностіз'являються в змінних атенюаторах і тестовому обладнанні. Частково непрозорий елемент знаходиться на шляху колімованого променя між двома фокусуючими лінзами. Перемістіть елемент глибше в промінь, і загасання збільшиться. Налаштування потребує точного вирівнювання, але забезпечує-незалежну від довжини хвилі продуктивність у широких спектральних діапазонах-, що є критично важливим для тестування DWDM, де кілька каналів охоплюють C-діапазон.

 

Існує також трюк з обмотуванням оправки. Оберніть одномодовий-патчкорд навколо олівця кілька разів, і ви спричините втрату вигину. Техніки використовували це в щипках протягом десятиліть. Це працює. Це безкоштовно. Постачальники оптоволокна ненавидять це, тому що вигини малого-радіуса спричиняють навантаження на скло та можуть спричинити довгострокові-проблеми з надійністю. Але коли ви вирішуєте несправність о 2:00 і не маєте потрібного фіксованого аттенюатора, ви робите те, що маєте робити.

Фіксований чи змінний: коли кожен має сенс

Стаціонарні атенюатори забезпечують встановлене значення ослаблення - 1 дБ, 5 дБ, 10 дБ, 20 дБ, незалежно від вимог застосування. Вони дешеві, надійні і не потребують регулювання. Розробники системи розраховують бюджет потужності під час планування, вказують необхідне ослаблення для центральної потужності приймача в межах робочого діапазону та встановлюють відповідний фіксований аттенюатор. Готово.

Математика не складна. Вихід передавача за вирахуванням втрат у кабелі за вирахуванням фіксованого значення атенюатора має дорівнювати дещо зручному в робочому вікні приймача. Залиште запас для старіння роз’єму та коливань температури-можливо, 3 дБ по обидві сторони від номінальної.

Змінні атенюатори відкривають різні можливості. Очевидно, вони важливі для тестування. Інженер-оптик, який характеризує чутливість приймача, повинен контролювати затухання в широкому діапазоні під час моніторингу BER. Ручні регульовані атенюатори з регулювальними гвинтами справляються з роботою на стендовому столі; моторизовані версії інтегруються в автоматизовані тестові системи, де продуктивність виправдовує високу вартість.

Але змінні також з’являються в розгорнутих системах. Оптоволоконні-підсилювачі з добавками ербію в -мережах дальнього сполучення потребують вирівнювання потужності каналу. Різні довжини хвиль у системі DWDM отримують різне посилення через підсилювач-це явище називається нахилом посилення. Змінні оптичні аттенюатори (VOA) на основі-каналу дозволяють мережевим операторам згладити вихідний спектр. Деякі з цих VOA відповідають електронним способом, використовуючи мікродзеркала MEMS або рідкокристалічні елементи, які регулюють затухання на основі керуючих сигналів від систем керування мережею.

Типи роз'ємів і форм-фактори

Інтерфейс роз’єму визначає, де можна фізично встановити аттенюатор. Атенюатори LC, SC, FC, ST- мають усі стандартні конфігурації. Підберіть роз’єм аттенюатора до встановленої установки. Очевидно, але варто сказати.

Для застосувань APC (кутовий фізичний контакт) тип полірування роз’єму має значення. Атенюатори APC сполучаються з роз'ємами APC; змішування APC і UPC викликає катастрофу. Зріз під кутом 8-градусів на торцях APC запобігає з’єднанню з плоскими-полірованими з’єднувачами UPC, але люди все одно намагаються, і внаслідок цього пошкодження може забруднити цілі сегменти з’єднання сміттям.

Одномодовий-режим проти багатомодового розділення

Одномодові-системи домінують у використанні атенюаторів, оскільки одномодові-лазерні джерела виробляють достатню потужність, щоб викликати проблеми. Поєднання вузького діаметра серцевини та когерентного лазерного виходу створює високу щільність потужності, яку фотодетектори не завжди можуть витримати-особливо на коротких ділянках зв’язку, де існують мінімальні втрати в кабелі.

У багатомодових програмах рідко потрібні атенюатори. Світлодіодні джерела та VCSEL, що живлять багатомодові канали, просто не видають достатньої оптичної потужності, щоб перевантажити приймачі, навіть на мінімальних відстанях. Більший діаметр сердечника розподіляє потужність між декількома режимами розповсюдження, а обмеження вихідної потужності джерела додатково знижують ризик перевантаження.

Тим не менш, існують багатомодові атенюатори. Вони вимагаються для певних тестових сценаріїв. А деякі-потужні багатомодові вертикальні{3}}лазери в сучасних центрах обробки даних розширюють межі, до яких попередні покоління не наближалися.

Одне ускладнення: втрата,-залежна від режиму. Атенюатори, що використовують просторову фільтрацію (наприклад, конструкції змінного типу лопатевого-типу), по-різному впливають на різні режими. Моди вищого-порядку, що переміщуються поблизу ядра-межі оболонки, відчувають більше загасання, ніж основні моди, зосереджені в центрі ядра. Ця залежність від режиму робить точне вимірювання затухання складним у багатомодових системах.

Встановлення: на стороні приймача, завжди

 

Розташуйте аттенюатори на кінці зв’язку, що приймає. Це не довільно.

Встановлення аттенюатора на передавач забезпечує зниження потужності, але створює головний біль при тестуванні. Ви не можете зручно виміряти отриману потужність, не від’єднавши щось. Ви не можете перевірити, чи аттенюатор забезпечує правильні втрати, не підходячи до дальнього кінця.

До приймача підключається ваш вимірювач потужності. Вимірюйте з встановленим атенюатором. Вимірюйте без нього. Переконайтеся, що дельта відповідає очікуванням. Відкоригуйте, якщо необхідно (для змінних типів). Простий робочий процес.

Розміщення приймача також впливає на коефіцієнт відбиття. Будь-яке зворотне-відбиття від аттенюатора має подолати всю довжину зв’язку, перш ніж досягти передавача-і послаблюється втратою кабельної лінії на цьому шляху. Розташуйте аттенюатор біля передавача, і відбиття безперешкодно повернеться прямо в резонатор лазера. Деякі передавачі добре справляються з цим; інші помітно дестабілізуються.

Приклад обчислень у-реальному світі

Розглянемо типовий сценарій. Ваш передавач видає мінімум 0 дБм. Приймач визначає робочий діапазон від -15 до -30 дБм, тобто він перевантажується вище -15 дБм і падає нижче чутливості нижче -30 дБм.

Загальна втрата кабельної системи становить 7 дБ. З’єднувачі, з’єднання, затухання волокон-усе.

Без втручання отримана потужність дорівнює вихідному сигналу передавача мінус втрати: 0 дБм мінус 7 дБ дорівнює -7 дБм. Це вище порогового значення перевантаження -15 дБм. Приймач насититься.

Вам потрібно знизити отриману потужність приблизно до -20 дБм до -25 дБм — комфортно в межах робочого діапазону з запасом. Мета: -22 дБм.

Необхідні загальні втрати: 0 дБм мінус (-22 дБм) дорівнює 22 дБ. Від кабельного заводу вже маєте 7 дБ. Необхідне додаткове ослаблення: 22 мінус 7 дорівнює 15 дБ.

Встановіть фіксований атенюатор на 15 дБ на приймачі. Перевірте за допомогою вимірювача потужності. Йди далі.

Тестування програм

Крім стаціонарного встановлення, атенюатори відіграють важливу роль у кваліфікації системи та пошуку несправностей.

• Тестування запасу потужностівизначає, скільки додаткових втрат може витримати зв'язок, перш ніж вийти з ладу. Вставте регульований аттенюатор. Збільште затухання під час моніторингу BER або втрати пакетів. Зверніть увагу на те місце, де з’являються помилки. Різниця між цим порогом і нормальною робочою потужністю представляє запас-буфера безпеки, який захищає від погіршення якості роз’єму, пошкодження кабелю або старіння джерела.
• Перевірка чутливості приймачапідтверджує, що обладнання відповідає специфікаціям. Відкаліброване загасання дозволяє точно контролювати оптичну потужність на детекторі під час вимірювання кінцевого BER. Автоматичні тестові системи перевіряють рівні потужності та генерують характерні криві «ванни», які визначають продуктивність приймача.
• Тестування вирівнювання каналув системах WDM вимагає вибіркового ослаблення окремих довжин хвиль. Спеціалізовані багатоканальні блоки атенюаторів, іноді інтегровані з-перемикачами вибору довжини хвилі, дозволяють інженерам імітувати різні сценарії нахилу підсилення та перевіряти, що системи моніторингу та компенсації реагують належним чином.

Поширені помилки та як їх уникнути

Люди забувають враховувати внесені втрати атенюатора. Навіть налаштування «0 дБ» на регульованому аттенюаторі створює певні базові втрати-, можливо, від 0,5 до 1,5 дБ залежно від конструкції. Врахуйте це в розрахунках.

Забруднення вбиває атенюатори швидше, ніж зловживання. Торцева поверхня відкрита на інтерфейсі роз’єму, збираючи пил і жир від відбитків пальців, як і будь-який інший роз’єм. Огляньте та очистіть перед встановленням. Використовуйте відповідні ковпачки, коли ними не користуєтеся.

Залежні від поляризації-втрати (PDL) дивують людей у ​​когерентних системах. Деякі конструкції атенюаторів демонструють різні втрати залежно від стану поляризації входу. Для систем із-модуляцією інтенсивності, що працюють за стандартними протоколами, ніхто не помічає. Для когерентного виявлення з поляризаційним мультиплексуванням PDL створює реальні проблеми.

Дрейф довжини хвилі в тестових джерелах поєднується з -залежною поведінкою атенюатора. Ваше джерело 1550 нм може насправді видавати 1553 нм залежно від температури. Якщо специфікація аттенюатора передбачає 1550 нм, накопичуються невеликі похибки.

Економіка

Стаціонарні атенюатори майже нічого не коштують-кілька доларів за стандартні типи роз’ємів і значення затухання. Тримайте вибір під рукою. Різновиди LC і SC від чоловічого- до - жіночого 5 дБ, 10 дБ і 15 дБ охоплюють більшість ситуацій.

Змінні аттенюатори різко варіюються. Ручні типи для настільного використання коштують, можливо, від 50 до 200 доларів залежно від асортименту та стилю роз’єму. Прецизійні програмовані прилади для автоматизованих тестових систем коштують тисячі. VOA на основі MEMS- для розгортання мережі знаходиться десь посередині, а ціна відображає обсяг і вимоги до інтеграції.

Альтернативою купівлі правильного аттенюатора часто є креативні обхідні шляхи-додаткові патч-кабелі, щоб додати втрату роз’єму, обмотки оправки або просто прийняти погіршену продуктивність. Обчисліть вартість рулону вантажівки для усунення таємничих помилок порівняно з вартістю утримання належних атенюаторів у наборі інструментів.

Виникаючі міркування

Волокно, нечутливе до вигину, змінило рівняння обгортання оправки. Сучасні волокна ITU-T G.657 допускають малі радіуси вигину без значного збільшення втрат-за своєю конструкцією, щоб забезпечити щільнішу прокладку кабелю в приміщеннях. Ті самі властивості, завдяки яким ці волокна не підлягають неправильному монтажу, роблять їх стійкими до навмисної втрати на вигині. Цей старий трюк з олівцем-не працює добре на волокні,-нечутливому до згину.

Когерентні трансивери-вищої потужності підвищують вимоги до потужності. Міжсистеми центрів обробки даних і міські системи DWDM все частіше розгортають передавальне обладнання з вихідною потужністю, яка кидає виклик звичайним конструкціям атенюаторів. Конфігурації з розширеним-променем і вільним-простором справляються з навантаженням краще, ніж традиційні поглинаючі елементи-на основі оптоволокна.

Інтеграція продовжує розвиватися. Функції атенюатора вбудовано в трансивери, підсилювачі та-селективні перемикачі довжини хвилі. Дискретні атенюатори залишаються важливими для тестування та усунення несправностей, але постійне встановлення все частіше відбувається всередині інтегрованих фотонних підсистем.

Підсумок

Волоконно-оптичні атенюатори вирішують суттєву проблему: зменшення оптичної потужності до рівнів, які приймачі можуть впоратися без спотворень або пошкоджень. Технологія зріла, фізика проста, витрати на компоненти мінімальні. Людей бентежить те, що вони забувають, що вони потрібні-, припускаючи, що більше потужності завжди краще, ігнорують верхню межу специфікацій приймача або не перевіряють фактичні рівні потужності під час введення в експлуатацію.

Тримайте в комплекті кілька фіксованих атенюаторів. Зрозумійте, як розрахувати необхідне затухання на основі бюджетних цифр зв’язку. Встановіть їх на приймач, а не на передавач. Очищайте їх, як ви очищаєте будь-який інший оптичний інтерфейс.

Це не гламурна робота. Але це різниця між посиланням, яке працює чисто, і тим, яке видає помилки, яку ніхто не може пояснити.