هنگام نصب یک شبکه فیبر نوری جدید یا ارتقاء یک شبکه موجود به نرخ بیت بالاتر، کیفیت و ویژگی های فیبر نوری تعیین کننـده مناسب بودن این شبکه برای حمل سرعت انتقال تعریف شـده است. پراکندگی حالت پلاریزاسیون (PMD) ممکن است محدودیتهای شدیدی در انتقال نرخ دادههای بالاتر بر روی زیرساخت فیبر موجود ایجاد کند. در نتیجه، اندازهگیریهای PMD به بخش مهمی از فرآیند خصوصیات فیبر تبدیل شـدهاند. اگرچه اثرات دقیق PMD بر انتقال سیگنال های نوری بسیار پیچیده است، مقدار متوسط PMD (میانگین تأخیر گروه دیفرانسیل [DGD]) در هر فیبر معین را می توان با اندازه گیری های نسبتاً ساده به دقت ارزیابی کرد.
PMD ناشی از انکسار دوگانه موضعی (یا شکست مضاعف) در فیبر است که ممکن است از ترکیب مواد و انکسار دوگانه موجبر ایجاد شود. اگر یک فیبر بر اساس حالت قطبش (جهت چرخشی با توجه به محور فیبر) سیگنال انتقال، شاخصهای شکست (IOR) متفاوتی از خود نشان دهد، آنگاه گفته می شود که این فیبر دوشکست کننده است. IOR های متفاوت منجر به سرعت های متفاوت انتشار حالت ها می شود. در فیبرهای نوری سیلیس، انکسار مضاعف مواد معمولاً نتیجه تنش داخلی یا خارجی در هسته فیبر است که در فرآیند تولید فیبر یا در فرآیند کابل کشی فیبر از طریق خمش و پیچش وارد می شود.
از سوی دیگر، انکسار دوگانه موجبر ناشی از نقص در هندسه هسته فیبر و/یا روکش است که معمولاً در فرآیند تولید معرفی میشود.
توجه داشتـه باشید که برخی از الیاف، مانند الیاف نگهدارنده قطبش (PMFs)، عمداً به گونهای طراحی شـدهاند که دارای دوشکست کننده بالا باشند. در چنین فیبرهایی، سرعت انتشار (سرعت نور) به طور قابل توجهی با وضعیت قطبش سیگنال پرتاب شـده متفاوت است.
پراکندگی حالت قطبی (پاشندگی حالت پلاریزاسیون) یا PMD به عنوان پخش موقت پالس های سیگنال انتقال به دلیل شکست مضاعف تعریف می شود. PMD به طور کلی مفهومسازی شـده و از نظر ریاضی بهعنوان تأخیر تفاضلی گروهی حاصل بین اجزای سیگنال که در دو حالت قطبش متعامد به خوبی تعریف شـده یا حالتهای اصلی پلاریزاسیون (PSPs) فیبر منتقل میشود، مدلسازی میشود. دو PSP با سرعت های متفاوتی در فیبر منتشر می شوند. این دو نسخه با تأخیر زمانی از سیگنال راه اندازی شـده ایجاد می کند که ممکن است باعث ایجاد اعوجاج شدید در گیرنده نوری در انتهای فیبر شود. علاوه بر این، PMD ممکن است با زمان و با فرکانس نوری به دلیل اثرات PMD درجه بالاتر تغییر کند. بنابراین، سیگنالهای ارسال شـده از طریق کانالهای طول موج مختلف یک فیبر معین، معمولاً مقادیر متفاوتی اعوجاج را تجربه میکنند.
تفاوت در زمان رسیدن بین دو حالت اصلی قطبش (معروف به حالت های خاص فیبر) به عنوان دوشکستگی (انکسار دوگانه) شناختـه می شود. فیبرها همیشه دو حالت پلاریزه متعامد را نشان می دهند که فیبر را با سرعت های بسیار متفاوتی طی می کنند. آنها تأخیر زمانی تفاضلی را بین اجزای سیگنال نوری که در این دو حالت ارسال می شوند، معرفی می کنند. مقدار PMD در یک فیبر معمولاً به عنوان این تفاوت بیان می شود که به عنوان DGD شناختـه می شود و معمولاً به عنوان Δτ (دلتا تاو) نشان داده می شود.
بنابراین، یک پالس سیگنال کوتاه که از طریق یک فیبر با انکسار بسیار بالا منتقل میشود، ممکن است به دو پالس پلاریزه متعامد تجزیه شود که با سرعتهای مختلف در فیبر حرکت میکنند.
به استثنای فیبرهای نگهدارنده پلاریزاسیون، که برای طرحهای انتقال ویژه استفاده میشوند، اکثر فیبرهای نوری معمولی که در سیستمهای مخابراتی به کار میروند به گونهای طراحی شـدهاند که دارای حداقل انکسار مضاعف باشند. با این وجود، فیبرهای مخابراتی منفرد ممکن است مقادیر قابل توجهی از شکست مضاعف ناشی از مواد باقیمانده یا انکسار دوگانه موجبر نشان دهند. اما بر خلاف الیاف نگهدارنده پلاریزاسیون با دوشکستگی بالا، انکسار مضاعف که باعث PMD می شود در طول فیبر یکنواخت نیست. زیرا به دلیل جفت شـدن حالت پلاریزاسیون تصادفی که توسط خمش یا چرخش الیاف ایجاد می شود. در عوض، ممکن است این الیاف به عنوان متشکل از طول های کوتاه بسیاری از الیاف دوشکستگی که محورهای پلاریزاسیون سریع و آهسته به طور تصادفی جهت گیری شـده اند، دیده شوند. جهت گیری تصادفی تک تک تکه های فیبر در این مدل اثراتی مشابه جفت شـدن حالت پلاریزاسیون تصادفی در الیاف واقعی دارد.
چنین فیبری حالت های قطبش کاملاً تعریف شـده را نشان نمی دهد.
ماتریس انتقال پلاریزاسیون چنین فیبری یک تابع بسیار پیچیده از فرکانس نوری است. با این وجود، میتوان نشان داد که فیبرهای PMD همیشه میتوانند بهعنوان دو حالت قطبش پرتاب متعامد مدلسازی شوند. که حداقل اعوجاج را در سیگنال ارسالی ایجاد میکنند. درست مانند حالتهای ویژه یک فیبر دوشکستی. یک تأخیر زمانی تفاضلی بین اجزای سیگنالی که در این دو PSP ارسال میشوند، معرفی میشود. البته باید توجه داشت که – بر خلاف حالتهای Eigen فیبرهای دوشکستی – این دو PSP جهت خود را در امتداد فیبر تغییر می دهند. علاوه بر این، جهت PSP ها به طور تصادفی با فرکانس نوری تغییر می کند.
اجزای انکسار مضاعف منفرد با کوپلینگ حالت پلاریزاسیون ضعیف یا بدون آن، مانند جداکننده ها، جفت کننده ها یا طول های کوتاه فیبر نوری، معمولاً وابستگی کمی به طول موج در DGD نشان می دهند یا اصلاً وابستگی ندارند. علاوه بر این، DGD این عناصر به صورت خطی با طول دستگاه مقیاس می شود.
فیبرهای مخابراتی استاندارد معمولاً کوپلینگ حالت قطبی قوی را نشان می دهند. در نتیجه، DGD در این فیبرها به طور تصادفی با فرکانس نوری تغییر می کند. علاوه بر این، میانگین DGD در این الیاف با جذر طول فیبر مقیاس میشود.
PMD یک محدودیت عمده در انتقال مخابرات از طریق فیبر است. بنابراین، مشخص کردن شبکه فیبر به منظور کمی کردن سطح PMD و درک مناسب بودن فیبر برای یک نرخ انتقال داده شـده بسیار مهم است.
به طور کلی، PMD باید در سیستم های انتقالی که با نرخ بیت بالاتر از 2.5 گیگابیت بر ثانیه کار می کنند، یک مشکل بالقوه در نظر گرفتـه شود. با این حال، برای فیبرهای خاصی که قبل از سال 1996 یا در سیستمهای انتقال آنالوگ تولید شـدهاند، PMD ممکن است به یک عامل محدودکننده در سرعتهای انتقال بسیار پایینتر تبدیل شود. فهرست زیر موارد معمولی را که ممکن است لازم باشد اندازه گیری PMD انجام شود، خلاصه می کند:
PMD یک پدیده آماری است، بنابراین، ممکن است لازم باشد اندازه گیری PMD در زمان دیگری برای نظارت بر نوسانات طولانی مدت PMD تکرار شود.
همانطور که در استانداردهای مختلف تست و اندازه گیری ذکر شـده است، چندین روش مختلف برای اندازه گیری PMD در الیاف مستقر وجود دارد. چهار روش رایج مورد استفاده در زیر توضیح داده شـده است. روشهای دیگر عمدتاً به آزمایش تولید/آزمایشگاه اختصاص دارند. این روشها شامل اندازهگیریهای کره پوانکاره، اندازهگیری تغییر فاز مدولاسیون، اندازهگیری پالس یا تأخیر زمانی و روشهای برازش منحنی باند پایه است. این چهار روش بر اساس استاندارد بین المللی IEC-60793-1-48 طبقه بندی شـده اند. تمامی روش های تست نیز در استاندارد ITU-T G650.2 منتشر شـده است. TIA یک توصیه برای هر راه حل آزمایشی ارائه می دهد. هر چهار روش از این واقعیت استفاده می کنند که تبدیل پلاریزاسیون در فیبرهای PMD وابسته به طول موج است. به طوری که اجزای فرکانس مختلف در خروجی فیبر به حالت های قطبش متفاوت تبدیل می شوند. این وابستگی به طول موج با افزایش PMD افزایش مییابد و از این رو، معیاری منحصر به فرد از میانگین DGD (Δτ) در فیبر را نشان میدهد.
استانداردها و توضیحات هرکدام در ادامه آمـده است :
PMD برای فیبرهای نوری تک حالته به روش آنالایزر ثابت
– شمارش شدید (EC)
– تبدیل فوریه (FT)
اندازه گیری PMD برای فیبرهای نوری تک حالته با اندازه گیری پارامترهای استوکس
– تحلیل ماتریس جونز- ویژه (JME)
– تجزیه و تحلیل کره پوانکاره (PSA)
اندازه گیری PMD برای فیبرهای نوری و مجموعه کابل های تک حالته توسط تداخل سنجی
– تداخل سنجی سنتی (TINTY)
– تداخل سنجی عمومی (GINTY)
راهنمای اندازه گیری PMD و DGD در قطعات و دستگاه های فیبر نوری تک حالته
روشهای اندازهگیری و روشهای آزمایش – پراکندگی حالت پلاریزاسیون
– روش اندازه گیری آنالایزر ثابت (EC / FT)
– روش ارزیابی استوکس (JME / PSA)
– و روش تداخل سنجی (TINTY)
GR-2947-CORE به مجموعه های تست PMD قابل حملی که برای آنالیز فیبر تک حالته استفاده می شود اشاره دارد.
تعاریف و روش های آزمایش برای ویژگی های آماری و غیرخطی فیبر و کابل تک حالته
– تکنیک ارزیابی پارامتر استوکس (JME & PSA)
– روش پلاریزاسیون حالت (SOP)
– روش های تداخل سنجی (TINTY و GINTY)
– تکنیک آنالایزر ثابت (EC / FT / تحلیل فوریه کسینوس)
ارزیابیهای جانبی مختلف توسط نهادهای استاندارد انجام شـده است. تا بفهمند هنگام مقایسه نتایج آزمایش از روشها چه چیزی میتوان انتظار داشت. گزیده ای از نتیجه گیری آنها در زیر گزارش شـده است :
تداخل سنجی و تحلیلگر ثابت تبدیل فوریه [روش] به “گسترش پالس” PMD و “تحلیل J-M Eigen و تحلیلگر ثابت با شمارش چرخه [روش ها] به DGD از PMD اشاره می کنند.
در اینجا قابل توجه است که TIA به دلایل ذکر شـده در بالا به پتانسیل اختلاف سیستماتیک قابل توجه بین روش JME و روش تداخل سنجی اشاره می کند.
با این حال، روش آزمون آنالایزر ثابت این توانایی را دارد که داده ها را با استفاده از تبدیل فوریه تجزیه و تحلیل کند. در نتیجه تکرارپذیری بالقوه آن را با نتایج هر یک از روش های جایگزین به حداکثر می رساند.
توصیه TIA به طور خاص بیان می کند: “تجربه گسترده شبیه سازی و اندازه گیری توافق آماری نسبتاً خوبی را بین آنالایزر ثابت و J-M Eigen نشان می دهد.”
همچنین میگوید: «به طور گسترده توافق شـده است که پاسخهای تولید شـده توسط تداخلسنجی و تحلیلگر ثابت تبدیل فوریه [روشها] باید معادل باشند و باید توافق آماری خوبی بین آنها وجود داشتـه باشد.»
PMD در فیبرهای نوری با افزایش نرخ داده به 40 گیگابیت بر ثانیه و بالاتر به یک موضوع مهم تبدیل شـده است. برخلاف CD، هیچ راه حل ساده و مقرون به صرفه ای برای جبران تطبیقی مقادیر بالای PMD درجه اول و بالاتر وجود ندارد. بنابراین PMD بالا به بزرگترین مانع در ارتقاء شبکه های موجود به نرخ بیت بالاتر تبدیل شـده است. هر تصمیمی در مورد ارتقاء یک لینک خاص به سرعت انتقال بالاتر نیاز به دانش دقیقی از میانگین DGD در پیوند دارد. این مقدار فقط با اندازه گیری به دست می آید.
OTDR چیست؟ این یک دستگاه تست فیبر نوری است که برای شناسایی، عیب یابی و نگهداری شبکه های مخابراتی نوری استفاده می شود. آزمایش OTDR با انتقال و تجزیه و تحلیل نور لیزر پالسی که از طریق فیبر نوری عبور می کند انجام می شود. گفتـه می شود اندازه گیری یک طرفه است. زیرا نور در انتهای یک پیوند کابل فیبر نوری قرار می گیرد.
با استفاده از اطلاعات به دست آمده از امضای نور منعکس شـده یا پراکنده شـده به نقطه مبدأ، دستگاه تست فیبر OTDR به عنوان یک سیستم رادار نوری عمل می کند. به این معنی که اطلاعات دقیق به کاربر در مورد مکان و وضعیت کلی اتصالات، اتصالات، نقص ها و سایر ویژگی های مورد علاقه وی ارائه می دهد.
دقت و کاربرد آزمایش OTDR بدون علم قبلی امکان پذیر نخواهـد بود. درک فیزیک پشت این ابزار بینش ارزشمندی را در مورد اصول کار OTDR ارائه می دهد.
زمانی آلبرت انیشتین این نظریه را مطرح کرد که الکترون ها می توانند برای انتشار یک شکل موج خاص تحریک شوند. این نظریه در نهایت منجر به اولین لیزر عملیاتی در سال 1960 شد. در حالی که برنامه های پیش بینی شـده در آن زمان احتمالاً شامل ارتباطات راه دور جهانی با استفاده از فیبر نوری نمی شد. این فناوری اکنون مترادف با اتصال قرن بیست و یکم شـده است.
در طول سال ها، بسیاری از اکتشافات موفقیت آمیز در توسعه دستگاه های تست فیبر OTDR مورد استفاده قرار گرفتـه اند.
دستگاه تست فیبر OTDR شامل یک منبع دیود لیزر، یک آشکارساز فتودیود و یک مدار زمانبندی بسیار دقیق (یا پایه زمانی) است. لیزر یک پالس نور در طول موج مشخصی ساطع می کند. این پالس نور در امتداد فیبر مورد آزمایش حرکت می کند. همانطور که پالس به سمت پایین حرکت می کند بخش های فیبر نور عبوری منعکس/انکسار یا پراکنده می شوند و به سمت پایین فیبر به آشکارساز عکس در OTDR پراکنده می شوند.
شدت این نور برگشتی و زمان بازگشت آن به آشکارساز، مقدار تلفات (درج و انعکاس)، نوع و مکان یک رویداد در پیوند فیبر را به ما می گوید.
نور از طریق تعدادی مکانیسم به آشکارساز عکس بازگردانده می شود :
ارزش ذاتی دستگاه تست فیبر OTDR از تشخیص وضعیت یک کابل فیبر نوری ناشی می شود که در غیر این صورت مشاهـده آن غیرممکن بود. این زمانی ضروری است که پیوند حاوی اتصالات و اتصالات متعددی باشد که ممکن است در معرض خرابی قرار گیرند.
از دست دادن بازگشت نوری (ORL) و بازتاب میتوان برای تشخیص شرایطی استفاده کرد که در آن تلفات بیش از حد انتظار در یک مکان خاص در اجرای فیبر رخ میدهد. تضعیف کل فیبر را نیز می توان ارزیابی کرد، زیرا مقدار پس پراکندگی نشان دهنـده این مقدار است.
از همین اصول برای محاسبه اندازهگیریهای فاصله استفاده میشود که در هنگام بروز نیازهای تعمیر، عیبیابی یا تعمیر و نگهداری بسیار ارزشمند هستند. انتهای پیوند فیبر یا شکستگی فیبر از طریق انعکاس فرنل قابل تشخیص است، زیرا شکستگی یا انتهای فیبر بدون پایان نیز تغییری در محیط مواد (شیشه به هوا) است. علاوه بر طول کلی فیبر، فاصله تا گسل ها، اتصالات و اتصالات را می توان با ارائه گرافیکی یافتـه های همراه با تجزیه و تحلیل تعیین کرد.
همانطور که کاربرد عملکردی تست OTDR همراه با تقاضا برای افزایش سرعت تست، دقت، تولید گزارش و قابلیتهای ذخیرهسازی افزایش مییابد، تنوع در ارائههای محصول همچنان متنوعتر میشود. دو دسته غالب عبارتند از رومیزی و دستی. یک OTDR رومیزی اساساً یک ابزار غنی از ویژگیها با منبع تغذیه مستقیم AC است، در حالی که یک OTDR دستی یا جمعوجور معمولاً یک دستگاه سبک وزن و با باتری است که برای استفاده در میدان در نظر گرفتـه شـده است.
فراتر از این تقسیم بندی اساسی، ویژگی ها و گزینه های موجود برای OTDR باید بر اساس استفاده مورد نظر به دقت در نظر گرفتـه شوند. یکی از ملاحظات مهم نوع فیبری است که می خواهیـد آزمایش کنید – چند حالته، تک حالته یا هر دو. متغیر دیگر طول فیبری است که شما آزمایش خواهیـد کرد. محصولاتی که برای کاربردهای طولانیمدت طراحی میشوند معمولاً دارای قابلیتهای دامنه دینامیکی بالاتری هستند. این برای آزمایش پیوندهای فیبر نوری کوتاهتر مانند FTTA لازم نیست.
ویژگیهای قابلیت استفاده نیز بسته به محصول متفاوت است، که دلیل دیگری است که برنامه مورد نظر برای OTDR باید مهمترین عامل در انتخاب محصول باشد (فاکتورهای واردات برای انتخاب OTDR). به عنوان مثال، ممکن است یک محصول سبک وزن برای آزمایش ثابت لازم نباشد، اما اگر قرار است آزمایش توسط تکنسین هایی انجام شود که از برج های سلولی بالا می روند یا در یک محیط فعال کار می کنند، وزن و همچنین ویژگی هایی مانند عمر باتری و مقاوم سازی محفظه محصول اهمیت بیشتری پیدا می کند.
با طیف گسترده ای از برنامه های کاربردی برای تست OTDR، تنظیم دقیق پارامترها برای کار در دست انجام اندازه گیری دقیق را تضمین می کند. استفاده از یک تابع تست خودکار ممکن است برای برخی آزمایشها کافی باشد. اما تنظیم دستی پارامترها با توجه به تنوع در طول، نوع و پیچیدگی اجرای فیبر نوری همچنان توصیه میشود. هنگامی که پارامترهای صحیح برای آزمایش یک اجرای فیبر معین مشخص شد، این پیکربندیهای آزمایش OTDR را میتوان دفعه بعد که همان اجرای مشابه یا مشابه ارزیابی شد، از حافظه ابزار فراخوانی کرد.
با پیشرفت های سریع در فناوری فیبر نوری و استقرار شبکه های فیبر جدید، دستگاه های تست فیبر نوری OTDR برای ساخت، گواهی، نگهداری و عیب یابی سیستم های فیبر نوری ضروری شـده اند.
بازتاب سنج دامنه زمانی نوری (OTDR) ابزاری است که برای ایجاد یک “تصویر” مجازی از مسیر کابل فیبر نوری استفاده می شود. داده های تجزیه و تحلیل شـده می تواند اطلاعاتی در مورد وضعیت و عملکرد فیبرها و همچنین هر گونه اجزای نوری غیرفعال در طول مسیر کابل مانند اتصال دهنـده ها، اتصالات، تقسیم کننده ها و مالتی پلکسرها ارائه دهد.
هنگامی که این اطلاعات جمعآوری، تجزیه و تحلیل و ذخیره شد، میتوان آنها را در صورت نیاز برای ارزیابی همان کابل در طول زمان فراخوانی کرد.
OTDR همچنین تنها دستگاه تست فیبر است که قادر به عیبیابی خرابی کابل فیبر نوری با تعیین فاصله تا خطا و شناسایی نوع و علت عیب، از جمله شکستگی، خمیدگی، کانکتورهای بد، و هرگونه از دست دادن بیش از حد “رویداد” است. از اندازهگیریهای OTDR ریلی برای این تکنیک استفاده میشود. در حالی که تستهای یکسره (یک طرفه) را میتوان انجام داد، تست OTDR دو طرفه دو طرفه، دقت تست را بهبود میبخشد.
دستگاه تست فیبر OTDR میتواند قابل حمل یا روی قفسه برای قرار دادن و نظارت دائمی بر شبکه باشد. همچنین در صورت آسیبدیدگی فیبر، آلارمها بهطور خودکار فعال شوند.
همراه با روش پراکندگی ریلی که برای مشخص کردن پیوندهای فیبر استفاده میشود، فناوریهای Raman و Brillouin OTDR همچنین میتوانند برای پیشبینی شکستگی، نظارت بر سلامت فیبر و جلوگیری از قطع سرویس از طریق اندازهگیری دما و کرنش استفاده شوند. این سه تکنیک ترکیب قدرتمندی را برای مدیریت شبکه های کابل کشی فیبر یا استفاده از فیبر برای سنجش فیبر نوری توزیع شـده تشکیل می دهند.
دستگاه تست فیبر OTDR در اصل برای کاربردهای فیبر نوری در مسافت های طولانی در نظر گرفتـه شـده بود. ابزارهای نسل جدید OTDR می توانند برای تشخیص کابل های بسیار کوتاه تر مانند کابل کشی هواپیماهای داخلی و تاسیسات سازمانی مانند کابل کشی ساخت یافتـه نیز استفاده شوند. تکنیکهای OTDR اکتسابی چند پالس نیز برای آزمایش پیکربندیهای پیچیدهتر، از جمله شبکههای PON و استقرار فیبر به خانه (FTTH) توسعه یافتـهاند.