III. Измерительная концепция оптоволокнных сетей со спектральным уплотнением каналов

Представленные выше измерения на линейном тракте цифровых систем передач уже стали классическими. Учитывая высокие темпы внедрения оптоволоконных систем со спектральным уплотнением каналов (ВОСП-СР [18] или WDM-систем), было бы неправильным оставить данную тематику без внимания. Приведённый ниже материал кратко раскрывает измерительную концепцию WDM – характеристики функциональных узлов аппаратуры ВОСП-СР и методы их измерений.

На современном этапе измерения в WDM по своей основе очень близки к измерениям в ВОСП, использующих единственную длину волны. С принципиальной точки зрения это аналоговые измерения параметров, характеризующих работоспособность оптического тракта. Некоторое отличие в работе ВОСП-СР от классических ВОСП составляет выявление (учёт, компенсация) степени искажения сигналов, связанного с взаимным влиянием каналов, уплотнённых по длине волны. Очевидно, что эта особенность отражается и на измерительной концепции WDM.

Функциональные характеристики ВОСП-СР должны соответствовать представленным в [28].

Уровень оптической мощности при числе каналов менее 16 измеряют по методике, приведённой в [28]. При числе каналов более 16 используют оптический коммутатор и измерительный комплекс для ВОСП-СР. Схема измерений приведена на рис. 7. При обработке результатов к показаниям измерителя уровня мощности прибавляют потери, вносимые оптическим кабелем А_ок и оптическими соединителями А_ос (по паспортным данным).

Р

SDH

ис. 7. Схема измерений уровня оптической мощности при числе каналов более 16

Результаты измерений должны соответствовать параметрам, представленным в табл. 1.

Таблица 1

Уровень мощности, дБм	Точки нормирования тракта				Оптические усилители
	Пдi	ГПд	ГПр	Пр'	передачи		промежуточные		приёма
					вх.	вых.	вх.	вых.	вх.	вых.
Минималь-ный	–5	 + 27,0	 + 1,0	 + 10,0	–17,5	+3,5	–36,0	+3,5	–36,0	–10,0
Максималь-ный	+3				+16,6	+27,0	+10,0	+27,0	+1,0	+17,0

Сокращения: Пд – передатчик, ГПд – групповой (объединённый) передатчик, ГПр – групповой приёмник, Пр – приёмник (вход оптоэлектронного преобразователя), Пр' – приёмник (вход решающего устройства).

Спектральные характеристики – центральные частоты (длины волн) оптических каналов, отклонения центральных частот оптических каналов от номинальных значений, ширину спектра оптических каналов и коэффициент подавления боковой моды измеряют с помощью оптического спектроанализатора или измерителя длины волны с точностью измерения по длине волны не хуже 0,003 нм. При числе каналов более 16 применяют схему измерений, содержащую оптические ответвители для выведения контрольных сигналов, оставляя тем самым линейный тракт в работоспособном состоянии.

Номинальные значения центральных частот сетки с шагом 100 ГГц для диапазонов S, C и L в области пропускания WDM [1] можно вычислить по формуле:

f_n = А + n  0,1, ТГц при n = 1…В. (1)

Как правило, результаты измерений представляются в значениях длин волн , нм. Частота f и длина волны  связаны соотношением f = с/, где с = 2,997910¹⁷ нм/с. Пересчёт отклонений значений центральных частот удобно производить по формуле:

f_n = C, (2)

при этом погрешность пересчёта не должна превышать величины D,% . Значения констант А, В, С и D, использующихся в (1) и (2), приведены в табл. 2.

Таблица 2

Оптический диапазон			Константы
обозначение	частоты, ТГц	длины волн, нм	А	В	С	D
S	205,4…196,2	1459,56…1528,00	196,1	93	134	5
C	196,1…192,1	1528,77…1560,61	192,0	41	125	2,5
L	192,0…184,4	1561,42…1625,78	184,3	77	117	4

Допустимые отклонения центральных частот оптических каналов (в ГГц) от их номинальных значений приведены в табл. 3.

Таблица 3

Расстоя-ние между ОК, ГГц	Точки Пдi, скорость передачи, Гбит/с			Мультиплексоры
				оконечные, при количестве оптических каналов					ввода/вывода, при общем количестве ОК / ответвляемых-вводимых в ОК
	0,622	2,5	10,0	8	16	40	80	160	8 / 4	16 / 8	40 / 16
200	20,0			5,0		–			5,0		–
100	10,0			–	5,0				–	5,0
50	10,0		5,0	–		3,0			–		3,0

Сокращение: ОК – оптический канал

Ширину спектра (полосу оптического канала) определяют как разность длин волн, [нм], измеренных по заданным уровням мощности (на 3 дБ и 20 дБ ниже уровня мощности на центральной частоте оптического канала) и пересчитанных по формуле (2). Нормируемые значения параметров сведены в табл. 4. Схема измерений приведена на рис. 8.

Рис. 8. Схема измерений центральной частоты и её отклонения

Из точного (нормируемого) значения центральной частоты, устанавливаемого в том числе техническими условиями производителя, вычитают показания анализатора спектра. Результаты измерений должны лежать в пределах, указанных в табл. 3.

Таблица 4

Ширина спектра (полосы) ОК, по уровню	Точки Пдi , скорость передачи, Гбит/с					Мультиплексоры
						оконечные, при количестве ОК					ввода/вывода, при общем количестве ОК / ответвляемых-вводимых ОК
	0,622		2,5	10,0		8	16	40	80	160	8 / 4	16 / 8	40 / 16
–3 дБ, не менее, при шаге, ГГц	–					–
200						50,0		–			50,0		–
100						–	50,0
50						–		25,0			–		25,0
–20 дБ, не более, при шаге, ГГц	–
200	14,0	20,0			40,0	80,0		–	–	–	80,0		–
100						–	80,0						–
50						–	–	40,0			–	–	40,0

Пример показаний спектроанализатора при измерении спектральных характеристик для оптического канала со средней частотой 192,1 ГГц (₁ = 1560,61 нм) приведён на рис. 9.

Рис. 9. Результат измерения спектральных характеристик в точке S_n

Как следует из рис. 9, центральная длина волны излучения составляет ₂ = 1560,62 нм. Отклонение длины волны излучения от номинальной составляет  = ₂ – ₁ = 1560,62 – 1560,61 = =0,01 нм. Отклонение центральной частоты от номинальной для диапазона 1550 нм можно определить по (2): f = 125(₁ – ₂) = 125(–0,01) = –1,25 ГГц.

Х арактеристики формы сигнала (глаз-диаграмму (ГД), рис. 10, и коэффициент гашения) измеряют по методике, приведённой в [29]. Значение коэффициента гашения в точках Пд_i при скорости передачи до 10,0 Гбит/с должно быть не менее 8,2 дБ.

Рис. 10. Результаты измерения глаз-диаграммы потока STM-64

Результат измерений глаз-диаграммы представлен на рис. 10 и находится в пределах шаблона (элементы 1, 2 и 3 рисунка). Для выполнения измерения ГД используют, как правило, специализированные измерительные средства, либо анализаторы SDH с подключением к компьютеру (по RS-232) с применением соответствующего программного обеспечения.

Коэффициент гашения (1С1 Ex Db на рис. 10), равный 10,04 дБ, удовлетворяет норме (более10 дБ).

Затухание отражения в точках нормирования Пд_i (S_i) измеряют либо с помощью специального измерителя коэффициента отражения, либо согласно п. 7.2.3.1 [30] по схеме рис. 11. В этом случае для измерений используются измеритель оптической мощности с пределами измерений +20 дБм…–60 дБм и калиброванный отражатель, обеспечивающий отражение сигнала не менее –24 дБ. Перед измерениями производят калибровку измерительной установки. Для этого сначала измеряют уровень оптической мощности Р_пд на выходе транспондера. Затем выход транспондера через оптический соединительный кабель подключают к выходу 3 оптического разветвителя и измеряют уровень мощности Р₃₂ на выходе 2 оптического разветвителя, рис.11, а.

Затем выход транспондера подключают ко входу 1 оптического разветвителя и измеряют уровень оптической мощности Р₁₃ на выходе 3, рис.11, б. Далее к выходу 3 оптического разветвителя подключают оптический соединитель (нагрузку) с нулевым отражением и измеряют уровень мощности Р₀ на выходе 2, рис.11, в. В качестве нагрузки можно использовать оптический соединитель, помещённый в кювету с гелем, показатель преломления которого приблизительно равен показателю преломления сердечника волокна, например, это может быть обезвоженный глицерин.

Рис. 11. Схемы измерения затухания отражения согласно п. 7.2.3.1 ОСТ 45.131-99

а

б

в

г

После калибровки нагрузку отключают, тщательно очищают торец соединителя кабеля, после чего выход 3 оптического разветвителя подключают к точке Пд_i и измеряют мощность Р_пр на выходе 2 оптического разветвителя, рис.11, г. Значение затухания отражения К₃₀ по результатам измерений определяют по формуле:

К_пр = 10 lg [Р_пд (Р_пр – Р₀) / Р₁₃ Р₃₂], дБ; К₃₀ = –К_пр . (3)

Полученное значение затухания отражения должно быть не менее 24 дБ.

Уровень чувствительности и уровень перегрузки в точке Пр_i оптического канала измеряют по методикам, приведённым в [28]. Полученные значения должны быть не хуже приведённых в табл. 5.

Таблица 5

Наименование характеристики	Скорость передачи цифрового сигнала
	 0,622 Гбит/с	2,5 Гбит/с	10,0 Гбит/с
Уровень чувствительности при коэффициенте ошибок 10–12, не более, дБм	–23	–15	–12
Уровень перегрузки при коэффициенте ошибок 10–12, не менее, дБм	–8	0

Коэффициент отражения приёмника в точке Пр_i оптического канала измеряют либо с помощью оптического рефлектометра непрерывного излучения по методике, изложенной в п. 7.2.3.1 [30] при подключении выхода 3 оптического разветвителя к точке Пр_i, либо согласно п. 7.2.3.2 [30]. В последнем случае измерения производят с помощью оптического рефлектометра во временной области с источником оптического импульсного сигнала большой скважности (>10⁴) и высокочувствительным оптическим приёмником (схема измерений – рис.12, а).

При проведении измерений применяют оптический соединительный кабель длиной, превышающей величину "мёртвой зоны" рефлектометра, оптический соединитель с известным коэффициентом отражения К₀ и регулируемый калиброванный оптический аттенюатор со следующими характеристиками [30, 31]:

• диапазон рабочих длин волн: 1200…1600 нм;

• максимальное затухание: 60 дБ;

• точность установки затухания: 0,05 дБ;

• вносимые потери:  3 дБ;

• затухание отражения: не менее 33 дБ.

Перед измерениями проводят калибровку измерительной установки, для чего выход аттенюатора подключают к оптическому соединителю и увеличивают затухание, вносимое аттенюатором, до момента начала уменьшения амплитуды отражённого сигнала на экране рефлектометра и измеряют величину амплитуды отражённого сигнала А₀, рис.12, б. Полученные значения должны соответствовать приведённым в табл. 6.

а

б

Рис. 12. К методике измерений коэффициента отражения по п. 7.2.3.2 ОСТ 45.131-99

Таблица 6

Нормируемый параметр: коэффициент отражения, не более, дБ	Точка Прi	Оптические усилители	Оптические мультиплексоры
			оконечные	ввода/вывода
	–27	–30	–40	–30

Уровень оптического излучения в одном канале в точках нормирования ГПд, Пд_i, ГПр и Пр_i измеряют с помощью спектроанализатора, причём при измерениях в точках ГПд, Пд_i используются соединительные кабели специального типа и калиброванные оптические аттенюаторы, выдерживающие повышенные уровни оптического излучения. К уровням мощности каждого оптического канала, индицируемым спектроанализатором, следует прибавить затухание калиброванного оптического аттенюатора. Полученные значения должны соответствовать приведённым в табл. 7.

Таблица 7

Уровень мощности на один оптический канал, дБм	Точки нормирования оптического тракта
	ГПд, Пдi	ГПр, Прi
минимальный	 +20	–36,0
максимальный		–15,0

Максимум различия уровней оптической мощности в оптических каналах определяют как разность максимального и минимального измеренных уровней. Это различие не должно превышать 2 дБ.

Оптическая переходная помеха между оптическими каналами в точках нормирования ГПд, Пд_i, ГПр и Пр_i, а также для оптических мультиплексоров, измеряется с помощью спектроанализатора в двух режимах:

• переходная помеха по смежным каналам (измеряемый канал незагружен, соседние по спектру каналы – загружены сигналом);

• переходная (кумулятивная) помеха от дальних каналов (измеряемый и соседние с ним по спектру оптические каналы не загружены; остальные – загружены).

Измеренный уровень помехи должен быть не менее чем на 30 дБ ниже уровня сигнала в измеряемом канале при его загрузке в каждом случае, за исключением кумулятивной помехи для оконечных мультиплексоров (–25 дБ) и для мультиплексоров ввода-вывода (–27 дБ).

Отношение мощности оптического сигнала к мощности оптического шума (ООСШ) измеряют с помощью оптического спектроанализтора, подключаемого через оптический ответвитель с коэффициентом деления 1:10 к выходу оптического усилителя передачи. При этом измеряют уровень оптической мощности шумов в диапазоне рабочих длин волн за пределами полосы пропускания оптических каналов и суммарный уровень оптической мощности сигнала и шума в индивидуальном канале в пределах его полосы (или ширины спектра сигнала) по максимальному значению. Разность между уровнями суммарной мощности оптических сигнала и шума и уровнем мощности оптического шума даёт значение ООСШ в оптическом канале, которое не должно быть менее 20 дБ для точек ГПд, Пд_i и 18 дБ для точек ГПр, Пр_i.

Диапазон рабочих длин волн оптического усилителя (ОУ, как правило используемом в линейном тракте WDM) измеряют по схеме рис. 13 поочерёдно для минимального и максимального значений входных уровней сигнала, указанных в табл. 1. Диапазон рабочих длин волн, определяемый по уровню -3 дБ амплитудно-частотной характеристики на экране спектроанализатора, должен соответствовать номинальной сетке частот (диапазонов спектральных каналов), табл. 2. Измеряют также уровни оптического сигнала на входе и выходе оптического усилителя для минимального и максимального значений входных уровней сигнала для длины волны (как правило, центральной) из рабочего диапазона.

Рис. 13. Схема измерений диапазона рабочих длин волн

и шум-фактора оптического усилителя

Коэффициент усиления оптического усилителя рассчитывают как разность уровней оптического сигнала на его выходе и входе для рассматриваемых значений уровней входного сигнала и трёх значений длины волны. Полученные значения должны соответствовать приведённым в табл. 8

Неравномерность коэффициента усиления оптического усилителя рассчитывают как разность между наибольшим и наименьшим в рабочем диапазоне коэффициентами усиления для рассматриваемых значений уровней входного сигнала. Полученные значения должны соответствовать приведённым в табл. 8.

Шум-фактор оптического усилителя измеряют при минимальном уровне входного сигнала по схеме рис. 13. Источник оптического излучения с перестраиваемой длиной волны должен иметь точность установки длины волны не хуже 0,005 нм.

Измерения производятся в следующей последовательности.

1. С помощью оптического соединительного кабеля выход оптического источника с перестраиваемой длиной волны подключают ко входу калиброванного оптического аттенюатора, на выходе которого устанавливают минимальный уровень входной оптической мощности, после чего соединяют со входом усилителя.

2. Устанавливают уровень оптической мощности на входе оптического спектроанализатора в пределах диапазона его допустимых входных уровней.

3. По спектрограмме на центральной длине волны сигнала _с определяют разрешение прибора на уровне спонтанного усиленного излучения (ASE) – _с.

4. По спектрограмме определяют уровень ASE , Р_ase, дБм.

5. Вычисляют уровень спонтанного излучения в полосе _с для идеального ОУ, Р_{ase ид} по формуле:

мВт, (4)

где h = 6,625210^–34 Джс = 6,6252  10^–31 мВтс² – постоянная Планка; с = 2,9979  10¹⁷ нм/с – скорость света; _с – разрешение (полоса прибора, ширина спектрального окна), нм; _с – центральная длина волны сигнала, нм.

Таблица 8

Наименование параметра	Тип оптического усилителя
	передачи	промежуточный	приёма
Коэффициент усиления, дБ: – минимальный – максимальный	14,0 28,0	15,0 41,0	10,0 33,0
Неравномерность коэффициента усиления в заданном диапазоне рабочих длин волн, не более, дБ	2,0		3,0
Шум-фактор в заданном диапазоне рабочих длин волн, не более, дБ	7,0		6,0

6. Значение шум-фактора вычисляют по формуле:

NF = P_ASE – 10lg P_{ASE ид} – А_КОАТ – G , дБ, (5)

где А_КОАТ – затухание калиброванного оптического аттенюатора, дБ; G – усиление, дБ. Полученное значение должно соответствовать указанному в табл. 8.

Вносимое затухание определяют как разность уровней оптического сигнала при непосредственном подключении источника оптического излучения к измерителю его средней мощности и при подключении через измеряемый объект. Из полученного результата вычитают удвоенные потери в оптических разъёмах на входе и выходе объекта (не более 0,2 дБ). При измерении затухания, вносимого одним оптическим каналом мультиплексора, частоту оптического источника устанавливают равной одной из центральных частот принятой сетки (диапазона). Полученные значения должны соответствовать указанным в табл. 9.

Поляризационно-зависимые потери измеряют по схеме рис. 14. Для проведения измерений устанавливают длину волны излучения оптического источника в соответствии с одной из центральных длин в сетке частот. Поляризатор настраивают на максимальное значение показаний измерителя мощности Р_mах. После этого путем перестройки поляризатора устанавливают минимальное значение мощности P_min.

Рис. 14. Схема измерения поляризационно-зависимых потерь

Поляризационно-зависимые потери будут равны: А_р = Р_mах – Р_min , дБ. Полученное значение должно быть не более 0,5 дБ.

Таблица 9

Вносимое затухание, дБ, не более, при шаге сетки частот, ГГц	Мультиплексоры
	оконечные, при количестве ОК					ввода/вывода, при общем количестве ОК / ответвляемых-вводимых в ОК
	8	16	40	80	160	8 / 4	16 / 8	40 / 16
200	6,0	7,5	–	–	–	6,0 / 12,0 *)	7,5 / 15,0 *)	–
100	–	–	12,	14,	16,	–	–	8,0 / 16,0 *)
50	–	–	0	0	0	–	–	–

^*) в числителе указано значение для ответвляемых/вводимых оптических каналов, а в знаменателе – для транзитных оптических каналов.