Mesurer l'inexactitude

Les sections de câblage en fibre optique multimode du "câblage universel des bâtiments structurés" sont généralement évaluées soit par une mesure d'atténuation (LSPM = Light Source + Power Meter = Tier 1) soit par un OTDR (OTDR = Optical Time Domain Reflectometer = Tier 2). Selon l'équipement de mesure utilisé, il y a eu et il y a toujours des écarts importants dans les résultats des mesures d'atténuation. Afin d'obtenir des résultats de mesure comparables, de nouvelles définitions pour la mesure de l'atténuation des câbles à fibres optiques multimodes ont été convenues dans le cadre de la normalisation. Une partie de l'amélioration de la précision est obtenue en définissant les méthodes de référencement et les tolérances admissibles de l'équipement de mesure utilisé, la deuxième partie est la spécification du signal de test à utiliser. Dans cet article, nous nous concentrerons sur ce point, c'est-à-dire sur la définition du "flux encerclé" pour le signal de test utilisé.

Propreté

Comme souvent décrit dans de nombreux articles techniques, la propreté et l'absence de dommages sont les priorités absolues dans le câblage à fibres optiques et, bien sûr, dans la technologie de mesure des fibres optiques. Afin d'obtenir une image de la propreté et de l'état des connecteurs à fibres optiques utilisés sur les câbles de référence (câbles de mesure) et sur les sections de fibres optiques à mesurer, il est essentiel d'examiner toutes les faces d'extrémité des connecteurs à fibres optiques concernés avec un microscope à fibres optiques avant chaque mesure. Ensuite, si elles sont sales, les extrémités des connecteurs peuvent être nettoyées, puis inspectées à nouveau et si tout est propre et sans dommage, alors la connexion des connecteurs de fibres optiques inspectés et nettoyés peut être faite ! Toute autre procédure constituerait un "vol à l'aveuglette" et une manipulation imprudente des extrémités des connecteurs à fibres optiques, ce qui peut entraîner une contamination supplémentaire, des dommages et même une défaillance totale des lignes de câblage à fibres optiques (voir figure 1).

Atténuation optique

Afin d'expliquer l'influence du "flux encerclé" sur la technologie de mesure, il faut d'abord aborder les bases de la mesure de l'atténuation des fibres optiques. Comment mesurer l'atténuation d'un câblage en fibre optique ? Cela semble en fait relativement simple, on utilise une source de lumière (Light Source = LS) et un wattmètre (Power Meter = PM) et on effectue ainsi une mesure de la puissance lumineuse perdue sur la ligne de fibre optique. L'atténuation est donc :

L [dB] = 10 * log (Pin / Pout)

Ou si le niveaumètre utilisé peut afficher les niveaux de puissance lumineuse mesurés directement en dBm, alors l'atténuation peut être calculée simplement en soustrayant la puissance d'émission (PLS [dBm]) moins la puissance de réception (PPM [dBm]):g :

L [dB] = PLS [dBm] – PPM [dBm]

Cela peut paraître très simple, mais la partie délicate se situe dans le détail, car il faut d'abord effectuer une mise à zéro (normalisation) pour éliminer la part de l'équipement de mesure dans le résultat global. La qualité des câbles et des prises de mesure, en particulier, contribue de manière significative à la précision du résultat. Afin d'obtenir la valeur de mesure relative correcte, la puissance émise par la source lumineuse (DCS) doit être déterminée et stockée dans le wattmètre comme valeur de référence. Mais c'est là que le drame commence.

Référencement

Les normes ont prévu entre un et trois câblesRéférencement de mesure de référence pour cette "mise à zéro", et pour les conditions d'excitation - c'est-à-dire comment et combien de lumière (plus précisément, les modes de lumière) est couplée dans les fibres optiques - il y a déjà eu différentes méthodes dans le passé. Ces dernières années, le thème du couplage de la lumière a été repris et la définition du "flux encerclé" a été intégrée dans les normes. Comment était-ce dans le passé ? Tout d'abord, l'utilisation des sources de lumière LED a été normalisée. Celles-ci génèrent une excitation dite de "surremplissage" (voir figure 2a). Cependant, ce remplissage excessif n'était pas très intelligent, car l'inondation de la source de lumière LED avec de la lumière a couplé les modes de lumière dans le noyau de fibre de verre et la gaine de fibre de verre, qui étaient alors actifs dans la fibre de verre comme des modes stables de bas ordre (près du noyau de fibre de verre) et des modes instables de haut ordre (plus loin du noyau de fibre de verre et dans la gaine de fibre de verre).

Avec des câbles de mesure de référence courts, cela conduisait alors à mesurer trop de lumière avec un wattmètre lors de la mise à zéro. Cela a conduit à des mesures incorrectes car la puissance de référence mesurée était trop élevée en raison des modes de gaine. En outre, avec des distances de câblage plus longues, les modes d'ordre supérieur instables dans la gaine de la fibre optique et parfois aussi dans le cœur de la fibre optique peuvent avoir disparu après plusieurs mètres et ne sont alors plus impliqués dans la mesure. Afin d'obtenir des conditions plus stables, les modes dits de gainage et les modes d'ordre supérieur instables ont ensuite été filtrés au moyen d'un filtre de mode (mandrin) avant même la mise à zéro (voir figure 3). Cela a permis d'obtenir des conditions de mesure un peu plus stables, mais les atténuations mesurées étaient généralement trop élevées et donc trop pessimistes.

VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)

Au cours du développement ultérieur, la technologie de mesure a ensuite été basée sur des sources lumineuses à base de VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) (voir figure 2b), car celles-ci étaient également fréquemment utilisées dans les composants actifs des liaisons de transmission (par exemple, les SFP 1GbE avec les VCSEL 850nm). Cependant, cette méthode a ensuite conduit à des résultats de mesure trop optimistes en raison d'un éclairage insuffisant du cœur de la fibre et d'un nombre trop faible de modes d'ordre supérieur. En conséquence, des erreurs telles que le décalage des noyaux de fibres entre deux connecteurs de fibres connectés n'ont pas été remarquées. Les deux conditions d'excitation "overfill" et "underfill" peuvent entraîner des écarts de mesures significativement > 10 %, mais cela n'était pas particulièrement critique dans le passé en période de grandes réserves de systèmes pour les liaisons de transmission par fibre optique. Mais comme aujourd'hui, à des taux de transmission plus élevés comme 40GBASE-SR4 / 100GBASE-SR10 sur des fibres optiques OM3 ou OM4 avec des longueurs de 100 / 150m et un budget de canal de seulement 1,9 / 1,5 dB, ces grandes réserves de système n'existent plus, ces écarts de > 10 % ne peuvent plus se permettre. La normalisation a donc dû réagir à cette situation et réfléchir à des méthodes d'excitation qui ne permettent pas ces déviations en premier lieu.

Ainsi, on était conscient du problème des erreurs de mesure et on a commencé il y a quelques années à définir avec précision la répartition de la puissance lumineuse dans le cœur de la fibre optique. "Flux encerclé" est le nom de cette définition, qui est exactement définie entre une excitation de "remplissage excessif" et une excitation de "remplissage insuffisant".

„Encircled Flux“ - Definition:

ou en anglais : "Limited luminous flux", selon la norme, est la proportion de la puissance cumulative (additionnée) du champ proche par rapport à la puissance de sortie totale en fonction de la distance radiale du centre optique du noyau de la fibre optique.

En mesurant précisément la puissance lumineuse à l'aide d'une mesure en champ proche, il est donc possible de mesurer exactement combien de modes d'ordre inférieur et supérieur sont couplés pour la mesure et donc dans le noyau de fibre optique des distances à mesurer.

Les rapports de rendement lumineux spécifiés pour les différents diamètres de noyau et longueurs d'onde utilisés sont indiqués dans la norme DIN EN 61280-4-1. Le tableau 1 présente un exemple de noyau de fibre de 50 µm à 850 nm. Ces valeurs sont mises en œuvre dans le désormais célèbre "modèle EF" (voir figure 4), qui est utilisé avec les tolérances comme courbe de valeurs limites pour les mesures en champ proche avec des équipements de mesure de laboratoire.

Cela nous aurait permis de définir exactement les sources de lumière. Mais il y a un autre défi à relever : la normalisation exige que la condition d'excitation du flux encerclé ne soit pas à la sortie de la source lumineuse, mais à l'extrémité d'un câble de mesure de référence. De cette façon, la distribution de mode spécifiée avec le flux encerclé peut alors être appliquée spécifiquement aux sections de fibre optique à mesurer.

"EF" jusqu'au point d'alimentation

Dans le cas où la source lumineuse elle-même a la condition d'excitation "Flux encerclé", cela peut être réalisé en utilisant des câbles de mesure de référence spéciaux "mode transparent". Ainsi, il est possible que la lumière à coupler dans les sections de câblage à mesurer soit exactement le flux encerclé à la sortie du câble de mesure / connecteur de référence. Cette méthode présente l'avantage, par rapport aux autres méthodes de flux encerclé (par exemple un conditionneur de mode connecté entre la source lumineuse et le connecteur de référence), que l'usure d'un connecteur de référence à l'extrémité du câble de mesure de référence ne devient pas une action incroyablement coûteuse, mais reste relativement peu coûteuse en le remplaçant par un nouveau câble de référence transparent au mode.

Lorsque l'on compare les mesures de différents appareils de mesure, les écarts sont nettement inférieurs à 10 % en raison de la définition claire de la répartition des modes au niveau du connecteur de référence par le flux encerclé.

Conclusion

Plus que jamais, l'utilisation d'équipements de mesure fonctionnant avec des sources lumineuses compatibles avec le "flux encerclé" sera absolument nécessaire à l'avenir pour obtenir des résultats fiables et précis dans les mesures de sections de câbles à fibres optiques multimodes avec des budgets d'atténuation décroissants. C'est la seule façon de garantir à l'avance que les applications modernes de fibres optiques à haut débit puissent être transmises sans problème.

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