Katalóg Produktov
Menu

Optický spektrální analyzátor-OSA

Optický spektrální analyzátor, označovaný zkratkou OSA (a vyslovovanou po celém světě jako ‚ouza‘), je jedním z nejdůležitějších přístrojů používaných v oblasti vláknové optiky. Jak jméno napovídá, OSA vyhodnotí spektrální rozložení optického záření v optickém vlákně, což znamená, že na displeji OSA vykreslí tvar a rozložení optických signálů. S OSA se v telekomunikacích nejčastěji setkáváme v oblasti vysokorychlostních datových přenosů, velmi často s využitím technologie sdružování (neboli multiplexování) kanálů typu CWDM nebo DWDM. Ale stejně tak nalézají OSA důležité využití v oblasti, která se zejména v posledních několika letech dostává do popředí zájmu – v sítích typu vlákno až do domu, neboli FTTH. Dnes lze najít mnoho dalších zkratek, je jich až moc a používá se zastřešující zkratka FTTx, kde za x je možné dosadit téměř cokoliv, tak jak to známe z matematiky (například B jako Building).

Spektrání analyzátory využívají několik principů, nejběžnější z nich využívá difrakce záření. Neznamená to nic jiného, než rozložení optického záření na jednotlivé ‚barvy‘ (neboli vlnové délky). Barvy jsou uvedené v uvozovkách proto, že naprostá většina datových přenosů se odehrává v infračervené části spektra, takže lidským očím je toto záření neviditelné. Ale přesto se toto infračervené spektrum znázorňuje v živých barvách od červené po fialovou, ale nemělo by nás to plést: spektrum si lze lépe představit. Zpět k difrakčnímu principu – jde o stejný jev, který vytváří duhu, ať už na vodních kapkách obloze nebo v kaluži, na které je tenká vrstva jiné kapaliny, například oleje.

Na následujícím obrázku, který jsme si vypůjčili od společnosti EXFO, je princip fungování difrakční OSA znázorněn srozumitelně.

 

 

Schematické znázornění difrakčního optického spektrálního analyzátoru OSA. Zdroj EXFO.

 

 

Anglický popis není na závadu – zleva přichází záření (input laser beam), které se na difrakčním prvku (obvykle jde o optickou mřížku, což je vlastně ekvivalent například motýlího křídla) rozkládá na ony infračervené ,barvy‘ a následně jsou tyto jednotlivé spektrální složky změřeny optickým měřidlem výkonu (powermeter). Optický filtr samozřejmě slouží k tomu, abychom jednotlivé složky spektra, které je spojité, pokud možno rozložili na co nejmenší části. Tím samozřejmě docílíme vyšší přesnosti měření. Tady už můžeme vidět, že přesnost OSA bude ovlivňovat zejména tento filtr. Difrakční OSA má tuto rozlišovací schopnost (označovanou běžně jako resolution bandwidth neboli RBW) 20 až 100 pikometrů. Jeden pikometr je 10-12 metru, což je samozřejmě velmi málo, ale v oblasti optiky jde o běžnou jednotku. Snad bychom mohli zmínit, že frekvence infračerveného záření je přibližně 200 THz. To je velmi vysoká frekvence, oproti MHz, které známe například z rádiového vysílání:  jde o řádově miliónkrát větší hodnoty. Přesnost změření vlnové délky je pro difrakční OSA typicky ±10 až ±50 pikometrů. Další důležitý parametr je určení výkonu, difrakční OSA dokáže výkon v jednotlivých optických DWDM kanálech změřit typicky s přesností ±0.5 dBm. Pokud potřebujeme měřit s vyšší přesností, musíme použít OSA na jiném principu. Existují například tzv. koherentní OSA, které využívají směšovacího principu známého z rádiové techniky a v poslední době se na trhu objevil nový typ OSA, který využívá nelineárního brillouinova efektu (ten je pojmenovaný po velkém francouzském fyzikovi jménem Léon Brillouin). Celkem nepřekvapivě je tento přesný spektrální analyzátor označovaný zkratkou BOSA (výslovnost této zkratky lze asi snadno uhodnout). Do podrobností zde nebudeme zabíhat, ale rozlišení BOSA je až 0.08 pikometru a přesnost měření vlnové délky je ±0.5 pikometru. Podrobnosti lze nalézt přímo na webu výrobce Aragón Photonics.

 

 

Schematické znázornění brillouinovského optického spektrálního analyzátoru BOSA.  Zdroj Aragón Photonics.

 

 

Krátké vysvětlení k obrázku, tedy jak BOSA funguje. Jako difrakční prvek (jako analog optické mřížky používané v OSA) zde funguje přímo optické vlákno. Zleva do vlákna vstupuje tzv. pumpa, zprava pak měřený signál (SUT – signal under test). Jejich vzájenou interakcí, neboli interferencí, dojde ke vzniku ,mřížky‘, která má velmi dobré filtrovací schopnosti (říkáme také, že je velmi úzkopásmová).  

Tyto hodnoty rozlišení a přesnosti jsou o několik řádů přesnější ve srovnání s difrakčním spektrálním analyzátorem. BOSA i koherentní OSA nám ukáží například jednotlivé spektrální složky modulovaných signálů pro 1 Gb/s a 10 Gb/s signály s modulací NRN, což difrakční OSA nemá šanci zobrazit. Je samozřejmostí, že s rostoucí kvalitou roste i cena OSA a velmi přesné laboratorní přístroje nejsou běžně určené pro práci v terénu. Spektrální analyzátory firmy EXFO jsou určeny pro práci v terénu, ale samozřejmě je najdeme i v laboratořích, kde se používají pro výzkumné a vývojové (research and development – R&D) aktivity.

To, že OSA nám dokáže zobrazit ,co se děje v optickém vlákně‘ je samozřejmě základ, ale OSA se používá k mnoha dalším měřením. Nejběžnější z nich je sledování parametrů optických vysílačů, kdy nám OSA dokáže zobrazit a hlavně znamenat v čase to, jak se mění jednak vlnová délka a také vysílaný optický výkon. Tyto parametry musí být bezpodmínečně v jistém rozmezí hodnot, které předepisuje výrobce nebo jsou to požadavky konkrétní aplikace (například DWDM přenosy na dlouhé vzdálenosti).

OSA nám dále umožní měřit a vyhodnotit jeden velmi důležitý parametr a to je odstup signálu od šumu (optical signal to noise ratio – OSNR). OSNR je jedním z nejdůležitějších parametrů právě v oblasti moderních vysokorychlostních přenosů na delší vzdálenosti. Posledních přibližně deset let dochází k nasazování nové generace optických přenosových systémů, které využívají několika nových myšlenek a principů a nazývají se dle jednoho z těchto principů jako optické koherentní systémy (tento ,koherentní‘ princip je znám velmi dlouho, de facto více než jedno století, ale uplatnění v oblasti optiky umožnil teprve vysoký výpočetní výkon křemíkových procesorů, které je nutné nasadit pro digitální zpracování signálu, ale toto téma by vydalo na delší povídání). Každopádně tyto moderní koherentní systémy přenáší terabity informací na vzdálenosti tisíce kilometrů, poradí si s mnoha nástrahami, které Příroda klade do cesty šíření světlu ve vlákně, ale právě OSNR je kritický parametr a pokud se zhorší pod určitou mez, dojde v přenosu k chybám. V dnešní době ultravysoce kvalitních (dnes běžné, ale ještě před několika lety nepříliš známé zkratky jako 4k nebo dokonce 8k) přenosů v reálném čase je jakýkoliv výpadek samozřejmě nepřípustný.

Pro měření OSNR byly standardizovány metody, které se hodí pro měření systémů předchozích generací: jde hlavně o starší nekoherentní systémy  s přenosovou rychlostí do 10 Gb/s. Koherentní systémy využívají velmi důmyslné metody přenosu signálů a tyto starší metody měření OSNR nelze využít. Na pomoc nám pak přichází nová generace OSA, které jsou založeny na difrakčním principu, ale s pomocí sofistikovaného softwarového vybavení umí určit OSNR i v moderních sítích, které využívají koherentní systémy a také rekonfigrovatelné optické přepínače (ty jsou známé pod zkratkou ROADM, jejíž výslovnost je dosti variabilní). Společnost EXFO tento nový typ OSA uvedla na trh již v roce 2014 pod názvem ,Pol-Mux OSA for coherent systems‘. Proč označení právě Pol-Mux? Opět, nemůžeme zabíhat do podrobností, ale koherentní systémy využívají pro přenos informace dvou polarizací (označované jako X a Y). To je zásadní rozdíl oproti starším systémům, které využívají pouze jednu polarizaci. Ve zkratce lze říci, že starší metody určení OSNR využívaly právě toho, že užitečný datový signál byl polarizovaný v jedné polarizační rovině a šum je z principu nepolarizovaný. Bohužel pro optické spektrální analyzátory se koherentní signál chová jako nepolarizovaný šum (díky tomu, že pro přenos se využívají obě polarizace X a Y) a není možné snadno rozlišit užitečný signál a šum. Detailní rozbor uvedené problematiky podává dokument ,How to perform in-service Pol-Mux  OSNR measurements with your FTBx-5255 optical spectrum analyzer‘ což je aplikační dokument společnosti EXFO z roku 2018. Rozsah je 11 stran, což jasně ukazuje, že problematika přesného měření OSNR v moderních sítích není jednoduchá a jeden nebo dva obrázky převzaté z tohoto dokumentu nemají dostatečnou vypovídací hodnotu, zájemce se musí ponořit do studia originálu (dokument lze dohledat, i když jeho umístění se mění, nejlépe je využít služeb internetových vyhledavačů).

Je důležité si uvědomit, že pro určení správné hodnoty OSNR v sítích s koherentními systémy a ROADM je nutné mít nejen spektrání analyzátor, ale také patřičný software. V tomto případě měření OSNR nám nepomůže ani ultrapřesný spektrální analyzátor, založený na jakémkoliv principu, pokud v sobě nemá implementován patřičný software.

Pokud potřebujeme přístroj pro nenáročné aplikace, můžeme využít přístrojů z kategorie tzv. kontrolérů kanálů. Jsou známější spíše pod anglickým názvem channel checkers (CC). Tento typ přístrojů není spektrální analyzátor, jak přímo naznačuje i pojmenování, ale jen měřidlo výkonu, které dokáže optický výkon měřit na úrovni určitých spektrálních rozestupů (typicky 20 nm pro CWDM, 0.8 nm pro DWDM technologie). Na určení tvaru jednotlivých optických signálů nebo dokonce měření OSNR můžeme rovnou zapomenout – přístroj nám ukáže pouze optický výkon. Výhodou těchto přístrojů je pochopitelně mnohem nižší cena.

Další informace o spektrálních analyzátorech lze najít na webu společnosti PROFiber Networking.


Související produkty

Pro výše popsané aplikace a standardní situace na síti je vhodná zejména následující měřicí technika:

Aragon Photonics BOSA 400 - Brillouinovský optický spektrální analyzátor
  • Optické rozlišení 10 MHz (80 fm)
  • Dynamický rozsah bez parazitních složek (spurious-free dynamic range SFDR) 80 dB
  • Modely pro pásma C, C+L, S+C+L, O
  • ...
EXFO FTBx-5243-HWA Vysoce přesný optický spektrální analyzátor
  • Nejvyšší přesnost měření vlnové délky ve své třídě
  • Ideální při DWDM analýzách v sítích a pro testování transceiverů ve výrobě
  • Nahrazuje...
EXFO OSA FTBx-5245/5255
  • Přenosné řešení pro spektrální měření DWDM a CWDM sítí
  • Nejmenší optický spektrální analyzátor na trhu (v platformě FTB-2)
  • Ideální nejen do terénu...

Expertní měření a supervize projektů

Kromě instruktáže k měření přímo v terénu na vaší síti, jsme schopni a připraveni vaši síť změřit a zpracovat výsledky dle platných norem a pravidel. To může být vhodné zejména u prvních nebo důležitých projektů, kde každá chyba a nekvalita může mít fatální následky. Expertní měření provádíme nejen jako referenční, přejímková/akceptační měření, ale zejména v případě sporů, reklamací, či jiných pochybnostech o kvalitě. Než získáte vlastní dostatečné zkušenosti, jsme připraveni vám poradit, dohlédnout na kvalitu dodávek a dodavatelů nejen sítě, jejích bloků a prvků, ale také služeb montáže a oprav. Při svých expertních činnostech se opíráme o metrologické zázemí a zkušenosti naší kalibrační laboratoře s mezinárodní akreditací dle normy ISO/IEC 17025.


Metrologická a technická podpora

Při kontrole a rozhodování o kvalitě služby nebo sítě je důležité vědět, co měřím, proč to měřím a s jakou přesností to měřím. Nestačí jenom znát teoretické základy, výklad technických norem a osvojit si praktickou stránku měření. Je nutné znát dobře měřicí metodu, parametry svých měřidel a určit si chybu měření, korektně označovanou jako nejistotu měření. K těmto podmínkám patří i platná kalibrace měřidel a metrologická návaznost měřené veličiny a měřených přenosových parametrů. Je nutné mít měřidlo v dobrém technickém stavu, aktuální firmware a kvalitní HW+SW doplňky a příslušenství. O to se starají naši servisní technici a pracovníci kalibrační laboratoře.


Vybíráme z nabídky školení

Školení se vám může hodit zejména tehdy, pokud si potřebujete osvojit teoretické základy a získat praktické zkušenosti pro váš projekt. Seznámit se nejen obsluhou měřidel, ale i s jejich správným využitím, měřicími metodami a úskalími měřicích aplikací. To může zajímat nejen vás, ale i vaše nové kolegy a méně zkušené dodavatele. Náš tým lektorů a odborníků je schopen poskytnout konzultace k vašemu projektu nebo instruktáž měření a kontroly parametrů přímo v terénu na vaší síti.

K problematice diagnostiky a troubleshootingu jsou vhodné zejména následující kurzy AKADEMIE VLÁKNOVÉ OPTIKY A OPTICKÝCH KOMUNIKACÍ®:

To Top