Introduzione alle fibre ottiche, dB, attenuazione e misure

Introduzione

Questo documento contiene un rapido riferimento ad alcune formule e importanti informazioni relative alle tecnologie ottiche. Questo documento si concentra sui decibel (dB), decibel per milliwatt (dBm), attenuazione e misure e fornisce un'introduzione alle fibre ottiche.

Prerequisiti

Requisiti

Nessun requisito specifico previsto per questo documento.

Componenti usati

Il documento può essere consultato per tutte le versioni software o hardware.

Le informazioni discusse in questo documento fanno riferimento a dispositivi usati in uno specifico ambiente di emulazione. Su tutti i dispositivi menzionati nel documento la configurazione è stata ripristinata ai valori predefiniti. Se la rete è operativa, valutare attentamente eventuali conseguenze derivanti dall'uso dei comandi.

Convenzioni

Per ulteriori informazioni sulle convenzioni usate, consultare il documento Cisco sulle convenzioni nei suggerimenti tecnici.

Che cos'è un Decibel?

Un decibel (dB) è un'unità utilizzata per esprimere le differenze relative nella potenza del segnale. Un decibel è espresso come il logaritmo in base 10 del rapporto di potenza di due segnali, come mostrato di seguito:

dB = 10 x Log₁₀ (P1/P2)

dove Log₁₀ è il logaritmo in base 10 e P1 e P2 sono le potenze da confrontare.

Nota: Log₁₀ è diverso dal logaritmo e di base Neparian (Ln o LN).

È inoltre possibile esprimere l'ampiezza del segnale in dB. La potenza è proporzionale al quadrato dell'ampiezza di un segnale. Pertanto, dB è espresso come:

dB = 20 x Log₁₀ (V1/V2)

dove V1 e V2 sono le ampiezze da confrontare.

1 campanello (attualmente non utilizzato) = log₁₀ (P1/P2)

1 decibel (dB) = 1 campana / 10 = 10 * log₁₀ (P1/P2)

dBr = dB (relativo) = dB = 10 * Log₁₀ (P1/P2)

Regole logaritmiche in base 10

• Log₁₀ (AxB) = Log₁₀ (A) + Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (A/B) = Log₁₀ (A) - Log₁₀ (B)

• Log₁₀ (1/A) = - Log₁₀ (A)

• Log₁₀ (0,01) = - Log₁₀ (100) = -2

• Log₁₀ (0,1) = - Log₁₀(10) = - 1

• Log₁₀ (1) = 0

• Log₁₀ (2) = 0,3

• Log₁₀ (4) = 0,6

• Log₁₀ (10) = 1

• Log₁₀ (20) = 1,3

  Log₁₀ (2 x 10) = Log₁₀ (2) + Log₁₀ (10) = 1 + 0,3

• Log₁₀ (100) = 2

• Log₁₀ (1000) = 3

• Log₁₀ (10000) = 4

DB

Nella tabella seguente vengono elencati i rapporti di potenza di logaritmo e dB (decibel):

Rapporto di alimentazione	dB = 10 x Log10 (rapporto di potenza)
AxB	x dB = 10 x Log10(A) + 10 x Log10(B)
A/B	x dB = 10 x Log10(A) - 10 x Log10(B)
1/A	x dB = + 10 x Log10 (1/A) = - 10 x Log10 (A)
0,01	- 20 dB = - 10 x Log10(100)
0,1	- 10 dB = 10 x Log10 (1)
1	0 dB = 10 x Log10 (1)
2	3 dB = 10 x Log10 (2)
4	6 dB = 10 x Log10 (4)
10	10 dB = 10 x Log10 (10)
20	13 dB = 10 x (Log10 (10) + Log10 (2))
100	20 dB = 10 x Log10 (100)
1000	30 dB = 10 x Log10 (1000)
10000	40 dB = 10 x Log10 (10000)

Decibel in milliwatt (dBm)

dBm = dB milliwatt = 10 x Log₁₀ (Potenza in mW / 1 mW)

Alimentazione	Rapporto	dBm = 10 x Log10 (Potenza in mW / 1 mW)
1 mW	1 mW/1mW=1	0 dBm = 10 x Log10 (1)
2 mW	2 mW/1mW=2	3 dBm = 10 x Log10 (2)
4 mW	4 mW/1mW=4	6 dBm = 10 x Log10 (4)
10 mW	10 mW/1mW=10	10 dBm = 10 x Log10 (10)
0,1 W	100 mW/1mW=100	20 dBm = 10 x Log10 (100)
1 W	1000 mW/1mW=1000	30 dBm = 10 x Log10 (1000)
10 W	10000 mW/1 mW=10000	40 dBm = 10 x Log10 (10000)

Decibel con riferimento a un watt (dBW)

dBW = dB Watt = 10 x Log10 (Alimentazione in W / 1 W)

Alimentazione	Rapporto	dBm = 10 x Log10 (Potenza in mW / 1 mW)
1 W	1 W / 1 W = 1	0 dBW = 10 x Log10 (1)
2 W	2 W / 1 W = 2	3 dBW = 10 x Log10 (2)
4 W	4 W / 1 W = 4	6 dBW = 10 x Log10 (4)
10 W	10 W / 1 W = 10	10 dBW = 10 x Log10 (10)
100 mW	0,1 W / 1 W = 0,1	-10 dBW = -10 x Log10 (10)
10 mW	0,01 W / 1 W = 1/100	-20 dBW = -10 x Log10 (100)
1 mW	0,001W/1W=1/1000	-30 dBW = -10 x Log10 (1000)

Guadagni di potenza/tensione

Nella tabella seguente vengono confrontati gli aumenti di potenza e di tensione:

DB	Rapporto di alimentazione	Rapporto di tensione	DB	Rapporto di alimentazione	Rapporto di tensione
0	1,00	1,00	10	10,00	3,16
1	1,26	1,12	11	12,59	3,55
2	1,58	1,26	12	15,85	3,98
3	2,00	1,41	13	19,95	4,47
4	2,51	1,58	14	25,12	5,01
5	3,16	1,78	15	31,62	5,62
6	3,98	2,00	16	39,81	6,31
7	5,01	2,24	17	50,12	7,08
8	6,31	2,51	18	63,10	7,94
9	7,94	2,82	19	79,43	8,91
10	10,00	3,16	20	100,00	10,00

Con queste informazioni, è possibile definire le formule per l'attenuazione e il guadagno:

Attenuazione (dB) = 10 x Log₁₀(P in/P out) = 20xLog₁₀(V in/V out)

Guadagno (dB) = 10 x Log₁₀(uscita P/entrata P) = 20 x Log₁₀(uscita V/entrata V)

Struttura in fibra ottica

La fibra ottica è un mezzo per trasportare informazioni. La fibra ottica è realizzata in vetro a base di silice ed è costituita da un nucleo circondato da un rivestimento. La parte centrale della fibra, chiamata nucleo, ha un indice di rifrazione di N1. Il rivestimento che circonda il nucleo ha un indice di rifrazione più basso di N2. Quando la luce entra nella fibra, il rivestimento confina la luce al nucleo della fibra, e la luce viaggia lungo la fibra per riflessione interna tra i limiti del nucleo e il rivestimento.

Figura 1 - Struttura in fibra ottica

Tipo di fibra

Le fibre monomodali (SM) e multimodali (MM) sono le fibre mainstream attualmente prodotte e commercializzate. La Figura 2 fornisce informazioni su entrambi i tipi di fibra.

Figura 2 - Fibre SM e MM

Lunghezza d'onda

Una piccola quantità di luce viene iniettata nella fibra. Questo ricade nella lunghezza d'onda visibile (da 400nm a 700nm) e in prossimità della lunghezza d'onda infrarossa (da 700nm a 1700nm) nello spettro elettromagnetico (vedere Figura 3).

Figura 3 - Spettro elettromagnetico

Nella tabella seguente vengono elencate quattro lunghezze d'onda speciali che è possibile utilizzare per la trasmissione in fibra ottica con bassi livelli di perdita ottica:

Windows	Lunghezza d'onda	Perdita
1a lunghezza d'onda	850 nm	3 dB/km
2a lunghezza d'onda	1.310 nm	0,4 dB/km
3a lunghezza d'onda	1550nm (banda C)	0,2 dB/km
4a lunghezza d'onda	1625nm (L band)	0,2 dB/km

Alimentazione ottica

Per misurare la perdita ottica, potete usare due unità, ovvero dBm e dB. Mentre dBm è il livello di potenza effettivo rappresentato in milliwatt, dB (decibel) è la differenza tra i poteri.

Figura 4 - Come misurare l'alimentazione ottica

Se la potenza di ingresso ottica è P1 (dBm) e la potenza di uscita ottica è P2 (dBm), la perdita di potenza è P1 - P2 dB. Per verificare la quantità di alimentazione persa tra l'ingresso e l'uscita, fare riferimento al valore dB in questa tabella di conversione dell'alimentazione:

DB	Spegnimento come % di alimentazione in ingresso	% di alimentazione persa	Osservazioni
1	79%	21%	-
2	63%	37%	-
3	50%	50%	1/2 della potenza
4	40%	60%	-
5	32%	68%	-
6	25%	75%	1/4 della potenza
7	20%	80%	1/5 della potenza
8	16%	84%	1/6 della potenza
9	12%	88%	1/8 della potenza
10	10%	90%	1/10 di potenza
11	8%	92%	1/12 della potenza
12	6.3%	93.7%	1/16 di potenza
13	5%	95%	1/20 di potenza
14	4%	96%	1/25 di potenza
15	3.2%	96.8%	1/30 di potenza

Ad esempio, quando l'ingresso ottico a linea diretta (LD) nella fibra è 0 dBm e la potenza di uscita è -15 dBm, la perdita ottica per la fibra viene calcolata come segue:

Input   Output    Optical Loss 
0dBm -  (-15dBm)  =15dB 

Nella tabella di conversione dell'alimentazione, 15 dB per la perdita ottica equivale al 96,8% della perdita di potenza ottica. Pertanto, solo il 3,2% della potenza ottica rimane quando attraversa la fibra.

Informazioni sulla perdita di inserzioni

In ogni interconnessione di fibra ottica, si verifica una certa perdita. La perdita d'inserimento per un connettore o un giunto è la differenza di alimentazione che si verifica quando si inserisce il dispositivo nel sistema. Ad esempio, prendete una lunghezza di fibra e misurate la potenza ottica attraverso la fibra. Si noti la lettura (P1). Ora dividere la fibra a metà, terminare le fibre e collegarle, e misurare di nuovo la potenza. Si noti la seconda lettura (P2). La differenza tra la prima lettura (P1) e la seconda (P2) è la perdita di inserimento o la perdita di potenza ottica che si verifica quando si inserisce il connettore nella linea. Questo valore viene misurato come segue:

IL (dB) = 10 Log₁₀ (P2 / P1)

È necessario comprendere due aspetti importanti relativi alla perdita di inserzioni:

• La perdita di inserzione specificata è per le fibre identiche.

  Se il diametro del nucleo (o NA) del lato che trasmette i dati è maggiore di NA della fibra che riceve i dati, si verifica una perdita aggiuntiva.

  Ldia = 10 Log₁₀ (diar/diat)²

  LNA = 10 Log₁₀ (NAr/NAt)²

  dove:

  • Ldia = Diametro perdita

  • diar = ricezione diametro

  • diat = trasmissione di diametro

  • LNA = perdita sulla fibra ottica

  Ulteriori perdite possono verificarsi a causa di riflessi di Fresnel. Questi si verificano quando due fibre sono separate in modo che l'indice di rifrazione presenti una discontinuità. Per due fibre di vetro separate da uno spazio vuoto, i riflessi di Fresnel sono 0,32 dB.

• La perdita dipende dal lancio.

  La perdita di inserimento dipende dal lancio e riceve le condizioni nelle due fibre che sono unite. In un breve lancio, è possibile sovraccaricare la fibra con l'energia ottica trasportata sia nel rivestimento che nel nucleo. A distanza, questa energia in eccesso viene persa finché la fibra non raggiunge una condizione nota come distribuzione del modo di equilibrio (EMD). Con un lancio lungo, la fibra ha già raggiunto EMD, quindi l'energia in eccesso è già stata eliminata e non è presente sul connettore.

  La luce che attraversa la giunzione fibra-fibra di un'interconnessione può ancora una volta sovraccaricare la fibra con modalità di rivestimento in eccesso. Questi sono persi rapidamente. Questa è la condizione di ricezione breve. Se si misura l'emissione di energia di una fibra a ricezione ridotta, è possibile vedere energia extra. Tuttavia, l'energia extra non si propaga lontano. La lettura è pertanto errata. Allo stesso modo, se la lunghezza della fibra ricevente è abbastanza lunga da raggiungere EMD, la lettura della perdita di inserimento può essere più alta, ma riflette le condizioni di applicazione reali.

  È possibile simulare facilmente EMD (avvio e ricezione prolungati). Per questo, è necessario avvolgere la fibra intorno a un mandrino cinque volte. In questo modo vengono eliminate le modalità di rivestimento.

Calcolare un budget energetico

È possibile effettuare una stima approssimativa di un budget energetico per il collegamento. Per questo motivo, è necessario consentire 0,75 dB per ciascuna connessione da fibra a fibra e presupporre che la perdita di fibra sia proporzionale alla lunghezza nella fibra.

Per una corsa di 100 metri con tre pannelli patch e fibre 62,5/125 che hanno una perdita di 3,5 dB/km, la perdita totale è di 2,6 dB, come mostrato di seguito:

Fibra: 3,5 dB/km = 0,35 dB per 100 metri

Pannello patch 1 = 0,75 dB

Pannello patch 2 = 0,75 dB

Pannello patch 3 = 0,75 dB

Totale = 2,6 dB

La perdita misurata è in genere inferiore. Ad esempio, la perdita media di inserimento per un connettore AMP SC è di 0,3 dB. In questo caso, la perdita del collegamento è solo 1,4 dB. Indipendentemente dal fatto che si esegua Ethernet a 10 Mbps o ATM a 155 Mbps, la perdita è la stessa.

La riflettometria ottica a dominio temporale (OTDR) è un metodo di certificazione molto diffuso per i sistemi in fibra ottica. L'OTDR inietta luce nella fibra e quindi visualizza graficamente i risultati della luce riflessa sul retro rilevata. L'OTDR misura il tempo di transito trascorso della luce riflessa per calcolare la distanza da eventi diversi. Il display visivo permette di determinare la perdita per unità di lunghezza, valutare giunti e connettori e la posizione del guasto. OTDR esegue lo zoom avanti in determinate posizioni per ottenere un'immagine ravvicinata di parti del collegamento.

Sebbene sia possibile utilizzare i misuratori di potenza e gli iniettori di segnale per molte certificazioni e valutazioni dei collegamenti, gli OTDR forniscono un potente strumento diagnostico per ottenere un quadro completo del collegamento. Ma OTDR richiede una maggiore formazione e una certa abilità nell'interpretare lo schermo.

Informazioni correlate

• Pagina di supporto dei prodotti ottici
• Documentazione e supporto tecnico – Cisco Systems

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