White Paper: tornata di test Encircled Flux sulle fibre ottiche

Questo articolo analizza i risultati raccolti in 19 mesi di test, lanciati per controllare lo stato attuale delle apparecchiature progettate per eseguire misure di Encircled Flux (EF) sulle fibre ottiche.

di Seymour Goldstein, Fluke Networks

Introduzione

Il lancio dell’energia in fibra di tipo Encircled Flux (EF) con sorgenti di luce per fibre multimodali continua a riscuotere interesse nei comitati di standardizzazione, presso i fornitori di apparecchiature e presso gli utenti. Il gruppo di lavoro TIA TR42.11, ha iniziato un test estensivo di tipo round robin (sistema in cui i diversi partecipanti a un’attività si alternano in modo circolare)  che ha attirato molti partecipanti interessati e molti membri dei sottocomitati IEC e ISO.

Questo test è stato lanciato per verificare lo stato attuale delle apparecchiature nate per la misura EF. Esisteva, infatti, un certo scetticismo sul fatto che l’apparecchiatura EF avrebbe potuto non avere la precisione necessaria per far sì che la misura mostrasse un basso livello indeterminazione, poiché EF rappresenta una condizione di lancio molto restrittiva. Un test simile è stato condotto molti anni fa nell’ambito di IEC SC86B e i risultati hanno messo in evidenza che alcuni apparati per il condizionamento modale del lancio erano al di fuori delle specifiche EF. Non è stato rivelato se queste apparecchiature erano state opportunamente calibrate per il test. Lo scopo di questo round robin test è stato quello di valutare la variabilità nelle apparecchiature per la misura EF e fornire un adeguato livello di confidenza per tutti quelli che eseguono questi tipi di misure.

Il test si è sviluppato su un periodo di 19 mesi. I campioni di riferimento sono stati valutati da 14 diversi partecipanti, in rappresentanza di società dell’America del Nord, dell’Europa e del Giappone. In questo studio sono stati utilizzati cinque tipi diversi di apparecchiature per la misura delle condizioni di lancio.

I campioni sotto test utilizzati nel round robin erano costituiti da due sorgenti di luce del tipo a LED su due diverse lunghezze d’onda. Queste sorgenti campione non avevano la pretesa di rappresentare delle sorgenti EF calibrate, in quanto lo scopo del programma è stato esclusivamente quello di valutare la variabilità tra le apparecchiature EF.

Protocollo di test

Le sorgenti LED utilizzate durante il test erano unità standard di produzione contenenti un “combinatore” delle due lunghezze d’onda 850/1300 nm. Ciascuna delle due sorgenti di luce era in grado di essere utilizzata con bretelle ottiche sia da 50 µm che da 62,5 µm. Le bretelle in fibra ottica utilizzate per questo test erano lunghe 1 metro e collegate permanentemente all’interfaccia della sorgente. Gli strumenti, uno impostato per 50 µm e uno per 62,5 µm, sono stati montati su una base che conteneva anche la bretella di test. Solo una piccola porzione della bretella di test poteva essere manipolata durante le misure. Alcune spire “in aria” realizzate sulla bretella di test avevano la funzione di filtro modale calibrato. Il filtro modale è stato calibrato in modo che la lunghezza d’onda di 850nm fosse quella impostata per le misure di obiettivo sul modello EF. La risposta a 1300nm è rimasta all’interno dei limiti del modello EF ma ha messo in evidenza un offset rispetto al target. Questo può succedere quando lo strumento EF ha un sistema di imaging separato per 850nm e 1300nm.

I partecipanti alla sessione di test round robin hanno raccolto i risultati delle misure nei diversi casi di EF: 850/1300nm per cavo da 50 µm, e 850/1300nm per cavo da 62,5 µm. Per semplicità, essendo molto maggiore l’interesse per i dati relativi alla fibra da 50 µm, solo questi ultimi dati sono stati riportati in questo articolo. Ad ogni partecipante è stato richiesto di effettuare tre misure, ma solo la loro media è stata poi utilizzata per l’analisi finale.

Come forma di controllo, dopo il test, le sorgenti sono sempre state rispedite indietro verso una sede ben precisa, definita “banco di test di riferimento”, dove sono state ricontrollate, cambiate le batterie, ecc. Tutte le sorgenti sono sempre state verificate prima che venissero spedite ai partecipanti e questi ultimi, completate le misure, le rispedissero indietro. Sono stati creati due banchi di test di riferimento, uno in Nord America e uno in Europa. Le misurazioni prese in ognuno dei banchi di riferimento sono state utilizzate per fissare il riferimento di base.

Scopo

Gli obiettivi legati a questo processo sono molteplici. Come detto in precedenza, il motivo primario è stato quello di valutare le differenze fra gli strumenti per misurazioni EF. Un secondo obiettivo è stato quello di analizzare le anomalie di misura e le maggiori deviazioni, nel tentativo di determinarne le cause alla radice. Un terzo obiettivo è stato quello di prendere confidenza con le misure EF in modo che, quando si utilizza lo strumento in campo, ci si possa fidare dei valori di attenuazione misurati. Un quarto obiettivo è stato quello di fornire un’analisi dell’incertezza di misura rispetto alla media dei valori ottenuti dai partecipanti e, quindi, assegnare un grado di indeterminazione alla misura stessa.

Spiegazione dei dati

Per ridurre l’ambiguità ed escludere dal round robin la variabilità dovuta al campione di test, i risultati dei test sono stati normalizzati. In altre parole, le misure di ogni partecipante sono state rapportate al riferimento di base impostato prima di spedire il campione al partecipante al test. Il riferimento di base è stato utilizzato per impostare un nuovo target EF con i valori di ampiezza del modello EF presi come valori limite. I limiti del 100% e del -100% rappresentano l’intervallo entro cui possono oscillare i limiti EF inferiori e superiori, non i valori effettivi.

EFLΔ ed EFUΔ rappresentano le ampiezze relative dell’obiettivo (ora sostituito dal riferimento di base) del modello EF. Il riferimento di base #5 è il test effettuato prima di mandare il campione al partecipante #5. Il Test #5 rappresenta l’effettivo test del partecipante, mentre il post-test #5 è il test effettuato sullo stesso campione dopo che è stato restituito dal partecipante #5. In questo esempio il partecipante #5 è rimasto all’interno del modello EF. Vedere la Figura 1 per maggiori dettagli.

Figura 1 – Risultati dei test che confrontano le misure pre- e post- riferimento di base

Deriva a lungo termine

In questo esperimento è stata evidenziato ben presto un fenomeno di deriva sui campioni sotto test. Poiché il metodo di test prevedeva l’utilizzo di misure normalizzate, la deriva non è stato inclusa nei dati perché avrebbe potuto alterare i risultati. Alcuni test indipendenti hanno messo in evidenza una contrazione nella guaina da 3mm utilizzata per la bretella di test.

Questa contrazione è stata riprodotta in una camera climatica a temperature più alte su un periodo di molte settimane. La contrazione della guaina ha avuto come conseguenza un maggiore effetto di filtro modale rispetto a quello impostato inizialmente sui campioni. La Figura 2 mostra la variazione nella risposta EF su un periodo di 9 mesi. Il campione di test originale è stato messo a punto con il target EF al centro delle due linee tratteggiate. Per coloro che non avessero molta familiarità con il modello EF, la Figura 2 mostra solo il modello a 20 µm e a 22 µm. Questa è la regione che maggiormente influenza le misure di perdita realizzate con questo metodo.

Figura 2 – Deriva dei campioni su un periodo di 9 mesi

Risultati di test a 850 nm su 50 µm

Per amore di semplicità, non tutti i dati raccolti vengono mostrati in questo articolo. La Figura 3 mostra la sintesi di tutti i dati per una lunghezza d’onda di 850 nm su una fibra da 50 µm, perché rappresentano la configurazione di maggiore interesse. Tutti i 14 test sono stati combinati in un unico grafico che mostra i valori medi e, in base alla distribuzione dei risultati, la banda relativa ad una sola deviazione standard (1 σ). Una deviazione standard rappresenta un fattore di confidenza pari al 75% che tutte le misure EF siano dentro i limiti del modello.

Figura 3 – Media e una deviazione standard per i test eseguiti

Durante i test, tutti i partecipanti sono rimasti all’interno dei valori limite del modello per EF. Comunque, la distribuzione tra i diversi partecipanti è stata alquanto diversa e questo ha fatto aumentare la deviazione standard. In Figura 4 sono rappresentate la media e i limiti di due deviazioni standard (2 σ). Due deviazioni standard rappresentano un livello di confidenza pari al 95% che i risultati EF siano all’interno dei limiti. Notare che al punto di controllo che corrisponde al raggio di 20 µm, la linea tratteggiata che rappresenta le due deviazioni standard è leggermente fuori del limite corrispondente al modello EF; questo significa circa un 1,8% di incertezza nelle misure di attenuazione su una fibra.

Figura 4 – Media e due deviazioni standard per i test eseguiti

Sommario

Due sorgenti di luce di tipo LED sono state testate dai 14 partecipanti all’esperimento utilizzando vari equipaggiamenti di test idonei ad eseguire misure EF. Ogni partecipante ha completato i propri test entro un breve periodo di tempo da quando sono state eseguite le misure per l’impostazione del riferimento di base. Tutti i test sono stati normalizzati rispetto al riferimento di base che rappresenta la linea “zero”. È stato progettato un banco di test di riferimento ed installato in due località. È stata osservata una leggera deriva nella risposta EF e attribuita ad effetti termici sulla guaina da 3 mm del cavetto. Tutti i partecipanti hanno effettuato misure che ricadevano all’interno dei limiti del modello EF. La media dei risultati è risultata ben all’interno dei limiti EF ma la distribuzione dei valori misurati non ha evidenziato un raggruppamento particolarmente stretto e da ciò sono derivati i valori dei limiti 2 σ (due sigma). Utilizzando i valori EF medi e i limiti corrispondenti ad una deviazione standard (1 σ = fattore di confidenza pari a 75%), tutti i partecipanti sono rimasti all’interno dei limiti del modello di riferimento per EF. Prendendo in considerazione la distribuzione a due deviazioni standard (2 σ = fattore di confidenza 95%), si è notato un ulteriore 1,8% di incertezza in uno dei punti di controllo (20 µm per 850nm/50µm).

Conclusione

Misure EF possono essere condotte, dal punto di vista pratico, con un ragionevole grado di incertezza. Anche considerando la distribuzione 2σ e quindi risultati che possono eccedere leggermente dai limiti del modello EF, questo metodo è molto migliore rispetto agli standard usati in precedenza come il Modal Power Distribution (MPD). In ogni caso, deve essere considerato che l’indeterminazione è fortemente dipendente dalla conformità di EF con i target del modello di riferimento. Questo spinge a concentrare l’interesse sui sistemi a 850 nm con fibra da 50 µm. Comunque, al momento, gli standard EF non sottolineano alcuna differenza tra specifiche normative e informative per quanto riguarda le lunghezze d’onda e la misura del core della fibra.

La distribuzione dei risultati EF potrebbe dipendere dalle differenze nella calibrazione degli strumenti, dall’abilità degli utenti, dai diversi tipi di apparecchiature, dalla non conformità con lo standard IEC 61280-1-4 e da altri fattori. Ridurre l’indeterminazione sistematica con una più accurata calibrazione e tracciabilità può migliorare la deviazione standard (si restringe la distribuzione). Allo stato attuale, gli strumenti EF – benché calibrati utilizzando precisi sistemi di riferimento – non possono fare affidamento sulla tracciabilità rispetto ad un laboratorio standard nazionale.

Bretella di riferimento per il test Encircled Flux