Laborator OTDR

- 1 -

DEPANAREA UNEI CONEXIUNI PE FIBRA OPTICA, FOLOSIND OTDR (Optical Time Domain Reflectometer)

Consideratii teoretice generale

Fibra optică este un ghid de undă folosit pentru transmiterea semnalelor în telecomunicaŃii. Transmisia semnalelor se face optic prin fenomenul de reflexie totală, pe fibră transmiŃându-se în IR. În anul 1970 apare fibra optică de telecomunicaŃii care însă avea o atenuare foarte mare de 1000db/dec, deci se foloseau fibre de ordinul metrilor. În anul 1975 apar primele fibre instalate în marile oraşe cu atenuare de zeci de db/km. Pentru transmiterea semnalelor în telecomunicaŃii s-a preferat f.o., datorită faptului că f.o. prezenta o serie de avantaje faŃă de sistemele de transmisie standard pe cupru. Câteva dintre avantaje sunt: imunitatea la interferenŃe electromagnetice, izolarea electrică a transmiŃătorului de receptor, pierderi reduse, siguranŃa transmisiei, lărgimea de bandă foarte mare. Fibra optică este formată dintr-un miez (core), un înveliş (clading) şi o manta. Există mai multe tipuri de f.o. în funcŃie de clasificarea făcută; astfel dacă se face clasificarea după profilul indicelui de refracŃie există fibre cu indice de refracŃie uniform sau gradat. Există profile indice treaptă sau dublă treaptă, triunghi + treaptă, însă cel mai răspândit este profilul indice treaptă. După numărul de moduri care îl suportă f.o. există fibre monomod, unde în fibră se propagă numai modul fundamental, şi fibre multimod în care pe lângă modul fundamental se mai transmit şi moduri superioare. Fibrele monomod sunt atractive pentru că nu prezintă pierderi de mod, şi prin aceasta lărgimea lor de bandă este foarte mare. Există o limitare cauzată de dispersia diferitelor frecvenŃe emanate de sursă.. Împrăştierea frecvenŃelor generate de emiŃător depinde de tipul de dispozitiv folosit şi se va face cu viteze puŃin diferite. Această dispersie este numită dispersie cromatică şi va scădea dacă se va reduce lărgimea de bandă a sursei care emite.

În fibra multimod există probleme suplimentare faŃă de fibra monomod însă fibra multimod este uneori folosită din cauza dimensiunilor mai mari. Diametrul miezului este de obicei între 50- 60 µm cu o manta de 100-150µm, şi de aici cuplarea la dispozitive de sursă, între fibre este mai uşoară.

ComunicaŃiile prin fibre optice reprezintă una din cele mai moderne şi mai provocatoare aspecte ale ştiinŃei moderne. Fibrele optice sunt din ce în ce mai ieftine şi există dezbateri dacă este justificabil ca fibra să fie introdusă până la fiecare locuinŃă în parte însă apariŃia serviciilor video, internetul, videoconferinŃe, videotelefon, face ca în cel mai scurt timp să se instaleze fibre până la abonat.

Laborator OTDR

- 2 -

2. ConsideraŃii teoretice de functionare OTDR Măsurări pe fibra optică

2.1 Măsurarea lungimii fibrei

Pe fibra optică există o serie de măsurători ai unor parametrii foarte importanŃi ai fibrelor. Unul dintre parametri este LUNGIMEA. Lungimea fibrei se poate calcula folosind un instrument numit OTDR (Optical Time Domain Reflectometer). Acest parametru se poate calcula direct de pe ecranul OTDR-lui vezi Fig.1.

Fig.1

Primul impuls de intrare este limitat de saturarea detectorului, în timp ce impulsul de la ieşire rămâne la amplitudinea lui normală, lungimea fibrei fiind calculată ca distanŃă între cele două impulsuri. ReferinŃa se ia pe frontul care creşte şi se alege o distanŃă de 1.5 ÷ 2 db, faŃă de partea de jos impulsului şi se fixează un cursor la începutul şi la sfârşitul curbei rezultând astfel lungimea fibrei.Pe ecranul OTDR acest parametru se afişează în mod automat.

Laborator OTDR

- 3 -

2.2 Măsurarea atenuării

Un alt parametru al fibrei care se poate măsura este: ATENUAREA. Atenuarea fibrei se poate măsura în două feluri şi anume: direct de pe ecran sau folosind măsurători bidirecŃionale.Atenuarea este funcŃie de lungimea de undă, λ pentru care se obŃine atenuarea minimă este 1550 nm. Cauzele atenuării sunt absorbŃia şi împrăştierea. AbsorbŃia este fenomenul prin care energia luminoasă este convertită în alt tip de energie, pierderea de energie se face cu conversie de energie. AbsorbŃia este o proprietate intrinsecă a materialului şi poate fi cauzată de două fenomene: absorbŃía electronică şi absorbŃia moleculară. AbsorbŃia electronică se produce atunci când fotonii ciocnesc electronii din banda de valenŃă, având suficientă energie pt. a extrage electronul din banda de valenŃă. Această absorbŃie creşte pe măsură ce λ fotonilor scade de aceea se mai numeşte şi absorbŃie UV.AbsorbŃia moleculară se produce când fotonii se ciocnesc cu reŃeaua pseudocristalină a materialului. AbsorbŃia moleculară are loc la λ mari de aceea se mai numeşte şi absorbŃie IR. O altă cauză a atenuării este împrăştierea care produce pierdere de lumină fără conversie de energie şi este cauzată de material şi de geometria lui. Împrăştierea poate fi de mai multe feluri:împrăştierea Raylight,prin îndoire,prin microîndoiri şi datorată neuniformităŃilor fibrei .

Măsurarea atenuării de pe ecranul OTDR se face asemănător cu măsurarea lungimii fibrei. Pentru a măsura atenuarea se plasează cursorul la începutul şi sfârşitul fibrei. Cursorul de la începutul fibrei se plasează mai departe de începutul fibrei pentru a evita zona de saturare a detectorului. Atenuarea este dată de diferenŃa de nivel ca în fig.2.

Fig.2

Această metodă este foarte rapidă şi nu necesită tăierea fibrei, însă are dezavantajul că valoarea indicată nu ia în calcul modificările în MFD şi nici modificările coeficientului de împrăştiere. Dacă MFD şi coeficientul de împrăştiere sunt constante atunci mărimea calculată este corectă. O altă metodă de calcul al atenuării este măsurătoarea folosind curbe bidirecŃionale. Prima curbă numită curba directă se ridică introducând un impuls la intrare şi ieşirea este conectată la OTDR. A doua curbă se ridică la fel însă ieşirea devine intrare şi invers. Având aceste două curbe, directă şi inversă, curbele se scad punct cu punct şi printr-o relaŃie matematică rezultă atenuarea. Această metodă este mai bună decât prima pentru că ne oferă informaŃii în orice punct al fibrei, principalul dezavantaj fiind acela că este necesară tăierea fibrei.

O altă metodă de măsurare a atenuării o reprezintă tehnica standard sau Cutbach Techniquue(tehnica tăieri la capăt). Pentru realizarea acestui lucru există o sursă de lumină de bandă largă(bec halogen), care emite radiaŃie, care este colimată şi trecută printr-un monocromator care este un echipament cu rol de filtru reglabil, care lasă să treacă o bandă foarte îngustă de lungimi de

Laborator OTDR

- 4 -

undă, această bandă fiind reglabilă. Monocromatorul se realizează în general din cavităŃi Fabry-Perot, vezi Fig.3

Fig. 3

Monocromatorul este controlat de un echipament care stabileşte λ. Lumina de la ieşire este focalizată la intrarea în fibră iar la ieşire radiaŃia este colimată pe un fotodetector. InformaŃia de la fotodetector merge la un echipament care poate să traseze o curbă corespunzătoare. Măsurătoarea presupune două etape: În prima fază se plasează fibra în sistem şi se ridică o primă curbă, puterea detectată la ieşire în funcŃie de λ. În a doua etapă se taie aproximativ 2m de la capătul fibrei care este adus la fotodetector şi se ridică o a doua curbă amplitudine funcŃie de λ. A doua măsurătoare poate fi considerată de referinŃă. Coeficientul de atenuare se obŃine făcând raportul dintre cele două curbe. Cei doi metri de fibră se aleg datorită faptului că focalizarea fascicolului nu poate fi făcută perfect, lumina va intr nu numai în miezul fibrei ci şi în înveliş. Aceşti doi metri asigură eliminarea radiaŃiei care nu este perfect colimată în miezul fibrei şi în această lungime se elimină şi eventualele moduri superioare care pot apărea. Această tehnică se foloseşte pentru fibre neinstalate, pentru cele instalate folosindu-se tehnica cu OTDR.

3. Descrierea funcŃionării OTDR-lui

OTDR-ul sau Optical Time Domain Reflectometer, este folosit de fabricanŃii şi utilizatorii fibrei optice.Cu ajutorul acestui instrument se pot localiza defecŃiuni, pierderi, atenuări, şi o serie de parametri cum ar fi: atenuarea , lungimea de undă de tăiere, MFD, lungimea fibrei etc. Producători de fibră optică folosesc acest instrument pentru a localiza pierderile din fibră, şi pentru a le corela cu procesul de producŃia astfel încât în momentul în care este comercializată fibra, să corespundă unor standarde de calitate bine precizate. Spre deosebire de producători, posesorii de reŃele de fibră optică folosesc OTDR-ul pentru a localiza pierderile prin fibrele instalate, acesta fiind principalul avantaj al OTDR-lui,că se pot măsura şi fibrele instalate. În continuare se dă schema bloc generală ale unui sistem de măsură folosind OTDR-ul.

Laborator OTDR

- 5 -

Fig. 9

Dioda laser emite un semnal şi se aşteaptă răspunsul din fibră. Acest răspuns este de fapt puterea care se întoarce dintr-un anumit punct la un moment dat, datorată împrăştierii luminii din cauza neomogenităŃii materialului.

Dacă se consideră că, a este atenuarea în fibră, atunci puterea optică într-un anumit loc L în fibră este:

unde, P(0) este puterea la intrare în fibră, a este atenuarea pe unitate de lungime a fibrei. Dacă atenuarea nu este constantă în fibră, atunci puterea devine:

Puterea backscatter, care se întoarce dintr-un anumit punct din fibră, este proporŃională cu puterea incidentă în acel punct al fibrei P(L), cu un coeficient de împrăştiere, as ,care este dependent de compoziŃia fibrei exprimând neomogenitatea fibrei,cu lăŃimea impulsului , W, trimis în fibră şi invers proporŃional cu diametrul câmpului optic din fibră, notat w, atunci Pb devine:

Această lege este una de proporŃionalitate şi poate fi dedusă fizic şi matematic. Invers proporŃionalitatea se referă numai la diametrul câmpului w, care depinde nu numai de diametrul fibrei ci şi de diferenŃa indicilor de refracŃie a miezului şi învelişului. Cu cât diferenŃa este mai mică

∫−⋅=L0 dx)x(ae)0(P)L(P

2

w

1Was)L(P)L(Pb

⋅⋅⋅≈

)2(

)3(

(1) Lae)0(P)L(P ⋅−⋅=

Laborator OTDR

- 6 -

cu atât MFD este mai mare, deci câmpul pătrunde în înveliş cu atât mai mult cu cât diferenŃa dintre nf şi nc este mai mică.

Fotodioda recepŃionează puterea optică întoarsă înapoi , Pb (L) iar după ce este amplificată şi prelucrată este trimisă osciloscopului. Ceea ce se afişează pe ecranul osciloscopului este logaritmul puterii Pb(L) înmulŃită cu zece astfel obŃinându-se cuba în decibeli, 10 · log Pb(L) [db], dar datorită faptului că impulsul parcurge de două ori fibra, pe ecran se va afişa 5·log Pb(L). Pe ecranul osciloscopului se afişează o curbă în db, cu evoluŃia în timp. Timpul va fi înlocuit cu distanŃa ca fiind x=c/n · t/2. Pentru funcŃionarea OTDR-lui trebuie cunoscut indicele de refracŃie a materialului, această informaŃie se introduce cu ajutorul panoului frontal şi de obicei este notat cu IOR. Măsurarea se poate face la diferita lungimi de undă,aceasta realizându-se cu un buton de pe panou care face ca laserul să emită pe 1310, 1360, 1410, 1550 (nm). Pentru precizii mari în determinarea distanŃelor este necesar să se introducă indicele de refracŃie corespunzător lungimii de undă folosită. Puterea întoarsă prin efect Raylight este foarte mică , ea poate să fie faŃă de impulsul iniŃial sub –50db. Din această cauză semnalul preluat de fotodiodă este zgomotos, iar zgomotul este cu atât mai mare cu cât punctul de unde este întoarsă puterea este mai îndepărtat, de aceea afişarea informaŃiei şi trasarea curbei nu se face după un singur impuls ci după mii de impulsuri ale căror semnale sunt mediate astfel se elimină zgomotul alb.

3.1 Modul de lucru al OTDR

OTDR-ul are două moduri de lucru: AVERAGE şi FREERUN. În modul AVERAGE, informaŃia este stocată şi procesată după câteva mii de impulsuri trimise şi recepŃionate. În modul FREERUN, se face o mediere cu foarte puŃine impulsuri (zeci până la o sute), care nu mai sunt mediate cu impulsurile recepŃionate anterior. Acesta este un mod de lucru folosit mai ales pentru fibrele scurte unde avem mai puŃin zgomot la capătul fibrei.

3.2 Mărimi de intrare la OTDR

3.2.1 DistanŃa între impulsuri

DistanŃa între impulsuri este reglată prin comanda RANGE. Este foarte important ca orice impuls să plece numai după ce impulsul anterior sau mai bine zis, lumina întoarsă de impulsul anterior, a ajuns în întregime la intrarea în fibră. În consecinŃă distanŃa dintre impulsuri va stabili care este lungimea maximă a fibrei pe care dorim să o măsurăm.Timpul dintre două impulsuri trebuie să fie mai mare decât timpul necesar lumini să parcurgă de două ori lungimea fibrei

3.2.2 LăŃimea impulsului (W)

Laborator OTDR

- 7 -

LăŃimea impulsului este mărimea care precizează rezoluŃia imaginii. RezoluŃia este precizia cu care aflu informaŃie despre un punct de-a lungul fibrei. Cu cât lăŃimea impulsului creşte cu atât rezoluŃia scade. RezoluŃia este uzual W·10^8 iar standardul OTDR avem W=200ns, deci rezoluŃía este 200ns · 10^8=20 m. Orice deformaŃíe din fibră are precizia focalizării de 20 m. Cu cât vrem să fie mai precisă cu atât trebuie să reducem durata impulsului însă aceasta nu se poate face oricât de mult din cauza zgomotului, astfel trebuie realizat un compromis între rezoluŃie şi zgomot. LăŃimea impulsurilor se alege ca şi cea mai mică lăŃime pentru care curba obŃinută are un zgomot acceptabil.

3.2.3 Puterea impulsurilor (amplitudinea)

Puterea impulsurilor reprezintă de fapt amplitudinea impulsului ce va fi introdus în fibră. Cu cât puterea impulsului este mai mare cu atât zgomotul este mai mic şi de asemenea cu cât puterea impulsului este mai mare cu atât pot fi măsurate fibre mai lungi. Principala limitare este în faptul că dacă mărim puterea foarte tare apar reflexiile. Într-un astfel de sistem apar reflexiile Fresnel la interfaŃa dintre indici de refracŃie diferiŃi. Puterea reflectată la interfaŃa dintre sticlă şi aer reprezintă 4% din cea incidentă adică aproximativ –14db.

Reflexiile produc semnale cu amplitudine mult mai mare decât semnalele produse de împrăştierea Raylight, această diferenŃă este principala limitare în funcŃionarea echipamentului, pentru că detectorul trebuie proiectat într-o gamă dinamică foarte largă. Detectorul trebuie să reproducă fidel semnale slabe cât şi semnale puternice. Detectorul trebuie să nu se satureze la impulsurile date de reflexie şi să nu producă zgomot la semnalele date de împăştierea Raylight. Lucrul cel mai deranjant la saturare este faptul că ieşirea din starea de saturaŃie se face lent, astfel încât după saturaŃie detectorul este practic insensibil la semnale o anumită perioadă. Reflexia cea mai deranjantă este cea care apare la interfaŃa dintre echipament şi fibra de testat.

3.3 Conectarea fibrei la OTDR Există două variante în care se poate conecta fibra de testat la OTDR: cu conectori şi cu fibră de lansare.

Conectarea cu conectori presupune că fibra de testat a fost prevăzută iniŃial cu un conector optic care se cuplează la conectorul corespunzător de pe panoul frontal al echipamentului. Este foarte important ca acest conector să fie curat deoarece orice praf sau murdărie va reduce cuplajul lumini în fibră. Acest tip de cuplaj produce reflexii importante ceea ce este un mare dezavantaj. În urma reflexiei se produce un impuls foarte important care saturează detectorul iar revenirea la starea iniŃială se face într-un anumit timp. În acest timp de revenire informaŃia de pe ecran nu este corectă, rezultă că fibra cu conectare prin conector nu poate fi analizată la capăt. Pentru evitarea acestei situaŃii echipamentele moderne folosesc o mască MASK, care obturează detectorul pe durata primului impuls.

Al doilea mod de conectare este conectarea cu fibră de lansare. În conectorul echipamentului care se află pe panou, se plasează o fibră cu lungimea de aproximativ 1km, iar fibra de testat se plasează în continuarea acesteia. Legătura dintre cele două fibre se poate face cu un dispozitiv mecanic ce permite introducerea unui gel între cele două fibre, gel care are rolul de a reduce

Laborator OTDR

- 8 -

reflexiile Fresnel prin uniformizarea indicilor de refracŃie. În aceste condiŃii saturarea detectorului nu mai deranjează pentru că informaŃia de pe ecran este corespunzătoare fibrei de lansare şi nu fibrei de testat. O astfel de îmbinare poate asigura atenuări de aproximativ 1db, ceea ce este perfect acceptabil Ńinând cont că am eliminat efectele saturării detectorului.

3.4 Interpretarea rezultatelor obŃinute de la OTDR

Curba obŃinută pe ecran reprezintă puterea întoarsă înapoi din fibră prin efect Raylight şi este proporŃională cu cu puterea incidentă în acel punct al fibrei P(L), cu un coeficient de împrăştiere, as ,care este dependent de compoziŃia fibrei exprimând neomogenitatea fibrei,cu lăŃimea impulsului , W,trimis în fibră şi invers proporŃional cu diametrul câmpului optic din fibră,notat w, atunci Pb devine:

Utilizatorul influenŃează puterea de intrare P(0) şi lăŃimea impulsului W, aceşti doi factori influenŃează numai zgomotul şi nu profilul curbei.Atenuarea, factorul de împrăştiere şi MFD, determină profilul curbei.Pe o astfel de curbă avem trei elemente distincte: reflexii, trepte şi neliniatităŃi.

Fig. 10

REFLEXIILE sunt vârfuri foarte ascuŃite, iar ele pot să fie sau nu urmate de o cădere sau denivelare pronunŃată a curbei. Reflexiile sunt cauzate de : joncŃiuni mecanice (conectori) şi de defecte localizate în fibră care pot fi crăpături sau bule de aer în miezul fibrei. Caracteristica acestor

2

w

1Wase dx)x(aP(0)BP

L0

⋅⋅⋅−⋅≈ ∫ )4(

Laborator OTDR

- 9 -

impulsuri este faptul că au durata egală cu durata impulsului de lumină care se propagă pe fibră. Cu cât puterea întoarsă înapoi prin reflexie este mai mare cu atât căderea curbei este mai pronunŃată. TREPTELE pot fi şi ele localizate pe curba OTDR, iar treptele pot fi spre valori mai mici sau spre valori mai mari ca în figura.

Fig. 11

Treptele pot fi cauzate de un contur de atenuare localizat care constă într-o atenuare puternică localizată (defect de fabricaŃie în compoziŃia fibrei), sau de modificarea bruscă a diametrului fibrei. În principal nu ne putem da seama după o singură măsurătoare. Pentru a decide ce fel de treaptă este, este necesar să măsurăm fibra din ambele capete obŃinând două curbe. Cu cele două curbe facem o analiză.

Dacă cele două curbe sunt identice, vezi Fig.12, rezultă că treapta este datorată unui centru de atenuare . Acolo se pierde lumină indiferent de unde, din care capăt trimitem impulsul.

Fig. 12 Fig. 13

Dacă cele două curbe diferă ca în Fig. 13, atunci cauza este modificarea MFD sau a coeficientului de împrăştiere “as”.

NELINIARITĂłILE sunt modificările curbei faŃă de linia dreaptă. În general neliniarităŃile se datorează neuniformităŃilor fibrei care apar în atenuarea fibrei, în componenŃa sticlei şi în diametru. OTDR-ul are facilitatea de a izola cele trei componente, reflexiile, treptele, neliniarităŃile, pentru a vedea care din ele produce atenuarea, şi în funcŃie de aceasta se iau măsurile de rigoare. 4. Utilizarea programului TraceView

Laborator OTDR

- 10 -

Interfata TraceView este un program gratuit de la Corning care emuleaza interfata OTDR, continand aceleasi functii de vizualizare. Se salveaza fisierele inregistrate la depanarea cu OTDR-ul si apoi se deschid utilizand TraceViewer-ul (figura 14).

Figura 14

Laborator OTDR

- 11 -

Figura 15

Laborator OTDR

- 12 -

Figura 16

Laborator OTDR

- 13 -

Figura 17

Laborator OTDR

- 14 -

Figura 17

5. Modul de lucru Referatul va contine Observatiile cu privire la fisierele de trasare a semnalului optic, modificand parametrii din Ferestrele „Parameters” si Analysis, in conformitate cu Figurile 16,17 si 18.

Laborator OTDR

- 15 -

1. P. Di Vita, U.Rossi – Backscattering measurement in optical fibres: Separation of power decay from imperfection contribution [Vit]

2. M.S.O’Sullivan, R.S. Lowe - Interpretation of SM fiber OTDR signatures [Low]

3. K.W.Kowaliuk, J Ferner – A technique to estimate the cut-off wawelength profile in SM using a switchable dual Wawelength OTDR [Kow]

4. Fotec–Understanding OTDR’s, Fiber Optic Test Equipment [Fotec]

5. Mircea HoŃoleanu – NotiŃe de curs, 2001[Hot]