Politechnika Białostocka

Wydział Elektryczny

Katedra Promieniowania Optycznego

Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:

ŚWIATŁOWODY I ICH ZASTOSOWANIA

KOD PRZEDMIOTU: TZ1A700 051

Ćwiczenie numer 3

Temat ćwiczenia:

Pomiar i analiza zdarzeń w torach
światłowodowych za pomocą reflektometru

Opracował:

dr Dominik Dorosz

Białystok 2010

Wydział Elektryczny
Katedra Promieniowania Optycznego
Kierunek studiów: EiT
Kod: .....................................................................................................................................


Spis treści:

1. Wprowadzenie
2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
3. Metodyka badań
4. Wymagania BHP
5. Sprawozdanie studenckie
6. Literatura

1. Wprowadzenie

Optyczny reflektometr w dziedzinie czasu (ang. Optical Time Domain Reflectometr -

OTDR) jest podstawowym urządzeniem pomiarowym stosowanym podczas budowy i

eksploatacji torów światłowodowych oraz przy produkcji światłowodów i kabli

optotelekomunikacyjnych. Umożliwia wykonanie pomiaru z jednego końca linii

światłowodowej. Pomiar reflektometrem w dziedzinie czasu (zwanym dalej reflektometrem)

odbywa się na zasadzie wielokrotnego wstrzykiwania do światłowodu impulsów optycznych,

a następnie uśrednianiu mocy rozproszonej wstecznie, powracającej do reflektometru oraz

mocy odbitej w światłowodzie, również powracającej do reflektometru. Analiza mocy

rozproszonej wstecznie oraz odbitej odbywa się w funkcji czasu wprost proporcjonalnego do

odległości (drogi). Impuls optyczny w światłowodzie propaguje z prędkością grupową:

V

g=

g

n

C

0

gdzie: C

0

- prędkość światła w próżni

n

g

- grupowy współczynnik załamania światła w światłowodzie.

Wstrzyknięty impuls optyczny zajmuje odcinek światłowodu o długości ∆ x proporcjonalny

do prędkości grupowej V

g

i czasu ∆ t. Wartość szerokości impulsów jest ustawiona przez

użytkownika reflektometru. Podczas transmisji w światłowodzie impuls optyczny ulega

tłumieniu głównie z powodu rozproszenia Rayleigha. Przyjmuje się, że światło jest

rozpraszane jednorodnie we wszystkie strony, stąd część mocy rozprasza się również

wstecznie w kierunku reflektometru.

Wszelkiego rodzaju niejednorodności wewnątrz światłowodu, takie jak zanieczyszczenia,

makrozgięcia i mikrozgięcia, rysy, połączenia odcinków fabrycznych, powodują również

rozproszenia wsteczne. W zależności od rodzaju niejednorodności mogą powstać również

odbicia. Energia powrotna z włókna jest przetwarzana w reflektometrze na sygnał

elektryczny i analizowana. Analiza rozproszenia wstecznego w funkcji czasu jest

równoważna analizie w funkcji odległości od miejsca pomiaru przy znanym grupowym

współczynniku załamania światła. Reflektometr umożliwia wyznaczenie:

• tłumienności,

• tłumienności jednostkowej,

• tłumienności wtrąconej (strat) w miejscach niejednorodności (połączeń, zgięć itp.),

• optycznej tłumienności odbiciowej (ang. Optical Return Loss - ORL), zdarzeń

odbiciowych na łącznikach mechanicznych,

• długości światłowodu.

Ponadto reflektometr umożliwia obserwację niejednorodności, analizę zmian charakterystyki

w czasie eksploatacji toru oraz zapis danych na dysku magnetycznym lub innym nośniku.

1.1 Zasada działania reflektometru.

Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy reflektometru.

Rys. 1. Schemat blokowy OTDR.

Gl- generator impulsów, :2-dziclnik. M- monitor, SO- sprzęgacz optyczny (półprzeźroczyste
lustro), LD- dioda laserowa, APD- dioda lawinowa, UM- układ mikroprocesorowy, UUiLog-
układ uśredniania i logarytmowania, PR- półzłącze złącza rozdzielnego.

System mikroprocesorowy steruje generatorem impulsów pobudzających diodę laserową

(LD) emitującą impulsy optyczne. Impulsy te poprzez sprzęgacz optyczny (SO) są

wstrzykiwane do mierzonego światłowodu. Światłowód dołączony jest do reflektometru przy

pomocy złącza rozdzielczego. Wstrzykiwane do światłowodu impulsy optyczne

charakteryzuje moc szczytowa P

0

o wartości 10 mW i więcej, czas trwania ∆ t o wartości od

kilku nanosekund (np. 5 ns) do kilku mikrosekund (np. 10

µ

m) oraz częstotliwość

powtarzania od l kHz do 20 kHz. Małe częstotliwości repetycji stosuje się do długich

światłowodów, a duże częstotliwości dla włókien krótkich. Częstotliwość repetycji musi być

tak dobrana, by powracający sygnał ze światłowodu nie zachodził na impuls wstrzykiwany.

Sygnał zwrotny ze światłowodu (rozproszenie wsteczne, odbicie) skierowany jest przez

sprzęgacz optyczny (SO) do diody odbiorczej (APD). Następnie sygnał jest wzmacniany i

przetwarzany na postać cyfrową. Układ uśredniania zwiększa odstęp sygnału użytecznego od

szumu oraz przelicza wartość mocy na skalę logarytmiczną. Na monitorze są wyświetlane

zależności w układzie współrzędnych: x-odległość i y- poziom mocy sygnału zwrotnego.

1.2 Wybrane parametry OTDR (ang. Optical Time Domain Reflectometr).

Dynamika (ang. Dynamie Range – DR).

Dynamika reflektometru wg zaleceń Bellcore definiowana jest jako różnica między

maksymalnym poziomem mocy rozproszenia wstecznego dla zerowej odległości, poprawnie

rozpoznawanym przez OTDR i poziomem mocy szumu własnego odbiornika OTDR

stanowiącego 98 % wartości szczytowej tego szumu. Wartość dynamiki określa wzór

DR [dB] = p

bs

(x=0) –p

floor98

gdzie:

p

bs

(x=0) - maksymalny poziom mocy rozproszenia wstecznego dla zerowej odległości,

p

floor98

- poziom mocy szumu własnego odbiornika OTDR określony dla wartości

stanowiącej 98 % wartości szczytowej szumu własnego.

Dynamikę OTDR można wyznaczyć na podstawie reflektogramu, stosując zależność

DR [dB] =

l

p

⋅

+

∆

α

gdzie:

∆ p - różnica poziomu mocy rozproszenia wstecznego dla końca światłowodu (p

bs

(1))

oraz poziomem mocy p

floor98

a - tłumienność jednostkowa światłowodu,
l - długość włókna światłowodowego.

Rys. 2. Określenie dynamiki OTDR.

Reflektometry charakteryzują się dynamiką od kilku do 28 dB. Wartość dynamiki można

zwiększyć przez zwiększenie energii wstrzykiwanej do światłowodu, tj. przez zwiększenie

czasu trwania impulsów przy stałej wartości mocy szczytowej. Również zwiększenie czasu

uśredniania lub zmniejszenia pasma odbiornika spowoduje zwiększenie dynamiki.

Strefa martwa (ang. Dead Zone)

W miejscach niejednorodności toru światłowodowego zachodzi zjawisko odbicia

optycznego impulsu pomiarowego. Takimi miejscami są połączenia mechaniczne włókien,

koniec włókna, pęknięcia włókna. Poziom mocy odbijanej jest niejednokrotnie o kilkanaście

lub kilkadziesiąt decybeli większy od poziomu mocy rozproszenia wstecznego. Impuls odbity

może spowodować przesterowanie odbiornika reflektometru. Przesterowanie odbiornika

wywoła brak prawidłowego przetwarzania optyczno-elektrycznego. Od momentu zaniku

"wysokiego" impulsu, trwa jeszcze czas stopniowego powrotu przetwornika do stanu

normalności. W ten sposób odbiornik OTDR przez pewien okres czasu nie jest w stanie

poprawnie odbierać informacje. Określonemu czasowi "niedyspozycji" odbiornika odpowiada

określony odcinek światłowodu z którego brak jest w reflektometrze poprawnej informacji o

stanie włókna. Ten odcinek światłowodu znajduje się w tzw. martwej strefie na

reflektogramie. Długość strefy martwej jest zależna od czasu trwania impulsu

wstrzykiwanego do światłowodu. Rozróżnia się dwa pojęcia stref martwych:

• strefę martwą zdarzeniową (ang. Event Dead Zone),

• strefę martwą tłumieniową (ang. Attenuation Dead Zone).

Na rysunku 3 pokazano zasadę określenia stref martwych.

Strefa martwa zdarzeniową definiowana jest jako odległość od początku światłowodu do

punktu w którym występuje spadek charakterystyki o 1.5 dB w stosunku do wartości

maksymalnej w punkcie odbicia. W strefie martwej zdarzeniowej reflektometr nie jest w

stanie identyfikować zdarzenia. Długość strefy martwej na tle reflektometru można ustalić

przez odpowiednie usytuowanie kursorów.

Strefa martwa tłumieniowa definiowana jest jako odległość od początku światłowodu do

punktu w którym różnica poziomów między wartością na reflektogramie i na liniowym

przedłużeniu charakterystyki (z zakresu poza strefą martwą) wynosi 0.1 dB wg Bellcore lub

0.5 dB wg producentów OTDR. W strefie martwej tłumieniowej nie można dokonać

poprawnej oceny zdarzenia pod względem tlumieniowym. Na odcinku od końca strefy

martwej zdarzeniowej do końca strefy martwej tłumieniowej, istnieje szansa na zauważenie

pewnych zdarzeń, bez możliwości oceny tłumieniowej tych zdarzeń. Długość strefy martwej

tłumieniowej można ustalić podobnie jak do strefy zdarzeniowej.

Rozdzielczość przestrzenna

Rozdzielczość przestrzenna ściśle wiąże się z długością stref martwych w otoczeniu

niejednorodności w torze światłowodowym. Zdolność rozdzielcza zdarzeń jest tym większa

im krótsze są strefy martwe. Maksymalną zdolność rozdzielczą uzyskuje się najkrótszym

czasie wstrzykiwanych impulsów. Im krótszy czas trwania impulsu, tym mniejsza jest energia

optyczna wprowadzona do światłowodu. Wiąże się to z ograniczeniem dystansu poprawnie

mierzonego.

Rys. 4. a) Krótki impuls, b) długi impuls.

Pomiar strat wtrąconych

W reflektometrach tłumienność wtrącona związana z takimi zdarzeniami jak spawy,

połączenia mechaniczne, zgięcia wyznaczana jest metodą dwupunktową (ang.Two Point) lub

metodą LSA (ang. Least Square Approximation).

Metoda dwupunktowa

Rys. 5. Pomiar tłumienności wtrąconej spawu metodą dwupunktową.

Rys. 6. Pomiar tłumienności i tłumienności jednostkowej metodą dwupunktową,

wybranego odcinka linii.

Na rysunkach 5 i 6 poziomy p

A

i p

B

określone są przez punkty przecięcia kursorów z

przebiegiem reflektogramu. W metodzie dwupunktowej, przy nieliniowym przebiegu

reflektogramu, na dokładność pomiaru ma wpływ wybór miejsc ustawienia kursorów.

Ponadto kształt charakterystyki między kursorami nie jest uwzględniony w ocenie

parametrów tłumieniowych linii.

Metoda LSA

Rys. 7. Pomiar tłumienności wtrąconej spawu metodą LSA.

Rys. 8. Pomiar tłumienności i tłumienności jednostkowej metodą LSA.

2. Cel i zakres ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z szeroką gamą pojęć i możliwych zdarzeń,

jakie występują w sieciach światłowodowych oraz z zasadą działania reflektometru.

Wykonywane będą pomiary reflektometryczne spawów z zestawu dydaktycznego.

3. Metodyka pomiarów

W skład układu pomiarowego wchodzą:

1. Komputer PC laptop z oprogramowaniem.

2. Jednostka pomiarowa OFT-30.

4. Osprzęt dodatkowy

- zasilacze do PC i OFT,

- przewód połączenia szeregowego PC-OFT,

- patchkordy połączeniowe na bębnach (300 i 200 m) z zakończeniami w standardzie

FC/PC.

W trakcie wykonywania ćwiczenia należy:

1. Zmierzyć odległości w jakich znajdują się kolejne zdarzenia w torze i zbadać wpływ

współczynnika załamania światła na wynik pomiaru.

2. Przeprowadzić pomiary każdego z torów zestawu dydaktycznego w dwóch kierunkach z

A do B i z B do A, zapisując wyniki :

- Strat tłumienności zdarzenia (Loss dB),

- Strat tłumienności spawu (Splice loss),

- Reflektancji (Refl.)

- Średnia tłumienność w dB/km (Atten.)

Sposób postępowania:

Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy pamiętać o ochronie oczu przed

niewidzialnym promieniowaniem laserowym.

Przed uruchomieniem komputera należy sprawdzić wszystkie połączenia:

- zasilanie PC i OFT,

- łącze między PC a OFT,

Następnie przystępujemy do połączeń części optycznej przeczyszczając wcześniej końcówki

złącz optycznych sprężonym powietrzem;

- jeden z końców patchkordu nr 1 podłączamy do wyjścia reflektometru zaś drugi do

zestawu dydaktycznego, patchkord nr 2 podłączamy do zestawy dydaktycznego drugi

koniec może pozostawać wolny,lub włączony w dalszą sieć światłowodową.

Wskazana jest zamiana zarówno końców patchkordów jak i samych patchkordów (różne

długości) w celu zróżnicowania wyników pomiarów.

UWAGA !!!

Niewidzialne promieniowanie laserowe

Następnie włączamy reflektometr OFT-30 i komputer PC w takiej właśnie kolejności. Po

załadowaniu systemu operacyjnego możemy uruchomić oprogramowanie reflektometru.

Po uruchomieniu programu Optical Fiber Tester musimy w menu górnym wybrać

opcję „View” w celu zaznaczenia, które z okien programu mają być wyświetlane podczas

pracy (rys 6.1 a) oraz opcję „Parameter” w celu ustawienia parametrów pomiaru (rys 6.1 b).

a)

b)

Rys. 9. Najważniejsze ustawienia programu
a) Wyświetlane okna,

b) Ustawienia parametrów przed pomiarem.

Za pomocą klawisza funkcyjnego F2 (start/stop) uruchamiamy lub zatrzymujemy pomiar

reflektometryczny toru. Po wystartowaniu otrzymujemy w oknie „Trace” pełną

charakterystykę tłumiennościową toru, natomiast w oknie „Events” poprzez klawisz

funkcyjny F5 (Evaluate), otrzymujemy ważniejsze parametry zdarzeń w torze.

Okno „Marker” uwidacznia nam odległości markerów od początku toru, odległość między

markerami, oraz tłumienność zdarzenia między markerami (w naszym przypadku spawu) rys

10.

Rys. 10. Widok okna programu w trakcie wykonywania pomiaru toru 1A

→

1B.

Wyniki pomiaru możemy zapisać w pliku „*.sor” w katalogu „C:\OFT\Data” za pomocą

klawisza funkcyjnego F4 (Save As). Tak wykonany i zapisany pomiar może być podstawą do

sporządzenia sprawozdania.

Metoda postepowania

Patchkordem nr 1 łączymy zestaw dydaktyczny (złącze 1A) z reflektometrem, zaś
patchkord nr 2 podłączamy do złącza 1B zestawu.

Pomiaru długości toru dokonano na spawie 1A-1B ustawiając markery w miejscu
zdarzenia i odczytując wyniki podane w oknie „Markers”.

Długość linii (metoda OTDR)

Linia

Laboratoryjna

Reflektometr

OFT-30

Typ kabla

NXOTKS 1Jm/1

Długość fali

1310nm

IOR

1.4670

Kabel pomiar.

10 m

Rodzaj złącza

Odległość w [m]

Spaw(S)

301

Koniec toru(E)

506

Wyniki pomiarów tłumienności spawów i reflektancji w torach metodą OTDR należy
przedstawić w formie tabeli.

Tłumienność toru i zdarzeń (metoda OTDR)

Linia

Laboratoryjna (A) –(B)

Typ kabla

NXOTKS 1Jm/1

Długość fali

1310 nm

IOR

1.4670

Długość linii wg OTDR

506 m

Tłumienność zdarzeń w torze

Reflektometr

OFT-30

Nr włókna (toru)

A B

B A

Tłum. śr. toru

Tłum.cał. toru

A

B

[dB]

[dB]

[dB/km]

[dB]

1.

1.

2.

2.

3.

3.

4.

4.

5. 5.

4. Wymagania BHP

a) Grupę studentów wprowadza do laboratorium prowadzący zajęcia.
b) Każdy student przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczeń laboratoryjnych jest

zobowiązany do zapoznania się z regulaminem BHP i potwierdzenia tego własnym
podpisem.

c) Uruchomienie urządzeń i przyrządów należących do danego ćwiczenia może nastąpić

dopiero po zapoznaniu się z instrukcją obsługi, szczegółowymi przepisami BHP i po
uzyskaniu zgody prowadzącego zajęcia.

d) Zabrania się samodzielnego włączania, manipulowania i korzystania z urządzeń nie

należących do danego ćwiczenia.

e) Wszystkie zauważone uszkodzenia: urządzeń, przewodów przyłączeniowych, gniazd

sieciowych i przyrządów pomiarowych, a także wadliwe ich działanie należy zgłosić
prowadzącemu zajęcia.

f) W przypadku wystąpienia przy pracy w laboratorium wypadku porażenia prądem

elektrycznym należy:

- wyłączyć zasilanie stanowisk laboratoryjnych,
- przed odłączeniem napięcia nie dotykać porażonego.
g) Prowadzący zajęcia, w razie wypadku porażenia prądem jest zobowiązany:
- zapewnić porażonemu natychmiastową pomoc medyczna,
- jeżeli porażony stracił przytomność i nie oddycha natychmiast przystąpić do sztucznego

oddychania i kontynuować je do chwili przybycia lekarza,

- niezależnie od stanu porażonego po wypadku, nawet gdy nie odczuwa żadnych

dolegliwości, skierować go na badania lekarskie,

- o zaistniałym wypadku powiadomić kierownika katedry.
h) Nie przestrzeganie regulaminu BHP może spowodować usunięcie studenta z zajęć

laboratoryjnych.

6. Sprawozdanie studenckie

W sprawozdaniu należy zamieścić :

- cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,

- opis stanowiska badawczego i przebieg realizacji eksperymentu,

- zestawienie i analiza wyników badań,

- uwagi i wnioski dotyczące ćwiczenia.

7. Literatura

1.

Dorosz J., Technologia światłowodów włóknistych, Polski Biuletyn Ceramiczny Ceramika/Ceramics Vol.
86, Kraków 2005.

2.

Smoliński A.: Optoelektronika światłowodowa, WKiŁ Warszawa 1985.

3.

Szustakowski M.: Elementy techniki światłowodowej, WNT Warszawa 1992.

4.

Crosignani B., de Marchis G., Tadeusiak A.: Światłowody w telekomunikacji, WKiŁ Warszawa 1987.

5.

Palais Joseph C.: Zarys telekomunikacji światłowodowej WKŁ Warszawa 1991.