POMIARY REFLEKTOMETRYCZNE
PARAMETRÓW TORU ŚWIATŁOWODOWEGO

1. Zajęcia rozpoczęliśmy od zapoznania się z podstawowymi elementami połączeniowymi linii światłowodowej. Dla przyjętego w sieciach telekomunikacyjnych standardu włókien jednomodowych opracowane zostały następujące standardy złącz: FC/PC, ST, S.C. oraz E2000. Założenie wtyczki na zakończenie włókna światłowodowego jest operacją bardzo precyzyjną , gdyż w celu zapewnienia niezawodności połączeń wymagana jest idealna centryczność rdzeni (dopuszczalna tłumienność złączki wynosi mniej niż 0,3dB). W przypadku włókien jednomodowych z rdzeniem o średnicy 9μm niedopuszczalne straty wtrąceniowe i niepewność jakości połączeń występuje już przy niecentrycznościach rzędu 1μm. Aby uniknąć problemu zakładania wtyczek w nieodpowiednich warunkach stosowane są tzw. Pigtaile. Są to odcinki przewodu światłowodowego zakończonego z jednej strony precyzyjnie osadzoną wtyczką, a drugim końcem zwyczajnie przyspawane do linii światłowodowej. Tak przygotowane zakończenie linii umieszcza się w przełącznicy umożliwiającej szybkie i sprawne dołączanie urządzeń telekomunikacyjnych, w tym też urządzeń pomiarowych. W przełącznicach można także łatwo połączyć dwie linie. Należy wtedy skorzystać z kawałka przewodu obustronnie zakończonego złączkami tzw. Patchcordu.

2. Pomiar jakości(tłumienności) linii światłowodowej może być przeprowadzony poprzez metodę transmisyjną. Polega ona na podłączeniu obu końców linii do mierników mocy i wygenerowanie określonego sygnału i przesłaniu go z jednego końca na drugi. Następnie podobny pomiar jest przeprowadzany w drugim kierunku, a jako tłumienność linii uznaje się średnią z obu pomiarów. Wadą takiej metody jest potrzeba użycia dwóch urządzeń oraz konieczność wcześniejszej ich kalibracji .

Pomiary można także wykonywać za pomocą reflektometru .Reflektometr optyczny OTDR (Optical Time Domain Reflectometer) jest to przyrząd pomiarowy stosowany w telekomunikacji do przeprowadzenia kontroli, diagnozowania i lokalizacji defektów w kablach światłowodowych. Pozwala na określenie tłumienia impulsu w światłowodzie, wynikającego z rozpraszania lub odbicia światła. Za jego pomocą można zmierzyć :

tłumienność całkowitą linii

tłumienność jednostkową

tłumienność własną

reflektancję

długość włókna światłowodowego

odległość od uszkodzenia

Reflektometr, podłączony do linii tylko na jednym końcu, wysyła w łącze światłowodowe krótkie impulsy optyczne i rejestruje natężenie światła powracającego. Tłumienie impulsu w światłowodzie jest spowodowane rozpraszaniem Rayleigha. Zjawisko to powoduje, że światło jest rozpraszane we wszystkie strony jednorodnie. Czyli część mocy rozchodzi się w kierunku powrotnym. Dzieje się tak dlatego, że w szkle kwarcowym, z którego wykonane są światłowody, występują fluktuacje gęstości materiału oraz wtrącenia zanieczyszczeń, makro i mikrozgięcia, pęknięcia, zmiany geometrii. Źródłem silnych tłumień sygnału są każdorazowo złącza linii światłowodowych oraz pęknięcia włókna. W tych miejscach powstają dodatkowe odbicia spowodowane zjawiskiem Fresnela. Odbicia te spowodowane są przechodzeniem światła przez mikrowarstwę powietrza rozdzielającą szkło, a każde przejście do innej warstwy powoduje wytworzenie promienia odbitego. Również przyczyną powiększenia tłumienności linii są miejsca spawania dwóch odcinków włókien światłowodowych. Mogą tam występować rozbieżności w ustawieniu osiowym włókien lub rozbieżność w średnicy włókien jeśli są one od dwóch różnych dostawców. Aby uniknąć tych rozbieżności należy do budowy linii używać światłowodów od tego samego producenta i z tej samej partii.

Schemat blokowy reflektometru przedstawiono na rysunku :

Generator podstawy czasu wytwarza impuls wyzwalający podstawę czasu wyświetlacza, równocześnie uaktywniając nadajnik impulsu laserowego. Sygnał optyczny w postaci wąskiego impulsu wprowadzany jest do badanego światłowodu poprzez sprzęgacz. Jako nadajniki używane są lasery impulsowe modulowane impulsami o długości kilka mikro do nawet pikosekund. Sygnał odbierany, pochodzący od wstecznego rozproszenia transmitowanego impulsu na niejednorodnościach rozłożonych wzdłuż światłowodu, jest kierowany poprzez sprzęgacze na fotodetektor, który z kolei zamienia sygnał optyczny na elektryczny. Funkcję fotodetektora pełni dioda APD (Avalanche Photo Diode). Wymaga ona do polaryzacji źródła napięcia o amplitudzie z zakresu 100-500V.

Sygnał odbierany przez detektor ma postać:

gdzie:

α_n - tłumienie światłowodu na jednostkę długości,

ρ - elementarne odbicie,

L - odległość bieżąca światłowodu 2L = vt,

v - prędkość grupowa fali w światłowodzie

Sygnał ten, ma więc postać impulsu wykładniczo malejącego ze stałą czasową 1/α_nv. Istotnym elementem reflektometru jest integrator, który uśrednia wyniki pomiarów pochodzące z większej ilości odbieranych impulsów. Mają one bowiem małą moc i nikną w szumie. W reflektometrach zobrazowuje się nie tyle odpowiedź, co raczej ln P(t) tej odpowiedzi. Na wyświetlaczu reflektometru, którego podstawa czasu startuje w momencie wysłania impulsu obrazuje się wówczas przebieg w postaci:

u = ln P(t) = ln(ρP_wej) - α_nvt = A - α_nL

Przebieg ten jest prostą o nachyleniu -α_n. Wszelkie miejsca straty mocy impulsów (np. spawy, nieciągłości włókna) zaznaczane są wąskimi uskokami wykresu zlokalizowanymi w odpowiedniej odległości (oś pozioma). Odległość miejsc w światłowodzie ocenia się na podstawie określenia czasu od wysłania do powrotu odbitego impulsu znając prędkość rozchodzenia się światła w szkle krzemowym (L =
- należy pamiętać że t to czas przebycia drogi do miejsca odbicia i z powrotem). Obliczana jest także prędkość grupowa poprzez wartość efektywnego grupowego współczynnika załamania w światłowodzie v = c/n_ef, gdzie n_ef jest wartością współczynnika załamania materiału względem próżni.

Tłumiennością włókna światłowodowego określa się spadek mocy sygnału wraz z przebytą odległością. Wyznacza się ją jako różnicę poziomu mocy sygnału przez odległość na której ten spadek mocy nastąpił.

Maksymalną tłumienność linii bez awarii określa wzór :

a_tk ≤ α_k L_opt + m₁ 0,15 + m₂ 0,3 (dla linii do 10 złączy)

a_tk ≤ α_k L_opt + m₁ 0,08 + m₂ 0,3 (dla linii powyżej 10 złączy)

gdzie :

α_k - tłumienność włókna na kilometr, podana fabrycznie ( ok. 0,25 dla okna 1550nm

ok. 0,4 dla okna 1310nm )

L_opt - długość toru optycznego

m₁ - liczba spawów

m₂ - liczba złączek

• Przed dokonaniem pomiarów zapoznaliśmy się jeszcze z kilkoma zjawiskami dotyczącymi odczytywania wyników.

Strefa martwa

W początkowym odcinku łącza światłowodowego mierzonego reflektometrem, mamy do czynienia z generacją modów wypromieniowanie i modów płaszczowych, które są silnie tłumione i powodują rozproszenie wsteczne o dużym natężeniu. Z tego powodu detektor jest przez krótki czas „oślepiony” (jest w stanie nasycenia i nie reaguje na zmiany natężenia światła). Ten początkowy odcinek światłowodu oznacza tzw. strefę martwą, w której nie są wykrywane żadne zdarzenia. Strefie martwej odpowiada na reflektogramie sygnał silny i niezależny od odległości. Długość tej strefy zależy od czasu trwania impulsu oraz typu detektora i jest rzędu kilku metrów dla krótkich impulsów (~10ns), do nawet kilometra dla impulsów szerszych (~10μs). Aby dokonać pomiaru tłumienności na odcinku początkowym linii światłowodowej stosowana jest tzw. Rozbiegówka. Jest to odcinek światłowodu długości 1000m zakończony przeważnie złączkami S.C. lub E2000, poprzez który podłączamy reflektometr do linii. Rozbiegówka pokrywa całkowicie strefę martwą . Strefa martwa może powstawać nie tylko na początku linii, gdy impuls testujący posiada dużą moc, ale również w każdej dalszej jej części. Najczęściej występuje przy złączach mechanicznych lub innych niejednorodnościach linii powodujących skokową zmianę tłumienności.

Rozróżnia się dwa pojęcia stref martwych:

1. strefę martwą zdarzeniową:

odległość od początku światłowodu do punktu, w którym występuje spadek charakterystyki o 1,5dB w stosunku do wartości tuż przed odbiciem. W tej strefie reflektometr nie jest w stanie identyfikować zdarzenia.

2. strefę martwą tłumieniową

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 0,1dB wg Bellcore lub 0,5dB wg producentów OTDR. W tej strefie jesteśmy w stanie odczytywać zdarzenia, ale nie można określić odpowiadającej im tłumienności.

Dynamika

Zakres tłumienności reflektometru jaki może za pomocą niego zostać zmierzony nazywa się dynamiką. Będzie więc to różnica pomiędzy najwyższym a najniższym mierzalnym poziomie sygnału. Jako najniższy punkt wykresu reflektometrycznego należy uznać ten, w którym istnieje jeszcze możliwość odczytania zdarzenia.

Reflektancja

Na końcu łącza światłowodowego występuje duża różnica współczynników załamania na granicy szkło-powietrze. Obserwujemy ostry impuls wywołany odbiciem Fresnela. Koniec łącza może oznaczać celowe jego zakończenie lub awarię, np. całkowite zerwanie światłowodu. Parametr opisujący to zjawisko nazywamy reflektancją - jest to stosunek ilości światła odbitego do światła padającego, wyrażony w decybelach, zwany również tłumiennością odbiciową, który powinien być większy od 35 dB. Pomiar jest możliwy dzięki dwupunktowej zasadzie wyznaczania amplitudy F odbicia Fresnela.

Spaw światłowodu

Najskuteczniejszą metodą łączenia dwóch końców światłowodu jest ich zespawanie odpowiednim urządzeniem - spawarką, które za pomocą łuku elektrycznego nagrzewa końce światłowodu i precyzyjnie je ze sobą łączy. Każdy taki spaw wprowadza dodatkowe tłumienie sygnału. Tłumienność spawu można zmierzyć dwoma metodami:

1. metoda dwupunktowa TPA (Two Point Approximation)

mierzymy wartości tłumienności między znacznikiem na początku, a znacznikiem na końcu spawu (rys.12)

2. metoda czteropunktowa LSA (Least Square Approximation)

obieramy cztery znaczniki; dwa na granicach spawu i po jednym obok, tak jak pokazano na rys.12 (dolny rysunek). Tłumienność określamy jako różnicę między znacznikiem na początku spawu, a prostą przechodzącą przez znaczniki po drugiej stronie spawu.

Maskowanie

Maskowanie zdarzeń występuje, gdy dwa (lub więcej) zdarzeń jest od siebie oddalonych mniej niż wynosi szerokość impulsu - zlewają się one wtedy w jedno zdarzenie. Aby temu zapobiec należy zmniejszyć szerokość impulsu.

Zjawisko ducha

Jeżeli na łączu światłowodowym występują złącza o dużej reflektancji może dojść do wielokrotnego odbicia sygnału (patrz rysunek) co może powodować występowanie na wykresie dodatkowego zdarzenia, które w rzeczywistości nie istnieje (duch). To zdarzenie widmo występuje dokładnie w takiej samej odległość od drugiego złącza, co odległości miedzy złączami powodującymi te odbicia, dzięki czemu nowsze reflektometry potrafią wykrywać „duchy”.

A - pierwsze złącze

B - drugie złącze

B' - złącze duch

Droga optyczna

Rzeczywista długość włókna w kablu światłowodowym jest większa niż sam kabel. Wynika to stąd, że tuby są skręcone w kablu oraz włókna luźno pływają w tubach wypełnionych żelem. W celu poprawnej lokalizacji zdarzeń modyfikuje się rzeczywisty współczynnik załamania światła o wartość, którą podaje producent kabla.

Tłumienność ujemna

Przy spawaniu włókien pochodzących od różnych producentów (lub nawet od jednego lecz wyprodukowane w pewnym odstępie czasu) można natrafić na tzw. tłumienność ujemną, którą błędnie można by interpretować jako wzmocnienie sygnału.Dzieje się tak w przypadku gdy włókno położone za spawem ma większy współczynnik rozproszenia wstecznego (na przykład z powodu większej średnicy) - powoduje to też większą tłumienność tamtego odcinka. Aby zmierzyć poprawnie taki spaw, należy przeprowadzić pomiar z obu stron włókna - jeden pokaże tłumienność ujemną, a drugi o wiele większą tłumienność dodatnią - a następnie uśrednić uzyskane wartości. Kłopot z pomiarem z obu stron włókna (które nieraz może mieć kilkadziesiąt kilometrów, więc przewiezienie przyrządu zajęłoby dużo czasu) można rozwiązać bardzo prosto - łącząc je na drugim końcu z włóknem biegnącym w przeciwnym kierunku (każde połączenie musi mieć minimum 2 włókna - do nadawania i odbierania). W ten sposób podłączając reflektometr do dwóch różnych włókien widzimy spaw z obu stron.

4 Przebieg pomiarów

Podczas laboratorium z telekomunikacji światłowodowej dokonywaliśmy pomiarów, reflektometrem HP 8147, linii światłowodowej o długości około 60km. Podczas każdorazowego włożenia zewnętrznej półzłączki do reflektometru czyści się ja alkoholem etylowym lub izopropanolem (inne środki np. mogą uszkodzić złacze). Pomiary wykorzystywane w sporządzaniu dokumentacji powykonawczej powinny być przeprowadzane wyłącznie przyrządami posiadającymi aktualne świadectwo kalibracji. Reflektometr musi być sprawny technicznie, szczególnie należy zwrócić uwagę na stan ferruli w złączu patchpanel'u. Należy także upewnić się, aby na końcu linii światłowodowej nie było podłączone urządzenie transmisyjne, gdyż impulsy od reflektometru mogły by je uszkodzić.

Ustawienia przyrządu

Po włączeniu urządzenia i automatycznym załadowaniu oprogramowania ustawia się następujące parametry pomiaru:

• rodzaj aproksymacji (TPA - dla metody dwupunktowej, LSA - dla metody czteropunktowej),

• współczynnik załamania światła w rdzeniu włókna, który jest podawany w dokumentacji przez producenta kabla,

• szerokość impulsu pomiarowego (przy czym należy pamiętać, iż większy impuls zwiększa dynamikę pomiaru, ale powoduje także zmniejszenie rozdzielczości detekcji zdarzeń i tłumienności),

• zakres odległości, który musi być większy od długości odcinka,

• metoda i ilość uśrednień (wielkość ta znacząco wpływa na czas pomiaru, z drugiej strony zwiększa dynamikę i rozdzielczość, zwłaszcza wtedy, gdy zależy nam na obserwacji "dalekiego" końca),

• liczba punktów pomiarowych (tu należy pamiętać o proporcjonalnie większej ilości pamięci potrzebnej do zapisania pojedynczego rekordu),

• długość fali - 850nm, 1310nm, 1550nm,

5 Wyniki pomiarów

Wykres:

Tabela:

Splice - spaw

Gainer - spaw (tłumienność ujemna)

Reflect - odbicie (reflektancja złączki patchcorfu)

6

(0,1dB)

0,5dB

1,5dB

zdarzeniowa

tłumieniowa

---