Úloha č.9 Měření optických kabelů metodou OTDR (Optical Time Domain Reflectometry) 1
Teoretický úvod
Měření parametrů optických vláken metodou zpětného rozptylu představuje v současnosti velmi důležitý nástroj pro zjišťování spolehlivého provozu a údržby přenosových systémů s optickými vlákny. Metoda zpětného rozptylu, zvaná také optickou reflektometrií (OTDR), je metoda založená na měření optického výkonu, který je rozptýlen (Rayleighův rozptyl) v různých bodech vlákna zpět ke vstupnímu čelu vlákna. Z podstaty vyplývá, že touto metodou je možné měřit útlum vlákna, analyzovat útlum jak v celé délce, tak i v jednotlivých úsecích, zjišťovat podélnou homogenitu vlákna, útlum svárů a konektorů, délku vlákna a zároveň i lokalizovat poruchy. OTDR se používá rovněž ke zjišťování optické kontinuity trasy. Pro využití OTDR v technické praxi existuje v současné době řada různě dokonalých měřicích přístrojů. Převážnou většinou přístrojů OTDR lze měřit následující parametry: • celkový útlum trasy • délka trasy • kontinuita tras pro ověření správnosti montáže optické trasy a optických rozvaděčů • nehomogenita vláken • útlum (zpětný odraz) všech svárů a spojek • měrný útlum všech vláken jednotlivých kabelových délek trasy Blokové schéma metody je na obr.1.
Obrázek 1: Blokové uspořádání metody OTDR
Pro matematickou závislost detekovaného výkonu rozptýleného ve vláknu platí: Pb (z) =
1 P0 △tSαR e−2αz , 2
(1)
kde P0 je navázaný výkon, Pb měřený (detekovaný) výkon, t je šířka pulsu, S je koeficient zpětného rozptylu, αR je ztráty rozptylem, z je vzdálenost (km) a α jsou ztráty (dB/km). Koeficient zpětného rozptylu S závisí na materiálových vlastnostech (čistotě a homogenitě vlákna), geometrickém provedení (průměru vidového pole) optického vlákna, ale také na parametrech měřícího impulsu (spektrální šířce). Pro orientaci se hodnota S pohybuje pro jednovidová (SM) vlákna okolo S ≈ −50dB, pro mnohovidová (MM) okolo S ≈ −23dB. Výhodou této metody měření je její relativní jednoduchost a možnost monitorovat průběh (profil) nehomogenit v celé délce měření včetně lokalizace poruchy. Nevýhodou jsou vysoké pořizovací náklady a nutnost měřit z obou stran.
1
Obrázek 2: Příklad uspořádání měřícího pracoviště
2
Zadání úlohy
Cíle úlohy: Cílem úlohy je: Seznámit se s principem měření OTDR, základními parametry měřícího přístroje a způsoby měření vybraných vlastností optických vláken resp. optické trasy metodou OTDR. Pomocí této metody změřit a zhodnotit jednoduché příklady. Měření provést na laboratorním zapojení měřícího zařízení.
Pomůcky: OTDR - Siemens K2310, sadu optických vláken, konektory a útlumové členy, vlastní disketu– na uložení naměřených dat
Postup úlohy: 1. Seznamte se se základními parametry měřicích přístrojů OTDR • Délková přesnost: Přesnost měřícího přístroje závisí na přesnosti zadané hodnoty indexu lomu vlákna (hodnota by měla být zadána s přesností alespoň 10−3 ), přesností časové základny a samotnou chybou způsobenou měřením z rozptylu. Přesnost jednotlivých přístrojů potom bývá udána ve tvaru: vzdálenost ± rozlišení měřícího přístroje(šířka pulsu) ± přesnost hodnoty indexu lomu Vzdálenost d je určena vztahem: c t d= x , n 2 kde c je rychlost světla, n index lomu vlákna a t je časový interval, který uběhne od vyslání signálu k jeho přijetí. • Linearita (přesnost měření útlumu): Udává schopnost přístroje zachovat přímočarý průběh útlumu měřeného vlákna s lineární závislostí útlumu na délce a nezkreslovat ho přídavným zakřivením. • Dynamický, resp. měřicí rozsah: Tento rozsah vypovídá o maximální hodnotě útlumu měřené trasy při určité přesnosti měření poruchy blízko jejího konce. • Mrtvá zóna: Délka mrtvé zóny závisí na použité šířce impulsu, velikosti odrazu poruchy, provedené detekční části přístroje a na použitém algoritmu analýzy. Rozlišují se dvě mrtvé zóny, a to identifikační mrtvá zóna (event dead zone), která udává nejmenší vzdálenost dvou odrazných poruch, při které lze poruchu bezpečně rozlišit, a dále útlumová mrtvá zóna (attenuation dead zone), která charakterizuje vzdálenost za poruchou s určitou velikostí odrazu, kde nelze spolehlivě měřit útlum vlákna. • Kabelový faktor: viz měření délky kabelu. 2. Připravte pracoviště pro měření úkolů. Příklad uspořádání je na obr.2 3. Proveďte měření těchto úloh:
2
Obrázek 3: Nastavení kurzorů při měření útlumu vláken
a) Měření hodnoty útlumu optického vlákna: Pomocí OTDR je útlum nebo měrný útlum měřen nepřímo, protože se vyhodnocuje z měření zpětného rozptylu (závislost zpětného rozptylu na parametrech vlákna viz výše). Při měření se dává přednost hodnotám získaným pomocí transmisních metod dvou délek. Nejprve se připojí měřené vlákno, nastavíme základní parametry měřícího přístroje (vlnovou délku, spektrální šířku pulsu, délkový rozsah, průměrování signálu a skupinový index lomu - hodnoty některých těchto parametrů mohou být v přístroji již předem nastaveny nebo se nastavují automaticky). OTDR se nastaví tak, aby zobrazoval zpětně rozptýlený signál z měřeného vlákna. Pokud je požadovaná větší rozlišovací schopnost, je možné požadovaný úsek zobrazit ve větším měřítku. První kurzor se umístí za konec sestupné hrany odrazu na konci předřadného vlákna na začátek lineární části průběhu signálu - viz obr.3. Na displeji se získá délková a výkonová souřadnice z1 a P1 . Druhý kurzor se umístí na konec měřeného vlákna těsně před odraz od konce vlákna. V případě, že není zřetelný odraz, kurzor se umístí před prudkým poklesem křivky zpětného rozptylu. Takto se získají souřadnice z2 a P2 . K určení hodnoty útlumu se používá buď dvoubodová metoda nebo metoda nejmenších čtverců. Pomocí dvoubodové metody je jednosměrný útlum dán: A = P1 − P2
[dB]
a jeho měrný útlum: α = (P1 − P2 )(z2 − z1 )
[dBkm−1 ] .
Většina přístrojů dvoubodový výpočet provádí automaticky. Měření se opakuje pro signál navázaný z opačného konce a výsledky na stejné vlnové délce se z obou konců zprůměrují. Jako u všech metod měření útlumu, tak i u měření pomocí OTDR je nutné proměřit útlum z obou směrů. Jo to proto, že odrazy jsou z každého směru jiné. Výsledkem průměrování je přesnější hodnota útlumu. Vyvarovat se: efekt echo, dostatečný odstup S/N. b) Měření útlumu konektoru (sváru 1 ) optického vlákna: Metoda zpětného rozptylu je prakticky jedinou metodou měření útlumu jednotlivých konektorů během montáže. Pro měření útlumu konektoru se používá 4 (někdy 5) kurzorů viz obr.4. Kurzory 2 a 3 se umísťují co nejblíže předpokládanému sváru z obou stran (!!kurzor 3 nesmí zasahovat do případné mrtvé zóny !!). Kurzory 1 a 4 mají ležet co nejdále na lineárním úseku vlákna před a za konektorem. Vzdálenost mezi kurzory 1, 2 a 3, 4 by mela být co největší, avšak mezi každou z uvedených dvojic by se neměla vyskytovat žádná větší nehomogenita křivky zpětného rozptylu (např. svár, konektor a pod.). Za hodnotu útlumu konektoru je pak možno považovat vertikální vzdálenost mezi oběma aproximačními přímkami v místě spojení vláken (poloha kurzoru 2, popřípadě 5). Většina měřicích přístrojů OTDR provádí vyhodnocování automaticky. 1 Svár
optických vláken není v této úloze zastoupen. Žádné vlákno není svařeno!
3
Obrázek 4: Nastavení kurzorů při měření útlumu sváru
c) Měření zpětného odrazu sváru optického vlákna: Metoda OTDR umožňuje měřit hodnotu útlumu odrazu bodových nehomogenit a celkový útlum odrazu. Měření útlumu odrazu probíhá automaticky. d) Měření délky vlákna (kabelu): Při měření délky kabelu optickým reflektometrem je důležité pamatovat na to, že v důsledku struktury kabelu má vlákno větší délku než kabel (důsledek tažení a pokládky kabelů ). Pro lokalizaci poruch je užitečný tzv. kabelový faktor, který nám udává jak je dlouhé vlákno na délku kabelu. Kabelový faktor se definuje jako poměr délky kabelu ku délce vlákna: Lkabel KF = Lvlakno Jedná se o bezrozměrnou veličinu menší než jedna. Místo poruchy v kabelu se potom snadno lokalizuje výpočtem ze získané vzdálenosti vlákna vynásobené kabelovým faktorem.
3
Požadované výsledky
Získané výsledky zpracujte do formy přehledného protokolu a dále proveďte jejich zhodnocení popř. diskusi. Vámi vybranou optickou trasu zpracujte pomocí programu Corning TraceView. (program je k dispozici na http://kfe.fjfi.cvut.cz/kfe/cz/vyuka/optoel/index.html)
Reference [1] L. Maršálek: Optická vlákna, VŠB Ostrava, 2006 http://goro.czweb.org/download/interest/vlakna.pdf
4
Dodatek Tvar poruch na křivce zpětného rozptylu
Obrázek 5: Poruchy na křivce zpětného rozptylu [1]
Na obr.5 jsou ukázány jednotlivé případy poruch, které mohou nastat ve vlákně. 1. Odraz od vstupního čela vlákna. Důsledek rozhraní vzduch-sklo 2. Konstantní hodnota útlumu vlákna 3. Bodová porucha (svár, bodový tlak, defekt struktury vlákna atd.) 4. Fresnelův odraz na konektoru nebo defektu vlákna 5. Zdánlivé zesílení. Úsek s větším průměrem módového pole 6. Mnohonásobný odraz vlivem nesprávné volby délkového rozsahu. Světlo proběhne vláknem odrazí se na druhé straně od rozhraní a putuje několikrát ve vlákně, než útlum daný puls úplně neutlumí. 7. Zvlnění křivky fluktuacemi vlnovodné struktury, polarizační efekty nebo přístrojem 8. Změna podélného útlumu, průměru vidového pole, podélné vlivy na vlákno 9. Odraz od konce vlákna
5
