Reflektometryczne pomiary reflektancji i tłumienności odbiciowej

Transkrypt

1 Reflektometryczne pomiary reflektancji i tłumienności odbiciowej Andrzej Tymecki 1 Reflektancja a tłumienność odbiciowa Reflektancja i tłumienność odbiciowa są dwoma różnymi parametrami, często błędnie używanymi zamiennie. Terminy te stosowane były przez długi czas w dosyć dowolny sposób nawet przez autorów dokumentów normatywnych i opracowań technicznych, mimo że reflektancja zawsze ma wartość ujemną zaś tłumienność odbiciowa ma zawsze wartość dodatnią. Optyczna tłumienność odbiciowa jest definiowana jako stosunek (wyrażany w decybelach) mocy sygnału powracającego z systemu lub łącza światłowodowego Ppowr do mocy sygnału wprowadzanego do tego systemu lub łącza Pwprow [1]. Optyczna tłumienność odbiciowa ORL (ang. Optical Return Loss) lub w sytuacjach gdy nie wprowadza to niejednoznaczności po prostu RL (ang. Return Loss) jest opisywana następującą zależnością: Ppowr ORL 10log [db] (1) 10 Pwprow Jak widać z zależności (1), optyczna tłumienność odbiciowa przyjmuje zawsze wartość dodatnią, gdyż stosunek Ppowr/Pwprow jest zawsze mniejszy od jedności, a więc wartość logarytmu z tego stosunku jest ujemna. Ponieważ jednak we wzorze (1) przed logarytmem jest minus, to w konsekwencji otrzymujemy dodatnią wartość tłumienności odbiciowej. Reflektancja jest definiowana jako stosunek (wyrażony w decybelach) mocy sygnału odbitego w danym punkcie Podb do mocy sygnału padającego na ten punkt odbicia Ppad [1]. Reflektancja refl jest opisywana następującą zależnością: Podb refl 10log [db] (2) 10 Ppad Jak widać z zależności (2), reflektancja zawsze przyjmuje wartości ujemne, gdyż stosunek mocy Podb/Ppad jest zawsze mniejszy od jedności, a więc wartość logarytmu z tego stosunku jest ujemna. Zgodnie z wytycznymi IEC reflektancja jest terminem, którego należy używać w odniesieniu do zdarzeń punktowych (np. odbić od elementów takich jak złącza, izolatory, czy spoiny), natomiast tłumienność odbiciowa jest terminem, który powinien być stosowany w odniesieniu do całych torów transmisyjnych lub ich części. Przykładowy przebieg reflektometryczny z zaznaczonymi zdarzeniami odbiciowymi zaprezentowany na Rysunku 1. 1

2 Odległość od punktu pomiarowego Rysunek 1 - Przykładowy przebieg reflektometryczny (A punkt pomiarowy) [2] Przebieg reflektometryczny przedstawiony na Rysunku 1 został uzyskany dla łącza światłowodowego, w którym występują m.in. złącza rozłączalne i spoiny zgrzewane. Jeżeli dla omawianego łącza reflektancję mierzy się w punkcie A, to będzie to reflektancja tylko dla złącza światłowodowego znajdującego się w tym punkcie. Jeśli natomiast mierzy się tłumienność odbiciową (za pomocą miernika tłumienności odbiciowej lub pozwalającego ją mierzyć reflektometru), to otrzyma się jej wartość dla całego toru. W pomiarze takim zostanie uwzględnione rozproszenie wsteczne światłowodu oraz odbicia od wszystkich nieciągłości współczynnika załamania. Otrzymane w tych pomiarach wartości reflektancji i tłumienności odbiciowej będą się różnić między sobą nie tylko znakiem, ale też dosyć znacznie wartością bezwzględną, gdyż pomiar tłumienności odbiciowej, w odróżnieniu od pomiaru reflektancji, uwzględnia zarówno złącze A, jak również pozostałe złącza i spoiny występujące w badanym torze światłowodowym, a także rozproszenie wsteczne samego toru światłowodowego. Ze względu na to, że złącza (w szczególności niskiej jakości) powodują odbicia, które mogą zakłócić pracę systemu telekomunikacyjnego koniecznością jest sprawdzanie reflektancji złączy i innych elementów występujących w liniach światłowodowych. Podstawowym urządzeniem pomiarowym służącym do określania tego parametru jest reflektometr światłowodowy. 2 Reflektometryczne pomiary reflektancji i tłumienności odbiciowej Zestandaryzowane metody pomiaru reflektancji i tłumienności odbiciowej zostały opisane w normie IEC Basic test and measurement procedures Part 3-6: Examinations and measurements Return loss 1. W normie tej zostały opisane cztery następujące metody pomiaru reflektancji i tłumienności odbiciowej: metoda pomiaru z elementem rozgałęziającym OCWR (ang. Optical Continuous Wave Reflectometry), 1 Norma ta ma odpowiednik europejski EN oraz krajowy PN

3 metoda pomiaru przy użyciu reflektometru optycznego OTDR (ang. Optical Time Domain Reflectometer), metoda pomiaru przy użyciu reflektometru o małej koherencji OLCR (ang. Optical Low Coherence Reflectometry), metoda pomiaru przy użyciu reflektometru w dziedzinie częstotliwości OFDR (ang. Optical Frequency Domain Reflectometer). Ze względu na różne charakterystyki tych metod pomiarowych wybór metody referencyjnej będzie różny w zależności od typu badanego obiektu. Dla elementów o tłumienności odbiciowej mniejszej od 55 db metodą referencyjną będzie metoda pomiaru z elementem rozgałęziającym OCWR. Dla elementów o tłumienności odbiciowej większej niż 55 db metodą referencyjną będzie metoda pomiaru przy użyciu reflektometru optycznego OTDR przy z impulsem pomiarowym krótszym niż 100 ns. W przypadkach w których konieczne będzie rozdzielenie przestrzenne wielu zdarzeń odbiciowych oddalonych od siebie o mniej niż 5 m metodą referencyjną powinna być metoda pomiaru przy użyciu reflektometru o małej koherencji OLCR. Zgodnie z normą IEC , pomiary reflektancji przy użyciu reflektometru optycznego OTDR są przeprowadzane w układzie zaprezentowanym na Rysunku 2. Rysunek 2 - Schemat blokowy układu do pomiaru reflektancji przy użyciu reflektometru optycznego OTDR [3] Objaśnienie do rysunku: TJ (ang. Temporary Joint) DUT (ang. Device Under Test) L 1 L 2, L 3 połączenie tymczasowe, badany element, światłowód oddzielający reflektometr od wpływu mierzonego zjawiska, odcinki światłowodów zapewniające położenie odbicia badanego elementu na przebiegu rozproszenia wstecznego, a, b umowne punkty na światłowodzie, pozwalające określić minimalne długości światłowodów L 2 i L 3. Widoczny na Rysunku 2 odcinek światłowodu L1 musi być używany w pomiarach wykonywanych za pomocą większości reflektometrów, w celu odseparowania reflektometru od mierzonego zdarzenia. Odcinki L2 i L3 światłowodów mają zapewnić wymaganą dla reflektometru przestrzeń potrzebną do umiejscowienia impulsu odbicia od badanego elementu na niezakłóconym przebiegu rozproszenia wstecznego. Należy zaznaczyć, że zgodnie z zaleceniem IEC światłowody między punktami a i b powinny mieć taki sam współczynnik rozproszenia wstecznego. W układzie pomiarowym z Rysunku 2 otrzymuje się przebieg reflektometryczny zaprezentowany na Rysunku 3. 3

4 Rysunek 3 - Przebieg reflektometryczny otrzymany w układzie pomiarowym, którego schemat przedstawiono na Rysunku 2 [3] Zgodnie z opisem metody pomiaru reflektancji za pomocą reflektometru OTDR, pomiary te należy przeprowadzić według następującej procedury: i. W reflektometrze optycznym ustawić impuls o odpowiedniej szerokości. Wybór szerokości impulsu zależy zarówno od odległości badanego elementu od punktów a i b, tj. od wymaganej rozdzielczości przestrzennej reflektometru, jak również od zakresu mierzonych reflektancji. W Tablicy 1 podano teoretyczne rozdzielczości przestrzenne i minimalne wartości reflektancji dla wybranych szerokości impulsów reflektometru. Należy zaznaczyć, że rzeczywista rozdzielczość przestrzenna reflektometru jest większa niż teoretyczna, co wynika zarówno z obecności potencjalnych zdarzeń przed mierzonym zdarzeniem, jak również z parametrów toru odbiornika reflektometru, w tym z pasma częstotliwości pomiarowej odbiornika i z czasu regeneracji detektora tego odbiornika. Tablica 1 - Teoretyczna rozdzielczość przestrzenna oraz minimalna mierzalna reflektancja dla wybranych impulsów reflektometru OTDR [3] Szerokość impulsu reflektometru [ns] Teoretyczna rozdzielczość przestrzenna reflektometru [m] Minimalna mierzalna reflektancja [db] dla λ = 1310 nm dla λ = 1550 nm 100 > > > 0, ii. Na obrazie reflektometrycznym należy zaznaczyć wysokość impulsu (w db), będącego odzwierciedleniem zdarzenia powstałego na skutek odbicia od badanego elementu. W większości stosowanych powszechnie reflektometrów wysokość impulsu może być wyznaczona w sposób automatyczny, przy użyciu dwóch znaczników. W celu uniknięcia błędów pomiaru związanych z lokalizacją znaczników zalecane jest rozciągnięcie mierzonego impulsu odbicia na ekranie reflektometru w sposób, jak pokazano to na Rysunku 4. 4

5 Rysunek 4 - Przykład prawidłowej lokalizacji znaczników pomiarowych iii. Obliczyć reflektancję refl odpowiadającą impulsowi odbicia na podstawie następującej zależności: 0,2 refl 10 log(10 1) (3) gdzie: wyznaczona uprzednio wysokość impulsu odzwierciedlającego odbicie, współczynnik rozproszenia wstecznego dla danej szerokości impulsu oraz pomiarowej długości fali wyrażony w db. Należy zaznaczyć, że większość wykorzystywanych w telekomunikacji reflektometrów oblicza reflektancję automatycznie, korzystając z zapisanej w pamięci przyrządu zależności (3), oraz z różnicy poziomów mocy odpowiadających znacznikom na reflektogramie. Bez względu na to, czy reflektancja przy pomiarze reflektometrycznym jest obliczana ręcznie, czy automatycznie, w celu zapewnienia wiarygodności wyników należy zwrócić uwagę na wiele czynników wpływających na te pomiary. 3 Czynniki wpływające na wyniki pomiarów reflektancji przeprowadzanych przy użyciu reflektometru optycznego OTDR W niniejszym rozdziale zaprezentowane zostaną czynniki, które wpływają na potencjalne błędy przy reflektometrycznych pomiarach reflektancji. Na niektóre z tych czynników (np. na charakterystykę toru analogowego reflektometru) operator nie ma żadnego wpływu, ale są również i takie czynniki jak np. lokalizacja znaczników, na które wpływ osoby przeprowadzającej pomiary jest bardzo duży. Znajomość czynników wpływających na pomiar pozwala zminimalizować błędy pomiarowe. 3.1 Szerokość impulsu pomiarowego Podstawowy problem związany z reflektometrycznymi pomiarami reflektancji wynika z faktu, że reflektometr optyczny OTDR nie mierzy bezpośrednio mocy światła w danym punkcie pomiarowym, a wysokość tego odbicia światła na ekranie reflektometru nie reprezentuje reflektan- 5

6 cji w sposób bezpośredni, lecz jest raczej względnym wskazaniem wielkości tego odbicia, zależnym od wybranej szerokości impulsu pomiarowego. Do obliczenia reflektancji tego zdarzenia (odbicia od jakiegoś elementu np. złącza czy spoiny) reflektometr wykorzystuje zależność (3). Na Rysunku 5 zaprezentowano poziomy mocy impulsu odbitego (w skrócie: mocy odbitej) oraz rozproszenia wstecznego w odniesieniu do mocy impulsu padającego (w skrócie: mocy padającej), prowadzonego w światłowodzie. Na rysunku tym widać, że moc odbita zależy jedynie od współczynnika odbicia, a nie zależy od szerokości impulsu pomiarowego. Rysunek 5 - Moc odbita i rozproszona wstecznie w odniesieniu do mocy padającej, prowadzonej w światłowodzie [2] Poziom mocy wstecznie rozpraszanej jest w przybliżeniu proporcjonalny do szerokości impulsu padającego. Ta proporcjonalna zależność jest prawdziwa jedynie dla krótkich impulsów, dla których tłumienność światłowodu na długości przestrzennej, odpowiadającej czasowi trwania impulsu, można zaniedbać. Moc wstecznie rozproszona jest zależna również od długości fali padającej, a to powoduje, że pomiary reflektancji za pomocą reflektometru dają różne wyniki dla różnych długości fali. Jednakże, ze względu na stosowanie w reflektometrach światłowodowych skończonej ilości długości fali (w obecnie dostępnych komercyjnie na rynku przyrządach zazwyczaj nie więcej niż cztery) z problemem tym radzi sobie oprogramowanie przyrządu. Na Rysunku 5 dwustronną strzałką zaznaczono różnicę między mocą odbitą, odpowiadającą reflektancji o wartości 35 db a rozproszoną wstecznie mocą, mierzoną dla szerokości impulsu 100 ns i długości fali 1310 nm. W przypadku szerokich impulsów (rzędu 10 s) poziom mocy rozproszonej wstecznie może osiągnąć (a nawet przewyższyć) poziom mocy przeciętnych, powszechnie spotykanych w telekomunikacji odbić Fresnela (np. o poziomie -50 db) powodując, że odbicia te nie będą przez reflektometr wydzielone z przebiegu rozproszenia wstecznego. Ponieważ moc sygnału odbitego jest proporcjonalna do mocy sygnału padającego, zaś moc sygnału wstecznie rozproszonego jest proporcjonalna do energii sygnału padającego, staje się oczy- 6

7 wiste, że bardzo słabe odbicia lepiej mierzyć wykorzystując krótkie impulsy pomiarowe. Potwierdza to wykres z Rysunku 5, na którym strzałka wyznaczająca mierzoną reflektancję staje się większa dla krótszego impulsu. Słabe odbicie (np. -55 db) spowoduje, że dla np. szerokości impulsu 0,3 s strzałka będzie miała wysokość 0 (nie będzie jej widać), a więc nie da się zmierzyć reflektancji. Wykorzystując do pomiarów reflektancji krótkie impulsy pomiarowe należy jednak pamiętać o podstawowych zasadach związanych z takimi pomiarami. Przy wykorzystywaniu krótszych impulsów pomiarowych poziom rozproszenia wstecznego w światłowodzie będzie niższy niż przy wykorzystywaniu impulsów dłuższych więc w przypadku odległych zdarzeń, w celu uzyskania czytelności przebiegu reflektometrycznego, może być konieczne długie uśrednianie tego przebiegu lub nawet wydłużenie impulsu pomiarowego. 3.2 Pasmo odbiornika OTDR Z doborem szerokości impulsu pomiarowego jest ściśle związane pasmo odbiornika reflektometru. Pasmo odbiornika wynika z konstrukcji przyrządu i użytkownik nie ma wpływu na jego wartość. Jednakże znajomość zachowania się przyrządu przy różnych szerokościach impulsu pomiarowego pozwala użytkownikowi zapobiegać potencjalnym błędom związanym z wpływem skończonej szerokości pasma odbiornika reflektometru na wyniki pomiarów reflektometrycznych. Podstawowy problem pomiarowy wynika z faktu, że skończony czas odpowiedzi układu detekcji w reflektometrze powoduje zniekształcenie krótkich impulsów pomiarowych, które stanowią odpowiedź na odbicia występujące w torze pomiarowym. Wpływ szerokości pasma odbiornika reflektometru na wysokość odbitego impulsu zaprezentowano na Rysunku 6. Rysunek 6 - Wpływ szerokości pasma odbiornika reflektometru na wysokość mierzonego odbicia ( = 30 ns, refl = -35 db) [2] Jak widać na Rysunku 6, przy skończonym, zawężającym się paśmie odbiornika reflektometru optycznego ograniczony czas narastania impulsu pomiarowego nie daje impulsowi odbicia możliwości osiągnięcia swojej wartości szczytowej. W związku z coraz częstszym wykorzystywaniem reflektometrów optycznych do pomiarów reflektancji oraz koniecznością zapewnienia wiarygodności wyników tych pomiarów dla wszyst- 7

8 kich warunków pomiarowych (w tym dla wszystkich szerokości impulsów pomiarowych), producenci urządzeń pomiarowych prowadzili przez lata szereg prac mających na celu skorygowanie efektów ograniczonego pasma odbiornika reflektometru. W wyniku tych prac otrzymano skorygowane wersje równania (3) zapewniające automatyczną kompensację ubocznych efektów ograniczonej szerokości pasma odbiornika. Z szerokością pasma odbiornika jest również związany inny parametr reflektometru, a mianowicie tłumiennościowa strefa martwa. Parametr ten nie jest wprawdzie bezpośrednio związany z pomiarem reflektancji pojedynczego zdarzenia, lecz należy o nim niewątpliwie pamiętać przy pomiarach zdarzeń rozmieszczonych blisko siebie (np. odbić od dwu położonych blisko siebie złączy). Dobrym przykładem jest tu pomiar łącza telekomunikacyjnego, w którym znajduje się patchcord o długości kilku metrów. Reflektancja zmierzona dla przypadku takich dwóch lub więcej zdarzeń (odbić), jeżeli elementy odbijające nie zostaną rozdzielone przestrzennie przez reflektometr, będzie efektywną sumą reflektancji wszystkich tych odbić. W Tablicy 1 zostały przedstawione teoretyczne rozdzielczości przestrzenne między dwoma zdarzeniami, jakie można otrzymać dla danych szerokości impulsu pomiarowego reflektometru optycznego. Rozdzielczość tę można byłoby uzyskać przy założeniu nieskończenie dużej szerokości pasma odbiornika OTDR. Ponieważ szerokość pasma odbiornika jest skończona (wartość jej ma zapewnić kompromis między parametrami dynamiki i odpowiedzi układu odbiornika na krótkie impulsy pomiarowe), na obrazie reflektometrycznym w punktach odbić, zamiast prostokątnych impulsów o długości odpowiadającej czasowi impulsu pomiarowego, otrzymuje się impulsy z charakterystycznymi ogonami. Na Rysunku 7 zaprezentowano minimalne strefy martwe tłumiennościowe osiągalne podczas pomiarów reflektometrycznych dla trzech różnych szerokości impulsów pomiarowych w funkcji szerokości pasma odbiornika reflektometru [2]. Rysunek 7 - Minimalne strefy martwe tłumiennościowe w funkcji szerokości pasma odbiornika [2] Wykres przedstawiony na Rysunku 7 został wyznaczony dla zdarzenia o reflektancji -35 db, w typowym światłowodzie jednomodowym, dla długości fali 1310 nm. Jako model do wyznaczenia charakterystyk przedstawionych na Rysunku 7 został wykorzystany idealny odbiornik optyczny, z dołączonym przed nim dolnoprzepustowym filtrem pierwszego rzędu. 8

9 Typowe reflektometry światłowodowe mają odbiorniki o szerokości pasma częstotliwości 1 10 MHz. Jak widać na Rysunku 7, krzywe wykreślone w tym paśmie częstotliwości nakładają się na siebie w zakresie poniżej 5 MHz. Oznacza to ograniczenie strefy martwej tłumiennościowej przez pasmo odbiornika, a nie przez szerokość impulsu pomiarowego. Przykładowo, wartości strefy martwej dla impulsów 10 ns i 30 ns, dla szerokości pasma odbiornika wynoszącej 10 MHz, będą do siebie bardzo zbliżone. O zależnościach wyników pomiarów reflektometrycznych od strefy martwej tłumiennościowej należy pamiętać przede wszystkim przy pomiarze zdarzeń występujących blisko siebie. Czasami (w przypadku pomiaru linii telekomunikacyjnej, w której występują patchcordy o długości kilku metrów lub w przypadku weryfikacji produkcyjnej reflektancji półzłączy w takich patchcordach) nie ma możliwości dobrania takich długości odcinków L1, L2 i L3 (Rysunek 2), aby można było zapewnić wydzielenie poszczególnych, występujących w nich zdarzeń. W takim przypadku aby zapobiec sumowaniu odbić przez reflektometr, należy między dwa znajdujące się blisko siebie elementy powodujące badane zdarzenia wprowadzić zakończenie bezodbiciowe, przez zgięcie światłowodu. Światłowód powinien być zagięty w taki sposób, aby nie spowodować dodatkowego odbicia, a jednocześnie spowodować wycięcie całego przebiegu reflektometrycznego znajdującego się za tym zdarzeniem (aby nie mierzyć zdarzeń poza zagiętym światłowodem). Na Rysunku 8 zaprezentowano pomiar reflektancji złącza w przypadku, gdy między dwoma odcinkami światłowodu znajdował się patchcord o długości 5 m. Na Rysunku 8a odbicia od obydwu złączy tworzonych przez patchcord zostały zsumowane przez reflektometr. Na Rysunku 8b za pierwszym złączem wprowadzono zakończenie bezodbiciowe (przez zgięcie światłowodu). Została zmierzona reflektancja tylko jednego złącza, a pozostała część przebiegu (z drugim złączem za zgiętym światłowodem) została wycięta. a) b) Rysunek 8 - Pomiar reflektancji w przypadku odbić sygnału występujących blisko siebie w światłowodzie; a) sumowanie odbić, b) rozdzielenie odbić przez zagięcie światłowodu między złączami Jak widać na reflektogramach z Rysunku 8 różnica zmierzonej w obydwu pomiarach reflektancji wynosiła 6 db, co stanowi bardzo duży błąd pomiarowy, który może być przyczyną błędnej oceny parametrów elementów sieci. 9

10 3.3 Wysokość impulsu odbicia Źródłem błędów przy pomiarach reflektancji jest również ocena na ekranie reflektometru wysokości impulsu, odpowiadającego mierzonemu zdarzeniu odbiciowemu. Oczywiste jest, że dokładność pomiaru ma szczególne znaczenie w przypadku impulsów o bardzo małych wysokościach. Przykładowo, różnica w wysokościach impulsów między = 0,5 db a = 1,0 db daje różnicę w zmierzonej reflektancji równą 3 db. Dokładność pomiaru reflektancji pogarsza się jeszcze bardziej wtedy, gdy tłumienność badanego elementu jest duża a wysokość impulsu odbicia jest w tym samym czasie mała. W przypadku pomiarów reflektometrycznych wysokość jest wyznaczana automatycznie przez przyrząd na podstawie położenia dwóch znaczników. Ponieważ do pomiaru reflektancji bardzo słabych odbić są zazwyczaj wykorzystywane krótkie impulsy pomiarowe, szczególnie w przypadku zdarzeń oddalonych od punktu pomiarowego, należy przy wykonywaniu tych pomiarów pamiętać o dobrym uśrednieniu przebiegu reflektometrycznego, gdyż jedynie wtedy można prawidłowo zaznaczyć na ekranie przyrządu punkty pomiarowe. Na Rysunku 9 zaprezentowano przykład pomiarów reflektancji dla przebiegu reflektometrycznego a) nie uśrednionego i b) uśrednionego. Rysunek 9 - Wpływ uśredniania przebiegu reflektometrycznego na wynik pomiaru reflektancji Różnica zmierzonej reflektancji na reflektogramach a) i b) z Rysunku 9 wynosi prawie 2 db. W sytuacji zaprezentowanej na Rysunku 9a operator nie dokonałby pomiaru reflektancji bez uśrednienia przebiegu. Jednakże w przypadku niewystarczającego rozciągnięcia reflektogramu w osi x, pojawia się niebezpieczeństwo niezauważenia zaszumienia przebiegu rozproszenia wstecznego, co może doprowadzić do błędów pomiarowych. 3.4 Nasycenie detektora odbiornika reflektometru Aby w pełni nakreślić problemy związane z doborem szerokości impulsu pomiarowego reflektometru optycznego należy również wspomnieć o możliwości nasycenia detektora przy silnych odbiciach od elementów znajdujących się w mierzonym torze światłowodowym. W przypadku takich odbić na ekranie reflektometru będzie widoczne charakterystyczne obcięcie szczytu impulsu odbicia. Pomiar reflektancji przy takich odbiciach daje błędne wyniki. W przypadku nasycenia detektora obcięcie szczytu odbitego impulsu można wyeliminować przez zmianę tłumienności 10

11 wbudowanego w reflektometr tłumika wewnętrznego (przez zmianę jego nastawy), a gdy nie ma możliwości takiej zmiany, to przez zmianę szerokości impulsu pomiarowego na mniejszą. Innym rozwiązaniem zapobiegającym obcięciu szczytu odbitego impulsu odbicia, aczkolwiek nie zawsze efektywnym w warunkach polowych, jest zastosowanie dodatkowego tłumika zewnętrznego, umieszczonego za wyjściem reflektometru. Wyniki pomiarów reflektancji złącza zaprezentowano na Rysunku 10 (10a w przypadku nasycenia detektora, 10b w przypadku prawidłowego zobrazowania odbicia). W prezentowanym tu przypadku, do otrzymania prawidłowego wyniku pomiaru wystarczyła zmiana nastawy tłumika wewnętrznego reflektometru zwiększająca jego tłumienność o 1,25 db. Podobnie jak w przypadku uśredniania, również w tym przypadku, oprócz zmiany tłumienności należy rozciągnąć przebieg reflektometryczny (w osi x i y), co w pełni pozwoli ocenić poprawność kształtu impulsu i wyeliminować błędy wynikające z nasycenia detektora. a) b) Rysunek 10 - Pomiar reflektancji za pomocą reflektometru OTDR, w przypadku a) nasycenia detektora, b) zwiększenia nastawy tłumika wewnętrznego reflektometru 3.5 Współczynnik rozproszenia wstecznego Patrząc na zależność (3) zauważyć można, że dotychczas nie został omówiony składnik związany ze współczynnikiem rozproszenia wstecznego. Istotnie jest to jeden z ważniejszych parametrów od których zależą wyniki pomiarów reflektancji. Jeżeli do pamięci reflektometru zostanie wprowadzona wartość różniąca się od rzeczywistej wartości o, to wtedy wynik pomiaru reflektancji będzie również obarczony błędem refl równym. Przykład pomiarów reflektancji dla prawidłowo i błędnie wprowadzonej wartości zaprezentowano na Rysunku 11. Współczynnik rozproszenia wstecznego dla pomiaru z Rysunku 11a) miał wartość -62,4 db, natomiast dla pomiaru z Rysunku 11b) miał wartość -60,4 db. 11

12 Rysunek 11 - Pomiar reflektancji dla wartości wprowadzonej a) prawidłowo, b) błędnie Jak widać z Rysunku 11, błąd pomiaru reflektancji (wynoszący 2 db) jest równy różnicy między wprowadzanymi wartościami współczynnika. Należy zwrócić uwagę na to, że obraz reflektometryczny na Rysunkach 11a) i 11b) wygląda tak samo, a różnica w zmierzonej reflektancji wynika ze wspomnianej już pośredniej metody wyznaczania reflektancji przez OTDR. Aby uniknąć takich błędów należy znać współczynnik rozproszenia wstecznego badanego włókna światłowodowego (włókna w którym występuje mierzone zdarzenie). Należy więc przed pomiarem wprowadzić odpowiednią wartość na podstawie danych producenta badanego włókna światłowodowego. Niestety dane takie nie są powszechnie dostarczane przez producentów i uzyskanie ich jest zazwyczaj znaczącym problemem. Możliwe jest jednak wyznaczenie tego parametru samemu, a narzędzi do tego dostarcza norma IEC Jedna z metod wyznaczania współczynnika rozproszenia wstecznego (technika A wg IEC ) polega na pomiarze wysokości impulsu odbicia od elementu o znanej, dobrze określonej reflektancji i przekształceniu równania (3) do następującej postaci: 0,2 refl 10 log(10 1) (4) W ten sposób, po zmierzeniu wysokość zdarzenia na ekranie reflektometru i podstawieniu tej wartości oraz znanej już wartości reflektancji mierzonego odbicia refl do równania (4), otrzyma się współczynnik rozproszenia wstecznego. Należy jednak pamiętać, że wyznaczona w ten sposób wartość współczynnika rozproszenia wstecznego zawiera w sobie rozproszenie Rayleigha, szerokość impulsu pomiarowego i pomiarową długość fali. Wprawdzie przy zmianie parametrów pomiarowych reflektometru większość z nich dokonuje automatycznego dopasowania wartości, jednak należy zachować dużą czujność, szczególnie w przypadku starszych przyrządów, gdyż nie wszystkie one wprowadzają te zmiany automatyczne. Druga metoda wyznaczania współczynnika rozproszenia wstecznego (technika B wg IEC ) polega na matematycznym obliczeniu jego wartości z wykorzystaniem następującej zależności: B 10 log( t) [ db] (5) gdzie t jest czasem trwania impulsu pomiarowego a B jest wyznaczane z zależności (6). 12

13 B R L 10log( tb) 10log [ db] 2 L 1 e (6) gdzie: RL tłumienność odbiciowa odcinka światłowodu o długości L, α współczynnik tłumienności światłowodu, prędkość grupowa w światłowodzie, L długość światłowodu, tb = 1ns podstawa czasu wykorzystywana w równaniu (5). Ta druga metoda wyznaczania współczynnika rozproszenia wstecznego (technika B) również nie jest wolna od ewentualnych błędów związanych chociażby z zaokrągleniami oraz podstawianiem przybliżonych wartości do wzorów (5) i (6). Już na podstawie równania (5) widać, że jednym ze źródeł błędów może być wprowadzana przez nas szerokość impulsu pomiarowego. Ma to szczególnie duże znaczenie przy krótkich impulsach w reflektometrach starszego typu, gdyż w przypadku sprzętu starszej generacji najkrótsze impulsy są generowane niejednokrotnie z tolerancją 50% względem wartości nominalnej. 3.6 Półzłącze odniesienia Zgodnie z IEC do pomiaru elementów o reflektancji mniejszej niż 55 db zalecane jest wykorzystywanie metody reflektometrycznej. W przypadku pomiaru reflektancji elementów zamontowanych w torze światłowodowym główne problemy pomiarowe są związane z zagadnieniami omawianymi w poprzednich podrozdziałach. O wiele większy problem pojawia się przy pomiarach produkcyjnych półzłączy światłowodowych, gdyż wtedy reflektancja badanego wtyku (półzłącza) światłowodowego jest mierzona zawsze względem selekcjonowanego półzłącza referencyjnego. Ze względu na proces polerowania wtyków światłowodowych na ich zakończeniach pojawia się cienka warstwa szkła o wyższym współczynniku załamania niż w światłowodzie, na którym zostało zmontowane półzłącze. W związku z tym, przy pomiarach złącza utworzonego z półzłącza referencyjnego oraz z badanego wtyku, otrzymujemy rozkład współczynników załamania, którego przykład zaprezentowano na Rysunku 12. Rysunek 12 - Schematyczny rozkład współczynników załamania dla dwóch sparowanych półzłączach światłowodowych [4] 13

14 Jak widać na Rysunku 12 na granicy półzłącza odniesienia i badanego wtyku powstaje dosyć złożona struktura współczynników załamania o różnej wartości. W konsekwencji dla różnych współczynników załamania wtyku 1 (półzłącza referencyjnego) wynik pomiaru reflektancji też będzie różny. Aby ograniczyć błędy pomiarów reflektancji półzłączy, w normie IEC zostało zdefiniowane półzłącze referencyjne, którego należy używać do pomiarów półzłączy podczas ich produkcji. W normie tej zostało wprowadzone pojęcie reflektancji własnej wtyku. Jest to taka reflektancja, jaka byłaby zmierzona, gdyby podczas pomiaru wtyk został sparowany z wtykiem o takiej samej reflektancji [4]. W tej samej normie, w celu umożliwienia wyboru półzłączy odniesienia, podano dodatkowo odpowiednią do tego procedurę oraz dołączono opis metody zatwierdzania reflektancji badanych wtyków na podstawie znajomości reflektancji własnej półzłącza referencyjnego oraz reflektancji zmierzonej złącza złożonego z półzłącza referencyjnego i badanego wtyku. Szczegóły dotyczące zasad doboru złączy referencyjnych oraz zagadnienia z tym związane wykraczają jednak poza ramy niniejszego artykułu. 4 Podsumowanie Niniejszy materiał stanowi próbę zarysowania najważniejszych problemów związanych z wykorzystaniem reflektometru do pomiaru zdarzeń odbiciowych. Autor ma nadzieję, że pozwoli to Czytelnikowi na ocenę stosowanych procedur pomiarowych oraz na podjęcie ewentualnych kroków ograniczających błędy wynikające czy to z przyjętych niewłaściwych założeń czy też z wprowadzenia do reflektometru błędnych wartości. Niniejszy materiał powinien mieć szczególnie duże znaczenie w dobie szerzącej się automatyzacji. Za sprawą ciągłego upraszczania obsługi aparatury pomiarowej wiele osób zapomina o ogólnych zasadach pomiaru. W związku z tym pojawia się niebezpieczeństwo wykonywania pomiarów przy nieprawidłowych założeniach wstępnych, bez analizy potencjalnych błędów wprowadzanych przez przyrząd pomiarowy. Omówione w artykule problemy, wynikające z wykorzystywania impulsów o niewłaściwie dobranej szerokości, z wprowadzenia nieprawidłowej wartości współczynnika rozproszenia wstecznego czy też z pomiarów reflektancji półzłączy względem losowo wybranych półzłączy odniesienia, pojawiają się również przy pomiarach wykonywanych automatycznie, jednakże, ze względu na silną ingerencję oprogramowania w proces pomiarowy, problemy te mogą umknąć uwadze operatora. Autor ma nadzieję, że niniejszy artykuł przyczyni się do zwiększenia świadomości związanej z potencjalnymi niebezpieczeństwami pojawiającymi się podczas reflektometrycznych pomiarów reflektancji i tłumienności odbiciowej, a co za tym idzie do zwiększenia wiarygodności tego typu pomiarów. 5 Literatura [1] Kapron F.P., Adams B.P., Thomas E.A., Peters J.W.: Fiber-Optic Reflection Measurements Using OCWR and OTDR Techniques. J. Lightwave Technology. 1989, 7(9), s [2] Derickson, D.: Fiber Optic Test and Measurement, Chapter 11 OTDRs and Backscatter Measurements. (editor) Prentice Hall, London, New York, 1998 [3] IEC :2008, Edition 3.0, Fibre optic interconnecting devices and passive components - Basic test and measurement procedures - Part 3-6: Examinations and measurements - Return loss 14

15 [4] IEC :2011, Edition 2.0, Fibre optic interconnecting devices and passive components - Basic test and measurement procedures - Part 3-39: Examinations and measurements - Physical contact (PC) optical connector reference plug selection for return loss measurements 15