1. Reflektometr optyczny. Reflektometr jest istotnym narzędziem pomiarowym pozwalającym na określenie tłumienności, niejednorodności włókien, tłumienności złączy, pęknięć oraz długości. Krótkie impulsy wysyłane przez OTDR pozwalają również na pomiar dyspersji światłowodów wielomodowych. Bardzo ważną zaletą metody reflektometrycznej jest możliwość dokonywania pomiarów poprzez jeden koniec włókna (drugi może być niedostępny). światłowód Nadajnik złącze sprzęgacz Fotodioda Integrator ln : 2 Monitor : 2 Rys.1. Schemat blokowy reflektometru światłowodowego. Uproszczony schemat blokowy reflektometru pokazano na rysunku. Generator impulsowy zasila diodę laserowa, która wysyła krótkie impulsy świetlne do badanego włókna poprzez sprzęgacz. Częstotliwość impulsów w zależności od długości światłowodu wynosi od 1-20 khz. Typowa moc jest większa od 10 mw. Rozproszone promieniowanie powraca poprzez sprzęgacz do bloku odbiorczego. W celu zapewnienia dużej czułości w reflektometrach stosuje się najczęściej diody lawinowe (APD). Odebrany sygnał po konwersji O/E, wzmocnieniu poddawany jest obróbce cyfrowej. Znaczną poprawę stosunku sygnał/szum uzyskuje się dzięki uśrednieniu (boxcar average) wartości sygnałów pochodzących z wielu pobudzeń impulsem wejściowym. Tak przetworzony sygnał wyświetlany jest w skali podwójnie logarytmicznej na ekranie. Układy dzielące przez 2 uwzględniają podwójne tłumienie, oraz czas pojawienia się odpowiedzi związane z koniecznością przebycia dwukrotnej drogi przez wiązkę światła. Określmy wartość sygnału docierającego do fotodiody. Odbicie Fresnela od czoła włókna światłowodowego powoduje zwykle powstanie sygnału o największej wartości. Współczynnik odbicia dobrze obciętego włókna światłowodowego powoduje odbicie około 4% (-14 db) sygnału wyjściowego. Odbicie to jest silnie ograniczane dzięki zastosowaniu lasera nadawczego o dobrej polaryzacji oraz rozdzielacza polaryzacyjnego. Wówczas światło o liniowej polaryzacji odbite od czoła włókna łatwo może być oddzielone od niespolaryzowanego rozproszonego promieniowania. 2
Poziom powracającego rozproszonego światła zaczyna się od wartości pochodzącej z początkowej części włókna (z=0): αs - współczynnik rozpraszania, [1/km], α s [1/km]=0.23α[dB/km] S - faktor rozpraszania, Po - moc wprowadzona do światłowodu [W], z - długość impulsu we włóknie [m], Ts - transmitancja dwukrotnego przejścia sprzęgacza, w - szerokość impulsu [s], c - prędkość światła = 3*105 km/s, ngr - współczynnik grupowego załamania. Amplituda P2 rozproszonego światła od końca światłowodu (całkowita tłumienność 2αL) wynosi: Sygnał o poziomie P 3 związany z odbiciem od końca włókna nie zależy od faktoru rozpraszania S. Wartość P 3 można wyznaczyć na podstawie: wartości początkowej mocy Po, całkowitego tłumienia włókna związanego z dwukrotnym przejściem długości L (2αL) oraz współczynnika odbicia końca światłowodu r: W oparciu o powyższe wzory wyznaczono następujące wartości: WŁÓKNO: Gradientowe λ=850 nm Gradientowe λ=1300 nm Jednomodowe λ=1300 nm Jednomodowe λ=1550 nm α 3.5 db/km 0.5 db/km 0.4 db/km 0.2 db/km α s 0.65 /km 0.09 /km 0.074 /km 0.036 /km NA 0.2 0.2 0.1 0.1 N 1.5 1.5 1.5 1.5 S 4.44*10-3 4.44*10-3 9.8*10-3 9.8*10-3 P / P -32.4 db -41.0 db -48.4 db -51.5 db 1 0 P = P ( ) = Sα zp T 1 bs 0 s o s z = wc / n gr P = P ( L) = Sα zp T 10 2 bs s o s P 3 = rpt 10 2α L/ 10dB o s 2αL/ 10dB Porównując całkowity współczynnik tłumienności α z współczynnikiem rozpraszania α s wyraźnie widać, że w obecnej chwili rozpraszanie ma decydujący wpływ na tłumienność światłowodów. 3
Moc [dbm] P o = 10mW W= 1µs T s = 6dB r = 4% P r = -10dBm (100µW) P 1 = -44dBm (36,3nW) P 3 = -27,6dBm (1,74µW) spaw złącze spaw 10 P 2 = -62dBm (631pW) 20 odległość Czas [s] [km] Rys.2. Wykres tłumienności światłowodu. Jak widać z wykresu tłumienności rozproszony sygnał gwałtownie maleje do wartości mniejszych od typowych czułości odbiorników. Problem ten zwykle jest przezwyciężany dzięki uśrednianiu wartości pochodzących z wielu okresów. Metoda ta pozwala na ograniczenie ekwiwalentnej mocy szumów. Efektywna tłumienność widziana przez wejście reflektometru wynosi 2 * α. W celu otrzymania rzeczywistych wartości tłumienia światłowodu dochodzący do lampy oscyloskopowej przebieg musi być poddany dwukrotnej kompresji. W rezultacie na ekranie możliwy jest odczyt poziomów sygnałów w db lub db/km. Maksymalny zakres pomiarowy długości określany jest zwykle przez dynamikę. Najistotniejszymi definicjami są: Dynamika dla S/N = 1: Jest to połowa różnicy maksymalnego sygnału rozproszonego P 1 i NEP odbiornika. Czynnik 2 wynika z dwukrotnego przejścia badanego odcinka: najpierw przez pierwotną wiązkę, następnie przez powracająca rozproszoną falę. 4
Należy przy tym zwrócić uwagę, że maksymalne chwilowe wartości szumu mogą być około 3 krotnie większe od RMS odbiornika bazującego na NEP. Tak więc chwilowe wartości szumu mogą być o 2.3 db powyżej NEP. Straty złączy Można wykazać, że dla pomiaru złączy o tłumienności 0.1 db z dokładnością ±0.05 db poziom sygnału wysyłanego przez OTDR musi być o 8.2 db wyższy od NEP. Wartość ta pozwala na wyznaczenie dynamiki pomiaru tłumienia złączy. Długość włókna: Przypadek bez odbić: Długość mierzonego włókna = (Dynamika OTDR - 2.3 db)/tłumienność Gdy koniec włókna jest wypolerowany poziom odbić jest o 17 db powyżej sygnału związanego z rozpraszaniem i wtedy: Długość mierzonego włókna=(dynamika OTDR+17dB - 2.3 db)/tłumienność Jest to maksymalny zasięg pomiarowy. Sygnał rozproszony od końcowej części włókna w tym przypadku będzie poniżej poziomu szumu. Ponieważ poziom rozproszonego sygnału jest proporcjonalny do długości wprowadzanego impulsu światła, wiele parametrów OTDR można poprawić wydłużając go. Wydłużenie czasu trwania impulsu prowadzi jednak do pogorszenia rozdzielczości przyrządu: Rozdzielczość OTDR równa jest połowie długości impulsu. Pomiar tłumienia Reflektometr pozwala na pomiar tłumienności oznaczonego odcinka światłowodu (przy pomocy 2 znaczników) tryb LOSS, lub pomiar tłumienności zdarzenia, np. spawu (wykorzystuje się 5 znaczników) tryb SPLICE. W obydwu trybach jest możliwość wykonywania pomiaru w oparciu o dwie metody aproksymacji liniowej: 2 POINTS dwupunktowa i LSA (Last Square Approximation) najmniejszych kwadratów. Pomiar reflektometryczny praktycznie sprowadza się do zarejestrowania wartości mocy sygnału rozproszonego w wyniku efektu Rayleigh a powracającego do przyrządu, w jednostkach czasu. Ilość jednostek czasu jest wprost proporcjonalna do odległości pomiędzy przyrządem a miejscem, w którym sygnał optyczny uległ rozproszeniu. Rozkład zarejestrowanych próbek mocy nie jest liniowy. Dlatego do wyznaczania tłumienności wykorzystuje się liniową aproksymację. 5
Aproksymacja liniowa dwupunktowa (2POINTS) polega na przybliżeniu rozkładu tłumienia mierzonego odcinka światłowodowego linią prostą przecinającą dwa punkty, jakie stanowią znaczniki. [db] tłumienie x 1 x 2 [m] Rys.5. Przykładowy rozkład zarejestrowanych próbek mocy sygnału powracającego do OTDR oraz ich liniowa aproksymacja w metodzie 2 POINTS. W metodzie najmniejszych kwadratów (LSA) znajdowana jest linia prosta najlepiej pasująca do próbek pomiarowych znajdujących się pomiędzy dwoma znacznikami. Dla każdej próbki z tego przedziału wyznaczane są wartości odchyleń do prostej. Parametry prostej a i b (y = ax + b) są tak dobierane, że suma kwadratów wszystkich odchyleń osiąga wartość minimalną. Graficznie przedstawiono to na rysunku 6. [db] tłumienie x 1 x 2 [m] Rys.6. Przykładowy rozkład zarejestrowanych próbek mocy sygnału powracającego do OTDR oraz ich liniowa aproksymacja w metodzie LSA. Pomiar tłumienności linii światłowodowej, w której występują szumy, może być obarczony błędem w wyniku zastosowania nieodpowiedniej metody aproksymacji. Jeżeli pomiar tłumienności odcinka linii, w którym występuje szereg zdarzeń (spawy oraz złącza) jest dokonywany z metodą aproksymacji LSA, istnieje duże prawdopodobieństwo wystąpienia błędu (rys.7.a). 6
LSA 2-POINTS a. LSA 2-POINTS b. Rys.7. Porównanie metod LSA i 2-POINTS. Pomiar tłumienia spawu w sygnale z dużym poziomem szumu przy wykorzystaniu metody 2-POINTS będzie najprawdopodobniej obarczony znacznym błędem (rys.7.b). W celu uniknięcia błędów pomiarowych spowodowanych wyborem nieprawidłowej metody, zaleca się stosowanie metody 2-POINTS do pomiarów tłumienia odcinków światłowodowych, a metodę LSA do pomiaru tłumienia zdarzeń miejscowych. Tryb LOSS W tym trybie dokonuje się pomiaru tłumienności całej linii światłowodowej ustawiając znaczniki na początku (za martwą strefą pomiaru) i końcu (przed ostatnim odbiciem Fresnela) linii lub określonego odcinka światłowodowego. Różnica poziomów mocy pomiędzy dwoma znacznikami wyznacza tłumienie odcinka światłowodowego. martwa strefa pomiaru odbicie Fresnela od złącza odbicie Fresnela od końca linii x 1 x 2 x 1 x 2 Rys.8. Prawidłowe ustawienie znaczników do pomiaru tłumienia odcinka linii. Na rys.8. przedstawiono dwa przykłady prawidłowego ustawienia znaczników do pomiaru tłumienia odcinka L 1 (x 1 x 2 ) lub L 2 (x 1 x 2 ). Ustawienie znaczników w miejscach x 1 x 2 dokona wyznaczenia tłumienia całej linii światłowodowej, łącznie ze stratami na złączu rozłączalnym. Wartość liczbowa położenia znacznika wskazuje odległość od początku linii światłowodowej. Prawidłową długość drugiego odcinka uzyskamy umieszczając znaczniku w miejscach x 2 x 2. Wartość długości odczytujemy z różnicy odległości położenia znaczników. 7
Tryb SPLICE Tryb ten przeznaczony jest do pomiaru tłumienia zdarzeń lokalnych takich jak spawy, złącza rozłączalne czy miejscowe krytyczne zgięcie światłowodu. Do realizacji pomiaru wykorzystywanych jest 5 znaczników, z których dwa pierwsze aproksymują jedną prostą, dwa ostatnie drugą prostą, a znacznik środkowy wskazuje miejsce, w którym następuje pomiar różnicy pomiędzy prostymi (rys.9.). Położenie znacznika środkowego x 0 (wyświetlana jest pod nim wartość liczbowa kiedy jest aktywny) wskazuje odległość mierzonego zdarzenia od początku linii światłowodowej. Pomiędzy x 1 a x 2 oraz x 3 a x 4 nie mogą występować żadne inne zdarzenia lokalne. x 1 x 2 x o x 3 x 4 Rys.9. Prawidłowe rozmieszczenie znaczników do pomiaru tłumienia zdarzenia lokalnego. Używając trybu LOSS można dokonać pomiaru długości zdarzenia lokalnego. Na rysunku 10 przedstawiono przykłady pomiaru długości spawu (a) i złącza rozłączalnego (b). L = x 2 x 1 x 1 x 2 x 1 x 2 a. b. Rys.10. Pomiar długości zdarzenia lokalnego miejscowo zwiększającego tłumienie linii. Różnica poziomów mocy pomiędzy znacznikami x 1 i x 2 zawiera także tłumienie odcinka L światłowodu, który w tym miejscu nie jest mierzalny. Z tego też powodu tryb LOSS nie nadaje się do pomiaru tłumienia stratności wtrąconej. Długość odcinka L światłowodu zależy wprost proporcjonalnie od czasu trwania impulsu generowanego przez przyrząd. 8
Przebieg ćwiczenia 1. Jeżeli linia światłowodowa nie jest podłączona do przyrządu, należy oczyścić złącze kończące linię izopropanolem a następnie podłączyć linię do gniazda LASER OUTPUT (przyrząd wyposażony jest w złącze typu FC/PC). 2. Włączyć OTDR. 3. Przy pomocy klawisza SELECT wybierz opcje INITIALIZE i uruchom ją przez naciśnięcie klawisza SET, 4. Przy pomocy klawisza SELECT wybierz opcje AVERAGE a pokrętłem ustaw wartość 500 i zatwierdź przez naciśnięcie klawisza SET, 5. Włącz laser pomiarowy klawisz LASER ON/OFF. 6. Dokonaj ustawienia następujących nastaw pomiarowych w przyrządzie: a. DISTANCE = 18km b. PULSE = 100ns c. AVERAGE ON d. IOR = 1.4760 7. Ustaw nastawy H-ZOOM i V-SCALE tak, aby wykres całej badanej linii światłowodowej był widziany na całej szerokości ekranu przyrządu (nastawy H-ZOOM funkcjonują tylko przy włączonym laserze). 8. Opracuj tabele pomiarów (ZAŁĄCZNIK) zgodnie z poniższymi uwagami: a. całkowita długość linii światłowodowej, b. jeżeli linia składa się z kilku odcinków połączonych przez złącza rozłączalne, wówczas podaj długości poszczególnych odcinków, c. wyznacz wpływ zmiany parametru IOR o 0,01 na długość mierzonej linii i wyjaśni tę zależność, d. całkowite tłumienie linii światłowodowej wykonane dwoma met. aproksymacji liniowej (podaj tłumienność jednostkową [db/km] badanej linii ), e. podaj tłumienie poszczególnych odcinków linii (podaj także tłumienność jednostkową db/km) wykonane dwoma met. aproksymacji, f. podaj odległość zlokalizowanych zdarzeń (spawy, złącza) oraz ich dokładną wartość tłumienia mierzoną dwoma met. aproksymacji liniowej, g. długość martwej strefy pomiaru za każdym złączem rozłączalnych podaj od jakiego parametru przyrządu zależy wielkość tej strefy i co można zrobić aby zmniejszyć tę wartość, h. wyznacz długość spawu o maksymalnej wartości tłumienia na podstawie pomiaru podaj rozdzielczość przyrządu i wyjaśnij jak można tę rozdzielczość zmieniać. 9
i. Przy pomocy klawisza SELECT wybierz opcje AVERAGE a pokrętłem ustaw wartość 100 i zatwierdź przez naciśnięcie klawisza SET (po ustawieniu parametru należy wyłączyć i ponowne włączyć funkcji AVARAGE aby wcześniejsze uśrednienia zostały usunięte),następnie dokonaj pomiaru tłumienia zdarzenia lokalnego najbardziej oddalonego od przyrządu. Wynik porównaj z przypadkiem, kiedy liczba uśrednień była 5-krotnie większa. W sprawozdaniu powinny znajdować się wyniki przeprowadzonych pomiarów łącznie z komentarzami wyjaśniającymi zależności. 10
Elementy obsługowe OTDR MW 910C Reflektometr MW 910C z wkładką ą pomiarową ą MN 938A służy ż do pomiaru światłowodowych ś włókien jednomodowych w II oknie transmisyjnym (1310 nm) o maksymalnej długości 144km. Poniżej przedstawiono opis funkcjonalny elementów obsługowych umieszczonych na panelu czołowym przyrządu. #1 POWER Wyłącznik sieciowy. #2 CRT Ekran przyrządu prezentujący ą rezultaty pomiaru. #3 GP-IB Sterownie przez złącze GP-IB nieaktywne. #4 HELP Wywołanie na ekranie instrukcji pomocniczych do obsług przyrządu w języku angielskim #5 λ SELECT Zmiana długości fali nadajnika nieaktywne. #6 LASER Włączenie / wyłączenie lasera realizującego ą cykl pomiarowy. ON/OFF #7 LASER Złącze pomiarowe typu FC/PC OUTPUT #8 DISTANCE Wybór zakresu długości ś mierzonego toru światłowodowego. Każdorazowe ż naciśnięcie dokonuje wyboru sekwencyjnego jednego z zakresów: 144km, 72km, 36km, 18km. 1 #9 PULSE Wybór czasu trwania impulsu optycznego generowanego przez przyrząd. Każdorazowe ż naciśnięcie dokonuje wyboru sekwencyjnego jednego z zakresów: 4µs, 1µs, 0.1µs. 1 Dla zakresu 18km niedostępny jest czas impulsu 4µs. #10 SPLICE Wybór rodzaju pomiaru: tłumienności ś wtrąconej, ą stratności ś odcinka toru. LOSS 1 Funkcja działa przy włączonym (#6) laserze pomiarowym. 11
#11 AUTO Wybranie sposobu ustawiania znaczników: automatyczne, ręczne MANUAL #12 LSA Wybór metody aproksymacji liniowej LSA, dwupunktowej. 2-POINTS #13 AVERAGE Włączenie / wyłączenie trybu uśredniania wyników pomiaru. ON/OFF #14 V-SCALE Wybór skali pionowej. Każdorazowe naciśnięcie dokonuje wyboru sekwencyjnego jednego z zakresów: 4dB/dz, 2.5dB/dz, 1,05, 0.2dB/dz. #15 H-ZOOM Wybór skali poziomej w zakresie 25m/dz 8km/dz 1. IN OUT #16 pokrętło Służy do przesuwania znaczników, masek oraz wyboru parametrów funkcji w trybie Advanced function. #17 COARSE Włącza / wyłącza funkcję sterowania znacznikami, maskami jak i suwakami okna z dużym krokiem. #18 MARKER Włączanie znaczników w liczbie zależnej od rodzaju pracy przyrządu oraz sekwencyjne przełączanie się między nimi. #19 SHIFT V Przesuw wykresu w pionie. Zakres okna przedstawianego na ekranie prezentuje gruby pionowy pasek. #20 SHIFT H Przesuw wykresu w poziomie 1. Zakres okna przedstawianego na ekranie prezentuje gruby poziomy pasek. #21 MASK Wstawienie maski w miejscu położenia aktywnego znacznika. Przy pomocy pokrętła #16 można zmieniać położenie maski. Możliwe jest postawienie maksymalnie 3 masek. #22 ADVANCED Wywołanie listy funkcji specjalnych oraz sekwencyjny wybór jednej po FUNCTION każdorazowym naciśnięciu. SELECT Lista funkcji specjalnych: Initialize ATT Manual przyjmuje fabryczne ustawienia parametrów pracy przyrządu, automatyczne lub stałe przyjęcie jednej z kilku wartości tłumika (0.0dB, 2.5dB, 5.0dB, 7.5dB, 10.0dB, 12.5dB), Ave. Number ustawienie liczby uśrednień w zakresie 100 45000 co 100 lub, Mask Clear usunięcie wszystkich ustawionych masek, I.O.R. ustawienie wartości współczynnika załamania w przedziale 1.4000-1.5999 M-Save zapisanie pomiaru do jednej z 32 komórek pamięci, M-Recall odczytanie pomiaru z jednej z 32 komórek pamięci, Title wprowadzenie nazwy pomiaru (max 20 znaków), Data/Time ustawienie daty i czasu Meter/Feet wybór jednostki długości (metr / stopa) Trace wybór sposobu prezentacji wykresu (linią ciągłą Line / kropkowaną Dot) #23 ADVANCED Edycja parametrów wybranej funkcji specjalnej i jej zatwierdzenie. FUNCTION Naciskanie klawisza powoduje zachowanie ustawionych parametrów SET i wyjście z menu funkcji specjalnych. #24 Na tabletach wysuwanych skrócona instrukcja obsługi przyrządu. 12
ZAŁĄCZNIK a) długość całkowita linii światł. (IOR =..) = b) liczba odcinków rozłączalnych = długość poszczególnych odcinków rozłączalnych: c) długość całkowita linii światł. (IOR +0,01) = długość całkowita linii światł. (IOR - 0,01) = uzasadnienie: d) całkowite tłumienie linii w db db/km met.aproksym. (LSA) = met.aproksym.(2-points) = e) tłumienie odcinków rozłączalnych: Lp. LSA 2-POINTS db db/km db db/km f) odległość zlokalizowanych zdarzeń oraz ich tłumienności: Lp. odległość LSA 2-POINTS Opis zdarzenia g) długość martwej strefy pomiaru za każdym złączem rozłączalnym: uzasadnienie: h) długość zdarzenia typu spaw o maksymalnej wartości tłumienia = db, jest = m uzasadnienie: i) tłumienie zdarzenia typu złącze rozłączalne najbardziej oddalonego od OTDR dla AVARAGE = 100: odległość = (LSA) = (2-POINTS) = 13
14