Adres : Kosiarzy 37 paw. 20,
02-953 Warszawa
E-mail :

Aktualności Interlab

28 Listopada 2019
News

Zasada działania reflektometru optycznego

Reflektometr optyczny(OTDR) jest przyrządem pomiarowym służącym do oceny jakościowej i ilościowej zdarzeń występujących w torze światłowodowym. Ze względu na fakt, że reflektometr światłowodowydokonuje analizy toru światłowodowego napodstawie sygnału rozproszonego wstecznie oraz odbitego od elementów infrastruktury optycznej, kluczowe dla poprawnegowykonania i interpretacji pomiarów jestzrozumienie zasad jego działania.

Reflektometr optyczny – jak działa?

Na rysunku zaprezentowano schematblokowy typowego reflektometru światłowodowego. OTDR wprowadza do światłowodu impulsy światła o krótkim czasietrwania, a następnie mierzy powracającydo przyrządu sygnał w funkcji czasu.Podczas propagacji impulsów w światłowodzie napotykają one miejsca odbijające i rozpraszające, czego rezultatem jestodbicie części światła w przeciwnymkierunku. Od strony fizycznej odpowiedzialne za to jest rozpraszanie Rayleighai odbicie Fresnela. Poprzez pomiar czasuprzelotu światła powracającego mogą byćokreślone lokalizacje i wartości zakłóceń,a w konsekwencji może zostać scharakteryzowane łącze światłowodowe.

schemat blokowy OTDRRysunek 1 - schemat blokowy OTDR

Odbicie Fresnela

Zjawisko występuje na styku dwóchośrodków różniących się pod względemwłaściwości rozpraszania światła, czyli nastyku ośrodków o różnym współczynnikuzałamania światła oznaczanym literą n.W efekcie skokowej zmiany współczynnika załamania światła (np. Na stykukonektor-powietrze) część transmitowanego sygnału zostaje odbita wstecznie.W wypadku kwarcu (np. Światłowodu)maksymalnie może być to nawet 4%transmitowanej mocy. Ponieważ wsteczny sygnał w światłowodzie może zakłócać pracę nadajników telekomunikacyjnych, często zamiast złączy prostych(PC – Phisical Contact) stosuje się złączakątowe (APC – Angled Phisical Contact)z czołem feruli ściętym pod kątem 8–9°. Sprawia to, że transmitowane światłoodbijane jest od czoła konektora pod kątem przekraczającym 16° względem osi wzdłużnej światłowodu. Dzięki temu niezachodzi całkowite odbicie wewnętrznew rdzeniu włókna, a większość światłaodbitego trafia do płaszcza światłowodui wycieka na zewnątrz włókna.

W technice światłowodowej odbicie Fresnela obserwowane jest na złączachoptycznych, na granicy włókno-powie-trze (np. Pęknięcie włókna), ale tak-że w miejscach, w których w obszarzerdzenia światłowodu wystąpiły silneniejednorodności materiałowe (np. Niejednorodne domieszkowanie, mikroskopijny bąbel powietrza, spaw włókieno istotnie różnych współczynnikach załamania n). Istnienie zjawiska zostało przewidziane,a następnie potwierdzone doświadczalnie już w czasach napoleońskich,podczas badań właściwości szkła przezfrancuskiego inżyniera Augustina-JeanaFresnela (1788–1827).

odbicie FresnelaRysunek 2 - Odbicie Fresnela

Rozproszenie Rayleigha

Jednym z efektów rozproszenia Rayleigha jest błękitny kolor nieba. Dziękirozproszeniu Raileigha możliwy jest teżpomiar reflektometryczny światłowodu. Rozproszenie Rayleigh’a to zjawisko rozpraszania światła na cząsteczkach, których średnica jest co najmniej10 razy mniejsza niż długość fali elektromagnetycznej, jaką jest światło. Zjawisko zachodzi w gazach, cieczach orazw przejrzystych ciałach stałych, np.W światłowodzie. Po raz pierwszy zjawisko to zostało opisane przez Johna Williama Strutta, który odziedziczył tytułbarona Rayleigh wraz z prawem zasiadania w Izbie Lordów brytyjskiego parlamentu, a w 1904 roku otrzymał NagrodęNobla między innymi za odkrycie argonu.

We włóknie światłowodowym rozproszenie Rayleigha zachodzi na fluktuacjachwartości współczynnika załamaniaświatła n materiału, z którego wykonano włókno, oraz na innych niejednorodnościach materiałowych o średnicyco najmniej dziesięć razy mniejszej niżdługość fali transmitowanego światła.Ponieważ takie fluktuacje występują bardzo powszechnie i dość równomierniew każdym włóknie światłowodowym, tosygnał transmitowany poprzez światłowód jest na całej jego długości rozpraszany. Rozproszenie sygnału następujewe wszystkich kierunkach i tylko mniejwięcej jedna milionowa sygnału wprowadzonego do włókna przez reflektometr powraca do jego detektora.

Rysunek 3 ilustruje zjawisko rozproszenia Rayleigha na fluktuacjach występujących w materiale rdzenia światłowodutelekomunikacyjnego. W wypadku pomiarów OTDR poziom mocy fali powracającej do złącza reflektometru jesto około 55 db niższy od poziomu mocyświatła wprowadzonego do światłowodu.

odbicie FresnelaRysunek 3 - Rozproszenie Rayleigha na fluktuacjach występujących w materiale rdzeniahodbicie FresnelaRysunek 4 - Rozproszenie Rayleigha

W punkcie spawu włókien światłowodowych często obserwuje się podbiciapoziomu reflektogramu (ujemne tłumienie), choć należałoby spodziewać sięw tym punkcie skokowego spadku poziomu wykresu spowodowanego tłumieniem spawu. Podbicia te są efektem wyższego poziomu rozproszenia wstecznego Rayleighaw drugim włóknie, względem poziomurozproszenia Rayleigha włókna znajdującego się bliżej reflektometru (ponieważw drugim włóknie rozprasza się więcej światła, to i stosunkowo więcej światładociera też z powrotem do reflektometru).

Dla odmiany, podczas pomiaruz drugiego końca linii w punkcie takiegospawu obserwowany będzie nadmiernyspadek poziomu wykresu interpretowany często jako nadmierne tłumienie.Dopiero wyciągnięcie wartości średniejtłumienności mierzonej z obu kierunków pozwoli na poznanie rzeczywistej wartości tłumienia takiego spawu.

Do wyzwalania lasera jest stosowany generator impulsów prostokątnych, wyzwalanyprzez jednostkę przetwarzania sygnałów.W zależności od wymaganej rozdzielczości przestrzennej i czułości pomiarówwykorzystywane są impulsy pomiarowe o różnym czasie trwania. W zależności odzastosowań reflektometr światłowodowymoże być wyposażony we wkładki optyczne zapewniające od jednej do czterech długości fali pomiarowych. W celu zapewnienia by sygnał lasera nie nasycał odbiornika źródło jest sprzężone z testowanym światłowodem przez sprzęgacz kierunkowy(lub cyrkulator) o wystarczającej izolacjimiędzy portami. Sprzęgacz kierunkowykieruje powracający sygnał do fotodetektora, którym jest najczęściej fotodioda lawinowa (APD).

Do detektora docierają sygnały optyczneo rozpiętości wielu rzędów wielkości. Wymusza to, aby odbiornik miał duży zakresdynamiki i dużą czułość. Przetwornikanalogowo-cyfrowy stanowi połączeniez częścią cyfrową, gdzie przetwarzane sądane pomiarowe. Częstość próbkowaniaprzetwornika analogowo-cyfrowego determinuje przestrzenne odseparowanie sąsiednich próbek danych. Przykładowo, częstotliwość próbkowania 50 MHz odpowiada2-metrowemu odstępowi punktów danych.Jednakże w przypadku pomiarów krótkichłączy (np. W sieciach dostępowych, wewnątrzbudynkowych) wymagane są częstorozdzielczości przestrzenne o wiele mniejszych niż te, które są osiągalne przez bezpośrednią akwizycję danych.

Ponieważ nie jest praktyczne zwiększanie rozdzielczościpoprzez zwiększanie częstotliwości próbkowania w celu poprawy rozdzielczości spektralnej aż do kilku centymetrów w reflektometrach światłowodowych, powszechniestosowne jest przetwarzanie z przeplotem.Wynikiem pomiaru z przeplotem jest połączenie punktów z poszczególnych pomiarów, odpowiadających kolejnym przeplotom, opóźnionych o zmieniający sięułamek czasu próbkowania. W zależnościod wymaganej rozdzielczości liczba poszczególnych pomiarów może być większadwukrotnie, czterokrotnie lub generalniew stopniu 2n w porównaniu do pomiarówbez przeplotu. Ponieważ sygnał rozproszenia wstecznego jest zazwyczaj bardzo słabyi często pokryty szumem, proces wysyłania impulsu i odbierania odpowiedzi jestpowtarzany wiele razy w celu poprawy stosunku sygnał/szum przez uśrednianie.

Na rysunku 5 zaprezentowano zasadętworzenia przez reflektometr optycznyprzebiegu reprezentującego zdarzeniaw torze światłowodowym.

odbicie FresnelaRysunek 5 - Zasada tworzenia przebiegu reflektometrycznego; (a) mierzona linia światłowodowa; (b) wysyłanie impulsów i pomiar mocy w kolejnych chwilach; (c) rejestracja i przyporządkowanie kolejnych próbek; (d) prezentacja wyniku w postaci reflektogramu

Od ponad 30 lat INTERLAB jest niezawodnym partnerem dla setek polskich firm i instytucji publicznych.Nasza specjalność to aparatura kontrolno-pomiarowa na potrzeby telekomunikacji, jak również instrumenty naukowo-badawcze dla uczelni.

Nasz serwis - podobnie jak wiele innych stron WWW - wykorzystuje pliki cookies. Korzystanie z witryny oznacza zgodę na ich zapis lub odczyt zgodnie z ustawieniami przeglądarki. Zobacz politykę prywatności