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 światłowodowy dokonuje analizy toru światłowodowego na podstawie sygnału rozproszonego wstecznie oraz odbitego od elementów infrastruktury optycznej, kluczowe dla poprawnego wykonania i interpretacji pomiarów jest zrozumienie zasad jego działania.

Reflektometr optyczny – jak działa?

Na rysunku zaprezentowano schemat blokowy typowego reflektometru światłowodowego. OTDR wprowadza do światłowodu impulsy światła o krótkim czasie trwania, a następnie mierzy powracający do przyrządu sygnał w funkcji czasu. Podczas propagacji impulsów w światłowodzie napotykają one miejsca odbijające i rozpraszające, czego rezultatem jest odbicie części światła w przeciwnym kierunku. Od strony fizycznej odpowiedzialne za to jest rozpraszanie Rayleigha i odbicie Fresnela. Poprzez pomiar czasu przelotu światła powracającego mogą być określone lokalizacje i wartości zakłóceń, a w konsekwencji może zostać scharakteryzowane łącze światłowodowe.

Odbicie Fresnela

Zjawisko występuje na styku dwóch ośrodków różniących się pod względem właściwości rozpraszania światła, czyli na styku ośrodków o różnym współczynniku załamania światła oznaczanym literą n. W efekcie skokowej zmiany współczynnika załamania światła (np. na styku konektor - 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 złącza kątowe (APC – Angled Phisical Contact) z czołem ferruli ściętym pod kątem 8–9°. Sprawia to, że transmitowane światło odbijane jest od czoła konektora pod kątem przekraczającym 16° względem osi wzdłużnej światłowodu. Dzięki temu nie zachodzi całkowite odbicie wewnętrzne w rdzeniu włókna, a większość światła odbitego trafia do płaszcza światłowodu i wycieka na zewnątrz włókna.

W technice światłowodowej odbicie Fresnela obserwowane jest na złączach optycznych, na granicy włókno - powietrze (np. pęknięcie włókna), ale także w miejscach, w których w obszarze rdzenia światłowodu wystąpiły silne niejednorodności materiałowe (np. niejednorodne domieszkowanie, mikroskopijny bąbel powietrza, spaw włókien o istotnie różnych współczynnikach załamania n). Istnienie zjawiska zostało przewidziane, a następnie potwierdzone doświadczalnie już w czasach napoleońskich, podczas badań właściwości szkła przez francuskiego inżyniera Augustina - Jeana Fresnela (1788–1827).

Rozproszenie Rayleigha

Jednym z efektów rozproszenia Rayleigha jest błękitny kolor nieba. Dzięki rozproszeniu Ryleigha możliwy jest też pomiar reflektometryczny światłowodu. Rozproszenie Rayleigha to zjawisko rozpraszania światła na cząsteczkach, których średnica jest co najmniej 10 razy mniejsza niż długość fali elektromagnetycznej, jaką jest światło. Zjawisko zachodzi w gazach, cieczach oraz w przejrzystych ciałach stałych, np. w światłowodzie. Po raz pierwszy zjawisko to zostało opisane przez Johna Williama Strutta, który odziedziczył tytuł barona Rayleigh wraz z prawem zasiadania w Izbie Lordów brytyjskiego parlamentu, a w 1904 roku otrzymał Nagrodę Nobla między innymi za odkrycie argonu.

We włóknie światłowodowym rozproszenie Rayleigha zachodzi na fluktuacjach wartości współczynnika załamania światła n materiału, z którego wykonano włókno, oraz na innych niejednorodnościach materiałowych o średnicy co najmniej dziesięć razy mniejszej niż długość fali transmitowanego światła. Ponieważ takie fluktuacje występują bardzo powszechnie i dość równomiernie w każdym włóknie światłowodowym, to sygnał transmitowany poprzez światłowód jest na całej jego długości rozpraszany. Rozproszenie sygnału następuje we wszystkich kierunkach i tylko mniej więcej jedna milionowa sygnału wprowadzonego do włókna przez reflektometr powraca do jego detektora.

Rysunek 3 ilustruje zjawisko rozproszenia Rayleigh'a na fluktuacjach występujących w materiale rdzenia światłowodu telekomunikacyjnego. W wypadku pomiarów OTDR poziom mocy fali powracającej do złącza reflektometru jest o około 55 db niższy od poziomu mocy światła wprowadzonego do światłowodu.

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

Dla odmiany, podczas pomiaru z drugiego końca linii w punkcie takiego spawu obserwowany będzie nadmierny spadek poziomu wykresu interpretowany często jako nadmierne tłumienie. Dopiero wyciągnięcie wartości średniej tłumienności mierzonej z obu kierunków pozwoli na poznanie rzeczywistej wartości tłumienia takiego spawu.

Do wyzwalania lasera jest stosowany generator impulsów prostokątnych, wyzwalany przez jednostkę przetwarzania sygnałów. W zależności od wymaganej rozdzielczości przestrzennej i czułości pomiarów wykorzystywane są impulsy pomiarowe o różnym czasie trwania. W zależności od zastosowań reflektometr światłowodowy może 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 izolacji między portami. Sprzęgacz kierunkowy kieruje powracający sygnał do fotodetektora, którym jest najczęściej fotodioda lawinowa (APD).

Do detektora docierają sygnały optyczne o rozpiętości wielu rzędów wielkości. Wymusza to, aby odbiornik miał duży zakres dynamiki i dużą czułość. Przetwornik analogowo - cyfrowy stanowi połączenie z częścią cyfrową, gdzie przetwarzane są dane pomiarowe. Częstość próbkowania przetwornika analogowo - cyfrowego determinuje przestrzenne odseparowanie sąsiednich próbek danych. Przykładowo, częstotliwość próbkowania 50 MHz odpowiada 2 - metrowemu odstępowi punktów danych. Jednakże w przypadku pomiarów krótkich łączy (np. w sieciach dostępowych, wewnątrz budynkowych) wymagane są często rozdzielczości przestrzenne o wiele mniejszych niż te, które są osiągalne przez bezpośrednią akwizycję danych.

Ponieważ nie jest praktyczne zwiększanie rozdzielczości poprzez zwiększanie częstotliwości próbkowania w celu poprawy rozdzielczości spektralnej aż do kilku centymetrów w reflektometrach światłowodowych, powszechnie stosowne jest przetwarzanie z przeplotem. Wynikiem pomiaru z przeplotem jest połączenie punktów z poszczególnych pomiarów, odpowiadających kolejnym przeplotom, opóźnionych o zmieniający się ułamek czasu próbkowania. W zależności od wymaganej rozdzielczości liczba poszczególnych pomiarów może być większa dwukrotnie, czterokrotnie lub generalnie w stopniu 2n w porównaniu do pomiarów bez przeplotu. Ponieważ sygnał rozproszenia wstecznego jest zazwyczaj bardzo słaby i często pokryty szumem, proces wysyłania impulsu i odbierania odpowiedzi jest powtarzany wiele razy w celu poprawy stosunku sygnał/szum przez uśrednianie.

Na rysunku 5 zaprezentowano zasadę tworzenia przez reflektometr optyczny przebiegu reprezentującego zdarzenia w torze światłowodowym.