: 2 : 2

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
złącze
Nadajnik
sprzęgacz
Fotodioda
:2
Integrator
Monitor
ln
: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):
P1 = Pbs ( 0) = S α s ∆ zPo Ts
∆z = wc / ngr
αs - współczynnik rozpraszania, [1/km], αs[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:
P2 = Pbs ( L ) = S α s ∆ zPo Ts 10− 2αL/10dB
Sygnał o poziomie P3 związany z odbiciem od końca włókna nie zależy od faktoru rozpraszania
S. Wartość P3 można wyznaczyć na podstawie: wartości początkowej mocy Po, całkowitego
tłumienia włókna związanego z dwukrotnym przejściem długości L (2αL) oraz współczynnika
odbicia końca światłowodu r:
P3 = rPo Ts 10− 2αL/10dB
W oparciu o powyższe wzory wyznaczono następujące wartości:
WŁÓKNO:
α
αs
NA
N
S
P1 / P0
Gradientowe
λ=850 nm
3.5 dB/km
0.65 /km
0.2
1.5
4.44*10-3
-32.4 dB
Gradientowe
λ=1300 nm
0.5 dB/km
0.09 /km
0.2
1.5
4.44*10-3
-41.0 dB
Jednomodowe
λ=1300 nm
0.4 dB/km
0.074 /km
0.1
1.5
9.8*10-3
-48.4 dB
Jednomodowe
λ=1550 nm
0.2 dB/km
0.036 /km
0.1
1.5
9.8*10-3
-51.5 dB
Porównując całkowity współczynnik tłumienności α z współczynnikiem rozpraszania αs
wyraźnie widać, że w obecnej chwili rozpraszanie ma decydujący wpływ na tłumienność
światłowodów.
3
Moc [dBm]
Po= 10mW
W= 1µ
µs
Ts= 6dB
r = 4%
Pr= -10dBm
(100µ
µW)
P1= -44dBm
(36,3nW)
P3= -27,6dBm
(1,74µ
µW)
P2= -62dBm
(631pW)
spaw
złącze
spaw
10
20
Czas [s]
odległość
[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 P1 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
x1
[m]
x2
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
x1
x2
[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.
odbicie
Fresnela
od złącza
martwa strefa
pomiaru
x1
x2 x’1
odbicie
Fresnela od
końca linii
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 L1 (x1x2) lub L2 (x’1x’2). Ustawienie znaczników w miejscach x1x’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 x2x’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 – x0 (wyświetlana jest pod
nim wartość liczbowa kiedy jest aktywny) wskazuje odległość mierzonego zdarzenia od początku
linii światłowodowej. Pomiędzy x1 a x2 oraz x3 a x4 nie mogą występować żadne inne zdarzenia
lokalne.
x1
x2 xo
x3
x4
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 – x1
x1 x2
x2
x1
a.
b.
Rys.10. Pomiar długości zdarzenia lokalnego miejscowo zwiększającego tłumienie linii.
Różnica poziomów mocy pomiędzy znacznikami x1 i x2 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
= 100ns
b. PULSE
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 wkładkąą pomiarowąą MN 938A służy
żży do pomiaru światłowodowych
ś
włókien jednomodowych w II oknie transmisyjnym (1310 nm) o maksymalnej długości
długoś 144km.
Poniżej
żej przedstawiono opis funkcjonalny elementów obsługowych umieszczonych na panelu
czołowym przyrządu.
#1
#2
#3
#4
#5
#6
#7
#8
#9
#10
1
POWER Wyłącznik
ącznik sieciowy.
CRT
Ekran przyrządu
przyrzą prezentujący
ą rezultaty pomiaru.
GP-IB
Sterownie przez złącze
złą
GP-IB – nieaktywne.
HELP
Wywołanie na ekranie instrukcji pomocniczych do obsług przyrządu
przyrzą w języku angielskim
λ SELECT
Zmiana długości
długoś fali nadajnika – nieaktywne.
LASER
Włączenie
ączenie / wyłączenie
wyłą
lasera realizującego
ą
cykl pomiarowy.
ON/OFF
LASER
Złącze
ącze pomiarowe typu FC/PC
OUTPUT
DISTANCE
Wybór zakresu długości
długośś mierzonego toru śświatłowodowego. Każdorazowe
Każż
naciśnięcie
dokonuje wyboru sekwencyjnego jednego z zakresów: 144km, 72km, 36km, 18km.1
PULSE
Wybór czasu trwania impulsu optycznego generowanego przez przyrząd.
przyrzą Każdorazowe
ż
naciśnięcie
śnięcie dokonuje wyboru sekwencyjnego jednego z zakresów: 4µs,
4
1µs, 0.1µs.1 Dla
zakresu 18km niedostę
niedostępny jest czas impulsu 4µs.
SPLICE
Wybór rodzaju pomiaru: tłumiennoś
tłumienności
ś wtrąconej,
ą
stratności
śści odcinka toru.
LOSS
Funkcja działa przy włączonym (#6) laserze pomiarowym.
11
#11
#12
#13
#14
#15
AUTO
MANUAL
LSA
2-POINTS
AVERAGE
ON/OFF
V-SCALE
#16
H-ZOOM
IN – OUT
pokrętło
#17
COARSE
#18
MARKER
#19
SHIFT–V
#20
SHIFT–H
#21
MASK
#22
ADVANCED
FUNCTION
SELECT
Initialize
ATT Manual
Ave. Number
Mask Clear
I.O.R.
M-Save
M-Recall
Title
Data/Time
Meter/Feet
Trace
#23
#24
Wybranie sposobu ustawiania znaczników: automatyczne, ręczne
Wybór metody aproksymacji liniowej LSA, dwupunktowej.
Włączenie / wyłączenie trybu uśredniania wyników pomiaru.
Wybór skali pionowej. Każdorazowe naciśnięcie dokonuje wyboru sekwencyjnego
jednego z zakresów: 4dB/dz, 2.5dB/dz, 1,05, 0.2dB/dz.
Wybór skali poziomej w zakresie 25m/dz – 8km/dz1.
Służy do przesuwania znaczników, masek oraz wyboru parametrów funkcji w trybie
„Advanced function”.
Włącza / wyłącza funkcję sterowania znacznikami, maskami jak i suwakami okna
z dużym krokiem.
Włączanie znaczników w liczbie zależnej od rodzaju pracy przyrządu oraz sekwencyjne
przełączanie się między nimi.
Przesuw wykresu w pionie. Zakres okna przedstawianego na ekranie prezentuje gruby
pionowy pasek.
Przesuw wykresu w poziomie1. Zakres okna przedstawianego na ekranie prezentuje gruby
poziomy pasek.
Wstawienie maski w miejscu położenia aktywnego znacznika. Przy pomocy pokrętła #16
można zmieniać położenie maski. Możliwe jest postawienie maksymalnie 3 masek.
Wywołanie listy funkcji specjalnych oraz sekwencyjny wybór jednej po
każdorazowym naciśnięciu.
Lista funkcji specjalnych:
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),
ustawienie liczby uśrednień w zakresie 100 – 45000 co 100 lub ∞,
usunięcie wszystkich ustawionych masek,
ustawienie wartości współczynnika załamania w przedziale 1.4000 - 1.5999
zapisanie pomiaru do jednej z 32 komórek pamięci,
odczytanie pomiaru z jednej z 32 komórek pamięci,
wprowadzenie nazwy pomiaru (max 20 znaków),
ustawienie daty i czasu
wybór jednostki długości (metr / stopa)
wybór sposobu prezentacji wykresu (linią ciągłą–Line / kropkowaną–Dot)
ADVANCED
Edycja parametrów wybranej funkcji specjalnej i jej zatwierdzenie.
FUNCTION
Naciskanie klawisza powoduje zachowanie ustawionych parametrów
SET
i wyjście z menu funkcji specjalnych.
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:
dB/km
dB
d) całkowite tłumienie linii w
met.aproksym. (LSA) =
met.aproksym.(2-POINTS) =
e) tłumienie odcinków rozłączalnych:
2-POINTS
LSA
Lp.
dB
dB/km
dB/km
dB
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