Рефлектометрия оптических волокон (ВОЛС)

Принципиальное отличие рефлектометрии от прямого измерения оптических потерь приборами OLTS состоит в том, что оптический рефлектометр OTDR, размещенный на ближнем конце, посылает в проверяемый сегмент излучение и регистрирует сигналы, вернувшиеся назад к исходному порту. Измерительного оборудования или заглушек на дальнем конце сегмента нет.

Современные рефлектометры определяют значения оптических потерь на участках волокна, муфтах и коннекторных соединениях. Однако такая оценка производится на основании отраженного излучения – метод заведомо менее точный, чем непосредственное измерение потерь при помощи источника излучения на одном конце и измерителя на другом. Вместе с тем, рефлектометрия позволяет определить, какой из элементов ВОЛС вносит наибольший вклад в общие потери, в то время как прямое измерение двухмодульными приборами OLTS дает лишь суммарное значение потерь, без детализации по составным элементам линии.

Порт рефлектометра совмещает функции передатчика и приемника. Источник отправляет в сегмент импульсы определенной мощности и продолжительности, затем отключается, и на том же порту начинает работать фотоприемник. Последний регистрирует мощность сигналов, отразившихся от различных препятствий в волокне, фиксирует время их поступления и «путешествия» в волокне и выдает результаты в виде графика - рефлектограммы с обнаруженными в сегменте событиями. Время регистрации событий пересчитывается в расстояние, которое откладывается по горизонтали в метрах или километрах.

Типичная рефлектограмма простой волоконно-оптической линии

На рисунке показана рефлектограмма одномодовой волоконно-оптической линии длиной 2887 м, снятая прибором OptiFiber Certifying OTDR производства Fluke Networks на длинах волн 1310 нм (синий график) и 1550 нм (зеленый график). Рефлектометр подключен к сегменту через катушку длиной 131 м (Launch Cable, согласующий кабель); нулевая отметка длины соответствует конечному разъему катушки и началу тестируемого сегмента.

Основная задача согласующего кабеля – перекрыть мертвую зону в начале рефлектограммы, чтобы к моменту, когда первые отраженные сигналы вернутся к фотоприемнику, тот уже пришел в рабочее состояние и мог их зарегистрировать. В старых моделях рефлектометров длина согласующего кабеля могла составлять несколько километров. В новых приборах, использующих более отзывчивые фотоприемники, длина катушки составляет 100-150 м.

Доля излучения, которая отражается в волокне от различных препятствий и направляется назад к фотоприемнику, очень мала. Самое сильное естественное отражение (например, от конца сегмента, представляющего собой заполированный под 90º торец волокна) не превышает 4% от исходной мощности излучения – это коэффициент отражения, близкий к френелевскому. Другие виды отражений существенно слабее, поэтому фотоприемники приходится делать очень чувствительными, а источники – очень мощными, особенно с учетом того, что сегменты могут иметь большую протяженность. По этой причине при проведении рефлектометрических измерений активное оборудование на дальнем конце лучше отключить из соображений безопасности.

Некоторые производители заявляют о наличии в портах активного оборудования светофильтров, отсекающих длины волн, на которых проводят измерение рефлектометры. Однако модели рефлектометров разнообразны, работают на разных длинах волн в зависимости от типа волокна и режима измерения, и надежнее физически отсоединять активное оборудование, чтобы исключить риск его повреждения мощным излучением рефлектометра. Кроме того, необходимо следить, чтобы рядом с последним разъемом сегмента при измерении не оказались блестящие и отражающие предметы – зеркала, мобильные телефоны, металлические браслеты от часов и т. п. Лучше всего закрыть последний разъем в сегменте защитным пластиковым или резиновым колпачком.

Анализ рефлектограммы оптического кабеля

Рефлектометр OTDR позволяет обнаружить и отобразить на рефлектограмме коннекторные соединения, сварные и механические соединения, изгибы и другие неоднородности волокна – так называемые события (Events). Неоднородности могут быть отражающими и неотражающими. Коннекторные соединения с полировкой PC/SPC/UPC, открытый конец сегмента с таким же разъемом, трещина в волокне или обрыв, образующие поверхность разлома под углом порядка 90º к оси волокна – примеры отражающих неоднородностей. В этих случаях происходит отражение части исходного излучения в направлении фотоприемника. На рефлектограмме такие события отображаются в виде пиков.

Отражающие и неотражающие неоднородности на рефлектограмме

Отражающие неоднородности сопровождаются потерями, ведь отражение части сигнала назад приводит к тому, что излучение, распространяющееся в прямом направлении, ослабевает как минимум на ту же величину. Однако для классификации события как отражающего принципиально именно наличие отражения. В отличие от отражающих неоднородностей, такие события как сварные соединения, трещины под углами, отличными от 90º к оси волокна, макро- и микроизгибы, внутренние дефекты световодов относятся к неотражающим неоднородностям. Отражающей составляющей в них нет, а потери вызваны рассеиванием излучения не в сторону источника. На рефлектограмме такие события (Loss Event) выглядят как ступеньки, направленные вниз. (Однако в случаях соединения волокон разных производителей, место сварного стыка может отображаться и ступенькой вверх). Такое событие «Gainer» описано ниже.

Чем больше угол трещины отклоняется от нормали к оси волокна, тем меньше доля отражаемого излучения:
 

События, в которых доля отраженного излучения не превышает сотых долей процента, относятся к неотражающим – в таблице они выделены серым фоном. Если в сегменте присутствуют коннекторные соединения APC с угловой полировкой, они будут отображаться на рефлектограмме как неотражающие события, поскольку имеют угол отклонения 8º. Качественно заполированные и чистые соединения APC при некоторых условиях могут остаться вообще незамеченными в ходе измерения.

Угол наклона участков рефлектограммы между пиками характеризует погонное затухание по длине кабеля. Если в сегменте везде используется волокно одного и того же типа и качества, все участки рефлектограммы, снятой на одной длине волны, должны иметь одинаковый наклон.

Угол наклона рефлектограммы, характеризующий величину рэлеевского рассеяния в оптическом кабеле

При прочих равных условиях с изменением рабочей длины волны погонное затухание в кабеле в дБ/км изменяется, что приводит к изменению угла наклона рефлектограммы.

Разница особенно хорошо заметна для многомодовых волокон – см. ниже рисунок с рефлектограммой, полученной прибором Fluke Networks DTX-OTDR. Зеленый график, снятый при 1300 нм, имеет наклон относительно горизонтали меньше, чем у синего графика, снятого при 850 нм. На той же рефлектограмме показаны отражающие события для начала и конца линии, а также два события отражения в середине сегмента – на расстоянии 103 и 153 м от ближнего конца.

Рефлектограмма многомодового сегмента длиной 203 м (прибор Fluke Networks DTX-OTDR)

Трактовка событий и само отображение графиков на рефлектограмме в очень большой степени зависят от программного обеспечения рефлектометра и алгоритмов обработки полученных данных. Однако существует базовый набор событий, которые фиксируются практически всеми рефлектометрами.

Коннекторное соединение: оптические потери в сочетании с отражением

Оптические потери в чистом виде (неотражающее событие) – например, сварное муфтовое соединение

Идентификация макроизгиба (см. рис. ниже): потери на коротких волнах (темный график снят на 1310 нм) существенно меньше, чем потери на длинных волнах (красный график, 1550 нм). Это неотражающее событие трактуется как макроизгиб, а не муфта.

Скрытое событие (лучше обнаруживается на коротких волнах)

Мертвые зоны в рефлектометрии разделяют на мертвые зоны по событиям и мертвые зоны по затуханию. При получении достаточно мощного излучения, отраженного от оптического разъема или торца волокна, фотоприемник насыщается. Для освобождения р-n перехода от накопленного заряда требуется определенное время, в течение которого фотоприемник «слеп» и не может обнаруживать события либо, в лучшем случае, распознает их как скрытые. При большой мощности лазерного диода к насыщению фотоприемника может привести даже рэлеевское рассеяние излучения в начале волокна.

В спецификациях на рефлектометры производители указывают протяженность мертвых зон по событиям и мертвых зон по затуханию для разных длин волн. В современных приборах они составляют метры или несколько десятков сантиметров (измеренные с использованием самого короткого зондирующего импульса). При прочих равных условиях, чем меньше длина волны и ширина импульса, тем короче мертвая зона, поэтому часть событий, особенно расположенных близко к рефлектометру, можно обнаружить, уменьшив ширину импульса в ручном режиме. Однако иногда элементы ВОЛС расположены так близко друг к другу, что единственный способ достоверно распознать скрытое событие – снять рефлектограмму с противоположного конца сегмента.

Примеры «фантомов»: ложное событие после конца сегмента (слева) и результат переотражений в середине сегмента (справа)

Кажущееся усиление сигнала на рефлектограмме и причины его возникновения

При снятии рефлектограммы в противоположных направлениях можно произвести усреднение потерь для события и получить истинное значение потерь в данной точке. Если «усиление» существенное, необходимо проверить параметры состыкованных волокон и, возможно, заменить участки с несоответствующими характеристиками.

Рефлектометр выводит пользователю облагороженную картинку, лишенную множества деталей, которые могли бы усложнить восприятие. Но иногда сам алгоритм обработки приводит к неверной трактовке событий, особенно в автоматическом режиме работы. Об этом нужно помнить при интерпретации результатов, а при необходимости отказываться от автоматического режима и переходить на ручной. В любом случае нужно соблюдать все рекомендованные производителем процедуры. Одна из них – применение волокна подключения (согласующего кабеля) и волокна приема.

Компенсация волокон подключения и принимающего волокна

В зависимости от модели рефлектометра перед выполнением измерения рекомендуется произвести установку согласующего оптического кабеля (катушки подключения) определенной длины и принимающего волокна – только при их наличии можно определить характеристики первого и последнего соединения в тестируемом сегменте, это наиболее точный метод измерения. Процедура может называться по-разному: установка компенсации, установка волокон подключения и приема и т.п.

Подключение согласующего и принимающего кабеля для их компенсации (слева) и подключение тестируемого сегмента между ними при измерении (справа)

На следующем рисунке приведена рефлектограмма, снятая с использованием катушки подключения и в отсутствие принимающего кабеля, а также список идентифицированных событий.

В приведенном примере перед измерением была установлена одномодовая катушка (согласующий кабель) длиной 131.14 м. Метки длины сегмента начитаются не от порта рефлектометра, а от концевого коннектора катушки, что удобно для интерпретации результатов. На расстоянии 72.13 м от начала тестируемого сегмента обнаружена отражающая неоднородность, характеризующаяся обратным рассеянием -34.85 дБ на длине волны 1310 нм и -35.93 дБ на длине волны 1550 нм. Потери оптической мощности в той же точке оценены рефлектометром как 0.61 дБ и 0.51 дБ соответственно. Поскольку выставленный в настройках в соответствии со стандартом предел потерь составляет 0.75 дБ, данное событие получило в таблице отметку PASS.

На расстоянии 278.47 м от начала линии идентифицирован конец сегмента. Поскольку в конфигурации не использовалось волокно приема, определить потери на последнем коннекторном соединении невозможно, и в таблице событий стоит отметка N/A (данные недоступны). Единственный численный показатель, который можно в таких условиях определить для последнего разъема – величина обратного рассеяния.

Характеристики последнего коннектора в линии

Если бы в сегменте использовалось волокно приема, на рефлектограмме после события потерь, относящегося к последнему разъему, появился бы пологий участок графика, соответствующий длине волокна приема. Наличие пологого участка позволило бы рефлектометру численно оценить величину потерь по методике, показанной ранее.

Критерии PASS/FAIL

Многие рефлектометры позволяют использовать для измеряемых величин (прежде всего, оптических потерь) критерий PASS/FAIL. Предельно допустимые величины по умолчанию могут браться из телекоммуникационных стандартов, но могут задаваться и пользователем. В примерах выше пределом потерь выступала стандартная величина 0.75 дБ. Если к сегменту применяются специфические требования, можно указать более строгие пределы – например, 0.4 дБ или 0.25 дБ – в зависимости от конфигурации тестируемой линии и допустимого бюджета затухания.

При проведении рефлектометрических измерений нужно помнить, что потери определены по отраженному сигналу. Это оценочный метод, его точность невысока. Для многокилометровых сегментов этот способ единственный, его приходится использовать просто потому, что для прямого измерения потерь оптическими тестерами OLTS (двухмодульный прибор, включающий источник излучения и измеритель оптической мощности) пришлось бы везти второй модуль прибора в удаленную точку. Но для коротких сегментов, установленных в пределах одного здания или группы зданий правильнее и надежнее прибегать к сертификации при помощи комплектов OLTS, измеряющих потери напрямую, а рефлектометрию применять для диагностики при получении результата FAIL.

Динамический диапазон рефлектометра

По определению Международной Электротехнической Комиссии (МЭК, она же IEC – International Electrotechnical Commission) динамический диапазон рефлектометра – разность между уровнем сигнала обратного рэлеевского рассеяния в начале рефлектограммы и пиковым значением шумов в отсутствие сигнала (в конце рефлектограммы), см. рисунок ниже.

Динамический диапазон рефлектометра согласно определению IEC (D_IEC) и динамический диапазон D_rms, определенный по среднеквадратическому уровню шума (методика большинства производителей рефлектометров)

Динамический диапазон определяет максимальную величину потерь, которые может измерить данная модель рефлектометра. Чем больше динамический диапазон, тем «дальнобойнее» рефлектометр при прочих равных условиях. Если измеряемый сегмент имеет не очень большую длину, но сложную конфигурацию (большое количество коннекторных и муфтовых соединений, на которых теряется оптическая мощность), то рефлектометр с широким динамическим диапазоном зафиксирует больше событий потерь, в то время как рефлектометр с ограниченным диапазоном может «не увидеть» дальнюю часть сегмента после точки, в которой совокупные потери в линии превысят возможности прибора.

Длительность (ширина) импульса и разрешающая способность рефлектометра, автоматический и ручной режимы работы

Динамический диапазон зависит от длительности импульсов, испускаемых рефлектометром, диапазона расстояний и времени усреднения сигнала. В автоматическом режиме рефлектометр сначала определяет длину сегмента и к ней подбирает прочие параметры. В большинстве случаев этого режима достаточно для снятия содержательной рефлектограммы.

Ручной режим приносит пользу в тех случаях, когда автоматический режим дает недостаточно информации об отдельных событиях и требуется дополнительная детализация. Так, увеличение продолжительности импульсов увеличивает динамический диапазон, а значит, позволит рефлектометру увидеть «дальше», чем при использовании коротких импульсов. При этом более широкий импульс уменьшает разрешающую способность прибора, возможность различать близко расположенные друг к другу события, поскольку отраженные от них импульсы полностью или частично перекрываются.

Чем продолжительнее импульс рефлектометра, тем шире пики в событиях отражения, и тем выше вероятность того, что импульсы перекроются полностью и события нельзя будет распознать как разные. С другой стороны, уменьшение продолжительности импульса, позволив детальнее распознать близко расположенные события, уменьшит динамический диапазон и не даст рефлектометру «увидеть» удаленные участки сегмента. По этим причинам бывают ситуации, когда для разных участков тестируемого сегмента приходится подбирать разные параметры ручного режима и снимать не одну, а несколько рефлектограмм. Особенно часто приходится прибегать к ручному режиму в случае, если сегмент настолько протяженный, что ехать с прибором на другой конец для снятия рефлектограммы во встречном направлении экономически нецелесообразно, и тогда разные рефлектограммы сосредотачиваются на разных участках сегмента: ближнем, среднем и дальнем.

Приборы и инструменты для работы с оптическим волокном

Оптические рефлектометры: обзор популярных моделей!

Сертификация и диагностика волоконно-оптических линий: полное руководство!

Как выбрать оптимальный оптический рефлектометр и не потратить много денег