Принцип роботи оптичного рефлектометра (OTDR)

Короткий вступ

Якщо Ви працюєте з оптичними мережами, то, напевно, чули про оптичний рефлектометр (англійською він називається OTDR), а, можливо, навіть виконували з його допомогою реальні вимірювання. В даний час оптичний рефлектометр – це головний прилад, який активно використовується при будівництві та експлуатації будь-яких оптоволоконних мереж передачі інформації. Чому ж рефлектометри так масово використовуються? Тому що вони дозволяють не просто виявляти проблему в оптичному волокні, а й точно визначати місце, де ця проблема знаходиться із зазначенням відстані до неї в метрах.

Щоб ефективно застосовувати оптичний рефлектометр на практиці, необхідно розуміти принцип його роботи. Як оптичний рефлектометр працює? З яких складових складається? Що відбувається під час виміру? Відповіді ці питання ми докладно розглянемо у цій статті. Крім того, ми розповімо про важливі аспекти застосування оптичних рефлектометрів під час проведення реальних вимірів.

Конструкція типового оптичного рефлектометра

Перед тим, як ми почнемо розбиратися, що у рефлектометра знаходиться всередині, давайте подивимося, що у нього є зовні. На фото нижче показаний оптичний рефлектометр серії Anritsu MT9083x2, який конструктивно дуже схожий на більшість сучасних рефлектометрів. У легкому портативному корпусі знаходяться: потужний мікропроцесор, кольоровий екран з високою роздільною здатністю, акумуляторна батарея для тривалої автономної роботи і, власне, сам рефлектометр, роз'єм якого розташований на верхній частині корпусу під захисними пластиковими кришками.

На фото нижче показано верхню частину рефлектометра Anritsu MT9083x2, якщо відкрити всі захисні кришки. Цифрами позначені: 1 – бічні елементи корпусу для захисту від ударів, 2 – конектор вимірника оптичної потужності, 3 – джерело видимого (червоного) світла для візуального знаходження переплутаних або пошкоджених волокон, 4 – два окремі конектори оптичного рефлектометра (один для одномодових волокон для багатомодових), 5 – USB інтерфейси.

Практично всі добрі рефлектометри містять усі ці елементи, але зараз нас цікавлять лише конектори оптичного рефлектометра (Цифра 4 на фотографії). Точніше, лише один конектор – для підключення одномодових волокон. Далі ми докладно розглянемо принцип роботи та внутрішній пристрій одномодового рефлектометра. Два інших типи рефлектометрів: для багатомодових волокон і для вимірювань на активному волокні побудовані за таким же принципом.

Принцип роботи оптичного рефлектометра

Оптичний рефлектометр працює за принципом радара – посилає в волокно короткий потужний імпульс світла і відразу починає вимірювати всі відображення, що виникають під час руху цього імпульсу вздовж волокна. Як тільки зондуючий світловий імпульс доходить до будь-якої неоднорідності у волокні, наприклад зварювання, конектора або пошкодження, відразу частина світла відбивається від цього місця і починає рухатися по волокну у зворотний бік – у напрямку до рефлектометра – де вона реєструється фотоприймачем. Але сам зондуючий імпульс, хоч і трохи ослаблений, продовжує свій рух по волокну, послідовно відбиваючись від усіх неоднорідностей, що зустрічаються на своєму шляху, поки не дійде до кінця волокна або до місця його повного обриву.

Усередині оптичного рефлектометра розташовані три основні елементи (лазер, розгалужувач і приймач), які забезпечують проведення вимірювань параметрів оптоволокна і яких залежить характеристики рефлектометра та її точність. Взаємодія основних елементів рефлектометра показано цій схемі.

Перший елемент – це лазерний світлодіод, який формує короткі зондувальні імпульси необхідної тривалості (зазвичай від 5 нс до 20 мкс). Для кожної довжини хвилі всередині рефлектометра є окремий лазерний світлодіод. Наприклад, якщо рефлектометр працює на двох довжинах хвиль: 1310 нм і 1550 нм, то в ньому встановлено два лазерні світлодіоди.

Другий елемент – це оптичний розгалужувач, який пропускає випромінювання лазера в оптоволокно, але не дає йому потрапляти до приймача. Також розгалужувач забезпечує проходження відбитого у волокні світла до приймача оптичного випромінювання для його реєстрації та вимірювання.

Третій елемент – це чутливий фотоприймач, який точно вимірює рівні та затримки за часом всіх відбитків, що з'являються при проходженні зондуючого світлового імпульсу вздовж волокна. Від якості приймача залежать два найважливіші параметри оптичного рефлектометра: динамічний діапазон та мертва зона. Крім того, якість приймача прямо впливає на точність самого виміру.

Всі три елементи є в цьому короткому навчальному відео, що ілюструє принцип роботи рефлектометра за допомогою анімації. У відео показано як вимірювальні імпульси формуються за допомогою лазерного світлодіода, як вони потрапляють в основне волокно за допомогою оптичного розгалужувача і як відбиті від різних неоднорідностей волокна зворотні імпульси повертаються до фотоприймача рефлектометра.

На фотографії нижче показано, як все це виглядає в реальності. Тут представлена головна плата сучасного одномодового оптичного рефлектометра, що працює на довжинах хвиль 1310 нм та 1550 нм. На цій фотографії цифрами позначені три головні елементи рефлектометра (лазери, розгалужувач і приймач), а також його вхідний конектор, до якого підключається оптоволокно, що вимірюється.

Зверніть увагу, що вимір усіх відбитків від одного зондуючого світлового імпульсу не дозволить побудувати повноцінну рефлектограму. Потужність одного імпульсу дуже мала і за вимірі його відбитків реєструється велика кількість випадкового шуму. Для того, щоб максимально знизити ефект шуму та отримати чисту рефлектограму, доводиться виконувати вимір деякий час, зазвичай, від 10 до 20 секунд. За цей час оптичний рефлектометр встигає відправити в волокно тисячі зондувальних світлових імпульсів і виміряти відображення кожного з них. Після чого він виконує усереднення, аналіз та відображення результатів у вигляді графіка рефлектограми та таблиці подій, яка розташовується під графіком.

Для прикладу, на цьому скріншоті показаний результат вимірювання параметрів одномодового волокна довжиною 1,0970 км, яке виконувалось за допомогою компактного рефлектометра EXFO MaxTester 720B. У цьому волокні виявлено погане зварювання з втратами 0,146 дБ, що знаходиться на відстані 1,0319 км від початку волокна, що тестується. Вона відзначена на рефлектограмі як подія №2.

Що важливо знати, коли Ви тільки починаєте працювати з оптичним рефлектометром

У попередньому розділі ми розібралися, як працює оптичний рефлектометр. Зрозуміло, що для простоти пояснення ми не розглядали другорядні та несуттєві деталі. Основна мета цієї статті – дати хороше, базове уявлення про те, як влаштований оптичний рефлектометр і розповісти про найважливіші речі, щоб Ви могли успішно почати користуватися цим приладом.

При роботі з оптичним рефлектометром завжди необхідно пам'ятати про дві речі:

1. Звичайний оптичний рефлектометр не можна підключати до активної лінії! Фотоприймач рефлектометра – це дуже чутливий пристрій, який здатний вимірювати мінімальні рівні світлового потоку і якщо на нього потрапить потужне випромінювання, наприклад від магістрального передавача, рефлектометр піде в захисний режим або просто згорить. Виняток становлять спеціальні рефлектометри, призначені для тестування активних волокон, наприклад, модель EXFO MAX-730C-SM8. Такі рефлектометри мають окремий конектор з робочою довжиною хвилі 1625 нм або 1650 нм і вбудованим фільтром, який відсікає інші довжини хвиль. Якщо Ви точно не знаєте чи є в волокні випромінювання, що підключається, то спочатку перевірте це за допомогою будь-якого вимірника оптичної потужності.

2. Вхідний конектор рефлектометра дуже легко пошкодити Але потім складно і дорого ремонтувати. Центральна частина конектора є керамічний циліндр діаметром 2,5 мм. У центрі цього циліндра розташована серцевина оптичного волокна, через яку проходить випромінювання. Діаметр серцевини одномодового волокна становить 9 мкм (це менше однієї сотої частки міліметра). Будь-який бруд або мікродрапіна в центральній частині конектора може вивести пристрій з ладу. Сам рефлектометр буде працювати, але світло в волокно нормально проходити вже не зможе. Бруд ще можна відчистити, хоч це і не просто, але якщо з'являться подряпини, то доведеться проводити ремонт. Щоб вхідний конектор рефлектометра завжди був у відмінному стані, очищайте будь-який патчкорд, який збираєтеся до нього підключити, перед самим підключенням. Крім того, можна один раз підключити до рефлектометра невеликий патчкорд із розеткою-адаптером на другому кінці і більше його не відключати. При такому методі в процесі роботи дряпатиметься другий кінець патчкорду, а роз'єм рефлектометра залишиться цілим.

На ілюстрації нижче показано чотири фотографії різних оптичних конекторів. Ці фотографії отримані за допомогою спеціального оптичного мікроскопа із збільшенням 400 разів. На фотографії 1 показаний вхідний конектор одномодового рефлектометра, який надійшов на ремонт сервісний центр. На перший погляд конектор просто сильно забруднений і його можна очистити. На фотографії 2 показаний зовнішній вигляд цього конектора після ретельного очищення. Як бачите, бруд видалили, але під ним опинилися подряпини і кілька великих потертостей. Щоб відновити роботу цього рефлектометра, довелося повністю замінити його вхідний конектор. На фотографії 3 показаний новий конектор відразу після заміни – чистий і без подряпин. У самому центрі конектора на фотографії 3 добре видно світлішу точку – це серцевина одномодового волокна, по якій повинен проходити оптичний сигнал. Її діаметр становить лише 9 мкм (1 мкм = 0,001 мм). А на фотографії 4 ми вирішили показати, як виглядає, при перегляді мікроскопом, активне волокно до якого, як Ви вже знаєте, рефлектометр підключати не можна.

Налаштування оптичного рефлектометра для проведення вимірювань

Тепер перейдемо безпосередньо до вимірів. Підключають оптичний рефлектометр до волокна, що перевіряється, за допомогою перехідного патчкорда (зазвичай триметрового) або компенсаційної котушки (довжиною від 300 до 500 метрів). Що використовувати: короткий патчкорд чи довгу котушку? Це залежить від Ваших цілей: якщо просто хочете знайти пошкодження в оптоволокні, то можна використовувати короткий патчкорд, а якщо плануєте отримати сертифікат на оптичні волокна, то доведеться вимірювати з двома котушками (по одній на кожному кінці волокна), до того ж вимір кожного волокна необхідно буде провести у двох напрямках.

Важливо щоб тип волокна патчкорда або котушки збігався з волокном, що перевіряється. Наприклад, якщо тестуєте одномодове волокно на довжинах хвиль 1310 нм і 1550 нм, треба використовувати одномодові патчкорди або котушки зі стандартним G.652 волокном. Якщо тестуєте на довжинах хвиль 850 нм і 1300 нм багатомодове волокно з серцевиною 50 мкм, то сполучні патчкорди або котушки також мають бути з багатомодового волокна того ж типу із серцевиною 50 мкм.

Коли все правильно підключено, можна починати вимірювати. Перед запуском першого виміру необхідно вибрати потрібні довжини хвиль і грамотно задати початкові налаштування рефлектометра: вимірювана відстань, тривалість зондувальних імпульсів і загальний час виміру на одній довжині хвилі. На фотографії нижче показано, як виглядають ці налаштування на екрані рефлектометра EXFO MaxTester 720B. Будь-який інший рефлектометр, незалежно від виробника та конкретної моделі, також матиме ці налаштування. Вони можуть виглядати інакше або бути сховані в меню, але довжина хвиль, відстань, імпульс і тривалість є базовими параметрами і їх завжди можна встановити в будь-якому рефлектометрі.

Розглянемо кожну з цих чотирьох базових опцій оптичного рефлектометра докладніше.

Довжини хвиль. Це найпростіше налаштування. У 99% випадків одномод вимірюють на довжинах хвиль 1310 і 1550 нм, а багатомод на довжинах хвиль 850 і 1300 нм. Виняток становлять рефлектометри для PON з трьома довжинами хвиль 1310/1490/1550 нм, а також поліпшений пошук макровигинів на довжинах хвиль 1310/1625 нм і вимірювання на активних волокнах (звичайно використовують 1625 нм, рідше 1650 нм не часто. Отже, якщо Ви вимірюєте одномодові волокна, то встановлюйте 1310 та 1550 нм, а якщо багатомодові, то 850 та 1300 нм. Щоправда, якщо потрібно просто визначити довжину волокна чи місце обриву, то прискорення можна вибрати лише одну довжину хвилі.

Вимірювана відстань. Головне правило, яке треба слідувати при встановленні відстані: на рефлектограмі завжди повинен бути видно кінець оптичної лінії. Якщо у вас лінія 500 метрів, встановлюйте відстань 1,25 км. Якщо у вас лінія 4 км, встановлюйте відстань 5 км. Це важливо для автоматичного оброблення рефлектограми самим приладом. Якщо рефлектометр не бачить кінця оптичного волокна, йому буде важко розрахувати положення відбиття світла в оптоволокні і на рефлектограмі можуть з'явитися помилкові події (наприклад, фантомні піки). Тому завжди проводьте вимір повної довжини волокна плюс невеликий запас по відстані. Якщо точна довжина волокна невідома, проведіть швидкий вимір на одній довжині хвилі та на великій відстані, так Ви дізнаєтесь про довжину волокна.

Тривалість зондувальних імпульсів. Тривалість імпульсу прямо впливає динамічний діапазон і мертву зону рефлектометра. Чим менший імпульс, тим краще мертва зона, а значить і здатність рефлектометра розрізняти близькі події. Але при малих імпульсах (5 - 10 нс) оптичний рефлектометр має мінімальний динамічний діапазон, а значить можна буде впевнено вимірювати тільки короткі лінії. Тому тривалість імпульсу, яку Ви використовуватимете для вимірювання, безпосередньо залежить від якості рефлектометра, протяжності оптичного волокна та сумарного згасання в цьому волокні. Для коротких ліній (до 2-3 км) встановлюйте імпульс 10 або 30 нс. Для ліній середньої довжини (до 20-30 км.) встановлюйте імпульс від 100 до 500 нс. Для протяжних магістралей (понад 50 км) використовуйте потужні імпульси тривалістю 1 мкс і більше. Експериментуйте з цим налаштуванням. Необхідно, щоб рефлектограма, яку Ви отримаєте, не містила шуму і на ній добре було видно всі події.

Окреме питання – це вибір тривалості імпульсу для пасивних оптичних мереж. Для вимірювання лише першого спліттера з боку абонента підійдуть імпульси 50 нс або 100 нс. А для наскрізного вимірювання всього волокна (від абонента до OLT), що містить два або три сплітери, необхідно використовувати потужні імпульси 500 нс або 1000 нс. Подробиці дивіться тут: рефлектометри для PON.

Загальний час виміру. Чим більший час вимірювання, тим точнішою буде рефлектограма і на ній буде менше випадкового шуму. Усі характеристики самого рефлектометра, зазначені у його документації, перевіряються за час вимірювання, що дорівнює 180 секунд для кожної довжини хвилі. При проведенні перевірки чи калібрування оптичного рефлектометра також використовується час вимірювання 180 секунд. Але на практиці, щоб швидко виконати роботу, здебільшого встановлюють час вимірювання в інтервалі від 10 до 30 секунд для кожної довжини хвилі. Якщо волокон багато (кілька сотень на одному об'єкті), вони короткі (до 2-3 км) і у Вас якісний рефлектометр, можна встановлювати тривалість вимірювання 10 секунд.

Проведення вимірювань за допомогою оптичного рефлектометра

Тепер перейдемо безпосередньо до вимірів. Коли Ви поставите всі початкові налаштування оптичного рефлектометра, можна запускати сам вимір. У процесі роботи рефлектометр постійно оновлюватиме рефлектограму на екрані, виконуючи усереднення безлічі окремих тестів. Коли вимір закінчиться, запуститься обробка. Зазвичай вона займає від 1 до 5 секунд. Після закінчення обробки під рефлектограмою з'явиться таблиця подій, в якій буде вказано відстань до кожної події, втрати, які вона вносить і рівень її відображення, а також інші корисні дані. Цю рефлектограму можна зберегти в пам'ять приладу для подальшої обробки або відразу використовувати для пошуку проблемних місць в оптоволокні та їх виправлення - переварювання, чищення конекторів, випрямлення макрозгинів та ін.

Для прикладу, на цій фотографії показано рефлектограму та таблицю подій для бухти одномодового оптоволокна довжиною 25 км з двома компенсаційними котушками довжиною 500 метрів кожна, одна з яких була підключена між рефлектометром і бухтою, а друга на дальньому кінці бухти. Рефлектограма складається з двох окремих графіків: сірий графік із меншим нахилом для довжини хвилі 1550 нм та чорний графік (він виділений як активний) для довжини хвилі 1310 нм. На рефлектограмі сама бухта починається на події 2 і закінчується на події 3. У таблиці подій, розташованої відразу під рефлектограмою, синій маркер встановлений на рядок з виміряними характеристиками цієї бухти: реальна довжина волокна 25330 метрів, повні втрати в волокні бухти 8,2 , Згасання 0,324 дБ/км.

А ось так виглядає рефлектограма імітатора PON мережі, Що містить три сплітери: 2 шт. з коефіцієнтом розподілу 1х8 та 1 шт. з коефіцієнтом поділу 1х2. Рефлектограма виміряна при неактивному волокні на двох довжинах хвиль (1310 нм та 1550 нм). Вимірювання проводили з боку підключення абонента за допомогою рефлектометра EXFO MaxTester 730C. Тривалість тестового імпульсу дорівнювала 1 000 нс, а зменшення шуму, було встановлено великий час усереднення, рівне 180 секунд.

На цій рефлектограмі перший дільник 1х8 знаходиться на відстані 500 метрів та відзначений як подія №2. Другий дільник 1х8 знаходиться на відстані трохи більше ніж 1,5 км (подія №4). Третій дільник 1х2 (подія №5) знаходиться на відстані близько 2,1 км. Докладніше про тестування PON дивіться в цій статті.

Додаткова інформація на цю тему

На цій сторінці докладно описано принцип роботи оптичного рефлектометра, розказано про те, як він влаштований, наводяться докладні рекомендації щодо вибору початкових налаштувань та проведення вимірювань. Щоб ще краще орієнтуватися в моделях сучасних оптичних рефлектометрів та їх можливостях, дивіться головну сторінку окремих серій оптичних рефлектометрів. Також дивіться спеціальну статтю, присвячену порівнянню п'яти моделей оптичних рефлектометрів для вимірювання пасивних оптичних мереж у процесі будівництва.

Якщо Вам потрібна докладна інформація щодо цін або технічна консультація щодо вибору оптимального рефлектометра для Вашого завдання, просто зателефонуйте нам або напишіть нам по E-mail і ми з радістю відповімо на Ваші запитання.