Принцип работы оптического рефлектометра (OTDR)

Краткое вступление

Если Вы работаете с оптическими сетями, то наверняка слышали про оптический рефлектометр (по-английски он называется OTDR), а, возможно, даже выполняли с его помощью реальные измерения. В настоящее время оптический рефлектометр – это главный прибор, который активно используется при строительстве и эксплуатации любых оптоволоконных сетей передачи информации. Почему же рефлектометры так массово применяются? Потому что они позволяют не просто обнаруживать проблему в оптическом волокне, но и точно определять место, где эта проблема находится с указанием расстояния до неё в метрах.

Для того, чтобы эффективно применять оптический рефлектометр на практике, необходимо понимать принцип его работы. Как работает оптический рефлектометр? Из каких компонентов состоит? Что происходит во время измерения? Ответы на эти вопросы мы подробно рассмотрим в данной статье. Кроме того, мы расскажем о важных аспектах применения оптических рефлектометров при проведении реальных измерений.

Конструкция типичного оптического рефлектометра

Перед тем, как мы начнём разбираться, что же у рефлектометра находится внутри, давайте посмотрим что у него есть снаружи. На фотографии ниже показан оптический рефлектометр серии Anritsu MT9083x2, который конструктивно очень похож на большинство современных рефлектометров. В лёгком портативном корпусе находятся: мощный микропроцессор, цветной экран с высоким разрешением, аккумуляторная батарея для длительной автономной работы и, собственно, сам рефлектометр, разъёмы которого расположены на верхней части корпуса под защитными пластиковыми крышками.

На фотографии ниже показана верхняя часть рефлектометра Anritsu MT9083x2, если открыть все защитные крышки. Цифрами обозначены: 1 – боковые элементы корпуса для защиты от ударов, 2 – коннектор измерителя оптической мощности, 3 – источник видимого (красного) света для визуального нахождения перепутанных или повреждённых волокон, 4 – два отдельных коннектора оптического рефлектометра (один для одномодовых волокон, второй для многомодовых), 5 – USB интерфейсы.

Практически все хорошие рефлектометры содержат все эти элементы, но сейчас нас интересуют только коннекторы оптического рефлектометра (цифра 4 на фотографии). Точнее, всего один коннектор – для подключения одномодовых волокон. Далее мы подробно рассмотрим принцип работы и внутреннее устройство одномодового рефлектометра. Два других типа рефлектометров: для многомодовых волокон и для измерений на активном волокне построены по точно такому же принципу.

Принцип работы оптического рефлектометра

Оптический рефлектометр работает по принципу радара – посылает в волокно короткий мощный импульс света и сразу начинает измерять все отражения, которые возникают при движении этого импульса вдоль волокна. Как только зондирующий световой импульс доходит до любой неоднородности в волокне, например сварки, коннектора или повреждения, сразу же часть света отражается от этого места и начинает двигаться по волокну в обратную сторону – в направлении к рефлектометру – где она регистрируется фотоприёмником. Но сам зондирующий импульс, хоть и немного ослабленный, продолжает своё движение по волокну, последовательно отражаясь от всех встречаемых на своём пути неоднородностей, пока не дойдёт до конца волокна или до места его полного обрыва.

Внутри оптического рефлектометра расположены три главных элемента (лазер, разветвитель и приёмник), которые обеспечивают проведение измерений параметров оптоволокна и от которых зависят характеристики рефлектометра и его точность. Взаимодействие основных элементов рефлектометра показано на этой схеме.

Первый элемент – это лазерный светодиод, который формирует короткие зондирующие импульсы необходимой длительности (обычно от 5 нс до 20 мкс). Для каждой длины волны, внутри рефлектометра есть отдельный лазерный светодиод. Например, если рефлектометр работает на двух длинах волн: 1310 нм и 1550 нм, то в нём установлено два лазерных светодиода.

Второй элемент – это оптический разветвитель, который пропускает излучение лазера в оптоволокно, но не даёт ему попадать в приёмник. Также разветвитель обеспечивает прохождение отражённого в волокне света к приёмнику оптического излучения для его регистрации и измерения.

Третий элемент – это чувствительный фотоприёмник, который точно измеряет уровни и задержки по времени всех отражений, появляющихся по мере прохождения зондирующего светового импульса вдоль волокна. От качества приёмника зависят два важнейших параметра оптического рефлектометра: динамический диапазон и мёртвая зона. Кроме того, качество приёмника прямо влияет на точность самого измерения.

Все три элемента есть в этом коротком обучающем видео, иллюстрирующем принцип работы рефлектометра с помощью анимации. В видео показано как измерительные импульсы формируются с помощью лазерного светодиода, как они попадают в основное волокно с помощью оптического разветвителя и как отражённые от различных неоднородностей волокна обратные импульсы возвращаются к фотоприёмнику рефлектометра.

На фотографии ниже показано как всё это выглядит в реальности. Здесь представлена главная плата современного одномодового оптического рефлектометра, который работает на длинах волн 1310 нм и 1550 нм. На этой фотографии цифрами обозначены три главных элемента рефлектометра (лазеры, разветвитель и приёмник), а также его входной коннектор, к которому подключается измеряемое оптоволокно.

Обратите внимание, что измерение всех отражений от одного зондирующего светового импульса не позволит построить полноценную рефлектограмму. Мощность одного импульса очень мала и при измерении его отражений регистрируется большое количество случайного шума. Для того, чтобы максимально снизить эффект шума и получить чистую рефлектограмму, приходится выполнять измерение некоторое время, обычно от 10 до 20 секунд. За это время оптический рефлектометр успевает отправить в волокно тысячи зондирующих световых импульсов и измерить отражение каждого из них. После чего он выполняет усреднение, анализ и отображение результатов в виде графика рефлектограммы и таблицы событий, которая располагается под графиком.

Для примера, на этом скриншоте показан результат измерения параметров одномодового волокна длиной 1,0970 км, которое выполнялось с помощью компактного рефлектометра EXFO MaxTester 720B. В этом волокне обнаружена плохая сварка с потерями 0,146 дБ, находящаяся на расстоянии 1,0319 км от начала тестируемого волокна. Она отмечена на рефлектограмме как событие №2.

Что важно знать, когда Вы только начинаете работать с оптическим рефлектометром

В предыдущем разделе мы разобрались с тем, как работает оптический рефлектометр. Понятно, что для простоты объяснения мы не рассматривали второстепенные и несущественные детали. Основная цель этой статьи – дать хорошее, базовое представление о том, как устроен оптический рефлектометр и рассказать о самых важных вещах, чтобы Вы могли успешно начать пользоваться этим прибором.

При работе с оптическим рефлектометром всегда необходимо помнить о двух вещах:

1. Обычный оптический рефлектометр нельзя подключать к активной линии! Фотоприёмник рефлектометра – это очень чувствительное устройство, которое способно измерять минимальные уровни светового потока и если на него попадёт мощное излучение, например от магистрального передатчика, то рефлектометр уйдёт в защитный режим или просто сгорит. Исключение составляют специальные рефлектометры, предназначенные для тестирования активных волокон, например модель EXFO MAX-730C-SM8. У таких рефлектометров есть отдельный коннектор с рабочей длиной волны 1625 нм или 1650 нм и встроенным фильтром, который отсекает другие длины волн. Если Вы точно не знаете есть ли в подключаемом волокне излучение, то сначала проверьте это с помощью любого измерителя оптической мощности.

2. Входной коннектор рефлектометра очень легко повредить, но потом сложно и дорого ремонтировать. Центральная часть коннектора представляет собой керамический цилиндр диаметром 2,5 мм. В центре этого цилиндра расположена сердцевина оптического волокна, по которой проходит излучение. Диаметр сердцевины одномодового волокна составляет 9 мкм (это менее одной сотой доли миллиметра). Любая грязь или микроцарапина в центральной части коннектора может вывести прибор из строя. Сам то рефлектометр будет работать, но свет в волокно нормально проходить уже не сможет. Грязь ещё можно отчистить, хоть это и не просто, но если появятся царапины, то придётся проводить ремонт. Чтобы входной коннектор рефлектометра всегда был в отличном состоянии, очищайте любой патчкорд, который собираетесь к нему подключить, прямо перед самим подключением. Кроме того, можно один раз подключить к рефлектометру небольшой патчкорд с розеткой-адаптером на втором конце и больше его не отключать. При таком методе, в процессе работы, будет царапаться второй конец патчкорда, а разъём рефлектометра останется целым.

На иллюстрации ниже показаны четыре фотографии разных оптических коннекторов. Эти фотографии получены с помощью специального оптического микроскопа с увеличением 400 раз. На фотографии 1 показан входной коннектор одномодового рефлектометра, который поступил на ремонт в наш сервисный центр. На первый взгляд, коннектор просто сильно загрязнён и его можно очистить. На фотографии 2 показан внешний вид этого же коннектора после тщательной очистки. Как видите, грязь удалили, но под ней оказались царапины и несколько крупных потёртостей. Чтобы восстановить работу этого рефлектометра, пришлось полностью заменить его входной коннектор. На фотографии 3 показан новый коннектор сразу после замены – чистый и без царапин. В самом центре коннектора на фотографии 3 хорошо видно более светлую точку – это сердцевина одномодового волокна, по которой должен проходить оптический сигнал. Её диаметр составляет всего 9 мкм (1 мкм = 0,001 мм). А на фотографии 4 мы решили показать как выглядит, при просмотре микроскопом, активное волокно к которому, как Вы уже знаете, рефлектометр подключать нельзя.

Настройка оптического рефлектометра для проведения измерений

Теперь перейдём непосредственно к измерениям. Подключают оптический рефлектометр к проверяемому волокну с помощью переходного патчкорда (обычно трёхметрового) или компенсационной катушки (длиной от 300 до 500 метров). Что использовать: короткий патчкорд или длинную катушку? Это зависит от Ваших целей: если просто хотите найти повреждение в оптоволокне, то можно использовать короткий патчкорд, а если планируете получить сертификат на оптические волокна, то придётся измерять с двумя катушками (по одной на каждом конце волокна), к тому же измерение каждого волокна необходимо будет провести в двух направлениях.

Важно чтобы тип волокна патчкорда или катушки совпадал с проверяемым волокном. Например, если тестируете одномодовое волокно на длинах волн 1310 нм и 1550 нм, то надо использовать одномодовые патчкорды или катушки со стандартным G.652 волокном. Если тестируете на длинах волн 850 нм и 1300 нм многомодовое волокно с сердцевиной 50 мкм, то соединительные патчкорды или катушки также должны быть из многомодового волокна того же типа с сердцевиной 50 мкм.

Когда всё правильно подключено, можно начинать измерять. Перед запуском первого измерения, необходимо выбрать нужные длины волн и грамотно задать начальные настройки рефлектометра: измеряемое расстояние, длительность зондирующих импульсов и общее время измерения на одной длине волны. На фотографии ниже показано как выглядят эти настройки на экране рефлектометра EXFO MaxTester 720B. Любой другой рефлектометр, независимо от производителя и конкретной модели, также будет иметь эти настройки. Они могут выглядеть иначе или быть спрятаны в меню, но длины волн, расстояние, импульс и длительность являются базовыми параметрами и их всегда можно установить в любом рефлектометре.

Рассмотрим каждую из этих четырёх базовых настроек оптического рефлектометра подробнее.

Длины волн. Это самая простая настройка. В 99% случаев одномод измеряют на длинах волн 1310 и 1550 нм, а многомод на длинах волн 850 и 1300 нм. Исключение составляют рефлектометры для PON с тремя длинами волн 1310/1490/1550 нм, а также улучшенный поиск макроизгибов на длинах волн 1310/1625 нм и измерения на активных волокнах (обычно используют 1625 нм, реже 1650 нм), но на практике такие рефлектометры встречаются не часто. Так что, если Вы измеряете одномодовые волокна, то устанавливайте 1310 и 1550 нм, а если многомодовые, то 850 и 1300 нм. Правда, если нужно просто определить длину волокна или место обрыва, то для ускорения можно выбрать только одну длину волны.

Измеряемое расстояние. Главное правило, которому надо следовать при установке расстояния: на рефлектограмме всегда должен быть виден конец оптической линии. Если у Вас линия 500 метров, устанавливайте расстояние 1,25 км. Если у Вас линия 4 км, устанавливайте расстояние 5 км. Это важно для автоматической обработки рефлектограммы самим прибором. Если рефлектометр не видит конца оптического волокна, ему будет трудно рассчитать положение переотражений света в оптоволокне и на рефлектограмме могут появиться ложные события (например фантомные пики). Поэтому всегда проводите измерение полной длины волокна, плюс небольшой запас по расстоянию. Если точная длина волокна неизвестна, проведите быстрое измерение на одной длине волны и на большом расстоянии, так Вы узнаете длину волокна.

Длительность зондирующих импульсов. Длительность импульса прямо влияет на динамический диапазон и мёртвую зону рефлектометра. Чем меньше импульс, тем лучше мёртвая зона, а значит и способность рефлектометра различать близко расположенные события. Но при малых импульсах (5 - 10 нс) у оптического рефлектометра минимальный динамический диапазон, а значит можно будет уверенно измерять только короткие линии. Поэтому длительность импульса, которую Вы будете использовать для измерения, напрямую зависит от качества рефлектометра, протяжённости оптического волокна и суммарного затухания в этом волокне. Для коротких линии (до 2-3 км) устанавливайте импульс 10 или 30 нс. Для линий средней длины (до 20-30 км) устанавливайте импульс от 100 до 500 нс. Для протяжённых магистралей (более 50 км) используйте мощные импульсы длительностью 1 мкс и более. Экспериментируйте с этой настройкой. Необходимо, чтобы рефлектограмма, которую Вы получите не содержала шума и на ней хорошо были видны все события.

Отдельный вопрос – это выбор длительности импульса для пассивных оптических сетей. Для измерения только первого сплиттера со стороны абонента подойдут импульсы 50 нс или 100 нс. А для сквозного измерения всего волокна (от абонента до OLT), содержащего два или три сплиттера, необходимо использовать мощные импульсы 500 нс или 1 000 нс. Подробности смотрите здесь: рефлектометры для PON.

Общее время измерения. Чем больше время измерения, тем более точной будет рефлектограмма и на ней будет меньше случайного шума. Все характеристики самого рефлектометра, указанные в его документации, проверяются при времени измерения, равном 180 секунд для каждой длины волны. При проведении поверки или калибровки оптического рефлектометра также используется время измерения 180 секунд. Но на практике, чтобы быстро выполнить работу, в большинстве случаев устанавливают время измерения в интервале от 10 до 30 секунд для каждой длины волны. Если волокон много (несколько сотен на одном объекте), они короткие (до 2-3 км) и у Вас качественный рефлектометр, то можно устанавливать длительность измерения 10 секунд.

Проведение измерений с помощью оптического рефлектометра

Теперь перейдём непосредственно к измерениям. Когда Вы зададите все начальные настройки оптического рефлектометра, можно запускать само измерение. В процессе работы рефлектометр будет постоянно обновлять рефлектограмму на экране, выполняя усреднение множества отдельных тестов. Когда измерение закончится, запустится обработка. Обычно она занимает от 1 до 5 секунд. По окончании обработки под рефлектограммой появится таблица событий, в которой будет указано расстояние до каждого события, потери, которые оно вносит и уровень его отражения, а также другие полезные данные. Эту рефлектограмму можно сохранить в память прибора для последующей обработки или сразу использовать для поиска проблемных мест в оптоволокне и их исправления - переварки, чистки коннекторов, выпрямления макроизгибов и пр.

Для примера, на этой фотографии показана рефлектограмма и таблица событий для бухты одномодового оптоволокна длиной 25 км с двумя компенсационными катушками длиной 500 метров каждая, одна из которых была подключена между рефлектометром и бухтой, а вторая на дальнем конце бухты. Рефлектограмма состоит из двух отдельных графиков: серый график с меньшим наклоном для длины волны 1550 нм и чёрный график (он выделен как активный) для длины волны 1310 нм. На рефлектограмме сама бухта начинается на событии 2 и заканчивается на событии 3. В таблице событий, расположенной сразу под рефлектограммой, синий маркер установлен на строчку с измеренными характеристиками этой бухты: реальная длина волокна 25 330 метров, полные потери в волокне бухты 8,2 дБ, затухание 0,324 дБ/км.

А вот так выглядит рефлектограмма имитатора PON сети, содержащего три сплиттера: 2 шт. с коэффициентом деления 1х8 и 1 шт. с коэффициентом деления 1х2. Рефлектограмма измерена при неактивном волокне на двух длинах волн (1310 нм и 1550 нм). Измерения проводились со стороны подключения абонента с помощью рефлектометра EXFO MaxTester 730C. Длительность тестового импульса равнялась 1 000 нс, а для уменьшения шума, было установлено большое время усреднения, равное 180 секунд.

На этой рефлектограмме первый делитель 1х8 находится на расстоянии 500 метров и отмечен как событие №2. Второй делитель 1х8 находится на расстоянии чуть более 1,5 км (событие №4). Третий делитель 1х2 (событие №5) находится на расстоянии около 2,1 км. Подробнее про тестирование PON смотрите в этой статье.

Дополнительная информация по этой теме

На этой странице подробно описан принцип работы оптического рефлектометра, рассказано о том, как он устроен, приводятся подробные рекомендации по выбору начальных настроек и проведению измерений. Чтобы ещё лучше ориентироваться в моделях современных оптических рефлектометров и их возможностях, смотрите главную страницу отдельных серий оптических рефлектометров. Также смотрите специальную статью, посвящённую сравнению пяти моделей оптических рефлектометров для измерения пассивных оптических сетей в процессе строительства.

Если Вам необходима подробная информация по ценам или техническая консультация по выбору оптимального рефлектометра для Вашей задачи, просто позвоните нам или напишите нам по E-mail и мы с радостью ответим на Ваши вопросы.