Рефлектометрия оптических волокон (волс)

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.

Сварка оптических волокон. Часть 1: кабели и их разделка, оптический инструмент, муфты и кроссы, коннекторы и адаптеры

• Из песочницы
• Tutorial

Волокна заряжены в сварочный аппарат
Здравствуйте, читатели Хабра! Все слышали про оптические волокна и кабели. Нет нужды рассказывать, где и для чего используется оптика. Многие из вас сталкиваются с ней по работе, кто-то разрабатывает магистральные сети, кто-то работает с оптическими мультиплексорами. Однако я не встретил рассказа про оптические кабели, муфты, кроссы, про саму технологию сращивания оптических волокон и кабелей. Я — спайщик оптических волокон, и в этом (первом своём) посте хотел бы рассказать и показать вам, как всё это происходит, а также часто буду в своём рассказе отвлекаться на прочие смежные с этим вещи. Опираться буду в основном на свой опыт, так что я вполне допускаю, что кто-то скажет «это не совсем правильно», «вот тут неканонично».
Материала получилось много, поэтому возникла необходимость разбить топик на части.
В этой первой части вы прочтёте про устройство и разделку кабеля, про оптический инструмент, про подготовку волокон к сварке. В других частях, если тема окажется вам интересной, я расскажу про методы и покажу на видео сам процесс сращивания самих оптических волокон, про основы и некоторые нюансы измерений на оптике, коснусь темы сварочных аппаратов и рефлектометров и других измерительных приборов, покажу рабочие места спайщика (крыши, подвалы, чердаки, люки и прочие поля с офисами), расскажу немного про крепёж кабелей, про схемы распайки, про размещение оборудования в телекоммуникационных стойках и ящиках. Это наверняка пригодится тем, кто собирается стать спайщиком

Всё это я сдобрил большим количеством картинок (заранее извиняюсь за paint-качество) и фотографий.Осторожно, много картинок и текста.Часть 2 здесь.

Принцип работы

Рефлектометры используют специальные импульсные лазерные диоды для передачи серии очень коротких мощных световых импульсов по оптическому кабелю. При передаче импульсов от рефлектометра по кабелю большая часть света движется по направлению кабеля. Высокочувствительные фотодетекторы измеряют количество света, отраженного или рассеянного при прохождении внутри кабеля. С помощью таких измерений рефлектометр обнаруживает причины снижения или отражения мощности источника при прохождении света через кабель. Например, незначительная часть света рассеивается в другом направлении, что связано с нормальной структурой (и небольшими дефектами) стекла, из которого состоит волокно. Явление рассеяния света из-за дефектов стекла волокна называется рэлеевским рассеянием. Определенный процент рассеяния ожидается для кабелей определенной длины на основании коэффициента затухания оптического волокна. Когда световой импульс сталкивается с соединениями, изломами, трещинами, сращиваниями, крутыми изгибами или концом кабеля, – он отражается из-за неожиданного изменения показателя преломления.

Это явление называется отражением Френеля. Отношение количества отраженного света, за исключением обратного отражения от самого волокна, к импульсу источника называется отражательной способностью. Это значение выражается в децибелах и для пассивной оптики обычно является отрицательным со значениями, приближающимися к нулю, что свидетельствует о большей отражательной способности, а значит, и о низком качестве соединений с большими потерями. Результаты рефлектометрии отображаются в виде графика, или рефлектограммы, отраженного и рассеянного в обратную сторону света в сравнении с расстоянием вдоль волокна. По одной оси (Y) показывается уровень мощности, по другой оси (X) — расстояние. На графике в направлении слева направо значение рассеяния уменьшается, поскольку по мере прохождения светом пути увеличиваются его потери. Рефлектограммы имеют несколько общих характеристик. Большинство рефлектограмм начинается с начального входящего импульса, который влечет за собой эффект Френеля, возникающий в точке подключения рефлектометра. Как и импульс, реакция рефлектометра представляет собой плавную кривую, наклоненную вниз и прерываемую последовательными сдвигами. Постепенный наклон обусловлен рэлеевским рассеянием внутри каждого отрезка кабеля. Наклон прерывается резкими сдвигами, которые отражают местные отклонения графика вверх и вниз. Потери отражаются как смещение графика вниз. Эти сдвиги и точечные дефекты обычно обусловлены наличием соединений, сращиваний и разрывов.

Конец кабеля можно определить по большому выбросу, после которого рефлектограмма резко идет вниз. Выходной сигнал в конце рефлектограммы обусловлен отражением Френеля, происходящим на конце кабеля. Рефлектограмма позволяет подтвердить соответствие всех работ и качества монтажа требованиям стандартов, а также способность поддерживать существующие и будущие приложения. Например, общее требование по потерям в сращиваниях не должно превышать 0,3 дБ, в соединениях – не более 0,75 дБ. Потери, причинами которых являются такие отдельные события, незаметны в тестах с применением. Если сращивание или соединение не отвечает требованиям, специалист по монтажу имеет возможность исправить это прямо на рабочем объекте.

15.2 Измерение затухания и неоднородностей оптических волокон оптическими рефлектометрами

15.2.1 Измерение затухания оптическими рефлектометрами базируется на использовании измерения параметров обратного релеевского рассеивания. Измеряемое волокно зондируется оптическими импульсами, вводимыми через направленный ответвитель. Вследствие отражения от рассеянных и локальных неоднородностей, распределенных по всей длине волокна, возникает поток обратного рассеяния. Регистрация этого потока позволяет определить затухание по длине с того же конца кабеля, с которого подключен рефлектометр. Одновременно рефлектометр фиксирует местоположение и характер неоднородностей измеряемого оптического волокна.

15.2.2 Основными характеристиками оптического рефлектометра являются:

а) рабочая длина волны;

б) разрешающая способность;

в) динамический диапазон;

г) размер мертвой зоны;

д) точность;

е) тип оптического соединителя.

Выбор конкретного типа оптического рефлектометра для проведения измерений определяется типом волокна и требуемой точностью проведения измерений. Основные характеристики некоторых типов рефлектометров, применяющихся на местных сетях, приведены в таблице 15.1.

Таблица 15.1 — Основные характеристики некоторых типов рефлектометров

15.2.3 Оптический рефлектометр позволяет снять рефлектограмму — зависимость отраженной оптической мощности от длины кабеля (рисунок 15.1), по которой можно определить затухание на любом участке измеряемого кабеля, а также затухания на сварках и неоднородностях измеряемого волокна.

Рисунок 15.1 — Пример рефлектограммы, снятой оптическим рефлектометром

Примеры рефлектограмм оптических рефлектометров есть на страницеИзмерения оптоволоконного кабеля (ВОЛС) в процессе монтажа

[править] Принцип действия рефлектометра

Принцип работы рефлектометра основан на анализе отражённых оптических импульсов, излучаемых лазером в оптическое волокно.

Измерения проводимые с помощью оптического рефлектометра основано на явлении обратного отражения (от коротких импульсов света введённых в волокно), вызванные различными неоднородностями или дефектами оптического волокна на всём его протяжении.

Короткие импульсы лазера излучающего в инфракрасной (ИК) области спектра, распространяясь вдоль оптического волокна, испытывают поглощение в волокне, а так же отражения и затухания на любых неоднородностях волоконно-оптической линии.

Оптический импульс от лазерного излучателя вводится в волокно через направленный ответвитель. Этот импульс распространяется по волокну теряя со временем свою интенсивность в соответствии с коэффициентом затухания волокна, а незначительная часть оптической мощности рассеивается и от любой неоднородности в волокне отражается обратно к источнику. Обратно отражённое излучение через направленный ответвитель попадает на фотодетектор, преобразуется в электрический сигнал, усиливается и непрерывно записывается через одинаковые малые интервалы времени. Таким образом получается большое количество измерений мощности отражённого сигнала выполненных в течении определённого времени. Зная скорость распространения данной длины волны в волокне несложно определить расстояние до каждой точки вызвавшей тот или иной отражённый сигнал. Для большей точности измерения и устранения шумов проводится серия измерений от нескольких десятков импульсов. Полученные данные обрабатываются и результат измерения выводится на графический дисплей. В результате на экране отражается график показывающий уровень отражённого сигнала от времени (или длины линии связи).

Измерение затухания с помощью рефлектометра основано на том эффекте, что коэффициент обратного рассеяния является постоянным для данного волокна, то есть в каждой точке волокна рассеивается назад одинаковое количество оптической мощности, но из-за затухания самого волокна на фотоприёмник рефлектометра попадает линейно уменьшающаяся оптическая мощность.

В случае дефекта волокна или в местах стыков (сростков) происходит резкое увеличение обратного излучения (отражения) и по времени фиксации этого излучения вычисляется расстояние до дефекта, стыка или обрыва волокна.

Длина волны излучения на которой производятся измерения с помощью рефлектометра зависит от типа исследуемого волокна и обычно производятся на длине волны света равной 0,85 или 1,31 мкм для многомодовых волокон и на длине волны света равной 1,31 или 1,55 мкм для одномодовых волокон.

По полученным данным формируется характеристика, называемая рефлектограммой. Анализ принятых импульсов позволяет однозначно определить длину волоконно-оптической линии, затухание сигнала в ней, включая потери на соединителях и коннекторах, расстояния до мест неоднородностей волокна, которые могут быть связаны с обрывом или изменением его структуры.

Современный оптический рефлектометр представляет собой сложный и дорогостоящий прибор, проводящий комплекс измерений в автоматическом режиме, самостоятельно вычисляющий все необходимые характеристики. При динамическом диапазоне 32-34 дБ дальность действия рефлектометра доходит до ~ 400 км.

Принцип действия

Принцип работы прибора основан на анализе отражённых оптических импульсов, излучаемых рефлектометром в оптическое волокно.
Измерения с помощью оптического рефлектометра основаны на явлении обратного рассеяния света в волокне и на отражении света от скачков показателя преломления.
Импульсы света, распространяясь по линии, испытывают отражения и затухания на неоднородностях линии и вследствие поглощения в среде.

Оптический импульс вводится в волокно через направленный ответвитель. Этот импульс распространяется по волокну и ослабляется в соответствии с коэффициентом затухания волокна. Незначительная часть оптической мощности рассеивается, и в результате обратно рассеянное излучение через направленный ответвитель попадает на фотодетектор, преобразуется в электрический сигнал, усиливается, обрабатывается и результат выводится на дисплей.

Измерение затухания с помощью OTDR основано на предположении, что коэффициент обратного рассеяния является постоянным для данного волокна, то есть в каждой точке волокна рассеивается назад одинаковое количество оптической мощности, но из-за затухания самого волокна на фотодиод рефлектометра попадает линейно уменьшающаяся оптическая мощность. Затухание волокна между точками 1 и 2 определяется как половина разности между соответствующими уровнями мощности P1 и P2: A=-(0.5)*(P1-P2)(dB) — множитель -0,5 появляется из-за того что свет прошел двойной путь от источника к пункту отражения и обратно.
В случае дефекта или стыков происходит резкое увеличение обратного излучения и по времени этого излучения вычисляется точка дефекта, стыка и обрыва волокна.

Измерения с помощью рефлектометра обычно производятся на длине волны света равной 1,31 или 1,55 мкм.

По полученным данным формируется характеристика, именуемая рефлектограммой. Анализ искажённых принятых импульсов позволяет определить длину волоконно-оптической линии, затухание сигнала в ней, включая потери на соединителях и коннекторах, расстояния до мест неоднородностей волокна, которые могут быть связаны с обрывом или изменением его структуры.

Современный оптический рефлектометр представляет собой сложный и дорогостоящий прибор, проводящий комплекс измерений в автоматическом режиме, самостоятельно вычисляющий все необходимые характеристики.

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.

Результаты измерений EXFO MAX 730C с динамическим диапазоном 39 дБ

Оптический рефлектометр MaxTester 730C разработан компанией EXFO специально для проведения измерений в PON сетях. У этого рефлектометра идеальный для тестирования PON сетей динамический диапазон (39 дБ) и специальный детектор, мёртвая зона которого оптимизирована для тестовых импульсов с длительностью от 100 нс до 1 мкс. В серии EXFO MaxTester 730C есть модели с рабочими длинами волн 1310/1550 нм, а также есть модели с дополнительными длинами волн 1625/1650 нм.

Результаты измерений этого рефлектометра приведены первыми, так как это единственная модель, которая смогла точно измерить потери каждого из трёх сплиттеров, суммарный коэффициент деления которых составляет 128. Лучшие результаты (минимальные мёртвые зоны при отсутствии шума после третьего сплиттера) были получены при длительности тестового импульса 1 мкс (1 000 нс). Для уменьшения шума, было установлено большое время усреднения, равное 180 секунд.

Скриншот экрана рефлектометра с результатами измерений показан ниже. 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. Эта рефлектограмма может служить в качестве эталонной, так как остальные модели протестированных рефлектометров не смогли показать такой результат.

Скриншот экрана рефлектометра EXFO MAX 730C с результатами измерений имитатора PON сети.

Для получения максимальной точности, мы вручную расставили маркеры и измерили потери на каждом сплиттере методом четырёх точек. Результаты показаны на этих трёх скриншотах. Следует учитывать, что измеренные потери, кроме потерь собственно сплиттера, также включают затухание сигнала на двух оптических коннекторах, которыми этот сплиттер подключается. И второй момент, о котором надо помнить: сплиттеры не являются симметричными устройствами. Потери в направлении от станции к абоненту отличаются от потерь в обратном направлении (от абонента к станции), поэтому результаты самых точных рефлектометрических измерений будут слегка отличаться от паспортных данных сплиттеров, которые приведены в подробном описании используемого нами .

Потери на первом сплиттере 1х8.

Потери на втором сплиттере 1х8.

Потери на третьем сплиттере 1х2.

Если в Вашей PON сети есть сплиттеры расположеные на расстоянии ближе чем 200 метров друг от друга, то для уменьшения мёртвой зоны рефлектометра придётся уменьшать длительность тестового импульса, так как импульс 1 000 нс не позволит отличить потери одного сплиттера 1х8 от другого. Но при уменьшении длительности импульса автоматически снизится эффективный динамический диапазон рефлектометра и прибору будет сложнее измерять дальний участок волокна: возрастёт уровень шума и снизится точность.

Чтобы показать зависимость качества рефлектограммы от длительности зондирующего импульса, мы провели группу измерений с разными импульсами: 50 нс, 100 нс, 275 нс, 500 нс, 1 000 нс (1 мкс) и 2 500 нс (2,5 мкс). Время усреднения составляло 30 секунд для каждой из двух длин волн. Результаты представлены в этой таблице. Чтобы увеличить любой из результатов, просто нажмите на соответствующую фотографию.

Тестовый импульс 50 нс. Нажмите для увеличения.		Тестовый импульс 100 нс. Нажмите для увеличения.
Тестовый импульс 275 нс. Нажмите для увеличения.		Тестовый импульс 500 нс. Нажмите для увеличения.
Тестовый импульс 1 000 нс (1 мкс). Нажмите для увеличения.		Тестовый импульс 2 500 нс (2,5 мкс). Нажмите для увеличения.

Выводы по результатам тестов рефлектометра EXFO MaxTester 730C. Этот рефлектометр полностью справится с измерениями любых PON сетей, даже с максимальным коэффициентом деления 128. Если необходимо протестировать только участок у абонента и первый делитель 1х8, то оптимальной является длительность импульса 50 нс. При этой длительности импульса засветка от делителя 1х8 составляет всего 35 метров и если второй делитель в ветке находится на большем расстоянии, то потери первого делителя можно будет точно измерить. Если необходимо провести измерения через два делителя 1х8, то можно использовать импульс 275 нс или 500 нс, при этом расстояние между делителями должно быть более 60 и 90 метров соответственно. Для сквозного измерения PON сетей с общим коэффициентов деления в ветке 128 оптимальным является тестовый импульс 1 000 нс (1 мкс), при этом, в зависимости от конфигурации сети, минимальное расстояние между делителями должно быть от 60 до 200 метров.

Новая маркировка оптических кабелей связи и расшифровка

Пример маркировки для кабеля ОКГМ: ОКГМн-HF-01-3x4E3-7,0-Т

Маркировка:

• ОКГМ: ОК — Оптический кабель, Г — Грунт, М — Многомодульной конструкции.
• ОКГЦ: ОК — Оптический кабель, Г — Грунт, Ц — Одномодульной конструкции с центральной трубкой.
• ОККМ: ОК — Оптический кабель, , К — Канализация, М — Многомодульной конструкции.
• ОККЦ: ОК — Оптический кабель, , К — Канализация, Ц — Одномодульной конструкции с центральной трубкой.
• ОКТМ: ОК — Оптический кабель, Т — Трубы пластмассовые, М — Многомодульной конструкции.
• ОКТМн: ОК — Оптический кабель, Т — Трубы пластмассовые, М — Многомодульной конструкции, Н — Негорючая оболочка.
• ОКТЦ: ОК — Оптический кабель, Т — Трубы пластмассовые, Ц — Одномодульной конструкции с центральной трубкой.
• ОКСМ: ОК — Оптический кабель, С — Самонесущий, М — Многомодульной конструкции.
• ОКСД: ОК — Оптический кабель, С — Самонесущий, Д – Диэлектрический.
• ОКПМ: ОК — Оптический кабель, П – Подвесной, М — Многомодульной конструкции.
• ОКПЦ: ОК — Оптический кабель, П – Подвесной, Ц — Одномодульной конструкции с центральной трубкой.

Оболочка кабеля из материала, не распространяющего горение:

• н — при одиночной прокладке
• нг — при групповой прокладке

Тип кабеля с внешней оболочкой, не распространяющей горение:

• LS — полиэтилен (ПЭ), не содержащий галогенов с пониженным дымо- и газовыделением
• HF — полиэтилен (ПЭ), не содержащий галогенов и не содержащий коррозионно-активных газообразных продуктов при горении и тлении

Конструктивное исполнение:

• 00 — одномодульный, центральный силовой элемент (ЦСЭ) отсутствует
• 01 — многомодульный, центральный силовой элемент (ЦСЭ) (выносной силовой элемент (ВСЭ) — для ОКПМ и ОКПЦ) – стеклопластиковый стержень
• 02 — многомодульный, центральный силовой элемент (ЦСЭ) (выносной силовой элемент (ВСЭ) — для ОКПМ и ОКПЦ) – стальной трос
• 03 — многомодульный, центральный силовой элемент (ЦСЭ) (выносной силовой элемент (ВСЭ) — для ОКПМ и ОКПЦ) – стальная проволока
• 04 — многомодульный, выносной силовой элемент (ВСЭ) — для ОКПМ и ОКПЦ – арамидные нити

Количество оптических модулей (ОМ) х количество оптических волокон (ОВ) в оптическом модуле (ОМ). Тип оптического волокна (ОВ):

• Е1 — одномодовое оптическое волокно (ОВ) с несмещенной дисперсией по рекомендации ITU-T G.652.B
• Е3 — одномодовое оптическое волокно (ОВ) с дополнительным окном прозрачности по рекомендации ITU-T G.652.D
• Е5 — одномодовое оптическое волокно (ОВ) с ненулевой дисперсией по рекомендации ITU-T G.655
• М1 — многомодовое оптическое волокно (ОВ) 50/125
• М2 — многомодовое оптическое волокно (ОВ) 62,5/125