Practica OTDR

Práctica

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OTDR: reflectómetro óptico en el dominio del tiempo

s a c i t p Ó s e n o i c a c i n u m o C

Práctica 4

OTDR: Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo

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1. Preámbulo .................................................................................................3 2. OTDR ........................................................................................................ 4 3. OTDR del Laboratorio. Características ............................................. 10 4. Medidas realizadas................................................................................. 12 5. Realización de un empalme por fusión .............................................. 13 6. Conclusiones .......................................................................................... 14 7. Bibliografía ............................................................................................. 15 Anexos (hojas de características de los equipos)

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�� Un OTDR ( Optical Time-Domain Reflectometer ) es un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo que envía pulsos de luz, a la longitud de onda deseada, para luego medir sus ecos o reflexiones, o el tiempo que tarda en recibir un pulso reflejado a lo largo de la fibra óptica.

La salida normal que proporciona un OTDR es la de la potencia de la señal a lo largo de la distancia de la fibra, hasta un límite que pongamos o bien hasta que la señal sea indetectable por el aparato (comparable al ruido). Evidentemente, de ahí podemos calcular las atenuaciones que se producen debidas a diversas causas: conectores, roturas, empalmes… La utilidad fundamental de este equipo es la de detectar problemas en sistemas de comunicaciones ópticas: niveles de atenuación o dónde se produjo una rotura del enlace de fibra, entre otras. En la práctica se va a estudiar el funcionamiento del OTDR, a partir de su diagrama de bloques, para luego definir los parámetros fundamentales para su manejo. Se trabajará con un equipo de la empresa JDSU, observando las trazas y valores que devuelve, para su posterior explicación. Por último, se enseñará cómo se realiza un empalme por fusión de fibras ópticas con un equipo específico, así como la caracterización del empalme en el OTDR.

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�� 2.1 Introducción El OTDR se utiliza para realizar labores de instrumentación en un sistema de comunicaciones ópticas. De hecho, es el instrumento de campo más importante para el control y supervisión de los mismos. A continuación se van a describir las características más importantes de un OTDR.

2.2 Aplicaciones del OTDR Vamos a ver algunas de los usos más frecuentes de los reflectómetros ópticos. 2.2.1 Caracterización de carretes de fibra óptica Uno de los parámetros más importantes es el factor de pérdidas/atenuación (α). Pues bien, mediante el OTDR no sólo se puede obtener su magnitud, sino que proporciona un diagrama de distribución de las pérdidas a lo largo de toda la fibra. 2.2.2 Caracterización de los componentes de un sistema de CC.OO. Se puede utilizar también para caracterizar las pérdidas de distintos componentes pasivos; tales como conectores (≈ 0.5 dB), empalmes (≈ 0.1 dB), acopladores o filtros. 2.2.3 Detección de fallos y escuchas Es quizás la aplicación más importante, puesto que realizando una medida en un extremo de la fibra se puede obtener con gran precisión la localización de pérdidas en cualquier punto. Por lo tanto, el OTDR es fundamental para realizar labores de mantenimiento (véase 2.2.4. RFTS) . 2.2.4 RFTS (Remote Fiber Test System) Se trata de sistemas de monitoreo de fibras ópticas, con el fin de reducir el impacto de las posibles fallas que puedan afectar a una red de telecomunicaciones por fibra, pudiendo prevenir futuros fallos (prevención). Un RFTS, en conjunto con equipos de pruebas y reflectómetros ópticos en el dominio del tiempo (OTDR), determina el lugar de las degradaciones y fallas en los enlace. La implementación de un sistema de monitoreo eficiente implica actualmente costos excesivos, por la cantidad de equipos necesarios, y el soporte añadido para conseguir que funcione correctamente.

2.2.5 Uso en fibras oscuras y activas Con fibra oscura se hace referencia a los circuitos de fibra óptica, que han sido desplegados por algún operador de telecomunicaciones, pero no están siendo utilizados actualmente. Evidentemente, fibra activa (o iluminada) será aquella que sí se usa. El porcentaje de fibra oscura en relación a la fibra instalada es enorme y suele deberse al sobredimensionamiento de las redes por parte de los operadores de telecomunicaciones, ya que los gastos para montar el cableado (zanjas, canalizaciones) es elevado. En otros casos, los menos, se debe a que por algún fallo las fibras se han quedado “a oscuras”. Con el OTDR se puede comprobar si la fibra oscura está en condiciones de entrar en funcionamiento. O si ya esta operativa, dónde se ha producido el fallo y de qué tipo es.

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2.3 Principios de funcionamiento La mejor forma de estudiar el comportamiento de un OTDR es mediante su diagrama de bloques.

v

i Láser Acoplador

Rx

v

i

Fig. 1. Diagrama de bloques del OTDR.

El OTDR manda pulso a la fibra y cuando encuentra fenómenos en ella, provoca reflexiones que vuelven al OTDR. Para generar el pulso, el DSP genera tensión con la información que le ha llegado y dicha tensión incide sobre el driver. En el driver, la tensión se transforma en intensidad y ésta, circula hacia el láser para que éste emita luz. Con el acoplador, la luz se mandará hacia la fibra. Cuando la reflexión llega al conector, provoca un pulso que se detecta en el receptor cuando llega al acoplador y se amplifica con el buffer. El OTDR sabe cuándo emitió el pulso y por el receptor conoce el tiempo al que le llegó la reflexión. Entonces conoce la velocidad a la que se propagó el pulso emitido v = c n y la distancia a la que se ha producido el pico (el evento) v =

2d t

; d

vt =

ct =

2

2n

Como lo que se quiere medir en el Rx son las pérdidas, éste debe tener buena sensibilidad y alta velocidad de respuesta .

2.4 Detección de eventos Consideremos que la potencia a lo largo de la fibra es una función P(d).Si representamos P(d) frente a z en escala logarítmica (dB), dado que el factor de atenuación será del tipo e − ·z , obtendremos una función lineal y decreciente, cuya pendiente nos indicará la atenuación de la fibra (habitualmente en dB/km). Sin embargo, sabemos que la fibra no es perfecta. De manera que ocurrirán eventos que modifiquen la característica lineal de la atenuación. Gráficamente nos podríamos encontrar con un esquema como el que aparece a continuación. α

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Fig. 2 Representación de la potencia (atenuación) a lo largo de una fibra

En esta figura aparecen todos los eventos genéricos con los que nos podemos encontrar habitualmente. Se pueden agrupar en 3 grupos, fundamentalmente: - Backscattering: este fenómeno se ha comentado previamente, aunque no se le ha dado nombre. Parte de las pérdidas por Scattering-Rayleigh provocarán que parte de la luz “vuelva” en dirección al comienzo de la fibra, lugar en el que se encuentra el OTDR. Es así como se puede realizar una estima de la distancia. - Eventos no reflexivos: son aquellos en los que no se produce un cambio de medio, por lo que no tiene lugar una reflexión y el único efecto apreciable es una pérdida de potencia (aumento de la atenuación). Ejemplos: empalme por fusión y curvaturas . - Eventos reflexivos: se dice de aquellos en los que aparece un cambio de medio que provoca que parte de la potencia se refleje en dirección al OTDR. En estos casos se observará un aumento de potencia (disminución de la atenuación). Por ejemplo, conectores. El problema de los eventos reflexivos ocurre en el transitorio en el que la atenuación crece. En ese intervalo, el receptor no va a poder medir el backscattering y se va a perder información. Por este motivo, a esos intervalos se les denomina zonas muertas. Este efecto se observa en gran medida al comienzo de la fibra (en el primer conector). Dicha zona muerta de comienzo puede ser de unos 50m e impide la detección de eventos/fallos. Esta es la razón de que habitualmente se introduzca un latiguillo de unos 50m entre el OTDR y la fibra que se desea medir antes de realizar las mediciones.

2.5 Parámetros principales del OTDR Los principales parámetros que determinan la calidad de un OTDR son el Rango Dinámico y la Zona Muerta. 2.5.1 Rango dinámico Se define como la diferencia entre la potencia reflejada inicialmente por Scattering-Rayleigh y el nivel de ruido. Con este parámetro podemos estimar cuantas pérdidas se pueden producir en la fibra, ya que si medimos más allá del margen dinámico se mediría ruido. Vemos que está en torno a los 35dB – 40dB.

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2.5.2 Zona muerta Distinguimos dos tipos a su vez:

Zona Muerta de Pérdidas o Atenuación Diferencia entre el principio del evento reflexivo y el corte de la línea paralela a la de Scattering de subida con ±0.5dB.

Fig. 3 Caracterización de la zona muerta de pérdidas

Zona Muerta de Eventos Diferencia entre el pico reflexivo el evento y el corte de una línea situada a 1.5 dB del pico reflexivo.

Fig.4 Caracterización de la zona muerta de eventos

2.5.3 Factores que influyen en el rango dinámico y en la zona muerta

Láser del OTDR: emite una potencia óptica fija. Definimos τ como la anchura del pulso que se emite. Si aumenta la anchura del pulso, aumentará su energía. Si queremos un rango dinámico alto necesitamos aumentar la anchura del pulso porque la potencia no la podemos modificar. Pero si aumentamos τ, cuando lleguemos a un evento reflexivo, la señal que se refleja en ese evento es elevada y lo que conseguimos con esto es aumentar la Zona Muerta ya que estamos aumentando el tiempo de saturación del receptor. Esto quiere decir que el receptor se va a quedar “ciego” durante más tiempo. •

- Receptor: si es rápido (se recupera pronto de la saturación debida a efectos reflexivos), el rango dinámico del OTDR es pequeño. Sin embargo si es lento, aumentamos la zona muerta. Entonces:

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OTDR: Reflectómetro Óptico en el Dominio del Tiempo Por lo tanto, es necesario llegar a un compromiso entre el Rango Dinámico y la Zona Muerta

Habrá que distinguir dos casos según las distancias a las que se trabajen: - Para hacer análisis de frecuencia a largas distancias se prima el Rango Dinámico: se necesita aumentar el rango dinámico porque se necesitan pulsos lo más anchos posibles. - Para hacer análisis de frecuencia a distancias cortas se necesitarás pulsos estrechos para tener buena resolución espacial.

2.6 Reflexiones fantasma Se les denomina zonas reflexiones fantasma a todos los eventos que detecta el OTDR, pero que no han ocurrido realmente. A través de una figura se puede observar un ejemplo de este hecho.

Fig.5 Ejemplo de reflexión fantasma

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Se provoca un evento reflexivo que no es provocado por nada. Una reflexión fantasma no se da nunca antes de dos eventos reflexivos. Sin embargo, con solo conectar la línea, ya tenemos el conector del principio y el final, luego ya se pueden producir efectos reflexivos. Podemos averiguar si se ha producido una reflexión fantasma viendo la distancia a la que ha tenido lugar el supuesto evento. d =

(

l2 + l2 − l1

) + (l2 − l1 ) + l2 2

=

2l2

− l 1

Una reflexión a esta distancia no proviene de ningún conector. Este tipo de eventos no tienen porqué verse siempre. Sólo lo harán cuando la potencia óptica que emite el OTDR tiene suficiente potencia para reflejarse todas las veces que se requiere para que lleguen al receptor. Otro origen de reflexiones fantasmas es debido al equipo, ya que mandan pulsos a distinta frecuencia. Si mando uno y antes de recibir la señal envío otro, estamos solapando las medidas. Por ello es importante hacer una selección correcta de los parámetros del OTDR (id. es importante configurarlo).

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�� El OTDR utilizado en la práctica pertenece a la empresa Wavetek antigua Acterna (y ahora adquirida por JDSU). Dicho modelo es de la serie 5000. El instrumento dispone de dos módulos, uno monomodo(SMF) y el otro multimodo(MMF), una unidad de disco flexible y un puerto pararelelo.

Fig.6: OTDR MTS-5100 (JDSU)

Wavetek serie 5000 Referencia módulo Longitud de onda Rango Dinámico Promediado RMS Rango de distancia Duración del pulso Eventos Zona muerta Atenuación

Multimodo

Monomodo

5023ML 850/1300 nm 16 / 14 dB 18 / 16 dB ----3 – 200 ns 2m 10 m

5026SR 1300/1550 nm 27.5 / 25 dB 31 / 29 dB 260 km 10 ns – 10 µs 4m 25 m

Tabla 1: Características del OTDR MTS-5100

La razón por la que en funcionamiento multimodo sólo se trabaje en primera y segunda ventana es normalmente se implementa en red una barata con láser barato. Otra cosa a tener en cuenta cuando se trabaja en monomodo es que el nivel de scattering será sensiblemente superior ya que los fotones que se emiten en dirección aleatoria tienen menor probabilidad de salir del núcleo que si trabajamos en multimodo. Por ello, la potencia usada si estamos en funcionamiento monomodo debe ser mayor; lo que nos lleva a concluir que la zona muerta sea mayor que en el otro modo. Cuando queremos grandes distancias se usa el monomodo (alcance de hasta 260km). Las medidas para caracterizar empalmes o conectores se pueden hacer mediante dos métodos: el de dos puntos o mediante regresión lineal (LSA), siendo este último es el que usa.

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Fig. 7: Una traza mostrada por el OTDR.

Para configurar el equipo seguiremos una serie de pasos: -En el menú principal se elige el modo en el transmitirá: monomodo (SM o SR) o multimodo (MM o ML). También es posible configurar otros parámetros secundarios como hora o resolución. -En el menú de medida seleccionamos los parámetros del láser: La longitud de onda (obviamente si seleccionamos el monomodo solo nos dejaría elegir entre la segunda y tercera ventana). El modo manual o automático. El pulso (cuyo ancho oscilará entre un mínimo de 10ns y un máximo de 1us). El rango de medida (o sea, la distancia que queremos medir (40 km en nuestro caso). La resolución (tiene correspondencia con la tasa de muestreo del ADC). El tiempo de adquisición o tiempo de promediado. Es necesario calibrar bien la frecuencia de muestreo para evitar la aparición de reflexiones fantasmas. -Elegir el índice de refracción de la fibra MMF (el índice que está almacenado en el programa que es 1.465, aunque la fibra que utilizamos es de tipo Corning 62.5 multimodo con índice de refracción 1.49). -Hay que tener precaución a la hora de conectar la fibra, pues si no lo hiciéramos y encendiéramos el instrumento se podría deteriorar ya que se produciría una reflexión muy grande. -La zona muerta al principio, la del conector inicial, es mucho mayor que las siguientes porque el pulso llega con mucha potencia. Para disminuir la potencia con la que llega y por lo tanto la zona muerta que provoca se usa una fibra de lanzamiento que colocamos entre el OTDR y la fibra a caracterizar.

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�� Para llevar a cabo las medidas en el laboratorio, podemos emplear dos métodos de operación: - Método de los dos puntos. Consiste en localizar dos puntos donde se plasme la discontinuidad medida, uno inicial y otro final. El procedimiento será restar manualmente la potencia en el punto inicial y en el final. Será el procedimiento de medida que utilicemos en el laboratorio, ayudándonos de los cursores del dispositivo. - Regresión lineal. En este método, totalmente automatizado, el reflectómetro, estima la potencia que se tendría a una determinada distancia cercana a la discontinuidad si esta no se hubiera producido, mediante regresión (Fig. 9). Hecho esto, será tan sencillo como calcular la diferencia de potencia y presentarlo en un display.

Fig. 8. Método de operación con dos puntos.

Fig. 9. Método de operación de regresión lineal.

Presentado el método de operación que vamos a usar, procedemos a caracterizar con el OTDR dos montajes distintos:

4.1 Tres latiguillos (3.5m) en serie con conectores con fibra (1Km). En primer lugar, escogeremos un ancho de pulso de 0.3m consiguiendo un compromiso entre la longitud de la zona muerta inicial y el nivel de ruido (un nivel alto reduce notablemente la resolución de la medida). Después, haremos la medida en primera ventana y con ayuda de los cursores, contabilizamos una caída inicial de unos 20.14dBm a 23.49dBm. En esta caída se puede apreciar levemente el efecto de uno de los conectores, aunque es muy difícil aislarlo, ya que está muy cerca de la zona muerta. Por último, observamos una reflexión fantasma al final de la fibra (unos lóbulos de potencia antes de caer a cero).

4.2 Fibra (1Km) en serie con empalme con fibra (1Km). Para este montaje, trabajamos en segunda ventana (en tercera la representación en pantalla sería similar), siendo menos crucial la elección del ancho de pulso, por lo que podremos aumentar la resolución. Medimos una atenuación de 0.35dB/Km y el efecto del empalme por fusión (0.23dB). Aquí también se aprecian los lóbulos de potencia antes de caer a cero al final de la fibra.

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�� En la última parte de la práctica, se procedió a realizar un empalme de dos trozos de fibra mediante fusión . Conviene reco dar un poco este tipo de empalme. Por empalme entende os una “soldadura” propiamente dicha entre extremos de fibra. Suelen ser fijos y permanentes. E isten dos clases fundamentales: mecánicos y or fusión. Centrándonos en el de fusión, se siguen l s siguientes pasos para realizarlo: 1. Preparación y co te de los extremos. Se emplean técnicas de corte en las que se le hace una muesca a la fibra, para luego tirar de ella y realizar el co te. Esto se puede realizar con diferentes instrumentos, si bien el que da unos mejores esultados (en cuanto a calidad del corte) es un cortador mediante rueda de diamante (usado en la práctica). Se inserta el extremo e la fibra y mediante un pequeño golpe (como si de una grapadora se tratase) se realiza el corte. Antes de realizar el corte, es necesario eliminar la protección que rodea a la fibra , así como limpiar mediante algún tipo de alcohol la zona para dejarla totalmente limpia. 2. Alineamiento de l as fibras. Resulta crítico el correcto alineamie to del núcleo de las fibras, que se lleva a cabo mediante técnicas fijas o móviles. En la f ig. 10 se pueden ver di versos efectos provocados por un mal alineamineto.

Fig. 10. Efectos de un desalineamiento.

Para ello se req iere de una máquina que realice esta tarea. La usada en el laboratorio es el modelo FSM-16S e Fujikura.

Fi . 11. Máquina para empalmar Fujikura FSM-18S

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3. Soldadura por fusión. Mediante calor, o como es el caso, con un arco eléctrico provocado entre dos electrodos, los núcleos de las fibras se funden en uno sólo, por lo que no es necesario el uso de ningún componente adhesivo. Esto también lo realiza la máquina, en la que, mediante una cámara microscópica en el interior, permite observar cómo se realiza el empalme. 4. Protección del empalme. Una vez realizado, sería necesario proteger la zona de unión, ya que la descarga puede provocar pequeñas grietas en la cubierta de la fibra disminuyendo su resistencia.

�� Tras la realización de esta práctica hemos tomado constancia de que el OTDR es un instrumento de suma importancia en comunicaciones ópticas ya que nos permite detectar cosas tan importantes como errores o imperfecciones en una fibra y su ubicación, caracterización de empalmes etc. Esto adquiere trascendencia cuando por ejemplo no funciona la fibra y podemos saber donde hay que abrir una zanja para su posterior reensamblado. No obstante para su manejo hay que tener un cuidado especial y saber interpretar bien las trazas ya que de lo contrario podríamos incurrir en errores todavía más graves. Añadir que también se nos ha mostrado cómo se realiza una unión (empalme) entre dos trozos de fibra (concretamente por fusión) y las posibles pérdidas que presenta, visualizadas en el OTDR.

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�� 7.1 Escrita • •

Apuntes tomados en el desarrollo de la práctica. Práctica 1 de la asignatura CC.OO. (varios).

7.2 Internet • •

•

Enciclopedia libre Wikipedia, http://es.wikipedia.org/wiki/OTDR Manual del OTDR “MTS-5100” de JDSU: http://www.jdsu.com/test_and_measurement/products/descriptions/MTSe/index Web fabricante Fujikura: http://www.fujikura.co.uk/fibre_optics/products/splicers/index.html

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Especificaciones téc icas del MTS-5100

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Práctica 3

OSA: Analizador de Espectro Óptico (Especific aciones)

Especificaciones téc icas del FSM-18S El modelo usado en la ráctica es el FSM-16S, si bien estas características sirven como orientación.

II

Practica OTDR

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