آشنایی با OTDR
ارتباطات نوری ساده است؛ سیگنال الکتریکی به نور تبدیل شده و از طریق فیبر نوری به گیرنده‌ای در دور دست منتقل و به سیگنال الکتریکی اصلی تبدیل میشود. ارتباطات فیبر نوری دارای مزایای بسیاری نسبت به سایر روش‌های انتقال است. سیگنال می‌تواند مسافت‌های طولانی‌تری را بدون نیاز به تقویت طی کند. میدان‌های الکتریکی نزدیک به فیبر مشکلی در انتقال ایجاد نمی‌نمایند. ظرفیت انتقال در آن به مراتب بیشتر از سیستم‌های مسی و یا کابل هم محور (کواکسیال) است و فیبر خود، بسیار سبک‌تر و کوچک‌تر از سیستم‌های مس است.
عامل اصلی محدود کننده در یک سیستم ارتباطات نوری، تضعیف سیگنال به هنگام انتقال آن از طریق فیبر است. نکته مهم این است که اطلاعاتی که به شکل سیگنال در فیبر ارسال میشود در گیرنده دریافت و دوباره به شکل اصلی آن تبدیل میشود. نور به هنگام انتقال در فیبر با توجه به پراکندگی ریلی (بعداً توضیح می‌دهیم) تضعیف می‌یابد. قسمتی از نور جذب شیشه شده و مقداری از نور نیز به دلیل نواقص موجود در شیشه و یا به دلیل خم شدن بیش از حد فیبر از آن خارج میشود. اگر نور بیش از حد از دست برود (یا تضعیف شود) و سیگنال ضعیفی به گیرنده برسد، گیرنده ممکن است نتواند بین پالس‌ها تمایز قائل شود.
برای رفع مشکل تضعیف سیگنال، یا باید قدرت خروجی فرستنده را افزایش دهیم، یا حساسیت گیرنده را بالا ببریم و یا فاصله بین فرستنده و گیرنده را کاهش دهیم. قبل از اینکه فیبر را در سیستم‌های ارتباطی بکار بگیریم لازم است میزان افت نور در کل طول فیبر تعیین شود. اگر تضعیف کل مسیر بیش از حد بالا باشد، لازم است اقدام اصلاحی انجام شود.
آزمایش فیبر برای تعیین تلفات نور و آشنایی با OTDR
بهترین راه برای اندازه گیری میزان تلفات کلی نور در فیبر، تزریق نور با سطح مشخصی از توان در یک سر و اندازه‌گیری سطح توان از انتهای دیگراست. تفاوت دو سطح اندازه‌گیری شده، افت سر به سر نامیده میشود. دقیق‌ترین راه برای انجام این اندازه‌گیری استفاده از یک منبع نور و توانسنج کالیبره شده است. اما در اندازه‌گیری نور با یک منبع و توانسنج اگر میزان تلفات در مسیر بالا باشد مشخص نیست که این اتلاف مربوط به کل مسیر است و یا در یک نقطه مشکل وجود دارد. با این ابزار نمی‌توان مشخص نمود که فیبر در کجا مشکل دارد. برای جوابگویی این نیاز، استفاده از OTDR رایج است. از سوی دیگر، با توجه به اینکه منحنی ارائه شده توسط OTDR، سطح سیگنال در یک فیبر را برای هر فاصله از مسیر ارایه می‌کند، این اطلاعات در پیدا کردن مشکل و محل آن در فیبر بسیار مفید است. پس اولین قدم ما باید آشنایی با OTDR باشد.
آزمون های دیگر فیبر
مهم‌ترین آزمون برای بیشتر فیبرها، اندازه‌گیری دقیق مشخصه تضعیف است. اما آزمایش‌های دیگر را می‌توان برای سیستم‌های پرظرفیت و یا سیستم‌های راه دور در نظر گرفت. تست دیسپرشن تأثیر سرعت دیفرانسیل نور بر ظرفیت انتقال را اندازه می‌گیرد. به این معنا که برخی از بخش‌های نور که نشان دهنده اطلاعات هستند می‌توانند سریع‌تر از نقاط دیگر حرکت نمایند. در فیبرهای مولتی مد، برای این پدیده اندازه‌گیری پهنای باند انجام میشود. آزمون دیسپرشن و پهنای باند را نمی‌توان با دستگاه OTDR انجام داد.
دستگاه OTDR
بازتاب سنج نوری در حوزه زمان که به صورت خلاصه”OTDR “نامیده میشود، یک دستگاه الکترونیکی- نوری است که برای مشخص کردن ویژگی فیبرهای نوری بکار می‌رود. این دستگاه، محل خطا و نقص فیبر را تعیین و میزان تضعیف سیگنال در هر نقطه از فیبر را مشخص می‌کند. برای اندازه گیری با OTDR تنها نیاز به دسترسی به یک سر فیبر است. این دستگاه، مقدار نور را از هزاران نقطه با فاصله‌های حدود 5 سانتیمتر در طول فیبر اندازه‌گیری نموده و داده‌های نقاط را بر روی صفحه نمایش به صورت یک خط شیبدار رو به پایین و از چپ به راست نشان می‌دهد. مقیاس افقی، مسافت نقاط فیبر و در مقیاس عمودی سطح توان سیگنال را مشخص می‌کند. با انتخاب هر دو نقطه داده توسط نشانگر متحـرک، می‌توان فاصلـه و سطح نسبـی سیگنال بین آنها را خواند.
کارکرد دستگاه OTDR
دستگاه‌های OTDR به طور گسترده در تمام مراحل کاری و عمر یک سیستم فیبر نوری از مرحله ساخت تا تعمیر و نگهداری و تا محل‌یابی خطا و مرمت و رفع عیب استفاده میشود. موارد استفاده این دستگاه را به صورت زیر می‌توان برشمرد:
- اندازه‌گیری افت کلی مسیر (سر به سر) برای انجام راه اندازی و آزمایش و تحویل و پذیرش سیستم، و انجام بازرسی و تأیید مشخصات برای قرقره فیبر.
- اندازه‌گیری افت نقاط اتصال- در هر دو نوع جوش فیوژنی و یا اتصال مکانیکی – به هنگام نصب، ساخت و ساز، و عملیات تعمیر و نگهداری.
- اندازه‌گیری بازتاب و یا افت نور بازگشتی (ORL) مربوط به کانکتــورها و اتصالات مکانیــکی در سیستم‌هـای،CATV SONET و دیگر سیستم‌های آنالوگ و یا سیستم‌های دیجیتال پرظرفیت که در آنها بازتاب نور باید پایین نگه داشته شود.
- تعیین محل شکستگی و خرابی‌ها که نشان دهنده میزان بهینگی عملیات هم‌راستا سازی و اتصال فیبرها هستند.
- شناسایی تخریب تدریجی یا ناگهانی فیبر از طریق مقایسه نتایج جدید با نتایجی که قبلا ثبت شده‌اند.
اساس کار دستگاه OTDR
بازتاب سنج نوری در حوزه زمان (کارکرد دستگاه OTDR)، از اثر پراکندگی ریلی و انعکاس فره نل برای اندازه‌گیری ویژگی‌های فیبر نوری استفاده می‌کند. با ارسال یک پالس نوری (Optical) در فیبر و محاسبه زمان رفت و برگشت (حوزه زمان -Domain Time )و اندازه‌گیری توان (بازتاب‌سنج – Reflectometer) از هر نقطه در فیبر، پروفایلی از داده‌ها مربوط به مشخصه فیبر را تهیه نموده و بر روی صفحه به صورت منحنی از مقادیر توان بر حسب مسافت به نمایش می‌گذارد.
منحنی را می‌توان بلافاصله در محل مورد تجزیه و تحلیل قرار داد، یا برای مستندسازی سیستم از آن چاپ گرفت، و یا در رایانه برای تجزیه و تحلیل و انجام مقایسه در آینده ذخیره نمود. یک اپراتور آموزش دیده می‌تواند انتهای فیبر را مشخص کند، محل و تلفات نقاط جوش را تعیین نماید، و افت کلی مسیر را اندازه بگیرد. بیشتر OTDRهای جدید، امکان تجزیه و تحلیل خودکار داده‌های خام را فراهم می کنند، در نتیجه حتی نیازی به آموزش گسترده اپراتوری نخواهد بود.
پراکندگی ریلی
وقتی پالس نور در یک فیبر ارسال میشود، بخشی از پالس که از ذرات میکروسکوپی (دوپانت) در شیشه عبور می‌کنند در تمام جهات پراکنده می‌شوند. این پدیده پراکندگی ریلی (و یا رایلی) نامیده میشود. قسمتی از نور حدود ۰/۰۰۰۱ درصد به عقب و در جهت مخالف پالس بر می‌گردد که نور پراش برگشتی نامیده میشود. از آنجا که ذرات دوپانت در فیبرنوری با توجه به فرآیند تولید به طور یکنواخت در طول فیبر توزیع شده‌اند، این اثر پراکندگی در امتداد طول کل آن رخ می‌دهد.
پراکندگی ریلی عامل اصلی تضعیف در فیبر است. نور در طول موج بلندتر دارای پراکندگی کمتری نسبت به طول موج‌های کوتاه‌تر می‌باشد. برای مثال، نور در طول موج 1550 نانومتر دارای تضعیف ۰/۳-۰/۲ دسی بل در هر کیلومتر (Km/dB ) ناشی از پراکندگی ریلی است، در حالی که در طول موج 850nm مقدار تضعیف Km/dB ۰/۶-۰/۴ است. تراکم بالاتر ذرات در یک فیبر نیز پراکندگی بیشتری را باعث شده و تضعیف بیشتری را تحمیل می‌نماید.
OTDR قادر است سطح پراش برگشتی را با دقت بسیار اندازه‌گیری نموده و با استفاده از آن کوچک‌ترین تغییرات در ویژگی‌های فیبر در هر نقطه از طول آن را تشخیص دهد. اثر پراکندگی ریلی مانند روشن نمودن یک چراغ قوه در مه در شب است:
پرتو نور در مه نفوذ می‌کند و یا توسط ذرات رطوبت پراکنده می‌گردد. هر چه مه غلیظ‌تر باشد، به دلیل ذرات مانع بیشتر، پراکندگی نور بیشتر خواهد بود. مه به این دلیل دیده میشود که قسمتی از نور پراکنده شده توسط مه به عقب برمی‌گردد. در صورتی که مه غلیظ نباشد، پرتو نور ممکن است مسیر بیشتری را روشن کند، اما در یک مه غلیظ، نور به علت پراکندگی به شدت کاهش می‌یابد. ذرات ناخالص در شیشه فیبر مانند ذرات رطوبت در مه عمل می‌کنند، که به هنگام برخورد نور، مقدار کمی از آن را به سمت منبع برمی‌گردانند.
انعکاس فره نل
اگر نـور هنگام عبــور در یک محیط (مثال فیبــر نوری) به محیـط دیگری با تراکـم متفاوت (مانند هوا) برسد، قسمتـی از نور (در حدود 4 درصد) به سمت منبع نور منعکس شده و بقیه نور وارد محیط دوم میشود. تغییرات ناگهانی در تراکم محیط معمولا در انتهای فیبر، محل شکستگی و گاهی در نقطه جوش رخ می‌دهد. مقدار بازتاب بستگی به میزان تغییر در تراکم دو محیط و زاویه برخورد نور و سطح مشترک دو محیط دارد. تراکم محیط توسط شاخصی به نام ضریب شکست تعریف میشود و ضریب بزرگتر به معنای تراکم بالاتر است. این نوع برگشت نور را بازتاب فره نل می‌نامند و OTDR از آن برای تعیین دقیق محل شکستگی فیبر استفاده می‌کند.
بازتاب فره نل را می‌توان به تاباندن یک چراغ قوه به یک پنجره تشبیه کرد. بیشتر نور از پنجره عبور می‌کند، اما قسمتی از آن منعکس می‌گردد. البته زاویه تابش است که تعیین می‌کند آیا نور بازتاب شده به چراغ، چشم خود و یا سقف اتاق بر می‌گردد.
سطح پراش برگشتی
اگر چه OTDR تنها مقدار پراش برگشتی و نه سطح نور منتقل شده، را اندازه می‌گیرد، ارتباط بسیار نزدیکی بین پراش برگشتی و سطح پالس انتقال وجود دارد: پراش برگشتی درصد ثابتی از نور منتقل شده است. نسبت بین پراش برگشتی به نور منتقل شده را به عنوان ضریب پراش برگشتی می‌شناسند. اگر پالس انتقال به دلیل خم شدن فیبر، نقطه جوش بین دو فیبر، یا به علت نقص ناگهان از نقطه A به نقطه B افت نماید، نور پراش برگشتی نیز از نقطه A به نقطه B با همان نسبت کاهش خواهد یافت. همان عوامل مربوط به افت سطح یک پالس انتقال، باعث کاهش سطح پراش برگشتی از پالس است.
بلوک دیاگرام یک OTDR
OTDR شامل یک منبع نور لیزر، سنسور نوری، کوپلر/ اسپلیتر، واحد نمایش و بخش کنترل است.
منبع نور لیزری
دیود لیزری با دریافت فرمان از واحد کنترل پالس‌های نور را ارسال می‌نماید. شما می‌توانید مدت زمان پالس (عرض پالس) را برای شرایط مختلف اندازه‌گیری انتخاب کنید. نور از طریق کوپلر/ اسپلیتر وارد فیبر تحت آزمون میشود. برخی OTDRها دو یا چند لیزر دارند تا امکان آزمون فیبر در دو یا چند طول موج‌های متفاوت فراهم آورند. در هر زمان تنها از یک لیزر می‌توان استفاده نمود. البته با فشار یک دکمه به راحتی می‌توان طول موج مناسب را انتخاب کرد.
کوپلر/ اسپلیتر
کوپلر / اسپلیتر دارای سه پورت است که یکی به منبع، دیگری به فیبر نوری تحت آزمون و سومی به حسگر گیرنده متصل میشود. این قسمت اجازه می‌دهد تا نور در هر نوبت فقط در یک جهت خاص عبور کند: از منبع لیزر به فیبر تحت آزمون، و از فیبر تحت تست به گیرنده. مجاز نیست نور به طور مستقیم از منبع به گیرنده وارد شود. بنابراین، پالس خروجی از منبع به فیبر تحت آزمون وارد شده و پراش برگشتی و بازتاب فره نل به داخل گیرنده مسیریابی میشود.
گیرنده – بخش حسگر نوری
حسگر، آشکارساز نوری است که سطح توان نوری را که از فیبر تحت آزمون می‌رسد اندازه‌گیری می‌کند. این وسیله توان نوری را به الکتریکی تبدیل می‌کند. هر چه توان نوری بیشتر باشد سطح الکتریکی بالاتر خواهد بود. حسگر OTDR به طور خاص برای اندازه‌گیری سطوح بسیار پایین نور پراش برگشتی طراحی شده است. بخش گیرنده شامل یک تقویت کننده الکتریکی برای افزایش سطح سیگنال الکتریکی نیز هست. توان ناشی از بازتاب فره نل مي‌تواند تا 40000 برابر بیشتر از پراش برگشتی باشد و ممکن است بیش از حدی باشد که حسگر بتواند آن را اندازه‌گیری نماید و آن را به حالت اشباع ببرد. بنابراین سطح خروجی الکتریکی نیز برای حداکثر سطح خروجی حسگر است.
به همین دلیل حسگر، هنگامی که پالس نوری از محل اتصال مکانیکی و یا از سر فیبر وارد آن میشود، از زمان ورود پالس تا زمانی که پالس نوری کامال وارد فیبر نشده است به حالت “کور” وارد میشود. مسافت مرتبط با این دوره کور به عنوان “ناحیه مرده” دستگاه شناخته می شود (در قسمت بعدی توضیح داده میشود).
واحد کنترل
واحد کنترل، مغز OTDR تلقی میشود. این قسمت تعیین می‌کند که چه زمانی لیزر پالس نوری ارسال نماید؛ سطح توان را از حسگر می‌خواند؛ فاصله نقاطی که پراکندگی و انعکاس رخ می‌دهد را محاسبه می‌نماید؛ داده‌های تکی مربوط به نقاط را ثبت می‌کند؛ و این اطلاعات را به صفحه نمایش می‌فرستد. یکی از اجزاي مهم بخش کنترلی مدار ساعت بسیار دقیق آن است که به دقت اختلاف بین زمانی که پالس لیزر ارسال میشود و هنگامی که حسگر بازگشت نور را تشخیص می‌دهد آن‌را اندازه‌گیری می‌کند. با ضرب زمان رفت و برگشت در سرعت نور درون فیبر (که سرعت نور در خلاء با تصحیح شاخص انکسار است)، فاصله رفت و برگشت نور محاسبه میشود. فاصله OTDR تا نقطه (فاصله یک طرفه) به سادگی محاسبه میشود که برابر نصف فاصله رفت و برگشت است.
از آنجا که پراش برگشتی در تمام طول فیبر رخ می‌دهد، یک جریان پیوسته از نور برگشتی به داخل OTDR وجود دارد. واحد کنترل در فواصل زمانی منظم از سطح توان اندازه‌گیری توسط حسگر برای تکمیل داده‌ها نمونه برداری می‌کند. هرداده نقطه شامل زمان برگشت (که مربوط به مسافت آن از OTDR )و سطح توان رسیده از آن نقطه است. از آنجا که پالس اصلی در عبور از فیبر به علت پراکندگی ریلی ضعیف‌تر میشود سطح پراش برگشتی نیز ضعیف‌تر می‌گردد و بنابراین، نقاط داده‌ها به طور کلی در منحنی به صورت نزولی است. اما هنگامی که بازتاب فره نل رخ می‌دهد، سطح توان مربوط به آن نقطه به طور ناگهانی تا حداکثر مقدار خود بالا می‌رود.
زمانی که واحد کنترل، تمام داده‌ها را جمع آوری نمود، اطلاعات بر روی صفحه نمایش رسم میشود. اولین داده در سمت چپ نمودار به عنوان نقطه شروع فیبر نمایش داده میشود. موقعیت عمودی داده، سطح توان سیگنال بازگشتی را مشخص می‌کند. نقاط داده‌های بعدی در سمت راست و با وضوح تنظیم شده قرار می‌گیرد. منحنی حاصل یک خط شیبدار است که از سمت چپ به سمت راست و پایین کشیده میشود. شیب خط نشان دهنده افت در واحد طول است (مثال Km/dB). بازتاب فره نل درمنحنی به صورت پالس‌های سوزنی شکل از سطوح پراش برگشتی بیرون می‌زند. تغییر سطح منحنی نشان از افت نقطه‌ای است که می‌تواند مربوط به یک نقطه جوش باشد و یا نقطه‌ای که فیبر تحت تنش بوده و سبب خروج نور از فیبر شده است.
واحد نمایشگر
صفحه نمایش یا به صورت CRT و یا LCD است که نقاط داده همراه تنظیمات مربوط به شرایط آزمون و مقادیر اندازه‌گیری شده را نشان می‌دهد. بیشتر نمایشگرها در OTDR برای ارائه بررسی واضح‌تر در ردیابی کلی داده‌ها، نشانگرهایی روی صفحه نمایش به صورت خط قرار داده‌اند تا با بردن هر نشانگر به هر نقطه امکان بررسی آن نقطه فراهم آید. فاصله تا نقطه بر روی صفحه نمایش داده میشود. در OTDRهای با دو نشانگر، فاصله هر دو نقطه از مسیر را می‌توان مشخص کرد و با تعیین تفاوت سطوح توان، افت بین دو نقطه قابل محاسبه است. با کمک دو نشانگر انواع اندازه گیری‌ها، از جمله افت بین هر دو نقطه، تضعیف برحسب Km/dB ،افت نقطه اتصال، و مقدار بازتاب نور را می‌توان انتخاب نمود. نتایج اندازه‌گیری بر روی صفحه نمایش نشان داده میشود.
ترجمه و تهیه: مهندس علی مساواتی
