مقدمات کار OTDR
در قسمت‌های قبلی به شرح کلی دستگاه OTDR پرداختیم و بعضی از پارامترهای دستگاه OTDR تشریح شد. در ادامه مقاله و در این قسمت برخي مفاهیم پایه در آزمون فیبر را مطرح و ملاحظات برای کار با دستگاه را پی میگیریم.
ضریب شکست فیبرنوری
ضریب شکست، نسبت سرعت نور در خلا به سرعت نور در یک فیبر خاص است. از آنجا که بیشترین سرعت نور، در خلا (مانند فضای خارج جو) است، و در مواد متراکم‌تر مانند جو، آب و یا شیشه، نور آهسته‌تر حرکت می‌کند، این نسبت همیشه بیشتر از یک، مثلا ۱/۵ برای شیشه است.
نور بسته به چگالی موادی که در آن حرکت مي‌كند سرعت خود را تغییر می‌دهد. چگالی در یک فیبر به میزان و نوع افزودنی‌های مورد استفاده در فرآیند تولید بستگی دارد و توزیع افزودنی‌ها ممکن است در تمام طول یک فیبر و یا در هر دو فیبر مختلف یکسان نباشد. بنابراین ضریب شکست در فیبرهای مختلف و یا حتی در نقاط مختلف یک فیبر می‌تواند با هم متفاوت باشد. ضریب شکست معیاری برای “کالیبراسیون” OTDR است که می‌گوید نور با چه سرعتی حرکت می‌کند و بنابراین، این دستگاه می‌تواند به دقت مسافت را محاسبه كند. در اغلب موارد لازم است برای نوع فیبر و طول موج مورد نظر، مقادیر ضریب شکست توصیه شده سازنده فیبر، برای تنظیم دستگاه مورد استفاده قرار گیرد. در جدول 1 فهرستی از مقادیر IOR (ضریب شکست) برای فیبرهای مختلف ارائه شده است. در صورتی که از ضریب شکست فیبر اطلاع نداريد، از سازنده آن سوال کنید. تغییر فرآیند تولید فیبر می‌تواند باعث تغییر در مقدار ضریب شکست شود.
طول موج
فیبر نوری به طور معمول در سه باند طول موج 850 نانومتر، 1300 نانومتر و 1550 نانومتر استفاده می‌شود و مورد آزمایش قرار می‌گیرد. فیبر نوری مولتی‌مد تنها در باند 850 نانومتر و 1300 نانومتر و فیبرهای سینگل مد در محدوده باند 1300 نانومتر و 1550 نانومتر کار می‌کنند.
طول موج اندازه‌گیری OTDR به عنوان طول موج مرکزی آن و با پهنای خطی (width line) خاص ذکر می‌شود. پهنای خطی مقدار گستردگی طول موج مرکزی منبع لیزر است. به عنوان مثال، یک لیزر با طول موج مرکزی 1300 نانومتر و پهنای خطی 20 نانومتر طول موج، از 1290 نانومتر تا 1310 نانومتر را پوشش می‌دهد. لیزر با پهنای باریک، گرانتر از لیزر با پهنای بيشتر است. طول موج مرکزی نیز به طور معمول با رواداری مشخص مثال 30 ±نانومتر اعلام می‌شود. برای لیزر با مشخصات ”۱۳۱۰nm +/-۳۰nm, Linewidth 20nm”طول موج مرکزی می‌تواند در هر نقطه بین 1280 نانومتر و 1340 نانومتر بوده و طول موج در هر نقطه ممکن است از 1270 نانومتر تا 1350 نانومتر باشد. مقدار افت فیبر به طول موج بستگی دارد و لازم است فیبر در همان طول موجی که قرار است مورد استفاده قرار گیرد، آزمايش شود. فرستنده‌های نوری (لیزر و LED) به طور کلی با باند طول موج خود مثال 850 ،1300 و یا 1550 نانومتر مشخص می‌شوند. طول موج مرکزی و پهنای خطی دستگاه ممکن است به وضوح ذکر نشود.
در برخی از موارد، ممکن است تضعیف در یک طرف باند طول موج مثل 1320 نانومتر اندازه‌گیری شود و نقطه کار سیستم در طرف دیگر باند مثل 1280 نانومتر باشد. در این صورت سیگنال آزمون نسبت به سیگنال کاری با اندکی تفاوت افت می‌یابد و تکیه به این مقادیر آزمون در مسافت‌های طولانی مثال بیش از 50 مایل، ممکن است مشکلات غیر منتظره‌اي را در گیرنده واقع در انتهای سیستم ايجاد كند. اگر منحنی‌های تضعیف یک فیبر در طول موجهای مختلف را با هم مقایسه کنیم، می‌توان وابستگی میزان افت به طول موج را به وضوح مشاهده كرد.
هرچه طول موج نور بیشتر باشد افت نور کمتر می‌شود که نشانگر پراکنش کمتر نور در طول موجهای بالاتر در مقایسه با طول موجهای پایین‌تر است. هرچه شیب منحنی (میزان افت در واحد طول – Km/dB) کمتر باشد، افت نور نیز کمتر خواهد بود. با این حال نور در طول موجهای بالاتر، تمایل بیشتری برای نشت از فیبر در خم‌ها از خود نشان می‌دهد. با مقایسه آثار گرفته شده از افت در دو طول موج می‌توان نتیجه حاصل از خم شدن فیبر به هنگام خمش را مشاهده كرد. در سینی فیبرهای ذخیره محفظه اتصال، مفصل‌ها، مسیر نصب و در انتهای کانکتورها خم‌های مکرر فیبر اتفاق می‌افتد. در شکل زیر تفاوت آثار را در دو طول موج مشاهده كنيد.
کار با دستگاه – انتخاب نوع کانکتور یا رابط
برای اتصال فیبر به منبع يا حسگر دستگاه لازم است از کانکتور یا رابط استفاده شود. انواع مختلف کانکتور در بازار یافت می‌شود، ولی معمول‌ترین آنها کانکتورهای biconic و sma هستند. کانکتورها باید دارای ویژگی‌های خاصی باشند که بعضی از آنها مثل میزان انعکاس نور، تکرار پذیری، سایز فیزیکی (معمولا طول) و مواد تشکیل دهنده آن اهمیت داشته و بایستی مورد توجه قرار گیرد. کانکتورهایی که به هم متصل می‌شوند، باید دارای انعکاس نور كمي باشند. کانکتورهای مورد استفاده در OTDR باید از نوع مرغوب استفاده شوند، هرچند با کانکتورهای فیبر شما یکسان نباشند. معمولا فیبر را با پچ کورد به OTDR وصل می‌کنند. پچ کورد، کابلی با طول کوتاهی از فیبر سینگل مد است که در انتهای آن کانکتور قرار می‌گیرد و مقدمات کار OTDR را فراهم می‌کند.
اینترفیس برای تجهیزات خارجی
بیشتر OTDRها امکاناتی برای اتصال تجهیزات خارجی مثل USB، رایانه شخصی و غیره مهیا مي‌كنند تا امکان انتقال فایل‌های مربوط به تنظیم دستگاه ویا نتایج آزمون را فراهم آورند.
انتخاب پیکربندی دستگاه
انتخاب پیکربندی دستگاه OTDR به نوع فیبری بستگی دارد که قرار است مورد آزمایش قرار گیرد. در هر لحظه دستگاه می‌تواند فقط یک نوع فیبر، سینگل مد و یا مولتی مد را آزمون کند و برای هر فیبر یک یا دو طول موج را می‌توان انتخاب كرد. دستگاه قادر است فیبرهای مولتی مد را در طول موجهای 850 نانومتر و یا 1300 نانومتر و فیبرهای سینگل مد را در طول موجهای 1310 نانومتر و 1550 نانومتر آزمايش كند. OTDRهای بزرگ سنتی به صورت مدولار ساخته می‌شوند و می‌توان ماژول‌های لیزری مربوط به طول موجهای مختلف را برای آزمايش فیبرهای متفاوت تعویض كرد. دستگاه‌های کوچکمعمولا فاقد چنین قابلیتی هستند.
فریم اصلی و ماژول ها
در طراحی مدولار، فریم اصلی شامل بخش‌های کنترل، نمایشگر، تنظیمات و تجهیزات انتخابی (پرینتر، تجهیزات جنبی، مودم و غیره) است. ماژول نوری شامل منبع لیزر و حسگر نوری است که در فریم اصلی نصب می‌شود و می‌توان آن را تعویض كرد تا امکان آزمايش انواع فیبر در طول موجهای مختلف فراهم آید. بعضی از دستگاه‌های کوچک نیز به صورت مدولار تهیه می‌شوند، بنابراین می‌توان در محل نصب کابل، پیکربندی آن را تغییر داد.
نوع فیبر مورد آزمون
ماژول‌های نوری معمولا برای آزمايش فیبرهای سینگل مد و مولتی مد ساخته می‌شوند. تفاوت اصلی فیبرها، قطر هسته آنها است که محل عبور نور است. قطر هسته فیبرهای مولتی مد حداقل پنج برابر قطر هسته فیبرهای سینگل مد است. دستگاه OTDR هم فرستنده نور و هم گیرنده آن است و به همین دلیل با یک پیکربندی نمی‌توان به طور مؤثر از آن برای آزمايش هر دو نوع فیبر استفاده كرد. ماژول طراحی شده برای فیبر سینگل مد می‌تواند نور را در هر دو نوع فیبر ارسال كند، اما بیشتر نور برگشتی از فیبر مولتی مد به هنگام ورود به کانکتور دستگاه که دارای قطر کوچک‌تری است، هدر می‌رود.
هسته فیبرهای سینگل مد دارای قطر نزدیک به هم، 8 تا 1 میکرون است. ماژول نوری سینگل مد برای عملکرد مؤثر در این قطر طراحی می‌شود. فیبرهای مولتی مد دارای قطر 50 ،5/62 و یا 100 میکرون بوده و ماژول‌ها برای یکی از این سایزها برای عملکرد بهینه طراحی می‌شوند، هرچند می‌توان از آنها برای سایزهای دیگر هم استفاده كرد.
حقه تجاری
با ماژول سینگل مد می‌توان فیبر مولتی مد را اندازه‌گیری کرد، اما امکان آزمون فیبرهای سینگل مد با ماژول مولتی مد وجود ندارد. به هنگام آزمون فیبر مولتی مد با ماژول سینگل، تا زمانی که ضریب شکست فیبر درست انتخاب شده باشد طول فیبر درست محاسبه می‌شود، اما مقدار تضعیف تا حدودی کمتر از مقدار واقعی اندازه‌گیری می‌شود. علت، آن است که نور انتشار یافته از ماژول، در هسته فیبر حرکت مي‌كند، در حالی که اکثر تلفات فیبرهای مولتی مد در قسمت کناری هسته اتفاق می‌افتد.
طول موج آزمون
یکی از مهم‌ترین مشخصه‌های دستگاه OTDR انتخاب طول موج آزمون است. اندازه‌گیری تضعیف فیبر در طول موج کار آن از اهمیت حیاتی برخوردار است. گاهی ممکن است لازم باشد که فیبر در طول موج‌هایی متفاوت از طول موج سیستم مخابراتی نیز آزمايش شود. بنابراین بهتر است ماژول‌هایی را برای دستگاه انتخاب كنيد که امکان اندازه‌گیری در چند طول موج را فراهم کنند. معمولا فیبرها در طول موجهای مختلف آزمايش می‌شوند تا در صورتی که قرار باشد سیستم برای کار در طول موجهای دیگر به روز شود مشخصه کامل شبکه از قبل معلوم باشد. در بعضی از موارد ممکن است در طول موج‌هایی غیر از طول موجهای مرسوم کاری که به طول موجهای خارج از باند معروف هستند، تضعیف اندازه‌گیری شود.
اندازه گیری در ناحیه 1383 نانومتر به ناحیه Peak Water معروف است و در بررسی تغییرات آن، اگر با تغییرات محیطی مقدار تلفات افزایش یابد، می‌توان انتظار داشت که تضعیف در طول موج کاری 1310 نانومتر نیز در آینده با افزایش مواجه خواهد بود. با انتخاب طول موج 1550 نانومتر در مخابرات راه دور، می‌توان برای اهداف مانیتورینگ شبکه طول موج 1625 را مورد استفاده قرار داد. افت در این طول موج مشابه افت در طول موج 1550 نانومتر بوده و می‌توان از این طول موج برای آزمايش کل مسیر استفاده کرد. ضمنا این طول موج به خمش نیز حساس‌تر است و می‌تواند قبل از اینکه خم‌ها در عملکرد سیستم تأثیر بگذارد، به شناسایی مشکلات کمک كند.
آزمون در طول موج 1625 به هنگام زیر بار بودن فیبــر، و با کوپلینـگ نور به آن و استفاده از مولتی پلکس انجام می‌گیرد. در طول موجهای کوتاه‌تر، نور به پدیده پراکنش حساس‌تر بوده و دارای مقادیر تضعیف بیشتری است.
درطول موجهای بزرگتر، فیبر از خمش‌ها و تنش‌ها بیشتر اثر پذیرفته و در مقایسه با طول موجهای کوتاه‌تر در خم‌ها دارای نشتی بیشتر نور است. بنابراین فیبری که تحت تنش قرار گرفته باشد، به هنگام آزمايش در طول موج 1550 نانومتر در مقایسه با طول موج 1310 نانومتر، تغییرات افت بیشتری خواهد داشت. البته افت کل خط در 1550 نانومتر کمتر است. حساسیت‌های متفاوت در طول موجهای مختلف ابزار مهمی در خطایابی کابل نوری است.
اتصال به فیبرنوری
فیبرهای نوری قبل از راه اندازی در شبکه به هم مفصل شده و توسط کانکتور، و یا به کمک پیگتل و پچ کورد به تجهیزات متصل می‌شوند. برای دستیابی به نتیجه مطلوب‌تر، بهتر است کانکتور OTDR با کانکتورهای شبکه مطابقت داشته باشد. بعضی از دستگاه‌ها دارای کانکتور یونیورسال هستند که امکان تعویض آنها در محل وجود دارد. ولی برخي از دستگاه‌ها دارای کانکتور ثابت و غیر قابل تعویض هستند. اگر بخواهیم از یک OTDR در شبکه‌های مختلف استفاده كنيم می‌توانيم از پچ کورد که كانكتور به دو انتهای آن متصل است، استفاده كنيم. یکی از کانکتورها مطابق کانکتور دستگاه بوده و دیگری باید با کانکتور شبکه مطابقت داشته باشد. در صورت آزمون فیبر با سرهای باز از پیگتل که فقط در یک طرف آن کانکتور وصل است استفاده مي‌شود. سر دیگر پیگتل با جوش موقت به فیبر متصل شده و یا برای اتصال از کوپلر استفاده مي‌شود.
پارامترهای اندازه گیری
زمانی که دستگاه به درستی پیکربندی شده باشد، می‌توان آزمايش را انجام داد. برای دستیابی به بهترین نتیجه، چند تصمیم باید گرفته شود تا بتوان دستگاه را برای شرایط مورد نظر تنظیم كرد. بسیاری از این تنظیمات فقط یکبار انجام می‌شوند و در حافظه دستگاه ثبت می‌گردند. اگر بتوان منحنی را در حافظه دستگاه و یا بر روی دیسک ذخیره كرد، به هنگام مشاهده مجدد منحنی میتوانید تنظیمات را نیز فراخوانی كنيد.
محدوده فاصله
محدوده فاصله به عنوان محدوده نمایشگر نیز شناخته می‌شود و طول فیبر نمایش داده شده بر روی نمایشگر را تعیین می‌کند. محدوده فاصله باید 25 درصد بیشتر از طول فیبري باشد که قرار است اندازه‌گیری شود. محدوده انتخاب شده، بر دقت آزمايش و زمان انجام آن اثرگذار است. از آنجایی که OTDR در هر زمان یک پالس نوری ارسال می‌كند و قبل از ارسال پالس بعدی باید منتظر دریافت پالس‌های برگشتی بماند، بنابراین انتخاب محدوده فاصله، تعیین کننده نرخ ارسال پالس‌های نوری است که به نرخ تکرار پالس (PRR=Rate Repetition Pulse) معروف است. هرچه این نرخ بیشتر باشد، زمان میانگین‌گیری نتایج افت، کمتر خواهد بود. از آنجایی که در فیبر با مسافت طولانی، زمان ارسال پالس طولانی‌تر است، میانگین‌گیری کندتر انجام می‌شود. همچنین ممکن است با پدیده شبح یا Ghost روبرو شویم.
رزولوشن (وضوح)
در بعضی از OTDRها می‌توان رزولوشن اندازه‌گیری یعنی فاصله بین نقاط نمونه‌گیری را انتخاب كرد. رزولوشن بالاتر (یعنی فاصله کمتر نقاط) جزئیات بیشتری از فیبر را فراهم می‌آورد، اما زمان آزمايش طولانی‌تر خواهد شد. بهترین رزولوشن برای اکثر دستگاه‌ها برابر 5 سانتیمتر بین هر دو نقطه است، ولی به طور معمول رزولوشن 8 متر است. رزولوشن بالا می‌تواند محل دقیق یک حادثه را تعیین كند. به طور مثال اگر دستگاه هر 8 متر نمونه برداری نماید، ممکن است شکستگی فیبر 7 متر بعد از نقطه داده، اتفاق افتاده باشد.
به دلیل اینکه نقطه نمونه برداری بعدی 1 متر پس از شکستگی است، آن نقطه در محل انعکاس فرنل قرار گرفته و محل شکستگی 7 متر جلوتر از محل واقعی نشان داده می‌شود، زیرا نقطه شکستگی معمولا آخرین نقطه داده قبل از انعکاس فرنل خواهد بود.
بنابراین خطای محل حادثه معموال تا 7 متر نشان داده می‌شود. در صورت کوتاه‌تر کردن رزولوشن تا 5 سانتی متر خطای محل به نیم متر کاهش می‌یابد. رزولوشن را نباید با مقیاس افقی نمایشگر یکی دانست. همچنین رزولوشن نشانگر صفحه یعنی کمترین فاصله بین دو نقطه نشانگر متوالی، ربطی به فاصله نقاط داده ندارد. نشانگر در بیشتر دستگاه‌ها می‌تواند بین نقاط داده قرار گیرد و به غلط چنین نشان دهد که دستگاه دارای رزولوشن بالایی است.
پهنای پالس
در دستگاه OTDR می‌توان مدت زمان پالس لیزر را تغییر داد. با انتخاب پهنای بزرگتر و یا کوتاه‌تر می‌توان سطح توان برگشتی و ناحیه مرده را کنترل كرد. پالس با پهنای بزرگ، مقدار توان نور بیشتری در نور گسیل می‌کند و بنابراین مسافت طولانی‌تری را طی كرده و توان برگشتی قویتری ايجاد مي‌كند، اما با منطقه مرده و یا نقطة تاریک بزرگتری روبرو خواهیم بود. برعکس، پالس با پهنای کمتر ناحیه تاریک کمتری تحمیل مي‌كند، ولی سطح توان برگشتی نیز کمتر است. پهنای پالس بزرگتر دامنه دینامیک بیشتری فراهم می‌آورد و می‌تـوان سریعا اشکالات فیبـر و شکستکـی در آن را مشخص كرد. با توجه به سطح توان بيشتر، زمان میانگین‌گیری کمتری برای منحنی لازم خواهد بود.
پهنای پالس کم برای بررسی نقاطی از فیبر که به دستگاه نزدیک‌تر است مناسب بوده و نقاط حادثه نزدیک به هم را تشخیص می‌دهد. با توجه به ناحیه مرده کمتر، جزئیات فیبر در نقاط بعد از هر انعکاس فرنل را مشخص‌تر ارائه مي‌كند. اما با توجه به سطح پایین توان برگشتی، مدت زمان میانگین‌گیری بیشتر است. قانون سرانگشتی برای تنظیم پهنای پالس را می‌توان چنین نوشت: “پالس پهن تر برای طول بیشتر – پالس کم برای طول کم”
میانگین گیری
مقدار نور برگشتی از نقاط مختلف حاصل از یک پالس ممکن است کمی متفاوت باشد و منحنی به دست آمده مغشوش خواهد بود. برای دسترسی به منحنی واضح‌تر و قابل بررسی، دستگاه OTDR در هر ثانیه هزاران پالس اندازه‌گیری به درون فیبر می‌فرستد. هر پالس مجموعه‌ای از نقاط داده فراهم می‌آورد. برای هر نقطه از فیبر نقاط داده میانگین‌گیری می‌شود تا بتوان نسبت سیگنال به نویز را بهبود بخشید. میانگین‌گیری زمان‌بر است و وقتی فیبری با متراژ طولانی آزمايش می‌شود و یا فیبری با پهنای پالس کوتاه مورد آزمون قرار می‌گیرد، حجم زیادی داده میانگین‌گیری می‌شود. وقتی آزمون به صورت ”time real ”انجام می‌شود، نیازی به میانگین‌گیری نخواهد بود. در این حالت، در هر لحظه تغییرات توان قابل مشاهده است. معمولا زمانی که قرار است فیبرها به هم جوش بخورند، اندازه‌گیری در حالت ”time real ”آزمايش می‌شود تا در هر لحظه وضعیت اسپالیس را بتوان مشاهده كرد.
ترجمه و تهیه: مهندس علی مساواتی
