Funktionsprinzip und Eigenschaften von OTDRs

Was ist ein OTDR?

Ein optisches Zeitbereichsreflektometer (OTDR) ist ein Glasfaser-Tester, der verwendet wird, um optische Telekommunikationsnetze zu charakterisieren und zu warten sowie Fehlerdiagnosen an diesen durchzuführen. Für OTDR-Messungen wird ein gepulstes Laserlicht in die Glasfaser eingekoppelt und analysiert. Diese Messung wird als unidirektional bezeichnet, da das Licht nur an einem Ende der Faser eingespeist wird.

Das OTDR wertet die zur Quelle zurückreflektierte oder gestreute Lichtsignatur aus. Es funktioniert wie ein optisches Radarsystem, das detaillierte Angaben zum Ort und zum allgemeinen Zustand der Spleiße, Verbinder, Fehlerstellen und anderen relevanten Ereignissen auf der Glasfaser zur Verfügung stellt.

Funktionsprinzip eines OTDRs

Ein OTDR kann nur deshalb so genaue und aussagekräftige Messungen ausführen, weil Wissenschaftler die Eigenschaften von Licht und Glasfasern genau untersucht haben. Um die Funktionsweise eines OTDRs zu verstehen, ist es von Vorteil, die physikalischen Grundlagen zu kennen.

Als Albert Einstein theoretisch beschrieb, wie Elektronen angeregt werden könnten, um eine bestimmte Wellenlänge auszusenden, wurde der Grundstein für weitere Entwicklungen gelegt, die 1960 letztendlich zum ersten betriebsfähigen Laser führten. Während die damals in Erwägung gezogenen Anwendungen wohl kaum die weltweite Telekommunikation mit Glasfaserkabeln umfassten, ist diese Technologie zum Symbol für Netzwerkverbindungen im 21. Jahrhundert geworden.

Im Laufe der Jahre haben mehrere wegweisende Entdeckungen zur Entwicklung der OTDR-Tester beigetragen.

Ein OTDR enthält eine Laserdiode als Lichtquelle, eine Fotodiode als Detektor sowie eine präzise Zeitbasis. Der Laser sendet bei einer spezifischen Wellenlänge einen Lichtpuls aus, der sich durch die zu testende Glasfaser ausbreitet. Auf seinem Weg werden Teile des Lichtsignals reflektiert/gebrochen oder entlang der Faser zum Fotodetektor im OTDR zurückgestreut. Anhand der Intensität des zurückkehrenden Lichtsignals und der Zeitdauer bis zur Ankunft am Detektor ist es möglich, die Einfüge- und Reflexionsdämpfung sowie den Typ und den Ort von Ereignissen auf der Faserstrecke zu berechnen.OTDR working principle illustration

Verschiedene Effekte sind dafür verantwortlich, dass das Licht zum Fotodetektor zurückgeführt wird:

  • Rayleigh-Streuung und Rückstreuung

    Im vorigen Jahrhundert waren die Physiker noch damit beschäftigt, solche grundlegenden Fragen zu klären wie „Warum ist der Himmel blau?“ Die Antwort auf diese Frage, die auf eine Entdeckung von Lord Rayleigh im Jahre 1904 zurückgeht, wird heute als Rayleigh-Streuung bezeichnet. Wenn Lichtteilchen (Photonen) an Molekülen in der Luft gestreut werden, sind auf der Erde hauptsächlich die Lichtwellen am blauen Ende des Spektrums sichtbar, da blaues Licht stärker als rotes Licht gestreut wird.

    Beim Einkoppeln von Licht in eine Glasfaser werden einige Lichtteilchen an den in der Faser vorhandenen Partikeln in beliebige Richtungen gestreut. Das ist die Rayleigh-Streuung. Außerdem wird ein Teil des Lichts zur Quelle zurückgestreut, was als Rückstreuung bezeichnet wird.
    Rayleigh scattering and backscattering effects in fiber

    Da die Rayleigh-Streuung berechenbar ist, wird sie bei OTDR-Messungen als grundlegendes Funktionsprinzip genutzt. Die Menge der zum Detektor zurückgestreuten Lichtenergie informiert recht genau über die Faser- und die Signaldämpfung auf der optischen Übertragungsstrecke.

  • Fresnel-Reflexion

    Die Eigenschaften der Lichtreflexion, die der optische Physiker Augustin-Jean Fresnel noch vor den Entdeckungen von Rayleigh definiert hatte, waren für die Entwicklung des OTDR-Funktionsprinzips gleichermaßen wichtig.

    Er hatte den Reflexionskoeffizienten (Reflexionsgrad) als Verhältnis der Amplitude des reflektierten Licht zur einfallenden Welle bestimmt. Fresnel fand heraus, dass sich der Reflexionskoeffizient für die Übergangsstelle von zwei Materialien anhand von deren Brechzahlen berechnen ließ.

    Eine Fresnel-Reflexion tritt auf, wenn das Licht an der Grenzfläche von zwei lichtdurchlässigen Materialien unterschiedlicher Brechzahl reflektiert wird. Diese Grenzfläche kann an einer Verbindungsstelle (Steckverbinder oder mechanischer Spleiß), an einem nicht abgeschlossenen Faserende oder an einer Bruchstelle auftreten.

    Fresnel reflection illustration
    Da an vielen relevanten Ereignissen auf einer optischen Übertragungsstrecke, wie an Spleißen, Faserbrüchen, Verbindungsstellen und Abschlüssen, ein Übergang zwischen verschiedenen Materialien, wie von Glas zu Luft, auftritt, können die Fresnelschen Formeln zur Reflexion genutzt werden, um den Typ, den Ort und die Intensität dieser Ereignisse zu ermitteln.

  • Absorption

    Eine weitere physikalische Eigenschaft, die bei der Berechnung der optischen Leistung berücksichtigt wird, ist die Absorption der Glasfaser. Hierbei wird ein kleiner Prozentsatz des einfallenden Lichts durch im Kern vorhandene Verunreinigungen über den Faserverlauf „aufgesogen“. Je reiner die Glasfaser, desto weniger Licht wird absorbiert. Das bedeutet, dass höherwertiges Fasermaterial eine geringere optische Signaldämpfung zur Folge hat.

    Da die Komponenten, die eine Absorption hervorrufen, naturgemäß nicht reflektiv sind, würden sie bei der Messung der Fresnel-Reflexion nicht erkannt werden. Stattdessen werden die Absorptionseffekte mit der Rückstreumessung erfasst, da das zur Quelle zurückkehrende Licht proportional zum einfallenden Licht absorbiert wird.

OTDR-Funktionen

OTDR-Messungen genießen deshalb einen hohen Stellenwert, weil sie es ermöglichen, Zustandsparameter eines Glasfaserkabels zu bestimmen, die mit anderen Methoden nicht ermittelbar wären. Das ist umso wichtiger, wenn die Strecke mehrere Spleiße und Verbinder enthält, die Defekte aufweisen können.

Die Messung der optischen Rückflussdämpfung (ORL) und der Reflexion kann genutzt werden, um zu ermitteln, warum an einer spezifischen Stelle der Faserstrecke eine unerwartet hohe Dämpfung auftritt. Auch ist es möglich, anhand des zurückgestreuten Lichtanteils die Gesamtdämpfung der Glasfaser zu bestimmen.

Die gleichen Funktionsprinzipien kommen zur Anwendung, um Entfernungsmessungen auszuführen, die bei Reparaturen, Wartungsarbeiten und bei der Fehlerdiagnose eine unschätzbare Hilfe sind. Das nicht abgeschlossene Faserende oder ein Faserbruch wird mithilfe der Fresnel-Reflexion erkannt, da bei diesen Ereignissen ebenfalls ein Übergang zu einem anderen Material, d. h. von Glas zu Luft, auftritt. Neben der Gesamtlänge der Glasfaser kann in der grafischen Kurvenansicht, die mit der Analyse angezeigt wird, die Entfernung zu Fehlerstellen, Spleißen und Verbindern bestimmt werden.

OTDR-Typen

Das sich der Funktionsumfang der OTDRs sowie die Nachfrage nach höheren Messgeschwindigkeiten, nach einer größeren Genauigkeit, nach Berichtsfunktionen und mehr Speicherkapazität weiter erhöht, unterscheiden sich die angebotenen Produkte teilweise deutlich. OTDRs werden hauptsächlich nach ihrer Ausführung als Tischgerät und Handtester unterschieden. Bei einem OTDR-Tischgerät handelt es sich im Wesentlichen um einen Tester mit direktem AC-Netzanschluss und einem großen Funktionsumfang, während ein kompakter OTDR-Handtester für gewöhnlich batteriebetrieben und für den Feldeinsatz vorgesehen ist sowie ein geringes Gewicht besitzt.

Neben dieser grundlegenden Unterscheidung sollten die jeweiligen Leistungsmerkmale und Optionen, die für ein OTDR angeboten werden, sorgfältig mit dem beabsichtigten Einsatzzweck verglichen werden. Ein wichtiges Kriterium ist der zu testende Glasfaser-Typ: Multimode, Singlemode oder beide? Ein weiterer Parameter ist die Länge der zu testenden Faser. OTDRs, die für Langstreckenanwendungen entwickelt wurden, besitzen für gewöhnlich einen höheren Dynamikbereich, der zum Testen kürzerer optischer Strecken, wie bei FTTA, nicht erforderlich wäre.

Auch die Gebrauchstauglichkeit unterscheidet sich von Produkt zu Produkt. Das ist ein weiterer Grund, warum der beabsichtigte Einsatzzweck des OTDRs das wichtigste Kriterium bei der Entscheidung für oder gegen ein bestimmtes Modell ist (siehe: Kriterien zur Auswahl eines optischen Reflektometers (OTDR)). So ist ein geringes Gewicht bei stationär ausgeführten OTDR-Messungen eventuell nicht so wichtig. Wenn der Techniker mit dem Gerät aber auf einen Sendemast klettern oder unter anderen anspruchsvollen Bedingungen arbeiten muss, dann sind neben dem Gewicht weitere Faktoren, wie die Batteriebetriebsdauer und die Robustheit des Gehäuses, in Betracht zu ziehen.

OTDR-Parameter

Angesichts der zahlreichen Anwendungen für OTDR-Messungen ist es erforderlich, die Parameter für den jeweiligen Tests sorgfältig auszuwählen, um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen. Obgleich die Autotest-Funktion für einige Tests ausreichend sein mag, wird empfohlen, die Parameter manuell auszuwählen, um die verschiedenen Längen, Typen und Anforderungen der Glasfaserstrecken angemessen zu berücksichtigen. Wenn die richtigen Parameter zum Testen der Faserstrecke eingegeben wurden, kann diese Testkonfiguration bei der nächsten Messung der gleichen oder einer ähnlichen Strecke wieder aus dem Speicher des OTDRs geladen werden.

  • Pulsbreite

    Die Pulsbreite definiert die Dauer (Länge) des in die Glasfaser eingekoppelten Lichtpulses. Für kürzere Strecken wird für gewöhnlich auch ein kleinere Pulsbreite (kürzerer Puls) ausgewählt, um bei minimaler Ausgangsleistung eine maximale Auflösung zu erhalten. Kleinere Pulsbreiten bieten sich insbesondere zum Testen von Kabelabschnitten an, die sich näher am OTDR befinden. Da diese kürzeren Pulse auch kürzere Totzonen zur Folge haben, lassen sich Ereignisse, die dicht an einem Steckverbinder oder Spleiß liegen, besser erkennen. Größere Pulsbreiten (längere Pulse) können erforderlich sein, wenn längere Kabelstrecken zu testen sind, da hier eine größere optische Energie benötigt wird, um auch in einer längeren Entfernung vom OTDR eine ausreichende starke Rückstreuung zu erzeugen.

  • Totzonen

    Wenn der Detektor am OTDR durch eine stark reflektierende Schnittstelle auf der Glasfaserstrecke in Sättigung gerät, schafft die vom OTDR benötigte Erholzeit ab dem Ereignis eine „blinde“ Strecke, die als Totzone bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich im Prinzip um einen Kabelabschnitt, für den das OTDR keine Messdaten zur Verfügung stellen kann. Häufige Ursachen für Totzonen sind Luftspalte, mangelhafte Spleiße, plane Stirnflächen (im Steckverbinder oder am Faserende) und andere Ereignisse, die eine starke Fresnel-Reflexion hervorrufen.

  • Entfernungsbereich

    Die an einem OTDR eingestellte Messentfernung definiert die Kabellänge, die auf dem Bildschirm angezeigt werden kann. Ebenfalls festgelegt wird damit, in welchem zeitlichen Abstand (Häufigkeit) die Lichtpulse ausgesendet werden, da jeder Puls erst wieder zum Detektor zurückkehren muss, bevor der nächste Puls eingespeist werden kann.

    Um diesen Parameter exakt einzustellen, wird eine genaue Dokumentation der Glasfaserstrecke benötigt. Wenn das OTDR voreingestellte Entfernungsbereiche besitzt, sollte der Bereich ausgewählt werden, der die bekannte maximale Faserlänge gerade noch mit einschließt. Bietet das OTDR beispielsweise Entfernungen von 10, 100, 200 und 500 Kilometer an und ist die Glasfaser 150 Kilometer lang, müsste die Einstellung für 200 Kilometer ausgewählt werden.

  • Mittelungszeit

    Im Allgemeinen lässt sich die Genauigkeit einer jeden Messung erhöhen, wenn man von den Ergebnissen mehrfach wiederholter, identischer Tests die Mittelwerte bildet. Dieses Prinzip gilt auch für OTDR-Messungen. Je länger die Zeit für die Mittelwertbildung (Mittelungszeit), desto öfter wird der betreffende Test wiederholt, sodass die ermittelte OTDR-Kurve einen besseren optischen Signal-Rauschabstand (OSNR) aufweist. Allerdings ist der Zeitaufwand für ihre Erfassung entsprechend größer. Wenn die Messgenauigkeit und das Rauschen nicht so wichtig sind, reicht unter Umständen auch eine „Echtzeitmessung“ ohne Mittelwertbildung aus. Sollten jedoch möglichst präzise Entfernungs- und Dämpfungswerte benötigt werden, sind längere Mittelungszeiten gerechtfertigt.

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