OTDR-Messung

Wie funktioniert ein OTDR?

Ein OTDR koppelt einen von einer Laserdiode erzeugten Lichtpuls in ein Ende der Glasfaser ein. Eine Fotodiode misst die zurückkehrende (reflektierte und gestreute) Lichtenergie im Zeitverlauf, wandelt sie in einen elektrischen Wert um, der verstärkt und in Form von Abtastwerten auf dem Bildschirm als Kurve angezeigt wird.

Das OTDR ermittelt die Position und die Dämpfung der passiven optischen Netzelemente, die auch als „Ereignisse“ bezeichnet werden. Der Ort bzw. die Entfernung zu jedem Ereignis wird anhand der Umlaufzeit des Lichtpulses auf der Glasfaser berechnet. Die Dämpfung ergibt sich aus dem Amplitudenwert des zurückkehrenden Signals (Rückstreu-Effekt).

Die meisten modernen OTDRs wählen automatisch die optimalen Parameter für die Aufnahmemessung an der betreffenden Glasfaser aus. Hierzu speisen sie im Rahmen der automatischen Konfiguration Testpulse in die Faser ein.

Vergleich mit ähnlichen Testverfahren

Es gibt deutliche Parallelen zum Testen der Signalintegrität auf Kupferkabeln, die das OTDR mit dem Übergang zu Glasfaserkabeln schrittweise übernommen hat. Um das Funktionsprinzip der OTDR-Messung zu veranschaulichen, bietet sich jedoch eher die Ultraschall-Technologie an.

Bei medizinischen bildgebenden Verfahren erzeugen die Schwingelemente eines Ultraschallwandlers unhörbare hochfrequente (≥20 kHz) Schallwellen. In Abhängigkeit von der Entfernung vom Schallwandler und von der Art des zu analysierenden Materials werden diese Schallwellen ähnlich wie Lichtwellen entweder absorbiert, zur Quelle reflektiert oder in mehrere Richtungen gestreut. Die Frequenz, Richtung und Intensität der zum Wandler zurückkehrenden Schallwellen stellen ausreichend Daten zur Verfügung, um ein detailliertes und präzises Abbild der anatomischen Merkmale im Körper des Menschen zu erstellen.

Fachbegriffe der OTDR-Messtechnik

Um die theoretischen Grundlagen der OTDR-Messung zu verstehen, ist es nötig, einige kritische Testparameter zu kennen.

• Dämpfung

  Die Verringerung der Leistung des Lichtsignals auf dem Übertragungsweg Die Dämpfung wird in Dezibel pro Kilometer (dB/km) angegeben. Diese Signalabschwächung kann durch Spleiße, Steckverbindungen oder auch durch Eigenverluste in der Glasfaser verursacht werden. Um die Gesamtleistung des optischen Systems einschätzen zu können, muss die Dämpfung unbedingt berücksichtigt werden.

• Rückstreuung

  Dieser Fachbegriff bezeichnet die diffuse Reflexion von Lichtwellen zurück zur Quelle. Der Betrag der Rückstreuung ist ein Indikator für die Gesamtdämpfung, da das zur Quelle zurückkehrende Licht die Signalin Dieser Fachbegriff bezeichnet die diffuse Reflexion von Lichtwellen zurück zur Quelle. Der Betrag der Rückstreuung ist ein Indikator für die Gesamtdämpfung, da das zur Quelle zurückkehrende Licht die Signalintensität in Übertragungsrichtung abschwächt. Bei einer OTDR-Messung beträgt der Anteil des zurückgestreuten Lichts nur tensität in Übertragungsrichtung abschwächt. Bei einer OTDR-Messung beträgt der Anteil des zurückgestreuten Lichts nur etwa ein Millionstel des Testpulses.

• Reflexion

  Bezeichnet den Anteil des Lichtes, der von einer Oberfläche zurück geworfen (reflektiert) wird. Im Unterschied zum rückgestreuten Licht kehrt das reflektierte Licht auf direkterem Weg zur Quelle zurück und wird nicht in viele Richtungen gestreut. Da Steckverbinder und Spleiße das Licht reflektieren, ist es möglich, mit Hilfe einer OTDR-Messung die Positionen, Zustandsänderungen und Signaldämpfungen dieser Netzelemente zu bestimmen.

• Brechung

  Bezeichnet die Richtungsänderung eines Lichtstrahls, wenn er von einem Medium in ein anderes Medium übergeht. Der Betrag des reflektierten Lichts ist von der Differenz des Brechungsindexes der beiden durch einen Spleiß verbundenen Glasfasern, von Verunreinigungen in der Glasfaser, von Materialübergängen im Steckverbinder sowie von anderen Änderungen im Übertragungsmedium auf der Kabelstrecke abhängig.

OTDR-Messverfahren

Das OTDR-Messverfahren ist vom Gerätetyp und dem zu testenden Glasfaserkabel sowie vom Zweck der Messung abhängig. Allerdings weisen alle Messverfahren Gemeinsamkeiten auf, die für alle Anwendungen gelten.

• Referenzkabel

  Bevor ein Tester an ein Referenzkabel und an die zu testende Faser angeschlossen wird, müssen die Faserendflächen der Steckverbinder, die für die Messung verwendet werden (OTDR-Anschluss, Referenzkabel, Patchfeld …) genau kontrolliert werden. Für weitere Informationen zur Methode der proaktiven Prüfung der Faserendflächen als ersten Schritt (IBYC) von VIAVI .

  Der nächste Schritt zur Vorbereitung eines OTDR-Tests besteht darin, die Vorlauf- und Nachlaufkabel ordnungsgemäß an beide Enden der Übertragungsstrecke anzuschließen. Das Vorlaufkabel stellt die Verbindung zwischen OTDR und der zu testenden Faserstrecke her. Es wird genutzt, um den Testpuls zu stabilisieren und das OTDR in die Lage zu versetzen, sich von der starken Anfangsreflexion „zu erholen“ und den ersten Steckverbinder der Messstrecke korrekt zu erkennen und zu charakterisieren. Der ausgewählte Steckverbinder der Faser muss zum OTDR-Anschluss kompatibel sein, um die Reflexion an dieser Verbindungsstelle möglichst gering zu halten. Stellen Sie sich eine Schlauchkupplung vor, die nur locker oder schief am Schlauch befestigt ist, sodass sie undicht ist und Wasser zurück in die Kupplung drängt. Beim OTDR kommt es zu einem ähnlichen Effekt, wenn von einer mangelhaften Steckverbindung und/oder einem Luftspalt zwischen Verbindung und Faserende zu viel Laserlicht zur Quelle reflektiert wird. Solche schlechten Einkoppelbedingungen (Steckverbinder) führen dazu, dass der Empfänger im OTDR überlastet (gesättigt) wird und dass die Leistung des in die zu testende Glasfaser eingespeisten Laserpulses stark sinkt. Das bedeutet, dass das OTDR nur einen kleinen Teil der Faserstrecke charakterisieren kann. Ein Nachlaufkabel am fernen Ende der Messstrecke kann helfen, die Gesamtlänge sowie die Dämpfung am letzten Steckverbinder der Strecke genauer zu ermitteln. Für weitere Informationen zur Glasfaser-Charakterisierung.

• OTDR-Test-Parameter

  Techniker, die mit modernen OTDRs arbeiten möchten, müssen die Test-Parameter dieser Geräte kennen und in der Lage sein, sie zu optimieren, um eine hohe Messgenauigkeit und Auflösung zu gewährleisten. Für OTDR-Messungen sind zumeist die nachstehend genannten Parameter einzustellen:

  • Messbereich: Zum Festlegen der gewünschten Messentfernung (Reichweite) in Abhängigkeit von der Gesamtlänge der Glasfaser.
  • Pulsbreite: Die Zeitdauer (Pulsdauer) des ausgesendeten Laserpulses.
  • Messzeit:Die für die Mittelwertbildung der Messungen am reflektierten Licht zur Verfügung stehende Zeit.
  • Brechungsindex: Muss mit der Brechzahl des zu testenden Glasfaserkabels übereinstimmen.

  Im Allgemeinen definiert die Länge der Kabelstrecke die Messwertauflösung, die mit den entsprechenden Einstellungen am OTDR erreicht werden kann. Um eine längere Strecke zu testen, muss man möglicherweise Abstriche bei der Empfindlichkeit machen. Mehr Zeit für die Mittelwertbildung kann die Auflösung verbessern, da sich der optische Signal-/Rauschabstand (OSNR) vergrößert und damit die Daten in der Messkurve „geglättet“ werden.

  Bei der Einrichtung des OTDRs für den Test ist es zudem möglich, die Dämpfungsschwellwerte für das Gesamtsystem und für die einzelnen Steckverbindungen und Spleiße festzulegen. Diese Werte können auf Branchenstandards basieren oder projektspezifisch sein. Zum Festlegen virtueller Anfangs- und Endpunkte für die zu testenden Elemente sind Systemmarker positionierbar.

• OTDR-Autotest

  Viele OTDR-Testmodelle bieten einen „Autotest“. Obgleich diese Funktion automatisch die optimalen Einstellungen für das betreffende System ermittelt, ist es wichtig, dass der Techniker versteht, warum diese Werte ausgewählt wurden und welchen Einfluss sie auf das Messergebnis haben können. Neuere Autotests probieren mehrere Pulsbreiten aus, um die Pulse zu finden, die sowohl Ereignisse nah am Anfang der Faserstrecke als auch Spleiße und Splitter in der Mitte sowie die Abschnitte am fernen Ende des Kabels zuverlässig charakterisieren. Diese Funktion kann die Einrichtung des OTDRs deutlich beschleunigen. Trotzdem ist es hier wie mit dem Autofokus-Modus eines Fotoapparates: Die besten Bilder erzielt man, wenn man die Einstellungen an die konkrete Situation anpasst.

Auswertung der OTDR-Testergebnisse

Nach Abschluss der OTDR-Aufnahmemessung zeigt das System die Testergebnisse in Form von Zahlenwerten sowie als Kurvendiagramm an. Auf der x-Achse wird die Entfernung und auf der y-Achse die Signaldämpfung in dB angegeben. Anhand der Kurve weiß der Techniker, wo sich die einzelnen Steckverbinder, Spleiße oder Unterbrechungen befinden. Ebenfalls angegeben werden die Signaldämpfung und die Reflexionswerte der einzelnen Ereignisse. Hochwertige OTDR-Tester bieten für die Kurve eine symbolbasierte lineare Darstellung an, bei der jedes einzelne Netzelement und Ereignis als aussagekräftiges Symbol angezeigt werden. Neben der Bezeichnung der einzelnen Komponenten/Ereignisse wird auch eine Gut-/Schlecht-Ergebnisauswertung vorgenommen.

Typen von OTDR-Testern

Obgleich sich OTDRs beim Funktionsumfang und bei den Kosten erheblich unterscheiden, werden im Prinzip zwei Grundtypen angeboten.

• Tischgeräte

  Hierbei handelt es sich um OTDR-Messgeräte für den Einsatz im Labor und in der Produktion. Wie der Name bereits sagt, werden diese OTDRs auf einem Labortisch oder einen Prüfstand aufgestellt. Sie besitzen für gewöhnlich ein größeres Display und werden direkt an eine Netzsteckdose angeschlossen. Tischgeräte können gelegentlich auch durch Module, wie optische Schalter für MPO-Tests, die in das Grundgerät gesteckt werden, erweitert werden. Zwar sind OTDR-Tischgeräte für gewöhnlich teurer, dafür bieten sie sich an, wenn eine höhere Genauigkeit, Empfindlichkeit oder ein größerer Messbereich (mit entsprechend stärkeren Pulsen) benötigt wird, um hochpräzise Testergebnisse zu erhalten.

• OTDR-Handtester

  Bei OTDR-Handtestern handelt es sich um portable, zumeist batteriebetriebene Geräte, die nur ein geringes Gewicht (unter 1 kg) besitzen und für den Feldeinsatz optimiert sind. Das Preis-Leistungs-Verhältnis ist für Service-Firmen und Installateure, die Glasfaserkabel für verschiedene Anwendungen verlegen, zertifizieren und reparieren, optimiert. Die Benutzeroberfläche ist zumeist einfach und übersichtlich gehalten, sodass praktisch jeder Techniker mit möglichst geringem Schulungsaufwand das OTDR-Messgerät bedienen und die Testergebnisse verstehen kann. Verschiedene Verbindungsoptionen, wie WLAN oder Bluetooth, erleichtern das Übermitteln von Arbeitsaufträgen und Testergebnissen.

• Eingebettetes oder rackbasiertes OTDR

  Eingebettete OTDRs haben die Größe einer elektronischen Baugruppe. Sie werden möglichst klein gehalten, um den Einbau in Netzwerkgeräte oder Überwachungssysteme zu ermöglichen. Zur Kostenoptimierung werden sie wie elektronische Bauelemente für gewöhnlich in großen Stückzahlen produziert. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach einer kontinuierlichen und proaktiven Überwachung von optischen Infrastrukturen werden diese Ausführungen in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Rackbasierte OTDRs werden mit einem optischen Schalter kombiniert, um automatisch auf Grundlage einer zuvor festgelegten Routine viele Glasfasern überwachen zu können. Diese Routine erlaubt beispielsweise, kritische Glasfasern oder wichtige Kunden bevorzugt zu behandeln. Diese Glasfaser-Überwachung bietet sich an, um aktive optische Pfade während des Betriebs oder auch inaktive, unbeschaltete Fasern (Dark Fiber) zu überwachen.

Technische Daten von OTDRs

Es ist wichtig, die technischen Daten von OTDRs zu kennen, um das für die konkrete Anwendung am besten geeignete Gerät auszuwählen.

• Dynamikbereich

  Der Dynamikbereich ist einer der wichtigsten Kennwerte eines OTDRs, da er die Faserlänge (Reichweite) definiert, die das Gerät maximal überwachen kann. Je größer der Dynamikbereich, desto größer der optische Signal-Rauschabstand (OSNR) und desto besser die Kurven- und Ereigniserkennung. Da die Hersteller jedoch unterschiedliche Berechnungsmethoden verwenden, ist es relativ schwer, den Dynamikbereich zu ermitteln. Definiert ist der Dynamikbereich als die Differenz zwischen dem extrapolierten Punkt der Rückstreukurve am nahen Faserende und dem oberen Pegel des Grundrauschens hinter dem Faserende. Angegeben wird der Dynamikbereich in Dezibel (dB). Die Messung erfolgt über einen Zeitraum von drei Minuten und die Ergebnisse werden gemittelt./p>

• Ereignistotzone

  Die Ereignistotzone (EDZ) bezeichnet den Mindestabstand, der erforderlich ist, um zwei aufeinanderfolgende, nicht gesättigte reflektive Ereignisse (zumeist zwei Steckverbinder) zu unterscheiden. Sollten die reflektiven Ereignisse diesen EDZ-Abstand unterschreiten, zeigt das OTDR-Messgerät sie als ein einziges Ereignis an. Die EDZ ist von der Pulsbreite abhängig. Je kleiner die Pulsbreite, desto kleiner die EDZ.

• Dämpfungstotzone

  Die Dämpfungstotzone (ADZ) ist in der Norm IEC 61745 als der Mindestabstand hinter einem reflektiven Ereignis, wie einem Steckverbinder, oder hinter einer Dämpfung, wie einem Spleiß, definiert, in dem ein nicht reflektives Ereignis, beispielsweise ein Spleiß, noch messbar ist. Sollten die Ereignisse diesen Mindestabstand unterschreiten, werden sie auf der Kurve als ein einziges Ereignis angezeigt. Die ADZ ist ebenfalls von der Pulsbreite abhängig. Je kleiner die Pulsbreite, desto kleiner die ADZ.

• Wellenlängen

  Ein OTDR führt die Messungen bei verschiedenen Wellenlängen aus. Typische Wellenlängen sind 850 nm und 1300 nm für Multimode-Fasern (MMF) und 1310 nm, 1550 nm und 1625 nm für Singlemode-Fasern (SMF). Gefilterte Wellenlängen von 1625 nm und 1650 nm werden für Wartungszwecke eingesetzt, um die für den Verkehr genutzten Übertragungswellenlängen nicht zu stören. Zur Inbetriebnahme, für Modernisierungen und zur Fehlerdiagnose an Singlemode-Fasern, die CWDM/DWDM-Kanäle übertragen, werden CWDM-/DWDM-Wellenlängen genutzt.

OTDR-Kalibrierung

Bei jeder Messtechnik ist die regelmäßige Kalibrierung unverzichtbar, um Messabweichungen zu überwachen und zu korrigieren sowie die relevanten Funktionen auf der Grundlage anerkannter Referenznormen abzugleichen. Während manche Anbieter ein „goldenes Standardkabel“, wie die „Golden Fibre“ von NPL, bevorzugen, setzen andere auf eine elektronisch-optische Simulation, die kein physisches Vergleichsnormal benötigt.

Die Zukunft der OTDR-Messung

Die Hersteller stehen vor der Herausforderung, eine immer größere Funktionalität, Genauigkeit und Auflösung zu einem immer niedrigeren Preis anzubieten. Optimierte Autotest-Algorithmen der OTDRs können die Einstiegsbarriere senken und die Akzeptanz unter den Technikern vergrößern. Ebenso tragen Verbesserungen, die es erlauben, die auf kurzen Kabelstrecken auftretenden überlastenden Reflexionen zu beherrschen, möglicherweise dazu bei, den Einsatzbereich der OTDR-Technologie auf neue Anwendungen auszudehnen.

Die Glasfaser-Technologie hat dazu geführt, dass ein jahrhundertealtes Nebenprodukt der Ziehglas-Herstellung durch zeitgemäße Innovationen und Optimierungen eine wegweisende neue Möglichkeit bietet, den Kommunikationsanforderungen unserer globalen Gesellschaft gerecht zu werden. Mit dem weiteren Anstieg der Datenlast in den Glasfasernetzen müssen sich auch die OTDR-Testfunktionen weiter entwickeln, um diese Herausforderungen bewältigen zu können.

Ohne solche Technologien wie der OTDR-Messung wären die modernen Anwendungen der Glasfasertechnik nicht realisierbar. Die Fähigkeit in Tausende Kilometer von Glasfasern, die nicht dicker als ein menschliches Haar sind, „hineinzusehen“, ist nicht nur eine erstaunliche Leistung sondern auch eine praktische Notwendigkeit geworden.

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