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Zuverlässige Zertifizierung, Wartung und Fehlerdiagnose von optischen Systemen mit branchenführenden OTDR-Testern und -Verfahren.
OTDR-Messung
Angesichts der rasanten Weiterentwicklung der Glasfaser-Technologie sind OTDR-Messungen unverzichtbar geworden, um optische Systeme aufzubauen, zu zertifizieren, zu warten und zu reparieren.
Ein optisches Zeitbereichsreflektometer (Optical Time Domain Reflectometer, OTDR) ist ein OTDR-Messgerät, das es erlaubt, ein virtuelles Abbild der verlegten Glasfaserstrecke zu erstellen. Die analysierten Daten vermitteln Einblicke in den Zustand der Glasfasern sowie der passiven optischen Komponenten, wie der Steckverbinder, Spleiße, Splitter und Multiplexer, die im optischen Pfad installiert sind.
Wenn die benötigten Daten erfasst, ausgewertet und gespeichert sind, können sie bei Bedarf jederzeit wieder geladen werden, um eventuelle schleichende Verschlechterungen am Glasfaserkabel zu erkennen.
Zudem ist das OTDR-Messgerät das einzige, das es erlaubt, Fehlerstellen an Glasfaserkabeln zu beheben, indem es die Entfernung zur Fehlerstelle und den Fehlertyp, wie Faserbruch, Krümmung und übermäßige Dämpfungen, angibt. Ein OTDR kann als portables Gerät oder für den Einbau in ein Rack ausgeführt sein sowie für die dauerhafte Überwachung des Netzwerks eingesetzt werden, um beispielsweise eine Alarm-Meldung abzusetzen, wenn ein Grenzwert auf der Glasfaser überschritten wird.
Häufige Beeinträchtigungen, die ein OTDR erkennt, sind Signaldämpfungen aufgrund von mangelhaften Steckverbindern sowie gekrümmte, gequetschte oder gebrochene Glasfasern. Zu diesem Zweck führt das OTDR sogenannte Rayleigh-Messungen aus. Raman- und Brillouin-OTDR-Messungen werden dagegen genutzt, um Unterbrechungen vorherzusagen und den Status der Glasfaser mit Hilfe von Temperatur- und Belastungsmessungen zu überwachen. In ihrer Gesamtheit bieten diese drei Messverfahren leistungsstarke Funktionen zum Management der Glasfaser sowie zum Einsatz von Glasfasern für verteilte faseroptische Sensor-Systeme. Damit lassen sich viele Belastungen, die zu einer schrittweisen Beeinträchtigung der Qualität der optischen Verbindung führen, erkennen, noch bevor der Kunde von einem Ausfall des Dienstes betroffen ist.
Obgleich die OTDRs der neuen Generation ursprünglich für faseroptische Langestrecken-Anwendungen, vorgesehen waren, können sie auch für Diagnosen an viel kürzeren Glasfaserkabeln, wie in Flugzeugen, und in Betrieben, beispielsweise bei strukturierten Verkabelungen eingesetzt werden.
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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.
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.
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.
Die Faserlänge wird anhand des Brechungsindexes des Glasmaterials berechnet. Um präzise OTDR-Testergebnisse zu gewährleisten, ist es daher wichtig, dass dieser Wert korrekt eingestellt ist.
Die genaue Zeit, die der Testpuls benötigt, um die Faser zu durchlaufen und zurück zum Empfänger reflektiert oder gestreut zu werden, wird analysiert, um die Position der Verbinder, Spleiße und anderer Dämpfungsereignisse zu ermitteln.
Wenn zuvor Grenzwerte festgelegt wurden, erfolgt für jedes Element der Kabelstrecke eine entsprechende Bewertung mit Gut oder Schlecht. Es ist durchaus möglich, dass eine insgesamt für gut befundene Kabelstrecke eine oder mehrere Elemente aufweist, die einen Test nicht bestanden haben (und umgekehrt). Hier können die bereits erwähnten gespeicherten Testdaten von früheren OTDR-Messungen bei der Fehlerdiagnose hilfreich sein.
Typen von OTDR-Testern
Obgleich sich OTDRs beim Funktionsumfang und bei den Kosten erheblich unterscheiden, werden im Prinzip zwei Grundtypen angeboten.
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.
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.
In Branchen, die großen Wert auf eine hohe Genauigkeit der OTDR-Testergebnisse legen, sind die Norm IEC 61746 sowie die davon abgeleitete Norm TIA/EIA-455-226 allgemein anerkannt.
Die IEC-Norm legt ebenfalls spezifische Vorgehensweisen zum Kalibrieren der Punkt-zu-Punkt-Genauigkeit, der Welligkeit, Dämpfung, Ausgangsleistung, Verzögerung und weiterer Kennwerte fest. Angesichts der Komplexität der OTDR-Kalibrierung sollte diese Aufgabe den OTDR-Herstellern oder zertifizierten Kalibrierlaboren überlassen werden.
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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