Principio de funcionamiento y características de los OTDR

¿Qué es un OTDR?

Un reflectómetro óptico en el dominio del tiempo (OTDR) es un instrumento de fibra óptica que se emplea para la caracterización, la solución de problemas y el mantenimiento de redes de telecomunicaciones de fibra óptica. Las pruebas con OTDR se llevan a cabo mediante la transmisión y el análisis de la luz láser en forma de pulsos que recorre una fibra óptica. Se dice que la medición es unidireccional porque la luz se inserta en un extremo del enlace del cable de fibra óptica.

Con la información obtenida de la firma luminosa resultante reflejada o retrodispersada al punto de origen, el OTDR actúa como un sistema de radar óptico y proporciona al usuario información detallada sobre la ubicación y el estado general de los empalmes, las conexiones, los defectos y otras cuestiones de interés.

Principios de funcionamiento de un OTDR

La precisión y la utilidad de las pruebas con OTDR no serían posibles sin la ciencia que lo precede. Al comprender las leyes físicas que caracterizan a este instrumento, se obtiene una información de valor incalculable sobre los principios que rigen el funcionamiento de un OTDR.

Cuando Albert Einstein planteó la teoría de que los electrones se podían estimular de modo que emitiesen una forma de onda concreta, acababa de sembrar la semilla para lo que finalmente haría posible el primer láser operativo en 1960. Aunque entre las aplicaciones que se contemplaban en aquellos tiempos posiblemente no se incluía el uso de la fibra óptica para las telecomunicaciones de todo el mundo, esta tecnología se ha convertido en la esencia de la conectividad del siglo XXI.

Con el paso de los años, se han aplicado muchos descubrimientos revolucionarios en el desarrollo de probadores OTDR.

Un OTDR consta de una fuente de diodo láser, un detector de fotodiodos y un circuito temporizador (o base de tiempo) de alta precisión. El láser emite un pulso de luz con una determinada longitud de onda y este pulso de luz se transmite a lo largo de la fibra sometida a las pruebas. A medida que el pulso de luz se desplaza por la fibra, partes de la luz transmitida se reflejan o refractan, o se retrodispersan por la fibra hacia el fotodetector del OTDR. La intensidad de esta luz de retorno y el tiempo que esta tarda en volver al detector indican el valor de la pérdida (por inserción y reflexión), el tipo y la ubicación de un evento en el enlace de la fibra.OTDR working principle illustration

La luz vuelve al fotodetector por medio de una serie de mecanismos:

  • Dispersión y retrodispersión de Rayleigh

    Los físicos del siglo pasado seguían dándole vueltas a cuestiones tan básicas como: ¿Por qué el cielo es azul? La respuesta a esta pregunta, según el descubrimiento de Lord Rayleigh en 1904, se basa en lo que se conoce como dispersión de Rayleigh. Cuando los fotones de la luz se dispersan por las moléculas del aire, las ondas de luz resultantes visibles en la Tierra se encuentran principalmente en el extremo azul del espectro, porque la luz azul se dispersa de forma más eficaz que la roja.

    Cuando se inyecta luz en una fibra, algunos de los fotones de la luz se dispersan en direcciones aleatorias debido a las partículas microscópicas de la fibra. Este fenómeno es la dispersión de Rayleigh. Además, parte de la luz se dispersa en la dirección opuesta a la luz transmitida, lo que se conoce como retrodispersión.
    Rayleigh scattering and backscattering effects in fiber

    La naturaleza predecible de la dispersión de Rayleigh se ha integrado como principio de funcionamiento básico en la tecnología de los OTDR. La cantidad de energía luminosa fuente retrodispersada hacia el detector indica de forma confiable la pérdida (óptica) de señal y la atenuación del enlace de la fibra óptica.

  • Reflexión de Fresnel

    Las propiedades de la reflexión de la luz, descritas por el físico óptico Augustin-Jean Fresnel, fueron la antesala de los descubrimientos de Rayleigh e igualmente importantes para el desarrollo de los principios que rigen el funcionamiento de los OTDR.

    Fresnel descubrió el coeficiente de reflexión, que relaciona la amplitud de onda de la luz reflejada con respecto a la onda incidente. Observó que el coeficiente de reflexión se podía calcular para la interfaz de dos materiales basados en sus respectivos índices de refracción.

    La reflexión de Fresnel se produce cuando la luz se refleja en el límite de dos materiales transmisores en términos ópticos con distinto índice de refracción. Este límite se puede producir en una unión (conector o empalme mecánico), el extremo de una fibra sin terminación o una rotura.

    Fresnel reflection illustration
    Dado que muchos eventos de interés en un enlace de fibra óptica, como empalmes, roturas, conexiones y terminaciones, representan intersecciones de materiales específicos, como el vidrio y el aire, las ecuaciones de reflexión de Fresnel se pueden utilizar para determinar el tipo, la ubicación y la intensidad de estos eventos.

  • Absorción

    Otra propiedad física que influye en el rendimiento de la fibra óptica es la absorción de la fibra. Como sugiere su nombre, las impurezas internas absorben un pequeño porcentaje de la intensidad de la luz incidente a lo largo del núcleo de la fibra. Cuanto mayor es la pureza de la fibra, menor es la absorción, lo que significa que un material de calidad superior generará una menor pérdida (óptica) de la señal.

    Puesto que los elementos que provocan la absorción son inherentemente no reflectantes, no se detectarían por medio de las mediciones de reflexión de Fresnel. En su lugar, los efectos de la absorción se capturan a través del efecto de retrodispersión, ya que la luz que vuelve a la fuente se absorbe proporcionalmente a la luz incidente.

Funciones del OTDR

El valor inherente a las pruebas con OTDR radica en el diagnóstico del estado de un cable de fibra óptica que, de otro modo, no se podría determinar. Esto es primordial cuando el enlace contiene varios empalmes y varias conexiones susceptibles de presentar fallos.

Se puede recurrir a la pérdida de retorno óptico (ORL) y la reflectancia para realizar un diagnóstico de las condiciones en las que se produce una pérdida mayor de la esperada en un determinado punto del tendido de fibra óptica. La atenuación total de la fibra se puede evaluar también, ya que el grado de retrodispersión es indicativo de este valor.

Estos mismos principios se utilizan para realizar mediciones de distancia inestimables cuando surgen necesidades en términos de reparación, solución de problemas o mantenimiento. El final del enlace de fibra o la rotura de una fibra se pueden detectar por medio de la reflexión de Fresnel, ya que una rotura o el extremo de una fibra sin terminación supone también un cambio de medio (de vidrio a aire). Además de la longitud general de la fibra, la distancia a los fallos, los empalmes y las conexiones se puede determinar con una presentación gráfica de las conclusiones de los análisis.

Tipos de OTDR

Dado que la utilidad funcional de las pruebas realizadas con OTDR aumenta junto con la demanda de unas mejores funciones de almacenamiento, generación de informes, precisión y velocidad en las pruebas, se sigue diversificando la variedad de la oferta de productos. Las dos categorías predominantes son el de sobremesa y el portátil. Un OTDR de sobremesa es básicamente un instrumento con numerosas características que incorpora una fuente de alimentación directa de CA, mientras que un OTDR portátil o compacto consiste normalmente en un dispositivo ligero que funciona con batería y se ha concebido para su uso sobre el terreno.

Aparte de esta división básica, se deben tener en cuenta cuidadosamente las características y las opciones que ofrece un OTDR en función del uso que se le vaya a dar. Un aspecto importante es el tipo de fibra que vaya a someter a las pruebas: multimodo, monomodo o ambos. Otra variable es la longitud de la fibra sometida a prueba. Los productos diseñados para aplicaciones de larga distancia normalmente cuentan con capacidades de rango dinámico superiores, que no serían necesarios para las pruebas realizadas en enlaces de fibra óptica de menor distancia, como la FTTA.

Las funciones de usabilidad también varían en función del producto, otro motivo por el que la aplicación para la que se elija el OTDR debe ser el factor más importante a la hora de decantarse por un producto (factores importantes a la hora de elegir un OTDR). Por ejemplo, puede que no sea necesario un producto de poco peso para una prueba estacionaria. Sin embargo, si las pruebas las van a llevar a cabo técnicos subidos a torres de estaciones base o en un emplazamiento dinámico, el peso, la duración de la batería y la resistencia de la carcasa del producto cobran importancia.

Parámetros del OTDR

Dada la amplia variedad de aplicaciones de las pruebas con OTDR, configurar los parámetros de forma meticulosa para cada tarea es primordial para obtener unas mediciones precisas. Utilizar una función de prueba automática puede ser suficiente para algunas pruebas, aunque sigue siendo recomendable configurar de forma manual los parámetros debido a las diferencias en términos de longitud, tipo y complejidad de los tendidos de fibra óptica. Una vez que se han establecido los parámetros adecuados para las pruebas de un determinado tendido de fibra óptica, estas configuraciones para las pruebas con OTDR se pueden recuperar de la memoria del instrumento la siguiente vez que se evalúe este tendido u otro similar.

  • Ancho de pulso

    Al establecer el ancho de pulso ajustable, se determina la duración del pulso que se emite al enlace de fibra óptica. Normalmente, se selecciona un ancho de pulso más corto para las longitudes de cable más cortas, ya que de esta manera se maximiza la resolución, al tiempo que se minimiza la salida de energía. Los anchos de pulso cortos resultan especialmente útiles para evaluar segmentos de cable más cercanos al OTDR. Dado que estos anchos de pulso más cortos generarán también zonas muertas más cortas, será más probable detectar eventos cerca de una conexión o empalme. Los ajustes de ancho de pulso de mayor longitud pueden ser convenientes a la hora de realizar pruebas en un tendido de cable más largo, ya que se requiere más energía óptica para producir una retrodispersión suficiente a grandes distancias del OTDR.

  • Zonas muertas

    Cuando el detector del OTDR se satura debido a una interfaz muy reflexiva en el enlace de fibra, el período de recuperación del OTDR se traduce en una determinada distancia con respecto al evento, que se conoce como zona muerta —sección del cable para la que no habrá datos disponibles—. Huecos de aire, empalmes defectuosos, terminaciones de fibra planas (conectores o el extremo de la fibra) y otras incidencias que provocan una alta reflexión de Fresnel suelen ser las causas de las zonas muertas.

  • Rango de distancia

    El ajuste de rango de distancia de un OTDR controla el rango de visualización de la cantidad de cable que se presenta en la pantalla. Además, define el índice de emisión de pulsos, ya que cada pulso debe volver al detector antes de que se envíe el siguiente.

    Para configurar correctamente este parámetro, se requiere una documentación precisa del enlace de fibra óptica. Si el OTDR cuenta con una configuración del rango de distancia previamente establecida, debe seleccionar el ajuste más corto cuya longitud siga siendo superior a la longitud máxima de la fibra. Por ejemplo, si el instrumento cuenta con ajustes de 10, 100, 200 y 500 kilómetros, y el enlace de fibra en cuestión es de 150 kilómetros, debe seleccionar el ajuste de 200 kilómetros.

  • Tiempo de promediado

    En general, se suelen obtener mediciones más precisas calculando el promedio de varias repeticiones de la misma prueba. Este principio es válido también para las mediciones de los OTDR. Los tiempos de promediado más largos, es decir, basados en un mayor número de repeticiones de la misma prueba, ofrecerán una medición con una mejor relación señal-ruido, pero requieren más tiempo. En los casos en los que la precisión y el ruido no sean tan críticos, una “medición en tiempo real”, sin promediado, puede ser suficiente. No obstante, cuando los datos de distancia y pérdidas tengan que ser lo más precisos posible, unos tiempos de promediado mayores podrían estar justificados.

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