Principe de fonctionnement et caractéristiques des réflectomètres optiques (OTDR)

Qu’est-ce qu’un réflectomètre optique (OTDR) ?

Un réflectomètre optique (OTDR) est un instrument de test utilisé pour caractériser, dépanner et entretenir les réseaux de télécommunication en fibre optique. Un réflectomètre optique injecte des impulsions lumineuses provenant d’un laser à travers une fibre optique et analyse la lumière réfléchie. On considère ces mesures comme étant unidirectionnelles car la lumière est insérée à une extrémité du lien de fibre optique.

En utilisant des informations obtenues à partir de la lumière renvoyée ou dispersée jusqu’au point d’origine, l’OTDR fonctionne comme un système de radar optique et fournit à l’utilisateur des données détaillées sur la localisation et l’état général des épissures, connexions, défauts et toutes autres caractéristiques pouvant avoir un intérêt.

Principes de fonctionnement d’un réflectomètre optique (OTDR)

Comprendre le fonctionnement d’un réflectomètre optique nécessite certaines connaissances scientifiques. Comprendre les principes de physique sur lesquels se basent les instruments permet d’approfondir considérablement les connaissances relatives aux principes de fonctionnement d’un réflectomètre optique.

Lorsqu’Albert Einstein a émis l’hypothèse que les électrons pouvaient être stimulés pour émettre une forme d’onde spécifique, il a planté une graine qui, au bout du compte, a permis la création du premier rayon laser opérationnel dans les années 1960. Bien que les applications envisagées à cette époque n’incluaient probablement pas l’utilisation de fibres optiques dans le cadre des télécommunications, cette technologie constitue désormais une des principales avancées du 21e siècle en termes de connectivité.

Au fil des années, de nombreuses découvertes révolutionnaires ont été faites dans le cadre du développement des réflectomètres optiques.

Un réflectomètre optique contient une diode laser, une photodiode et un circuit de cadencement ultra précis (ou base de temps). Le laser émet une impulsion optique à une longueur d’onde spécifique. Cette impulsion optique parcourt la fibre testée et ce faisant, une petite quantité de la lumière diffusée est réfléchie ou rétrodiffusée en direction de la photodiode contenu dans l’OTDR. L’intensité de cette lumière renvoyée et le temps qu’elle met à revenir vers le détecteur nous indiquent la valeur de l’affaiblissement (d’insertion et de réflectance), le type et la localisation d’un événement dans le réseau optique.OTDR working principle illustration

La lumière est renvoyée vers la photodiode via différents mécanismes :

  • Diffusion de Rayleigh et rétrodiffusion

    Les physiciens du siècle dernier étaient encore taraudés par des questions fondamentales telles que : « Pourquoi le ciel est-il bleu ? » La réponse à cette question, apportée par Lord Rayleigh en 1904, est désormais connue sous le nom de diffusion de Rayleigh. Lorsque les photons de lumière sont dispersés par des molécules présentes dans l’air, les ondes lumineuses ainsi créées et visibles sur Terre se situent de manière prédominante à l’extrémité bleue du spectre, car la lumière bleue est diffusée plus efficacement que la lumière rouge.

    Lorsque la lumière est injectée dans une fibre, une partie des photons de lumière est diffusée dans des directions aléatoires à cause de particules microscopiques présentes dans la fibre. C’est ce qu’on appelle la diffusion de Rayleigh. De plus, une partie de la lumière est renvoyée dans la direction opposée à celle de la transmission de la lumière. On appelle ce phénomène rétrodiffusion.
    Rayleigh scattering and backscattering effects in fiber

    La nature prévisible de la diffusion de Rayleigh est utilisée comme principe de fonctionnement fondamental par la technologie de réflectométrie. Le volume d’énergie lumineuse issue de la source et rétrodiffusée vers le détecteur fournit un indicatif fiable de l’affaiblissement du signal (ou perte optique) au sein de la liaison fibre optique.

  • Coefficient de Fresnel

    Les propriétés de réflexion de la lumière, caractérisées par le physicien de l’optique Augustin-Jean Fresnel, sont antérieures aux découvertes de Rayleigh mais sont tout aussi importantes vis-à-vis du développement des principes de fonctionnement des réflectomètres optiques.

    Fresnel a découvert le coefficient de réflexion représentant le rapport entre l’amplitude d’onde de la lumière réfléchie et celle de l’onde de la source. Il a observé que le coefficient de réflexion pour l’interface entre deux matériaux pouvait être déterminé en se basant sur les indices de réfraction respectifs de chacun de ces matériaux.

    La réflexion de Fresnel se produit lorsque la lumière est réfléchie au niveau de la frontière entre deux matériaux optiquement transmissifs, ayant chacun un indice de réfraction différent. Dans la fibre optique, ce phénomène apparait lorsque deux connecteurs optiques sont connectés, mais également au niveau d’une épissure mécanique, d’un connecteur optique ouvert (non connecté) ou lorsque la fibre est cassée.

    Fresnel reflection illustration
    A chaque fois que l’extrémité de la fibre optique (qui est en verre) est en contact avec l’air, les coefficients de Fresnel peuvent être utilisés pour déterminer le type, l’emplacement et l’intensité des éléments réfléchissants.

  • Absorption

    Une autre des propriétés physiques propres à la performance d’une fibre optique est l’absorption de la fibre. Comme son nom l’indique, un petit pourcentage de l’intensité lumineuse d’origine est absorbé par des impuretés internes tout au long du cœur de la fibre optique. Plus la fibre optique est pure, moins il y aura d’absorption, ce qui signifie un matériau de meilleure qualité et une atténuation du signal (ou perte optique) réduite.

    Puisque les éléments qui causent l’absorption sont fondamentalement non réfléchissants, ils ne peuvent être détectés grâce aux coefficients de Fresnel. Les effets de l’absorption sont donc capturés via l’effet de rétrodiffusion, car la lumière réfléchie vers la source est absorbée de manière proportionnelle à celle de la lumière incidente.

A quoi sert un réflectomètre

L’intérêt d’un réflectomètre est qu’il permet de diagnostiquer "l’état" d’une fibre optique dans son ensemble, ce qui est impossible à faire d’une autre manière. Cela est essentiel lorsqu’une liaison contient de multiples épissures et connexions susceptibles d’être défectueuses.

La perte par réflexion optique (ORL) et la réflectance peuvent être utilisées pour identifier la raison d’un affaiblissement important du signal à un emplacement spécifique sur la fibre. On peut aussi évaluer l’affaiblissement total de la liaison fibre optique, puisque la quantité de lumière rétrodiffusée fournit une indication sur cette valeur.

Le réflectomètre est également capable de mesurer la distance jusqu’à chaque élément du lien fibre optique (épissure, connecteur...), une valeur importante indispensable pour la réparation, le dépannage et l’entretien de cette liaison fibre optique. L’extrémité de la liaison fibre optique ou la distance exacte de l’endroit où la fibre a été cassée ou coupée peuvent être détectées grâce au coefficient de Fresnel, car une rupture ou une extrémité non terminée constituent un changement de matériau (du verre à l’air). En plus de la longueur totale de la fibre, la distance jusqu’aux défauts, épissures et connexions peut être déterminée avec une représentation graphique des éléments détectés en plus de l’analyse.

Types de réflectomètres (OTDR)

Les réflectomètres ont beaucoup évolués ces dernières années pour répondre aux demandes d’amélioration en termes de vitesse de test, de précision, de génération de rapports et de capacités de stockage. Le nombre de modèle a également largement augmenté. On distingue deux catégories principales : les réflectomètres de laboratoire et portables. Un OTDR de laboratoire est très souvent un instrument avec de très bonnes spécifications techniques mais utilisable principalement sur secteur et avec une portabilité limitée, tandis qu’un OTDR portable, est un appareil léger fonctionnant sur batterie et conçu pour une utilisation de terrain.

Au-delà de cette distinction de base, les fonctionnalités et options disponibles pour chaque OTDR doivent être soigneusement étudiées pour convenir à l’utilisation prévue. Un élément important à prendre en compte est le type de fibre que vous souhaitez tester : multimode, monomode ou les deux. Il est aussi essentiel de considérer la longueur maximum des fibres que vous allez tester. Les produits conçus pour les applications sur longues distances présentent des plages dynamiques plus élevées, lesquelles ne sont pas nécessaires pour tester des liaisons de fibre optique plus courtes, comme les réseaux FTTA.

Certaines fonctions sont disponibles ou non en fonction de l’application, une raison de plus de considérer l’utilisation prévue comme le facteur le plus important quant au choix de votre réflectomètre (Comment bien choisir son réflectomètre optique (OTDR)). Par exemple, un testeur léger n’est pas nécessaire pour des tests dans des lieux où il est possible de poser l’appareil sur une table, mais si les tests impliquent que des techniciens escaladent des pylônes ou se déplacent activement, le poids, mais aussi des caractéristiques telles que l’autonomie de la batterie et la robustesse de l’appareil deviennent alors des éléments de première importance.

Les paramètres de test d’un réflectomètre

Étant donnée la grande diversité d’applications des tests de réflectométrie, un paramétrage adapté à la tâche en cours est essentiel en vue d’obtenir des mesures précises et exactes. L’utilisation d’une fonctionnalité de tests automatiques peut suffire dans certains cas, mais dans d’autres cas, il est nécessaire de configurer manuellement les paramètres en fonction de la longueur, du type et de la complexité du réseau optique testé. Une fois les paramètres correctement configurés dans le réflectomètre pour un certain type de réseau, vous pouvez les enregistrer dans la mémoire de l’instrument et les réutiliser lors de la prochaine évaluation du même réseau ou d’un réseau similaire.

  • Largeur d’impulsion

    La configuration d’une largeur d’impulsion réglable détermine la durée de l’impulsion émise dans la liaison fibre optique. Une largeur d’impulsion courte est généralement choisie pour les câbles plus courts, ce qui permet d’optimiser la résolution. Les largeurs d’impulsion courtes sont particulièrement utiles pour tester des portions de câbles situées à proximité du réflectomètre. Et puisque ces largeurs d’impulsion plus courtes produisent également des zones mortes plus courtes, vous serez en mesure de détecter des événements proches (par exemple, deux épissures espacées de 3 mètres). Les largeurs d’impulsion plus longues sont nécessaires pour tester des câbles plus longs, car une plus grande quantité d’énergie optique est nécessaire pour détecter la fin de fibre éloignée.

  • Zones mortes

    Lorsque la photodiode de l’OTDR est saturée par une interface hautement réflective dans la liaison fibre optique, le temps de récupération de l’OTDR se traduit par une distance juste après l’événement réflectif qu’on appelle zone morte, et qui est en fait une portion du câble pour laquelle aucune donnée n’est disponible. L’espace d’air provoqué par une connexion (par exemple un connecteur PC avec un connecteur APC ou deux connecteurs PC), les connecteurs ouverts à l’extrémité de la fibre et tout autre événement produisant une réflexion de Fresnel élevée constituent les causes habituelles de zones mortes.

  • Plage de distance

    Le paramètre de plage de distance d’un réflectomètre contrôle la plage d’affichage de la courbe OTDR à l’écran. Il permet surtout à l’OTDR de sélectionner les impulsions appropriées en fonction de la distance totale du lien.

    Le bon réglage de ce paramètre nécessite une documentation détaillée et exacte sur la liaison fibre optique. Si l’OTDR dispose de configurations de plage de distance préréglées, choisissez la configuration la plus courte supérieure à la longueur maximale de la fibre. Par exemple, si l’instrument propose des paramètres de 10, 100, 200 et 500 kilomètres et que votre liaison fibre optique est de 150 kilomètres, vous devrez sélectionner l’option 200 kilomètres.

  • Durée moyenne des tests

    On obtient en général des mesures plus exactes en calculant une moyenne de toutes les répétitions d’un même test. Le même principe s’applique aux mesures de réflectométrie optique. Des temps de moyennage plus longs, qui se traduisent par davantage de répétitions du même test, permettront d’obtenir des mesures plus précises grâce au meilleur rapport signal/bruit, mais qui seront plus longues à obtenir. Pour les cas où la précision n’est pas critique, des « mesures en temps-réel », sans moyennage, peuvent suffire. Dans les situations où les données telle que la distance et les mesures d’affaiblissement doivent être aussi exactes que possible, des temps de mesure (et donc de moyennage) plus longs constituent la meilleure option.

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