Princípios de funcionamento e características dos OTDRs

O que é um OTDR?

Um reflectômetro óptico no domínio do tempo (OTDR) é um instrumento de fibra óptica usado para caracterizar, fazer o troubleshooting e manter redes de telecomunicações ópticas. O teste com OTDR é realizado transmitindo e analisando o percurso da luz laser pulsada por uma fibra óptica. Diz-se que a medição é unidirecional quando a luz é inserida na extremidade de um enlace de cabo de fibra óptica.

Usando informações obtidas da assinatura de luz resultante refletida ou espalhada de volta ao ponto de origem, o OTDR atua como um sistema de radar óptico, fornecendo ao usuário informações detalhadas sobre a localização e condição geral das emendas, conexões, defeitos e outras características de interesse.

Princípios de funcionamento do OTDR

A precisão e a utilidade do teste de OTDR não seriam possíveis sem a ciência que o precedeu. Compreender a física por trás do instrumento fornece informações valiosas sobre os princípios de funcionamento do OTDR.

Quando Albert Einstein teorizou que os elétrons poderiam ser estimulados a emitir uma forma de onda específica, a semente de possibilidade que levaria finalmente ao primeiro laser operacional em 1960 nasceu. Embora as aplicações previstas naquela época provavelmente não incluíssem as telecomunicações em todo o mundo usando fibra óptica, essa tecnologia agora se tornou sinônimo de conectividade do século XXI.

Ao longo dos anos, muitas descobertas inovadoras foram aproveitadas no desenvolvimento de testadores de OTDR.

Um OTDR contém uma fonte de diodo de laser, um detector de fotodiodo e um circuito de temporização altamente preciso (ou base de tempo). O laser emite um pulso de luz em um comprimento de onda específico e tal pulso de luz viaja ao longo da fibra sendo testada – conforme o pulso se move para baixo, as porções de fibra da luz transmitida são refletidas/refratadas ou espalhadas pela fibra até o detector fotográfico no OTDR. A intensidade dessa luz de retorno e o tempo necessário para que ela chegue de volta ao detector nos informam o valor de perda (inserção e reflexão), o tipo e a localização de um evento no enlace de fibra.OTDR working principle illustration

A luz é devolvida ao detector de fotos por meio de vários mecanismos:

  • Espalhamento e retroespalhamento de Rayleigh

    Os físicos do século passado ainda eram consumidos por questões fundamentais como “Por que o céu é azul?” A resposta para essa pergunta, conforme descoberto por Lorde Rayleigh em 1904, é hoje conhecida como espalhamento de Rayleigh. Quando fótons de luz dispersam moléculas no ar, as ondas de luz resultantes visíveis na Terra são predominantemente na extremidade azul do espectro de cores porque a luz azul é espalhada mais eficientemente do que a vermelha.

    Quando a luz é injetada em uma fibra, alguns dos fótons de luz são espalhados em direções aleatórias devido às partículas microscópicas na fibra – este efeito é chamado de espalhamento de Rayleigh. Além disso, parte da luz é espalhada de volta, na direção oposta da luz transmitida; isto é chamado de retroespalhamento.
    Rayleigh scattering and backscattering effects in fiber

    A natureza previsível do espalhamento de Rayleigh foi aproveitada como um princípio de trabalho fundamental na tecnologia OTDR. O volume de energia da fonte de luz retroespalhada até o detector fornece uma indicação confiável de atenuação e perda de sinal (ou perda óptica) no enlace de fibra óptica.

  • Reflexão de Fresnel

    As propriedades de reflexão da luz, caracterizadas pelo físico óptico Augustin-Jean Fresnel, antecederam as descobertas de Rayleigh, mas foram igualmente importantes para o desenvolvimento dos princípios de funcionamento do OTDR.

    Fresnel descobriu o coeficiente de reflexão, que é uma relação da amplitude da onda de luz refletida em relação à onda original da fonte. Ele descobriu que o coeficiente de reflexão poderia ser previsto para a interface entre dois materiais com base nos respectivos índices de refração desses componentes.

    A reflexão de Fresnel ocorre quando a luz reflete no limite entre dois materiais opticamente transmissíveis, cada um com um índice de refração diferente. Esse limite pode ocorrer em uma junção (conector ou emenda mecânica), em uma extremidade de fibra não terminada ou em uma quebra.

    Fresnel reflection illustration
    Como há muitos eventos de interesse em um enlace de fibra óptica, como emendas, quebras, conexões e terminações, todos representam interseções de materiais específicos, como vidro e ar, as equações de reflexão de Fresnel podem ser usadas para determinar o tipo, localização e intensidade desses eventos.

  • Absorção

    Outra propriedade física que é parte integrante do desempenho da fibra óptica é a absorção da fibra. Como o nome indica, uma pequena porcentagem da intensidade da luz original é absorvida pelas impurezas internas ao longo do comprimento do núcleo da fibra. Quanto maior a pureza da fibra, menos absorção ocorrerá, o que significa que um material de maior qualidade resultará em menor perda de sinal (ou perda óptica).

    Como os elementos que induzem a absorção são inerentemente não refletores, eles não seriam detectados através de medições de reflexão de Fresnel. Em vez disso, os efeitos da absorção são capturados pelo efeito de retroespalhamento, conforme a luz que retorna à fonte é absorvida proporcionalmente à luz incidente.

Funções do OTDR

O valor inerente do teste com OTDR vem do diagnóstico da condição de um cabo de fibra óptica que, de outra forma, seria impossível de ser visualizado. Isso é essencial quando o enlace contém várias emendas e conexões que podem estar sujeitas a falhas.

A perda do retorno óptico (ORL) e a refletância podem ser usadas para diagnosticar condições em que ocorre perda acima do esperado em um local específico do trecho de fibra. A atenuação total da fibra também pode ser avaliada, uma vez que a quantidade de retroespalhamento fornece uma indicação desse valor.

Esses mesmos princípios são usados para calcular medições de distância inestimáveis quando surgem necessidades de reparo, troubleshooting ou manutenção. A extremidade da conexão de fibra ou uma quebra da fibra será detectada através da reflexão de Fresnel, pois uma quebra ou extremidade de fibra não terminada também é uma mudança no meio material (vidro para ar). Além do comprimento total da fibra, a distância até as falhas, emendas e conexões pode ser determinada com uma apresentação gráfica das descobertas que acompanham a análise.

Tipos de OTDR

Conforme a utilidade funcional dos testes com OTDR aumenta junto com a demanda por maior capacidade de velocidade, precisão, geração de relatórios e armazenamento dos dados de testes, a variação nas ofertas de produtos continua a se diversificar. As duas categorias predominantes são os modelos de bancada e os portáteis. Um OTDR de bancada é essencialmente um instrumento com todos os recursos, com uma fonte de alimentação AC direta, ao passo que um OTDR portátil ou compacto é tipicamente um equipamento leve, alimentado por bateria, destinado para uso em campo.

Além dessa divisão básica, os recursos e as opções disponíveis para um OTDR devem ser cuidadosamente considerados com base no uso desejado. Uma consideração importante é o tipo de fibra que você testará – multimodo, monomodo ou ambos. Outra variável é o comprimento da fibra a ser testada. Produtos projetados para aplicações de longa distância geralmente têm recursos de maior range dinâmico que não são necessários para testar enlaces de fibra óptica mais curtos, como FTTA.

Os recursos de uso também variam por tipo de produto, outro motivo pelo qual a aplicação desejada do OTDR deve ser o fator mais importante na seleção do produto (Fatores importantes para escolher um OTDR). Por exemplo, um produto leve pode não ser necessário para um teste estacionário; entretanto, se o teste for executado por técnicos que escalam torres de celular ou que trabalham em uma instalação ativa, o peso e também recursos como bateria e robustez da maleta do produto tornam-se mais importantes.

Parâmetros do OTDR

Com a ampla variedade de aplicações para testes com OTDR, definir os parâmetros com precisão para a tarefa em questão garantirá medições precisas. O uso de uma função de autoteste pode ser suficiente para alguns testes, entretanto a configuração manual dos parâmetros ainda é aconselhável, dada as variações no comprimento, tipo e complexidade dos trechos de fibra óptica. Assim que os parâmetros corretos para testar um determinado trecho de fibra tenham sido estabelecidos, essas configurações de teste com OTDR podem ser recuperadas da memória de um instrumento, na próxima vez que o mesmo trecho ou trecho similar for avaliado.

  • Largura de pulso

    Definir a largura de pulso ajustável determina a duração do pulso que está sendo emitido no enlace de fibra. Uma largura de pulso mais curta é geralmente selecionada para comprimentos de cabo mais curtos, pois isso maximizará a resolução e minimizará a saída de energia. Larguras de pulso curtas são especialmente úteis para avaliar segmentos de cabo que estão mais próximos ao OTDR. Como essas larguras de pulso mais curtas também produzem zonas mortas mais curtas, você terá maior capacidade de detectar eventos próximos a uma conexão ou emenda. Ajustes de largura de pulso mais longos podem ser necessários ao testar um trecho de cabo mais longo, pois mais energia óptica é necessária para produzir um retroespalhamento suficiente a grandes distâncias do OTDR.

  • Zonas mortas

    Quando o detector OTDR fica saturado por uma interface altamente refletora no enlace de fibra, o período de recuperação do OTDR se traduz em uma distância a partir do evento, conhecida como zona morta, que é essencialmente uma parte do cabo para o qual nenhum dado será acessível. Frestas de ar, emendas ruins, conectores ópticos (conectores ou a extremidade da fibra) e outros incidentes que produzem alta reflexão de Fresnel são as causas mais comuns de zonas mortas.

  • Range de distância

    A configuração do range de distância em um OTDR controla o range de display da quantidade de cabo a ser apresentada na tela. Ela também define a taxa de emissão de pulsos, pois cada pulso deve retornar ao detector antes que o próximo pulso seja enviado.

    Definir esse parâmetro adequadamente requer uma documentação precisa do enlace de fibra óptica. Se o OTDR tiver configurações do range de distância predefinidas, você deve escolher a configuração mais curta, que ainda seja maior que o comprimento máximo da fibra. Por exemplo, se o instrumento tiver configurações de 10, 100, 200 e 500 km, e o seu enlace de fibra real tiver 150 km, selecione a configuração de 200 km.

  • Tempo médio

    Em geral, medições mais precisas são produzidas normalmente tirando a média de múltiplas repetições do mesmo teste. Esse mesmo princípio aplica-se às medições com OTDR. Tempos médios mais longos, produzindo mais repetições do mesmo teste, produzirão uma medição com melhor relação sinal-ruído, entretanto demoram mais para serem capturados. Para condições nas quais a precisão e o ruído são menos críticos, uma “medição em tempo real”, sem usar a função de média, pode ser suficiente. Entretanto, para circunstâncias nas quais a distância e a perda de dados devem ser tão precisas quanto possível, tempos médios mais longos podem ser justificados.

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